基于FPGA的多DSP紅外實時圖像處理系統設計

O 引言

　　隨著紅外探測技術迅猛的發展，當今紅外實時圖像處理系統所要處理的數據量越來越大，速度要求也越來越快，利用目前主流的單DSP+ FPGA硬件架構進行較為復雜的圖像處理算法運算時，有時就顯得有些捉襟見肘了。使用多信號處理板雖可滿足復雜處理的要求，但系統成本和設計復雜度會大大增加，對于對空間質量有嚴格要求的系統也是不可行的，多處理器系統應用的需求越來越迫切。

　　本文提出了一種新型的基于FPGA和四端口存儲器的三DSP圖像處理系統。它不同于以往的主從處理器結構，而是3個處理器分別連接四端口存儲器的3個端口，處于同等地位，對圖像數據并行處理，FPGA占用存儲器另一端口進行數據流的控制管理和其他功能實現。這種連接方式增強了系統的重組性和擴展行，軟件開發也更加靈活方便。

1 系統硬件結構

　　1．1 圖像處理系統的組成

　　圖像處理系統主要包括DSP及其周邊電路，FPGA電路，四端口存儲器電路、顯示電路、HotLink接口電路等。圖1所示為圖像處理系統的原理框圖。

　　1．2 FPGA電路設計

　　FPGA芯片使用Xilinx公司Virtex-4系列的SX35芯片。virtex4系列的FPGA利用90 nm三柵極氧化層技術制造而成，具有百萬門級以上的邏輯資源，大容量片內Block RAM，用于高速數字信號處理的新型XtremeDSP，靈活的數據接口，軟硬件嵌入式處理器核等諸多資源。與前一代器件相比，在其性能和密度加倍的同時功耗卻減半，非常適合用于大規模SoPC系統。配置芯片使用XCF32P芯片。在FPGA外圍連接了D/A視頻芯片，HoTLINK傳輸芯片，SDRAM存儲器等器件，用以完成顯示、存儲等功能。

　　1．2．1 與HotLink電路接口

　　HotLink是點對點物理層器件(PHY)的世界領先供應商Cypress導體公司產品，高集成度HotLink收發器是市面上銷售的同類產品中靈活性最強的芯片之一，它提供了很寬的工作范圍(0．2～1．5Gb/s)、可旁路8 B/10 B編碼和備用輸出。每款HotLink獨立通道器件都在一個單片解決方案中集成了發送、接收、先入先出(FIFO)和編碼器/解碼器(ENDEC)功能，為用戶提供了穩定性和通用性最好的高速圖像數據傳輸解決方案。在此選用CY7B923作為發送芯片，將采集到的圖像數據通過HotLink接口發送到圖像記錄設備進行記錄。

　　1．2．2 擴展存儲器接口

　　FPGA外接SDRAM做為外擴存儲器。SDRAM芯片選用HY57V561620，該芯片為16位的SDRAM，工作頻率為100 MHz。SDRAM工作狀態轉換圖如下：

　　1．2．3 與視頻顯示電路接口

　　顯示電路中選用的數/模轉換芯片為ADI公司的ADV7122芯片，該芯片為三通道10 b的視頻數/模轉換芯片。

　　1．3 四端口存儲器電路設計

　　四端口存儲器使用IDT公司的IDT70V5388芯片。該芯片為64K×18 b的同步四端口存儲器，4個端口可同時對存儲器的任何地址進行操作，每個端口的最大輸出速率為200 MHz，因此4個端口總的數據帶寬為14 Gb/s。

　　存儲器每個端口都設置有郵箱中斷功能，這一功能能夠很好地實現與各個端口相連器件的相互通信。選擇郵箱中斷功能后，每個端口給分配一個郵箱，當某一端口向其他端口的郵箱寫入數據時，該端口將會產生郵箱中斷。PORT1向PORT2的郵箱地址(0xFFFE)進行寫操作，PORT2將產生郵箱中斷，PORT2對該郵箱地址進行讀操作之后清除郵箱中斷。

　　1．4 DSP電路設計

　　DSP芯片選用Ti公司的TMS32C6414 EGLZA6E3，其主頻為600 MHz。TMS320C6414是TI公司高性能的定點DSP。該芯片采用超長指令字結構(VLIW)，每個時鐘周期可以執行8個32位指令。