基于DSP的CPCI總線架構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)圖像信號(hào)處理平臺(tái)

DSP+FPGA混用設(shè)計(jì)
　　
為了提高算法效率，實(shí)時(shí)處理圖像信息，本處理系統(tǒng)是基于DSP+FPGA混用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。業(yè)務(wù)板以FPGA為處理核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)圖像處理，DSP實(shí)現(xiàn)了部分的圖像處理算法和FPGA的控制邏輯，并響應(yīng)中斷，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲(chǔ)實(shí)時(shí)信號(hào)。
　　
首先，本系統(tǒng)要求DSP可以滿足算法控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)算速度高、尋址靈活、通信能力強(qiáng)大的要求。所以，我們選擇指令周期短、數(shù)據(jù)吞吐率高、通信能力強(qiáng)、指令集功能完備的DSP。同時(shí)也考慮了DSP功耗和開發(fā)支持環(huán)境等要素。
　　
由于從探測(cè)儀傳來的低層A/D信號(hào)，其差值預(yù)處理算法的數(shù)據(jù)量大，對(duì)處理速度的要求高，但運(yùn)算結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，選用百萬門級(jí)FPGA進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)。
　　
采用DSP＋FPGA混用的硬件系統(tǒng)就把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到一起，即兼顧了速度和靈活性，又滿足了底層信號(hào)處理和高層信號(hào)處理的要求。因此，非常適合實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)。
系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
　　
CompactPCI作為PCI總線的電氣、軟件和工業(yè)組裝標(biāo)準(zhǔn)，是當(dāng)今最新的計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)之一。CompactPCI總線的高速、堅(jiān)固、可靠、穩(wěn)定，與PCI軟件的良好兼容性，使得它成為工控領(lǐng)域最流行和通用的計(jì)算機(jī)接口總線。
　　
CPCI目前最高傳輸速度528MB/s，可用的PCI－X的最高傳輸速度可達(dá)1066MB/s。
　　
在高速堅(jiān)固，可靠穩(wěn)定的技術(shù)基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了可運(yùn)用客戶自有協(xié)議的CPCI背板和接口統(tǒng)一、高度模塊化的CPCI業(yè)務(wù)板。

綜合業(yè)務(wù)處理平臺(tái)
　　
綜合業(yè)務(wù)處理平臺(tái)是指在單一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)預(yù)處理、復(fù)雜圖像算法、圖像顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、系統(tǒng)控制等任務(wù)。這不僅要求硬件必須具備高性能，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)，嵌入式的應(yīng)用環(huán)境還要求體積小、重量輕、功能強(qiáng)、可靠性高。
　　
完整的系統(tǒng)由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：箱體，電源，背板，A/D預(yù)處理板與信號(hào)處理板等。
箱體，電源和背板
　　
箱體采用標(biāo)準(zhǔn)19英寸上架的外型尺寸。內(nèi)部空間:支持2U 4槽CPCI背板;支持2個(gè)3U CPCI 電源。箱體背部雙電源輸入接口,通斷式開關(guān)(支持常開)。以便響應(yīng)斷電后系統(tǒng)重啟的要求。
　　
3U CPCI電源支持熱插拔；采用和系統(tǒng)一體的智能管理電源背板；支持AC輸入。
　　
背板上有4個(gè)6U插槽，每個(gè)插槽有5個(gè)插座：P1，P2，P3，P4，P5。P1,P2為標(biāo)準(zhǔn)PCI,提供5V/3.3V信號(hào)環(huán)境。
　　
系統(tǒng)槽P3，P3，P5定義按照系統(tǒng)板MIC-3369定義標(biāo)準(zhǔn)。
　　
擴(kuò)展槽:P1，P2，P3，P4，P5 采用穿透型長(zhǎng)針,前后穿透,配護(hù)套。P1，P2這樣設(shè)計(jì)，前插板和后插板都可以根據(jù)實(shí)際需求從背板上取得供電。P3,P4,P5提供完善的信號(hào)前后路由。
　　
此外，3個(gè)擴(kuò)展槽的P3之間、P4之間、P5之間設(shè)計(jì)為PIN TO PIN連通。
　　
這樣設(shè)計(jì)，為業(yè)務(wù)板間建立線性擴(kuò)展，上一級(jí)處理模塊與下一級(jí)模塊通信建立了物理通信端口。

A/D預(yù)處理板
　　
考慮到系統(tǒng)每個(gè)業(yè)務(wù)板都要處理多路輸入，而且工程安裝設(shè)備要求便利，我們專門為模擬輸入的信號(hào)調(diào)理設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的處理模塊：尺寸為233.35mm×80mm×1槽空間。這樣信號(hào)線全部在箱體后部接入。每個(gè)業(yè)務(wù)板一一對(duì)應(yīng)預(yù)處理的數(shù)字信號(hào)按照預(yù)定的方式通過P5高速傳送到對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)板上的FIFO。FIFO控制器根據(jù)觸發(fā)的有效來變換工作方式。

圖1 A/D預(yù)處理

信號(hào)處理板
　　
考慮到系統(tǒng)擴(kuò)展和故障排除的便利，業(yè)務(wù)處理板設(shè)計(jì)成統(tǒng)一的架構(gòu)。這樣，用戶針對(duì)不同的處理業(yè)務(wù)只要更改設(shè)計(jì)好的軟件內(nèi)核，硬件接口程序和用戶界面都不用更改。同樣，排除故障時(shí)只要更換同樣的業(yè)務(wù)板即可完成。

圖2 數(shù)據(jù)流程
　　
業(yè)務(wù)處理板尺寸為233.35mm×160mm×1槽空間；支持PICMG 2.1熱插拔規(guī)范。
　　
板上DSP和FPGA各自帶有RAM，用于存放業(yè)務(wù)處理過程所需要的數(shù)據(jù)。
PMC I/O擴(kuò)展板
　　
實(shí)際應(yīng)用于工程時(shí)，模塊化的系統(tǒng)部件通常需要接受外部指令或通過特定的I/O接口輸出數(shù)據(jù)。我們采用了PMC卡來解決。PMC(PCI Mezzanine Card )規(guī)范IEEE 1386 給出了mezzanine模塊的標(biāo)準(zhǔn)。它提供了一種針對(duì)不同載板規(guī)格高性價(jià)比的實(shí)現(xiàn)I/O功能的方式。

圖3 PMC示意圖
　　
PMC標(biāo)準(zhǔn)是把PCI總線信號(hào)映像到P1386板卡上。單模塊尺寸單((74mm x 149mm)上的前突起部分用來接通I/O，通過標(biāo)為P1、P2、P3、P4的四個(gè)聯(lián)接頭與載板上PCI互聯(lián)。
　　
用戶可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的要求選擇標(biāo)準(zhǔn)PMC網(wǎng)絡(luò)接口卡接受和傳輸數(shù)據(jù)。也可以按照需要定制各種串口I/O接口卡，完成時(shí)統(tǒng)調(diào)度。