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DC2000系列純硬件拼接控制器特點(diǎn)

    純硬件拼接控制器DC2000是在2006年推出的最新技術(shù)產(chǎn)品，產(chǎn)品以FPGA陣列為硬件基礎(chǔ)，采用并行高速圖形處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多路高速視頻信號的統(tǒng)一處理，從根本上取代插卡式拼接控制器，解決了VGA信號輸入數(shù)量受到限制的問題。產(chǎn)品主要特點(diǎn)如下：

    一、獨(dú)創(chuàng)的FPGA硬件圖形并行處理技術(shù)

    FPGA(Field Programmable Gate Array)，稱為現(xiàn)場可編程邏輯陣列，是最近新發(fā)展的硬件技術(shù)。FPGA芯片具有速度快，并行處理，功能靈活的特點(diǎn)，但芯片本身只是一個(gè)空白的硬件平臺，不具備任何功能，需要技術(shù)人員根據(jù)自己的要求對其進(jìn)行硬件編程。DC2000的處理核心就是FPGA芯片陣列。

    系統(tǒng)具有高速信號處理技術(shù)，保證高分辨信號輸入輸出的實(shí)時(shí)處理。DC2000采用DDR技術(shù)作高速數(shù)據(jù)緩存，運(yùn)用流水線技術(shù)，對高速信號進(jìn)行分級順序處理，保證了信號的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)輸入標(biāo)準(zhǔn)分辨率可高達(dá)1600x1200x60Hz(需要預(yù)定)，非標(biāo)分辨率可以達(dá)到更高，并且保證每一禎都能夠?qū)崟r(shí)的處理完畢，輸入與輸出之間沒有時(shí)間拖延。在多單元顯示一路信號、一單元顯示多路信號、多單元多信號漫游疊加等情況下，顯示信號均無延遲。即便在所有輸入信號都漫游疊加在一起的極限情況下，所有信號一樣保持動態(tài)實(shí)時(shí)性。

    系統(tǒng)采用基于輸入端口的信號并行處理技術(shù)，有效的增加了輸入信號個(gè)數(shù)。系統(tǒng)通過芯片陣列，對高速圖形數(shù)據(jù)流進(jìn)行逐級處理，每一路信號輸入都對應(yīng)一列處理器。這樣就相當(dāng)于很多處理器同時(shí)工作，做到數(shù)據(jù)的并行處理，極大的提高了系統(tǒng)運(yùn)算速度。有效的是用并行處理技術(shù)使得數(shù)據(jù)得到分散處理，沒有了工控機(jī)單處理器的速度瓶頸，從而使得系統(tǒng)對輸入信號個(gè)數(shù)不敏感。就是說增加信號輸入個(gè)數(shù)，并不增加系統(tǒng)的總體運(yùn)算負(fù)擔(dān)，這樣系統(tǒng)就能夠接納多個(gè)高速信號。能夠有效的進(jìn)行多路VGA/RGB信號輸入，是DC2000與普通插卡式工控機(jī)相比，最大的性能優(yōu)勢。

    系統(tǒng)屬于純硬件數(shù)據(jù)處理，沒有運(yùn)行Windows和Linux操作系統(tǒng)，不是一臺計(jì)算機(jī)，不需要營盤、光驅(qū)、顯卡等輔助設(shè)備。

    二、最新的基于LVDS高速數(shù)字信號交換體系

    DC2000采用所有輸入通道并行方式進(jìn)入核心處理模塊，每條總線使用4個(gè)高速LVDS信號，這與工控機(jī)拼接控制器的PIC總線有本質(zhì)上的區(qū)別。

    普通工控機(jī)的PCI總線，基本結(jié)構(gòu)是多個(gè)PCI插卡使用同一組總線，一般是32個(gè)數(shù)據(jù)位。如下圖所示，6個(gè)卡使用同一PCI總線，實(shí)際上進(jìn)入核心處理器的數(shù)據(jù)只能是其中的一個(gè)卡上的信號，PCI總線要分時(shí)復(fù)用。由于CPU核心處理器同一時(shí)間只能處理一個(gè)信號，這樣的總線結(jié)構(gòu)對于這樣的CPU正好適合。DC2000采用并行處理結(jié)構(gòu)，這樣的總線是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到處理器速度需求的。

工控機(jī)的PCI總線結(jié)構(gòu)

    為適應(yīng)核心并行數(shù)據(jù)處理要求，DC2000采用并行總線接入方式，就是說每個(gè)通道都有獨(dú)自的總線接入核心處理系統(tǒng)。多個(gè)通道采用并行的方式可以實(shí)時(shí)的將數(shù)據(jù)送入核心的FPGA處理陣列。

