东平DC2000系列纯硬件拼接控制特点

     纯硬件拼接控制器DC2000是在2006年推出的最新技术产品，产品以FPGA阵列为硬件基础，采用并行高速图形处理技术，实现了多路高速视频信号的统一处理，从根本上取代插卡式拼接控制器，解决了VGA信号输入数量受到限制的问题。产品主要特点如下：

一、独创的FPGA硬件图形并行处理技术
    FPGA(Field Programmable Gate Array)，称为现场可编程逻辑阵列，是最近新发展的硬件技术。FPGA芯片具有速度快，并行处理，功能灵活的特点，但芯片本身只是一个空白的硬件平台，不具备任何功能，需要技术人员根据自己的要求对其进行硬件编程。DC2000的处理核心就是FPGA芯片阵列。
    系统具有高速信号处理技术，保证高分辨信号输入输出的实时处理。DC2000采用DDR技术作高速数据缓存，运用流水线技术，对高速信号进行分级顺序处理，保证了信号的实时性。系统输入标准分辨率可高达1600x1200x60Hz(需要预定)，非标分辨率可以达到更高，并且保证每一祯都能够实时的处理完毕，输入与输出之间没有时间拖延。在多单元显示一路信号、一单元显示多路信号、多单元多信号漫游叠加等情况下，显示信号均无延迟。即便在所有输入信号都漫游叠加在一起的极限情况下，所有信号一样保持动态实时性。
    系统采用基于输入端口的信号并行处理技术，有效的增加了输入信号个数。系统通过芯片阵列，对高速图形数据流进行逐级处理，每一路信号输入都对应一列处理器。这样就相当于很多处理器同时工作，做到数据的并行处理，极大的提高了系统运算速度。有效的是用并行处理技术使得数据得到分散处理，没有了工控机单处理器的速度瓶颈，从而使得系统对输入信号个数不敏感。就是说增加信号输入个数，并不增加系统的总体运算负担，这样系统就能够接纳多个高速信号。能够有效的进行多路VGA/RGB信号输入，是DC2000与普通插卡式工控机相比，最大的性能优势。
    系统属于纯硬件数据处理，没有运行Windows和Linux操作系统，不是一台计算机，不需要营盘、光驱、显卡等辅助设备。

最新的基于LVDS高速数字信号交换体系

二、

    DC2000采用所有输入通道并行方式进入核心处理模块，每条总线使用4个高速LVDS信号，这与工控机拼接控制器的PIC总线有本质上的区别。

    普通工控机的PCI总线，基本结构是多个PCI插卡使用同一组总线，一般是32个数据位。如下图所示，6个卡使用同一PCI总线，实际上进入核心处理器的数据只能是其中的一个卡上的信号，PCI总线要分时复用。由于CPU核心处理器同一时间只能处理一个信号，这样的总线结构对于这样的CPU正好适合。DC2000采用并行处理结构，这样的总线是远远达不到处理器速度需求的。

 
工控机的PCI总线结构

    为适应核心并行数据处理要求，DC2000采用并行总线接入方式，就是说每个通道都有独自的总线接入核心处理系统。多个通道采用并行的方式可以实时的将数据送入核心的FPGA处理阵列。

    如果每个输入通道都使用PCI总线，那么最终形成的输入线数量会多得惊人。在FPGA核心处理部分中，也许要多组信号进行实时交换。如果也采用并行总线结构，那么系统间的连线数量会成几何上升，使得系统最终无发实际使用。

    为解决此结构问题，我们采用超高速LVDS进行信号传输。LVDS，是低电平数字信号的简称，其特点是用两根线差分传输一个数字状态，线间电压低，信号传输速度快，本系统中使用的LVDS信号速度为2.5G/S，信号额定最高速度可以达到4G/S以上。使用LVDS进行图像传输，4组线即可传送超高频的显示信号。是用高速串行信号，极大的减少了系统连线的，使得每个输入输出通道只使用4组线与系统核心计算单元连接。LVDS信号与并行总线信号，最常见的体现是硬盘ATA的并行排线接口和新型硬盘SATA的LVDS接口。下图为DC2000基本系统节构图。
  

 
 
DC2000多通道并行总线结构及串行通信方式

最新的NIOSII硬件控制系统

三、

    DC2000系统采用并行硬件系统，这样很大程度提高了系统数据处理速度，但并行处理，就意味着很多器件同时工作，增加了系统元件个数，这样，所有器件的同时统一控制，就成为重要问题。对于工控机而言，只有一个CPU进行核心运算，数据是串行处理的，因此配置一套接口，就可以控制所有的设备，而DC2000需要用一个高速控制器同时控制多于32个其他部件，同时又要能灵活的协调各部分顺序运行。为解决此问题，我们选用了基于FPGA的高速软内核NiosII。

    NiosII处理器是Altera公司为其FPGA产品配套开发的软核CPU。在逻辑功能上，它们是32位的精简指令集CPU；在实现方式上，它们是在FPGA上通过编程的方式实现的，这也是与传统的CPU的一个根本的差别。NiosII的总线采用了哈佛结构，在很大程度上提高了系统的处理速度。由于系统的总线控制器是在FPGA中实现的，可以进行灵活的配置，在某些外设需要具有冯诺依曼特性时又可以把两套总线合二为一，从而在局部实现冯诺依曼结构，这样就使得系统总线兼有哈佛结的高效率与冯诺依曼结构的灵活性。NiosII系统总线自动对不同时钟域进行协调，可以使挂在总线上的组件工作在不同的主频下，使系统更为灵活。

