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摘要: 本文主要介紹了基于CPCI 總線設計的實時信號處理業務所需的一種專用設備平臺。平臺基本方案的主要部分是采用DSP+FPGA混用設計的業務板、電氣接口以及物理形狀因數。架構設計選擇開放式的Compact PCI總線作為基本,采用CPCI標準平臺用于I/O處理。
一. 系統設計的相關技術
1．1 DSP+FPGA混用設計簡介
為了提高算法效率，實時處理圖像信息，本處理系統是基于DSP+FPGA混用結構設計的。業務板以FPGA為處理核心，實現數字視頻信號的實時圖像處理，DSP實現了部分的圖像處理算法和FPGA的控制邏輯，并響應中斷，實現數據通信和存儲實時信號。
首先，本系統要求DSP可以滿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。同時也考慮了DSP功耗和開發支持環境等要素。
由于從探測儀傳來的低層A/D的信號，其差值預處理算法的數據量大，對處理速度的要求高，但運算結構簡單，選用百萬門級ＦＰＧＡ進行硬件實現。
采用DSP＋FPGA混用的硬件系統就把兩者的優點結合到一起，即兼顧了速度和靈活性，又滿足了底層信號處理和高層信號處理的要求。因此，非常適合實時信號處理系統。
實時信號處理系統是指對運算速度要求高、運算種類多、寬帶數據傳輸的綜合性信息處理系統。
1．2 系統架構設計簡介
CompactPCI作為PCI總線的電氣、軟件和工業組裝標準，是當今最新的計算機標準之一。CompactPCI總線的高速、堅固、可靠、穩定，與PCI軟件的良好兼容性，使得它成為工控領域最流行和通用的計算機接口總線。
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1066MB/s。
在高速堅固，可靠穩定的技術基礎上，本系統設計了可運用客戶自有協議的CPCI背板和接口統一、高度模塊化的CPCI業務板。
二. 綜合業務處理平臺
2．1 簡述
綜合業務處理平臺是指在單一平臺實現多路信號預處理、復雜圖像算法、圖像顯示、數據存儲、系統控制等任務。這不僅要求硬件必須具備高性能，可以進行實時處理，同時，嵌入式的應用環境還要求體積小、重量輕、功能強、可靠性高。完整的系統由以下幾個模塊構成：箱體，電源，背板，A/D預處理板與信號處理板等。
2．2 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3U CPCI 電源。箱體背部雙電源輸入接口,通斷式開關(支持常開)。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6U插槽，每個插槽有5個插座：P1,P2,P3,P4,P5。P1,P2為標準PCI,提供5V/3.3V信號環境。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，為業務板間建立線性擴展，上一級處理模塊與下一級模塊通信建立了物理通信端口。
2．3 A/D預處理板
考慮到系統每個業務板都要處理多路輸入，而且工程安裝設備要求便利，我們專門為模擬輸入的信號調理設計一個標準的處理模塊：尺寸為:233.35mm*80mm*1槽空間。這樣信號線全部在箱體后部接入。每個業務板一一對應
預處理的數字信號按照預定的方式通過P5高速傳送到對應業務板上的FIFO。FIFO控制器根據觸發的有效來變換工作方式。
2．4 信號處理板
考慮到系統擴展和故障排除的便利，業務處理板設計成統一的架構。這樣，用戶針對不同的處理業務只要更改設計好的軟件內核，硬件接口程序和用戶界面都不用更改。同樣，排除故障時只要更換同樣的業務板即可完成。
業務處理板尺寸為：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，用于存放業務處理過程所需要的數據。
2．5 PMC I/O擴展板
實際應用于工程時，模塊化的系統部件通常需要接受外部指令或通過特定的I/O接口輸出數據。我們采用了PMC卡來解決。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能價格比的實現I/O功能的方式。
PMC標準是把PCI總線信號映像到P1386板卡上。單模塊尺寸單（(74mm x 149mm)上的前突起部分用來接通I/O，通過標為P1、P2、P3、P4的四個聯接頭與載板上PCI互聯。
用戶可以根據現場的要求選擇標準PMC網絡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，完成時統調度。
2．6 系統處理板
MIC-3369采用低功耗 Pentium -M處理器和優化的Intel*E7501＋ICH4R芯片組，具有支持64BIT/66MHZ的 系統總線，提供了3.2GB/s的帶寬，性能具有極佳的競爭力。. MIC-3369在設計上支持PICMG2.16規范,兼容PICMG 2.9規范，能夠與遠程管理系統平臺協同工作。
三．系統應用
3．1（遠）紅外遙測系統
在（遠）紅外遙測系統中開展紅外數字視頻信號成像的實時處理系統。
在對大尺度空間或復雜地形進行遙感觀瞄時，采用了多個紅外頻段的探測器。根據不同的精度數據進行處理，繪制出圖像輸出到顯示終端，并把大量數據快速存儲到本地硬盤供后續使用。
系統的工作原理如下圖：
3．2 實時目標探測系統
在IC生產或精密器件研磨加工都使用了工業視頻處理系統。在這樣的系統中，并行輸入輸出的信號頻率一般不高，但對信號處理精度和實時性的要求很嚴格。
我們應用上述架構實現了一個實時目標檢測系統，該系統的任務主要是接收多個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，經預處理、編碼、算法處理和目標識別后，輸出結果到顯示終端，同時發出指令給控制電路。其中，低層的處理，其運算數據量大，但運算結構較規則，適于用ＦＰＧＡ進行純硬件實現；而算法處理及目標識別等高層圖象處理，要用到多種協議結構，用ＤＳＰ編程來實現。系統的示意圖如下：
四．總結
采用本文介紹的體系結構,能夠在一個開放的模塊化的平臺上迅速實現高密度高可靠性的系統。它具有以下特點：
1. 低 MTTR，高可用性
2.系統配置靈活和升級、維護方便
3.方便實施系統定制，降低研發成本
4．迅速實現專屬應用，提高競爭優勢
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