    如果每個(gè)輸入通道都使用PCI總線，那么最終形成的輸入線數(shù)量會多得驚人。在FPGA核心處理部分中，也許要多組信號進(jìn)行實(shí)時(shí)交換。如果也采用并行總線結(jié)構(gòu)，那么系統(tǒng)間的連線數(shù)量會成幾何上升，使得系統(tǒng)最終無發(fā)實(shí)際使用。

    為解決此結(jié)構(gòu)問題，我們采用超高速LVDS進(jìn)行信號傳輸。LVDS，是低電平數(shù)字信號的簡稱，其特點(diǎn)是用兩根線差分傳輸一個(gè)數(shù)字狀態(tài)，線間電壓低，信號傳輸速度快，本系統(tǒng)中使用的LVDS信號速度為2.5G/S，信號額定最高速度可以達(dá)到4G/S以上。使用LVDS進(jìn)行圖像傳輸，4組線即可傳送超高頻的顯示信號。是用高速串行信號，極大的減少了系統(tǒng)連線的，使得每個(gè)輸入輸出通道只使用4組線與系統(tǒng)核心計(jì)算單元連接。LVDS信號與并行總線信號，最常見的體現(xiàn)是硬盤ATA的并行排線接口和新型硬盤SATA的LVDS接口。下圖為DC2000基本系統(tǒng)節(jié)構(gòu)圖。

DC2000多通道并行總線結(jié)構(gòu)及串行通信方式

    三、最新的NIOSII硬件控制系統(tǒng)

    DC2000系統(tǒng)采用并行硬件系統(tǒng)，這樣很大程度提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度，但并行處理，就意味著很多器件同時(shí)工作，增加了系統(tǒng)元件個(gè)數(shù)，這樣，所有器件的同時(shí)統(tǒng)一控制，就成為重要問題。對于工控機(jī)而言，只有一個(gè)CPU進(jìn)行核心運(yùn)算，數(shù)據(jù)是串行處理的，因此配置一套接口，就可以控制所有的設(shè)備，而DC2000需要用一個(gè)高速控制器同時(shí)控制多于32個(gè)其他部件，同時(shí)又要能靈活的協(xié)調(diào)各部分順序運(yùn)行。為解決此問題，我們選用了基于FPGA的高速軟內(nèi)核NiosII。

    NiosII處理器是Altera公司為其FPGA產(chǎn)品配套開發(fā)的軟核CPU。在邏輯功能上，它們是32位的精簡指令集CPU；在實(shí)現(xiàn)方式上，它們是在FPGA上通過編程的方式實(shí)現(xiàn)的，這也是與傳統(tǒng)的CPU的一個(gè)根本的差別。NiosII的總線采用了哈佛結(jié)構(gòu)，在很大程度上提高了系統(tǒng)的處理速度。由于系統(tǒng)的總線控制器是在FPGA中實(shí)現(xiàn)的，可以進(jìn)行靈活的配置，在某些外設(shè)需要具有馮諾依曼特性時(shí)又可以把兩套總線合二為一，從而在局部實(shí)現(xiàn)馮諾依曼結(jié)構(gòu)，這樣就使得系統(tǒng)總線兼有哈佛結(jié)的高效率與馮諾依曼結(jié)構(gòu)的靈活性。NiosII系統(tǒng)總線自動對不同時(shí)鐘域進(jìn)行協(xié)調(diào)，可以使掛在總線上的組件工作在不同的主頻下，使系統(tǒng)更為靈活。

    DC2000使用一片F(xiàn)PGA，內(nèi)嵌NiosII軟內(nèi)核，成為系統(tǒng)核心控制器。在這片F(xiàn)PGA上，還編程實(shí)現(xiàn)了64個(gè)外圍通信控制模塊，為系統(tǒng)提供64個(gè)可同時(shí)工作的基于LVDS的高速接口，與全部系統(tǒng)其他器件進(jìn)行高速通信。系統(tǒng)工作時(shí)，數(shù)據(jù)計(jì)算FPGA陣列、輸入輸出端口、系統(tǒng)面板、紅外接收器、網(wǎng)絡(luò)端口、RS232控制口等元件向主控FPGA發(fā)送狀態(tài)信息和請求指令。軟核的外圍通信控制模塊先預(yù)處理這些信息，將其最主要的內(nèi)容交給內(nèi)核，其他附屬信息不需要經(jīng)過主控制程序，由外圍器件自行應(yīng)答。主控程序是在內(nèi)核上運(yùn)行的并行流水線流程控制程序，它負(fù)責(zé)整臺機(jī)器的正常順序工作和非常狀態(tài)處理。程序根據(jù)用戶指令和系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，向外圍模塊批量發(fā)送簡單控制指令。由外圍模塊編譯指令，通過LVDS高速串行口發(fā)送給系統(tǒng)其他設(shè)備。

