基于DSP的CPCI總線(xiàn)架構設計的實(shí)時(shí)圖像信號處理平臺

DSP+FPGA混用設計
　　
為了提高算法效率，實(shí)時(shí)處理圖像信息，本處理系統是基于DSP+FPGA混用結構設計的。業(yè)務(wù)板以FPGA為處理核心，實(shí)現數字視頻信號的實(shí)時(shí)圖像處理，DSP實(shí)現了部分的圖像處理算法和FPGA的控制邏輯，并響應中斷，實(shí)現數據通信和存儲實(shí)時(shí)信號。
　　
首先，本系統要求DSP可以滿(mǎn)足算法控制結構復雜、運算速度高、尋址靈活、通信能力強大的要求。所以，我們選擇指令周期短、數據吞吐率高、通信能力強、指令集功能完備的DSP。同時(shí)也考慮了DSP功耗和開(kāi)發(fā)支持環(huán)境等要素。
　　
由于從探測儀傳來(lái)的低層A/D信號，其差值預處理算法的數據量大，對處理速度的要求高，但運算結構簡(jiǎn)單，選用百萬(wàn)門(mén)級FPGA進(jìn)行硬件實(shí)現。
　　
采用DSP＋FPGA混用的硬件系統就把兩者的優(yōu)點(diǎn)結合到一起，即兼顧了速度和靈活性，又滿(mǎn)足了底層信號處理和高層信號處理的要求。因此，非常適合實(shí)時(shí)信號處理系統。
系統架構設計
　　
CompactPCI作為PCI總線(xiàn)的電氣、軟件和工業(yè)組裝標準，是當今最新的計算機標準之一。CompactPCI總線(xiàn)的高速、堅固、可靠、穩定，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算機接口總線(xiàn)。
　　
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1066MB/s。
　　
在高速堅固，可靠穩定的技術(shù)基礎上，本系統設計了可運用客戶(hù)自有協(xié)議的CPCI背板和接口統一、高度模塊化的CPCI業(yè)務(wù)板。

綜合業(yè)務(wù)處理平臺
　　
綜合業(yè)務(wù)處理平臺是指在單一平臺實(shí)現多路信號預處理、復雜圖像算法、圖像顯示、數據存儲、系統控制等任務(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)，嵌入式的應用環(huán)境還要求體積小、重量輕、功能強、可靠性高。
　　
完整的系統由以下幾個(gè)模塊構成：箱體，電源，背板，A/D預處理板與信號處理板等。
箱體，電源和背板
　　
箱體采用標準19英寸上架的外型尺寸。內部空間: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(kāi)關(guān)(支持常開(kāi))。以便響應斷電后系統重啟的要求。
　　
3U CPCI電源支持熱插拔；采用和系統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為標準PCI,提供5V/3.3V信號環(huán)境。
　　
系統槽P3，P3，P5定義按照系統板MIC-3369定義標準。
　　
擴展槽:P1，P2，P3，P4，P5 采用穿透型長(cháng)針,前后穿透,配護套。P1，P2這樣設計，前插板和后插板都可以根據實(shí)際需求從背板上取得供電。P3,P4,P5提供完善的信號前后路由。
　　
此外，3個(gè)擴展槽的P3之間、P4之間、P5之間設計為PIN TO PIN連通。
　　
這樣設計，為業(yè)務(wù)板間建立線(xiàn)性擴展，上一級處理模塊與下一級模塊通信建立了物理通信端口。

A/D預處理板
　　
考慮到系統每個(gè)業(yè)務(wù)板都要處理多路輸入，而且工程安裝設備要求便利，我們專(zhuān)門(mén)為模擬輸入的信號調理設計一個(gè)標準的處理模塊：尺寸為233.35mm×80mm×1槽空間。這樣信號線(xiàn)全部在箱體后部接入。每個(gè)業(yè)務(wù)板一一對應預處理的數字信號按照預定的方式通過(guò)P5高速傳送到對應業(yè)務(wù)板上的FIFO。FIFO控制器根據觸發(fā)的有效來(lái)變換工作方式。

圖1 A/D預處理

信號處理板
　　
考慮到系統擴展和故障排除的便利，業(yè)務(wù)處理板設計成統一的架構。這樣，用戶(hù)針對不同的處理業(yè)務(wù)只要更改設計好的軟件內核，硬件接口程序和用戶(hù)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 數據流程
　　
業(yè)務(wù)處理板尺寸為233.35mm×160mm×1槽空間；支持PICMG 2.1熱插拔規范。
　　
板上DSP和FPGA各自帶有RAM，用于存放業(yè)務(wù)處理過(guò)程所需要的數據。
PMC I/O擴展板
　　
實(shí)際應用于工程時(shí)，模塊化的系統部件通常需要接受外部指令或通過(guò)特定的I/O接口輸出數據。我們采用了PMC卡來(lái)解決。PMC(PCI Mezzanine Card )規范IEEE 1386 給出了mezzanine模塊的標準。它提供了一種針對不同載板規格高性?xún)r(jià)比的實(shí)現I/O功能的方式。

圖3 PMC示意圖
　　
PMC標準是把PCI總線(xiàn)信號映像到P1386板卡上。單模塊尺寸單((74mm x 149mm)上的前突起部分用來(lái)接通I/O，通過(guò)標為P1、P2、P3、P4的四個(gè)聯(lián)接頭與載板上PCI互聯(lián)。
　　
用戶(hù)可以根據現場(chǎng)的要求選擇標準PMC網(wǎng)絡(luò )接口卡接受和傳輸數據。也可以按照需要定制各種串口I/O接口卡，完成時(shí)統調度。