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摘要: 本文主要介紹了基于CPCI 總線設(shè)計的實時信號處理業(yè)務(wù)所需的一種專用設(shè)備平臺。平臺基本方案的主要部分是采用DSP+FPGA混用設(shè)計的業(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(tǒng)設(shè)計的相關(guān)技術(shù)
1．1 DSP+FPGA混用設(shè)計簡介
為了提高算法效率，實時處理圖像信息，本處理系統(tǒng)是基于DSP+FPGA混用結(jié)構(gòu)設(shè)計的。業(yè)務(wù)板以FPGA為處理核心，實現(xiàn)數(shù)字視頻信號的實時圖像處理，DSP實現(xiàn)了部分的圖像處理算法和FPGA的控制邏輯，并響應(yīng)中斷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲實時信號。
首先，本系統(tǒng)要求DSP可以滿足算法控制結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(fā)支持環(huán)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(shù)據(jù)量大，對處理速度的要求高，但運算結(jié)構(gòu)簡單，選用百萬門級ＦＰＧＡ進行硬件實現(xiàn)。
采用DSP＋FPGA混用的硬件系統(tǒng)就把兩者的優(yōu)點結(jié)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(tǒng)。
實時信號處理系統(tǒng)是指對運算速度要求高、運算種類多、寬帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)木C合性信息處理系統(tǒng)。
1．2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計簡介
CompactPCI作為PCI總線的電氣、軟件和工業(yè)組裝標準，是當今最新的計算機標準之一。CompactPCI總線的高速、堅固、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(wěn)定的技術(shù)基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)設(shè)計了可運用客戶自有協(xié)議的CPCI背板和接口統(tǒng)一、高度模塊化的CPCI業(yè)務(wù)板。
二. 綜合業(yè)務(wù)處理平臺
2．1 簡述
綜合業(yè)務(wù)處理平臺是指在單一平臺實現(xiàn)多路信號預處理、復雜圖像算法、圖像顯示、數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)控制等任務(wù)。這不僅要求硬件必須具備高性能，可以進行實時處理，同時，嵌入式的應(yīng)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(tǒng)由以下幾個模塊構(gòu)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(nèi)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(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(huán)境。系統(tǒng)槽P3,P3,P5定義按照系統(tǒng)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(shè)計，前插板和后插板都可以根據(jù)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(shè)計為PIN TO PIN連通。這樣設(shè)計，為業(yè)務(wù)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(tǒng)每個業(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調(diào)理設(shè)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(yè)務(wù)板一一對應(yīng)
預處理的數(shù)字信號按照預定的方式通過P5高速傳送到對應(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。
2．4 信號處理板
考慮到系統(tǒng)擴展和故障排除的便利，業(yè)務(wù)處理板設(shè)計成統(tǒng)一的架構(gòu)。這樣，用戶針對不同的處理業(yè)務(wù)只要更改設(shè)計好的軟件內(nèi)核，硬件接口程序和用戶界面都不用更改。同樣，排除故障時只要更換同樣的業(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。
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)。
2．5 PMC I/O擴展板
實際應(yīng)用于工程時，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模塊的標準。它提供了一種針對不同載板規(guī)格高性能價格比的實現(xiàn)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(lián)接頭與載板上PCI互聯(lián)。
用戶可以根據(jù)現(xiàn)場的要求選擇標準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，完成時統(tǒng)調(diào)度。
2．6 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，性能具有極佳的競爭力。. MIC-3369在設(shè)計上支持PICMG2.16規(guī)范,兼容PICMG 2.9規(guī)范，能夠與遠程管理系統(tǒng)平臺協(xié)同工作。
三．系統(tǒng)應(yīng)用
3．1（遠）紅外遙測系統(tǒng)
在（遠）紅外遙測系統(tǒng)中開展紅外數(shù)字視頻信號成像的實時處理系統(tǒng)。
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(jù)不同的精度數(shù)據(jù)進行處理，繪制出圖像輸出到顯示終端，并把大量數(shù)據(jù)快速存儲到本地硬盤供后續(xù)使用。
系統(tǒng)的工作原理如下圖：
3．2 實時目標探測系統(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(yīng)用上述架構(gòu)實現(xiàn)了一個實時目標檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的任務(wù)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(jīng)預處理、編碼、算法處理和目標識別后，輸出結(jié)果到顯示終端，同時發(fā)出指令給控制電路。其中，低層的處理，其運算數(shù)據(jù)量大，但運算結(jié)構(gòu)較規(guī)則，適于用ＦＰＧＡ進行純硬件實現(xiàn)；而算法處理及目標識別等高層圖象處理，要用到多種協(xié)議結(jié)構(gòu)，用ＤＳＰ編程來實現(xiàn)。系統(tǒng)的示意圖如下：
四．總結(jié)
采用本文介紹的體系結(jié)構(gòu),能夠在一個開放的模塊化的平臺上迅速實現(xiàn)高密度高可靠性的系統(tǒng)。它具有以下特點：
1. 低 MTTR，高可用性
2.系統(tǒng)配置靈活和升級、維護方便
3.方便實施系統(tǒng)定制，降低研發(fā)成本
4．迅速實現(xiàn)專屬應(yīng)用，提高競爭優(yōu)勢
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