实时计算平台设计方案:911-基于6U VPX的光纤图像DSP实时计算平台

基于6U VPX的光纤图像DSP实时计算平台

 

一、系统组成

      该平台基于风冷式的 6U 6槽VPX图像处理平台,包括:计算机主板、计算机主板后板、存储板、图像信号处理板、图像信号处理板后板、图像光纤转接板、机箱背板及机箱组成。图1为系统背板结构示意图:

图 1:系统背板互联示意图

备注:上图槽5板卡为太速自研的图像接口板,作为预留板卡,并不包含在系统组成中。

二、计算机主板

2.1.概述:

      计算机主板选用6U VPX i7 刀片计算机,该产品是一款基于第三代Intel i7双核四线程(或四核八线程)的高性能6U VPX刀片式计算机。产品提供了可支持全网状交换的高速数据通道,其中P1,P2各支持4个PCIe x4 Gen3总线接口。该产品具有很强的扩展性,可以很好满足多负载多节点的应用需求。

      产品结构完全满足VITA 46.0规范,兼容OpenVPX (VITA 65)标准,具有很强的可靠性、可维护性、可管理性,并与军用计算机的抗振动、抗冲击、抗宽温环境急剧变化等恶劣环境特性进行完美融合。产品集成Intel HD Graphics 4000显卡,支持VGA显示。同时,产品特别注重DDR3双通道内存、PCIe、USB3.0、GbE和SATA3.0等高速串行总线的信号完整性设计,以及高性能和宽温环境下的电源可靠性设计,以确保该VPX计算机在车载、舰载、机载等多种恶劣环境下的可靠性运行。

  

图 2:6U VPX i7 刀片计算机

三、6U VPX存储板

      存储板选用6U VPX 的mSATA高性能数据存储板。

 

3.1.产品特性:

 ● 存储容量4TB

 ● 读写方式RAID0 ,读写速率2GB/s

 ● 四路x4 SRIO@5Gbps/Lane

 ● 两路 x4 PCIe@5Gbps/Lane

 ● 板载4GB DDR3 SDRAM

 ● 板载 2颗 128MB NorFlash

 ● 两路1000Base-T接口

 ● 符合VITA46.0 VPX Base Standard

 

图 3:存储板原理框图

3.2.产品规格:

处理能力

两片 Xilinx FPGA XC7K325T-2FFG900I

存储能力

每片FPGA外挂DDR3 SDRAM 256M x 64bit

每片FPGA 外挂BPI Flash 128MB,用于程序加载

外挂8个mSATA盘 @ 6Gbps/lane,总容量 可达4TB

VPX接口

P0:单电源供电,系统复位(低电平有效),SM总线(IIC)

P1:四组x4 SRIO @ 5Gbps/Lane

P2:两组x4 PCIe @ 5Gbps/Lane,一个千兆以太网 10/100/1000 Base-T

P3:32对LVDS

P4:32对LVDS

前面板

一个千兆以太网

两个电源指示灯

一个系统复位按键

两个FPGA分别引出4个LEDs至前面板,用于状态指示及调试

片间互联

两个FPGA 实现72对LVDS互联

工作温度

-40℃~70°C

供电要求

单电源DC12V 5A

散热方式

风冷散热

四、图像信号处理板

4.1.概述:

      图像信号处理板选用6U VPX的双TMS320C6678+Xilinx FPGA K7 XC7K420T的图像信号处理板。

      图像信号处理板包括2片TI 多核DSP处理器-TMS320C6678,1片Xilinx FPGA XC7K420T-1FFG1156,1片Xilinx FPGA XC3S200AN。实现四路千兆以太网输出,两路422输出。通过FPGA的GTX ,LVDS实现高速背板互联。采用6U VPX架构。芯片满足工业级要求,板卡满足抗震要求。

      图像信号处理板卡负责对视频信号进行处理,返回或输出。板卡采用双 TI 8核DSP处理器 TMSC6678,Xilinx的 K7-XC7K420T处理器 ,Xilinx 的Spartans XC3S200AN处理器,TI的MSP430处理器。其中CFPGA负责管理板卡的上电时序,时钟配置,系统及模块复位等,MCU负责检测板卡的温度、电源。

 

图 4:图像信号处理板实物图

 

图 5:图像信号处理板原理框图

4.2.技术指标:

● 支持2个TMS320C6678芯片,每片DSP外挂DDR3,256M x 64bit容量; Nor Flash 16M x16bit容量;4路以太网接口,DSP之间通过HyperLink x4 互联,支持4 x 3.125Gbps带宽。