    DC2000使用基于FPGA的NiosII軟核和并行外圍通信控制模塊，提高了整臺機(jī)器的信息處理性能，將復(fù)雜的并行控制簡單化；用一個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)全部控制，編程調(diào)試簡單方便，易于升級。

    四、DC2000與普通工控機(jī)拼接卡系統(tǒng)的性能比較

    目前市場上使用的圖像拼接控制器，大體分為兩種。一種是組裝的工控機(jī)，需要從國外購買Datapath卡進(jìn)行組裝，另一種就是硬件拼接處理器。

    用工控機(jī)組裝拼接控制器，需要插多個(gè)Datapass卡，多卡使用同一組PCI總線，占用PCI總線資源，其結(jié)果是機(jī)器性能很大程度上取決于工控機(jī)CPU計(jì)算速度。以普通Pentium 4，2.8G的CPU為例，可以接受4路VGA/RGB 1024x768信號和8路或9路Video信號，可以支持32路輸出。一臺普通插卡式拼接控制器的性能如下：

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：	計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，8-12個(gè)PCI插槽；266-533MHz系統(tǒng)總線；
輸出通道：	數(shù)量2-32個(gè)；輸出通道分辨率640x480到1280x1024像素；
輸入視頻：	個(gè)數(shù)1-8個(gè)；格式NTSC或PAL自適應(yīng)；8路Video卡不能疊加；
輸入RGB：	個(gè)數(shù)1-4路；時(shí)鐘速度123M；采樣顏色深度16bpp；
系統(tǒng)支持：	WindowsXP/2000
軟件支持：	設(shè)備提供上自開發(fā)軟件
控制：	本地鍵盤鼠標(biāo)、遠(yuǎn)程鼠標(biāo)鍵盤

需要注意的是：

1、當(dāng)VGA/RGB信號多于2路時(shí)，系統(tǒng)分配給每路VGA信號的處理時(shí)間不足，導(dǎo)致信號實(shí)時(shí)性降低，基本現(xiàn)象就是鼠標(biāo)和動態(tài)圖像的不連續(xù)；
2、有些工控系統(tǒng)號稱具有24bpp的采樣顏色深度，事實(shí)上在實(shí)際使用中，由于計(jì)算速度的限制，都只用到16bpp顏色；
3、采用網(wǎng)絡(luò)接口采樣的方法增加RGB輸入信號數(shù)量，并不能節(jié)約系統(tǒng)資源，結(jié)果仍然是多個(gè)信號同時(shí)顯示的時(shí)候，圖像實(shí)時(shí)性受影響。并且網(wǎng)絡(luò)信號采樣的質(zhì)量、實(shí)時(shí)性等受到網(wǎng)絡(luò)速度、通信質(zhì)量等環(huán)境影響，有一定未知性和不穩(wěn)定性。

DC2000拼接控制系統(tǒng)采用全硬件設(shè)計(jì)，與工控機(jī)有本質(zhì)區(qū)別。系統(tǒng)采用多通道分離處理，所有數(shù)據(jù)并行處理；使用FPGA陣列并行處理信號，速度快，支持通道個(gè)數(shù)多；系統(tǒng)主控芯片與系統(tǒng)計(jì)算芯片分離，采用主程序串行控制；不屬于工控機(jī)，不運(yùn)行Windows/Linux操作系統(tǒng)，不存在計(jì)算機(jī)防病毒問題，不存在軟件系統(tǒng)維護(hù)問題；數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，不需要硬盤、光驅(qū)等海量存儲設(shè)備；設(shè)備支持全年24小時(shí)運(yùn)行，不需要特殊維護(hù)。其基本性能參數(shù)如下：

