為了提高算法效率，實(shí)時(shí)處理圖像信息，本文主要介紹了基于CPCI 總線設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理業(yè)務(wù)所需的一種專用設(shè)備平臺(tái)。平臺(tái)基本方案的主要部分是采用DSP+FPGA混用設(shè)計(jì)的業(yè)務(wù)板、電氣接口以及物理形狀因數(shù)。架構(gòu)設(shè)計(jì)選擇開放式的Compact PCI總線作為基本,采用CPCI標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)用于I/O處理。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)。

　　DSP+FPGA混用設(shè)計(jì)

　　FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。FPGA一般來說比ASIC（專用集成芯片）的速度要慢，無法完成復(fù)雜的設(shè)計(jì)，而且消耗更多的電能。但是他們也有很多的優(yōu)點(diǎn)比如可以快速成品，可以被修改來改正程序中的錯(cuò)誤和更便宜的造價(jià)。廠商也可能會(huì)提供便宜的但是編輯能力差的FPGA。因?yàn)檫@些芯片有比較差的可編輯能力，所以這些設(shè)計(jì)的開發(fā)是在普通的FPGA上完成的，然后將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到一個(gè)類似于ASIC的芯片上。另外一種方法是用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件備）。

　　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，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的信號(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)。實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)是指對(duì)運(yùn)算速度要求高、運(yùn)算種類多、寬帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)木C合性信息處理系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　Compact PCI（Compact Peripheral Component Interconnect）簡(jiǎn)稱CPCI，中文又稱緊湊型PCI，是國(guó)際工業(yè)計(jì)算機(jī)制造者聯(lián)合會(huì)（PCI Industrial Computer Manufacturer's Group，簡(jiǎn)稱PICMG）于1994提出來的一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)。是以PCI電氣規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)的高性能工業(yè)用總線。CPCI的出現(xiàn)不僅讓諸如CPU、硬盤等許多原先基于PC的技術(shù)和成熟產(chǎn)品能夠延續(xù)應(yīng)用，也由于在接口等地方做了重大改進(jìn)，使得采用CPCI技術(shù)的服務(wù)器、工控電腦等擁有了高可靠性、高密度的優(yōu)點(diǎn)。CPCI是基于PCI電氣規(guī)范開發(fā)的高性能工業(yè)總線，適用于3U和6U高度的電路插板設(shè)計(jì)。CPCI電路插板從前方插入機(jī)柜，I/O數(shù)據(jù)的出口可以是前面板上的接口或者機(jī)柜的背板。它的出現(xiàn)解決了多年來電信系統(tǒng)工程師與設(shè)備制造商面臨的棘手問題，比如傳統(tǒng)電信設(shè)備總線VME（Versa Module Euro card）與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PCI（Peripheral Component Interconnect）總線不兼容問題。

　　CPCI目前傳輸速度528MB／s，可用的PCI-X的傳輸速度可達(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)、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。

　　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)3UCPCI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。

　　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。

　　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)只要更換問樣的業(yè)務(wù)板即可完成。
　　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。

　　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(PCIMezzanine Card)規(guī)范IEEE 1386給出了mezza-nine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。

　　PMC標(biāo)準(zhǔn)是把PCI總線信號(hào)映像到PJ386板卡上。單模塊尺寸單((74mm ×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。

　　系統(tǒng)處理板

　　MIC-3369采用低功耗Pentium-M處理器和優(yōu)化的Intel*E7501+ICH4R芯片組，具有支持64BIT／66MHz的系統(tǒng)總線，提供了3.2GB／s的帶寬，性能具有的競(jìng)爭(zhēng)力。MIC-3369在設(shè)計(jì)上支持PICMG2.16規(guī)范，兼容PICMG 2.9規(guī)范，能夠與遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)平臺(tái)協(xié)同工作。

　　系統(tǒng)應(yīng)用

　　在(遠(yuǎn))紅外遙測(cè)系統(tǒng)中開展紅外數(shù)字視頻信號(hào)成像的實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。

　　在對(duì)大尺度空間或復(fù)雜地形進(jìn)行遙感觀瞄時(shí)，采用了多個(gè)紅外頻段的探測(cè)器。根據(jù)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制出圖像輸出到顯示終端，并把大量數(shù)據(jù)快速存儲(chǔ)到本地硬盤供后續(xù)使用。

　　實(shí)時(shí)目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)

　　在IC生產(chǎn)或精密器件研磨加工都使用了工業(yè)視頻處理系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，并行輸入輸出的信號(hào)頻率一般不高，但對(duì)信號(hào)處理和實(shí)時(shí)性的要求很嚴(yán)格。

　　我們應(yīng)用上述架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)實(shí)時(shí)目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的任務(wù)主要足接收多個(gè)工位上傳的位置量傳感器，位移量傳感器和攝像頭輸出的灰度圖象，經(jīng)預(yù)處理、編碼、算法處理和目標(biāo)識(shí)別后，輸出結(jié)果到顯示終端，同時(shí)發(fā)出指令給控制電路。其中，低層的處理，其運(yùn)算數(shù)據(jù)量大，但運(yùn)算結(jié)構(gòu)較規(guī)則，適于用FPGA進(jìn)行純硬件實(shí)現(xiàn)；而算法處理及目標(biāo)識(shí)別等高層圖象處理，要用到多種協(xié)議結(jié)構(gòu)，用DSP編程來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的示意圖如圖5所示。

　　結(jié)語

　　采用本文介紹的體系結(jié)構(gòu)，能夠在一個(gè)開放的模塊化的平臺(tái)上迅速實(shí)現(xiàn)高密度高可靠性的系統(tǒng)。它具有以下特點(diǎn)：

　　1.低MTTR，高可用性；

　　2.系統(tǒng)配置靈活和升級(jí)、維護(hù)方便；

　　3.方便實(shí)施系統(tǒng)定制，降低研發(fā)成本；

　　4.迅速實(shí)現(xiàn)專屬應(yīng)用，提高競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。