● DSP与K7直接通过RapidIO x4模式互联,支持4 x 3.125 Gbp速度。

● DSP 与K7 通过I2C,SPI,Uart,GPIO接口互联。

● DSP调试为普通JTAG口,FPGA-K7为BPI模式。

● 板卡要求工业级芯片。结构满足抗震要求。

● 板卡采用双电源供电,12V 6A,5V 1A。

4.3.接口互联设计:

● 两片6678通过 Hyperlink x4 @3.125Gbps /per Lane 互联。

● 每片6678的SGMII-0通过PHY芯片,连接至排针。

● 每片6678的SGMII-1通过PHY芯片,连接到VPX-P4。

● 每片6678的PCIe x2 连接至VPX-P3。

● 每片6678和K7通过 SRIO x4 @ 3.125G bps /per Lnae互联。

● 每片6678和K7实现GPIO,SPI,I2C,UART互联。

● 每片6678 和CFPGA 实现GPIO,SPI互联。

● K7和CFPGA实现GPIO互联。

● K7的 GTX x20 分别连接至 VPX的P1,P2,P3接口。

● K7的LVDS x10 连接至VPX-P5。

● K7 输出两组422信号连接至VPX-P4。

4.4.物理特性:

● 尺寸:6U VPX板卡,大小为160X233.35mm

● 工作温度:-40℃~ +85℃

● 工作湿度:10%~80%

五、图像信号处理板后板:

      

      图像信号处理板后板设计包含8个光模块,连于前板Kintex7 的GTX,光纤速率6.25Gbps,用2个光模块接2路光纤图像输入板卡;以及引出两路DSP的以太网口,方便视频压缩数据输出。

图 6:图像信号处理板后板布局图

六、软件设计内容

6.1软件流程说明

 

图1-3 图像处理平台原理框图

CameraLink相机转光纤传输(A点):

 ● 传输图像格式为2种,5120X384X200fsX8bit黑白(3.15Gbps),5120X3840X25fsX8bit(3.94Gbps)黑白,单路图像最大带宽约为4Gbps,所需高速接口有效带宽至少5Gbps;

 ● 单路光纤Aurora64B66B x1最大速率6.25Gbps,有效带宽为6.06Gbps。

 ● 信号处理板卡板带宽(B、C、E点): 

 ● 信号处理板卡FPGA到DSP RapidIO带宽(B点),Kintex7 FPGA RapidIO 到DSP的传输带宽4 x 3.125Gbps x 50% = 6.25Gbps;

信号处理板卡到存储磁盘阵列的带宽(C点),信号处理板卡和存储磁盘阵列通过SIRO 实现数据传输;每个板卡2组RapidIO,每组传输带宽4 x 3.125Gbps x 50% = 6.25Gbps/s;

 ● FPGA到计算机板PCIe传输带宽(E点),Kintex7 FPGA需要把2路视频抽取传输给计算机板显示,通过PCIe 2.0X4,理论带宽5GbpsX4=20G,有效带宽不低1250MB/s。

 ● FPGA到内存的带宽,FPGA外挂两组DDR3,每组容量512MB;每组DDR3读写带宽800M x 32 /8 x 80%(读写效率)= 1600MB/s;

 ● DSP到内存的带宽,每片DSP外挂1GB的DDR3;每片DDR3读写带宽1333M x 64 /8 x 50%(读写效率)= 5332MB/s。

存储板存储带宽(D点):

 ● 存储板包含8片mSATA(4TB),构成一个Radi0模式,最大存储速度是2.4GB/s。

计算机板和存储磁盘阵列传输带宽(F点):

 ● 计算机板和存储磁盘阵列实现PCIe x4 互联,进行图像数据导出;计算机板和存储磁盘阵列传输带宽通过PCIe接口 2.0X4,理论带宽5GbpsX4,有效带宽不低1250MB/s。

6.2存储卡mSATA数据的采集回放

 

6.3PCIe影像显示软件

程序版本:pcie_pic_show_win7_x64

开发环境:VS2010

操作系统:Windows 7-64bit

图像处理库:OpenCV-2.3.1

驱动软件:WinDriver (win7-64bit版本)

软件路径:...\pcie_pic_show_win7_x64\x64\Debug\ test_pci.exe

      影像采集显示软件,通过PCIe接口控制存储卡发起或者结束DMA操作,计算对应影像帧频,显示传输状态,提供上位机软件函数,将图像显示到指定区域。

此处影像采集数据为连续8bit灰度图像数据,上位机软件可启动、停止或者将数据存文件于磁盘E(路径可在程序更改)。

      点击

开始采集并显示图像,点击

停止采集及显示。点击

可将当前一幅图像的数据保存于指定盘内。此处显示

绿色为正在采集显示,显示

红色为停止采集显示。这是1S的图像帧频统计

,于真实图像帧率可能稍有误差。

 

 

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