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：	并行處理結(jié)構(gòu)，自定義高速LVDS總線，速度2.5Gb/s
輸出通道：	實(shí)時(shí)頁面存儲，數(shù)量1-16個(gè)，內(nèi)部級聯(lián)后，可依據(jù)當(dāng)前顯示窗口數(shù)無限擴(kuò)展；分辨率640x480到1600x1200像素，可定制特殊分辨率，如4096x768(1x4屏) 或1920x1080；支持DVI-I模擬數(shù)字接口；
輸入視頻：	單系統(tǒng)1-32路，內(nèi)部級聯(lián)后無限擴(kuò)展；格式NYSC或PAL自適應(yīng)；Video信號高速動態(tài)圖像補(bǔ)償；信號任意拉伸、壓縮，可以在多屏內(nèi)任意位置開窗口，信號任意跨屏漫游，疊加(信號疊加層數(shù)不宜超過4層)，圖像實(shí)時(shí)性不受影響；
輸入RGB：	實(shí)時(shí)頁面存儲，分級數(shù)據(jù)預(yù)處理；單系統(tǒng)1-32路，內(nèi)部級聯(lián)后無限擴(kuò)展；采樣深度24bpp/32bpp真彩色；分辨率640x480到1600x1200像素，可定制特殊分辨率的支持功能，如可以支持4096x768或1920x1080；支持DVI-I模擬數(shù)字接口；信號任意拉伸、壓縮，可以在多屏內(nèi)任意位置開窗口，信號任意跨屏漫游，疊加(信號疊加層數(shù)不宜超過4層)，圖像實(shí)時(shí)性不受影響；
系統(tǒng)支持：	不需要系統(tǒng)支持
軟件支持：	DC2000遠(yuǎn)程控制軟件
控制方式：	RS232串口、面板按鍵、紅外遙控、100/1000Mbps網(wǎng)絡(luò)(TCP/IP協(xié)議)

對于單機(jī)而言，以上參數(shù)為可實(shí)現(xiàn)的正常運(yùn)行參數(shù)。例如，RGB信號可以支持8路分辨率為1600x1200的RGB信號同時(shí)輸入；所有輸入信號，RGB或者視頻信號，都可以跨多屏漫游，能夠跨屏信號疊加；運(yùn)行顏色深度為24bpp，可選擇所有通道使用32bpp的真彩色設(shè)置。

示例：多個(gè)圖像在一個(gè)單元或多個(gè)單元上實(shí)現(xiàn)圖像分割功能：

示例：多個(gè)圖像在一個(gè)單元或多個(gè)單元上實(shí)現(xiàn)圖像疊加功能：

示例：多個(gè)圖像實(shí)現(xiàn)圖像疊加縮放功能：

DC2000與普通工控機(jī)拼接卡系統(tǒng)的性能比較，如下表所示：

名稱	DC2000純硬件拼接器	插卡式拼接器
操作系統(tǒng)	硬件嵌入式操作系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定高效，切實(shí)保障系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行	Windows\Linux操作系統(tǒng)，系統(tǒng)常常因?yàn)椴《镜雀鞣N原因崩潰
硬件構(gòu)成	模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)組成較為簡單，都是由一個(gè)廠家獨(dú)立研發(fā)和制造，故障率低	工控機(jī)加采集卡，多頭輸出卡等組成，部件眾多，情況復(fù)雜，常常因?yàn)閭€(gè)別部件故障導(dǎo)致整機(jī)無法運(yùn)行
系統(tǒng)總線	自主研發(fā)的高速總線，各通道獨(dú)立處理，可同時(shí)處理多路RGB信號，速度不受影響	受限于PCI傳輸總線的限制，不能同時(shí)處理多路RGB信號，單信號的采集也不能超過123M
輸入信號	所有輸入信號可在任意單個(gè)或多個(gè)屏上拉伸、縮放、跨屏漫游、疊加，信號實(shí)時(shí)性不受影響	信號漫游、疊加功能受限
輸出信號	高質(zhì)量DVI-I(向下兼容VGA信號)信號可選	VGA模擬信號，效果跟數(shù)字信號有很大差距
RGB信號	可接受高分辨率DVI、VGA信號，同時(shí)顯示的數(shù)量不受限制，可任意的在屏幕上任何位置顯示，畫面速度不受影響	無法接受DVI數(shù)字信號；最多同時(shí)顯示兩路RGB信號，且受限于帶寬，播放高數(shù)據(jù)流量動態(tài)圖像時(shí)，畫面速度會明顯變慢
VIDEO信號	可接收YUV,YC,VIDEO等格式的視頻信號，NP自適應(yīng)，動態(tài)補(bǔ)償；圖像經(jīng)過處理，顯示質(zhì)量好，畫面速度不受影響	圖像未經(jīng)處理直接采集輸出，效果比較差，且一般不能跨窗口漫游
工作方式	上電即可使用，操作簡單，對工作環(huán)境要求低，運(yùn)行安靜，發(fā)熱量小	需要等待長時(shí)間的開機(jī)過程，受工作環(huán)境影響大，夏季面臨散熱問題，冬季風(fēng)扇噪音大
性價(jià)比	優(yōu)良的性能，同等要求下，價(jià)格低于卡式機(jī)，性價(jià)比較高	功能有限，同等要求下，價(jià)格高于硬件式拼接。

2006.12

背景資料

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