    DC2000使用一片FPGA，内嵌NiosII软内核，成为系统核心控制器。在这片FPGA上，还编程实现了64个外围通信控制模块，为系统提供64个可同时工作的基于LVDS的高速接口，与全部系统其他器件进行高速通信。系统工作时，数据计算FPGA阵列、输入输出端口、系统面板、红外接收器、网络端口、RS232控制口等元件向主控FPGA发送状态信息和请求指令。软核的外围通信控制模块先预处理这些信息，将其最主要的内容交给内核，其他附属信息不需要经过主控制程序，由外围器件自行应答。主控程序是在内核上运行的并行流水线流程控制程序，它负责整台机器的正常顺序工作和非常状态处理。程序根据用户指令和系统当前状态，向外围模块批量发送简单控制指令。由外围模块编译指令，通过LVDS高速串行口发送给系统其他设备。

    DC2000使用基于FPGA的NiosII软核和并行外围通信控制模块，提高了整台机器的信息处理性能，将复杂的并行控制简单化；用一个芯片实现全部控制，编程调试简单方便，易于升级。

DC2000与普通工控机拼接卡系统的性能比较

四、

    目前市场上使用的图像拼接控制器，大体分为两种。一种是组装的工控机，需要从国外购买Datapath卡进行组装，另一种就是硬件拼接处理器。

    用工控机组装拼接控制器，需要插多个Datapass卡，多卡使用同一组PCI总线，占用PCI总线资源，其结果是机器性能很大程度上取决于工控机CPU计算速度。以普通Pentium 4，2.8G的CPU为例，可以接受4路VGA/RGB 1024x768信号和8路或9路Video信号，可以支持32路输出。一台普通插卡式拼接控制器的性能如下：
    系统结构：计算机结构，8-12个PCI插槽；266-533MHz系统总线；
    输出通道：数量2-32个；输出通道分辨率640x480到1280x1024像素；
    输入视频：个数1-8个；格式NTSC或PAL自适应；8路Video卡不能叠加；
    输入RGB：个数1-4路；时钟速度123M；采样颜色深度16bpp；
    系统支持：WindowsXP/2000
    软件支持：设备提供上自开发软件
    控制：本地键盘鼠标、远程鼠标键盘

需要注意的是：
1、 当VGA/RGB信号多于2路时，系统分配给每路VGA信号的处理时间不足，导致信号实时性降低，基本现象就是鼠标和动态图像的不连续；
2、 有些工控系统号称具有24bpp的采样颜色深度，事实上在实际使用中，由于计算速度的限制，都只用到16bpp颜色；
3、 采用网络接口采样的方法增加RGB输入信号数量，并不能节约系统资源，结果仍然是多个信号同时显示的时候，图像实时性受影响。并且网络信号采样的质量、实时性等受到网络速度、通信质量等环境影响，有一定未知性和不稳定性。

    DC2000拼接控制系统采用全硬件设计，与工控机有本质区别。系统采用多通道分离处理，所有数据并行处理；使用FPGA阵列并行处理信号，速度快，支持通道个数多；系统主控芯片与系统计算芯片分离，采用主程序串行控制；不属于工控机，不运行Windows/Linux操作系统，不存在计算机防病毒问题，不存在软件系统维护问题；数据实时处理，不需要硬盘、光驱等海量存储设备；设备支持全年24小时运行，不需要特殊维护。其基本性能参数如下：
    系统结构：并行处理结构，自定义高速LVDS总线，速度2.5Gb/s
    输出通道：实时页面存储，数量1-16个，内部级联后，可依据当前显示窗口数无限扩展；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模拟数字接口；
    输入视频：单系统1-32路，内部级联后无限扩展；格式NYSC或PAL自适应；Video信号高速动态图像补偿；信号任意拉伸、压缩，可以在多屏内任意位置开窗口，信号任意跨屏漫游，叠加(信号叠加层数不宜超过4层)，图像实时性不受影响；
    输入RGB：实时页面存储，分级数据预处理；单系统1-32路，内部级联后无限扩展；采样深度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模拟数字接口；信号任意拉伸、压缩，可以在多屏内任意位置开窗口，信号任意跨屏漫游，叠加(信号叠加层数不宜超过4层)，图像实时性不受影响；
    系统支持：不需要系统支持
    软件支持：DC2000/2000远程控制软件
    控制方式：RS232串口、面板按键、红外遥控、100/1000Mbps网络(TCP/IP协议)

    对于单机而言，以上参数为可实现的正常运行参数。例如，RGB信号可以支持8路分辨率为1600x1200的RGB信号同时输入；所有输入信号，RGB或者视频信号，都可以跨多屏漫游，能够跨屏信号叠加；运行颜色深度为24bpp，可选择所有通道使用32bpp的真彩色设置。

DC2000与普通工控机拼接卡系统的性能比较，如下表所示：
 

DC2000系列纯硬件拼接控制应用示例

示例：多个图像在一个单元或多个单元上实现图像分割功能： 
 

 
  
示例：多个图像在一个单元或多个单元上实现图像叠加功能：  

示例：多个图像实现图像叠加缩放功能：