基于FPGA的多DSP红外实时图像处理系统设计

O 引言

　　随着红外探测技术迅猛的发展，当今红外实时图像处理系统所要处理的数据量越来越大，速度要求也越来越快，利用目前主流的单DSP+ FPGA硬件架构进行较为复杂的图像处理算法运算时，有时就显得有些捉襟见肘了。使用多信号处理板虽可满足复杂处理的要求，但系统成本和设计复杂度会大大增加，对于对空间质量有严格要求的系统也是不可行的，多处理器系统应用的需求越来越迫切。

　　本文提出了一种新型的基于FPGA和四端口存储器的三DSP图像处理系统。它不同于以往的主从处理器结构，而是3个处理器分别连接四端口存储器的3个端口，处于同等地位，对图像数据并行处理，FPGA占用存储器另一端口进行数据流的控制管理和其他功能实现。这种连接方式增强了系统的重组性和扩展行，软件开发也更加灵活方便。

1 系统硬件结构

　　1．1 图像处理系统的组成

　　图像处理系统主要包括DSP及其周边电路，FPGA电路，四端口存储器电路、显示电路、HotLink接口电路等。图1所示为图像处理系统的原理框图。

　　1．2 FPGA电路设计

　　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三栅极氧化层技术制造而成，具有百万门级以上的逻辑资源，大容量片内Block RAM，用于高速数字信号处理的新型XtremeDSP，灵活的数据接口，软硬件嵌入式处理器核等诸多资源。与前一代器件相比，在其性能和密度加倍的同时功耗却减半，非常适合用于大规模SoPC系统。配置芯片使用XCF32P芯片。在FPGA外围连接了D/A视频芯片，HoTLINK传输芯片，SDRAM存储器等器件，用以完成显示、存储等功能。

　　1．2．1 与HotLink电路接口

　　HotLink是点对点物理层器件(PHY)的世界领先供应商Cypress导体公司产品，高集成度HotLink收发器是市面上销售的同类产品中灵活性最强的芯片之一，它提供了很宽的工作范围(0．2～1．5Gb/s)、可旁路8 B/10 B编码和备用输出。每款HotLink独立通道器件都在一个单片解决方案中集成了发送、接收、先入先出(FIFO)和编码器/解码器(ENDEC)功能，为用户提供了稳定性和通用性最好的高速图像数据传输解决方案。在此选用CY7B923作为发送芯片，将采集到的图像数据通过HotLink接口发送到图像记录设备进行记录。

　　1．2．2 扩展存储器接口

　　FPGA外接SDRAM做为外扩存储器。SDRAM芯片选用HY57V561620，该芯片为16位的SDRAM，工作频率为100 MHz。SDRAM工作状态转换图如下：

　　1．2．3 与视频显示电路接口

　　显示电路中选用的数/模转换芯片为ADI公司的ADV7122芯片，该芯片为三通道10 b的视频数/模转换芯片。

　　1．3 四端口存储器电路设计

　　四端口存储器使用IDT公司的IDT70V5388芯片。该芯片为64K×18 b的同步四端口存储器，4个端口可同时对存储器的任何地址进行操作，每个端口的最大输出速率为200 MHz，因此4个端口总的数据带宽为14 Gb/s。

　　存储器每个端口都设置有邮箱中断功能，这一功能能够很好地实现与各个端口相连器件的相互通信。选择邮箱中断功能后，每个端口给分配一个邮箱，当某一端口向其他端口的邮箱写入数据时，该端口将会产生邮箱中断。PORT1向PORT2的邮箱地址(0xFFFE)进行写操作，PORT2将产生邮箱中断，PORT2对该邮箱地址进行读操作之后清除邮箱中断。

　　1．4 DSP电路设计

　　DSP芯片选用Ti公司的TMS32C6414 EGLZA6E3，其主频为600 MHz。TMS320C6414是TI公司高性能的定点DSP。该芯片采用超长指令字结构(VLIW)，每个时钟周期可以执行8个32位指令。