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DC2000系列純硬件拼接控制器特點

    純硬件拼接控制器DC2000是在2006年推出的最新技術產品，產品以FPGA陣列為硬件基礎，采用并行高速圖形處理技術，實現了多路高速視頻信號的統一處理，從根本上取代插卡式拼接控制器，解決了VGA信號輸入數量受到限制的問題。產品主要特點如下：

    一、獨創的FPGA硬件圖形并行處理技術

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

    系統具有高速信號處理技術，保證高分辨信號輸入輸出的實時處理。DC2000采用DDR技術作高速數據緩存，運用流水線技術，對高速信號進行分級順序處理，保證了信號的實時性。系統輸入標準分辨率可高達1600x1200x60Hz(需要預定)，非標分辨率可以達到更高，并且保證每一禎都能夠實時的處理完畢，輸入與輸出之間沒有時間拖延。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實時性。

    系統采用基于輸入端口的信號并行處理技術，有效的增加了輸入信號個數。系統通過芯片陣列，對高速圖形數據流進行逐級處理，每一路信號輸入都對應一列處理器。這樣就相當于很多處理器同時工作，做到數據的并行處理，極大的提高了系統運算速度。有效的是用并行處理技術使得數據得到分散處理，沒有了工控機單處理器的速度瓶頸，從而使得系統對輸入信號個數不敏感。就是說增加信號輸入個數，并不增加系統的總體運算負擔，這樣系統就能夠接納多個高速信號。能夠有效的進行多路VGA/RGB信號輸入，是DC2000與普通插卡式工控機相比，最大的性能優勢。

    系統屬于純硬件數據處理，沒有運行Windows和Linux操作系統，不是一臺計算機，不需要營盤、光驅、顯卡等輔助設備。

    二、最新的基于LVDS高速數字信號交換體系

    DC2000采用所有輸入通道并行方式進入核心處理模塊，每條總線使用4個高速LVDS信號，這與工控機拼接控制器的PIC總線有本質上的區別。

    普通工控機的PCI總線，基本結構是多個PCI插卡使用同一組總線，一般是32個數據位。如下圖所示，6個卡使用同一PCI總線，實際上進入核心處理器的數據只能是其中的一個卡上的信號，PCI總線要分時復用。由于CPU核心處理器同一時間只能處理一個信號，這樣的總線結構對于這樣的CPU正好適合。DC2000采用并行處理結構，這樣的總線是遠遠達不到處理器速度需求的。

工控機的PCI總線結構

    為適應核心并行數據處理要求，DC2000采用并行總線接入方式，就是說每個通道都有獨自的總線接入核心處理系統。多個通道采用并行的方式可以實時的將數據送入核心的FPGA處理陣列。

    如果每個輸入通道都使用PCI總線，那么最終形成的輸入線數量會多得驚人。在FPGA核心處理部分中，也許要多組信號進行實時交換。如果也采用并行總線結構，那么系統間的連線數量會成幾何上升，使得系統最終無發實際使用。

    為解決此結構問題，我們采用超高速LVDS進行信號傳輸。LVDS，是低電平數字信號的簡稱，其特點是用兩根線差分傳輸一個數字狀態，線間電壓低，信號傳輸速度快，本系統中使用的LVDS信號速度為2.5G/S，信號額定最高速度可以達到4G/S以上。使用LVDS進行圖像傳輸，4組線即可傳送超高頻的顯示信號。是用高速串行信號，極大的減少了系統連線的，使得每個輸入輸出通道只使用4組線與系統核心計算單元連接。LVDS信號與并行總線信號，最常見的體現是硬盤ATA的并行排線接口和新型硬盤SATA的LVDS接口。下圖為DC2000基本系統節構圖。

DC2000多通道并行總線結構及串行通信方式

    三、最新的NIOSII硬件控制系統

    DC2000系統采用并行硬件系統，這樣很大程度提高了系統數據處理速度，但并行處理，就意味著很多器件同時工作，增加了系統元件個數，這樣，所有器件的同時統一控制，就成為重要問題。對于工控機而言，只有一個CPU進行核心運算，數據是串行處理的，因此配置一套接口，就可以控制所有的設備，而DC2000需要用一個高速控制器同時控制多于32個其他部件，同時又要能靈活的協調各部分順序運行。為解決此問題，我們選用了基于FPGA的高速軟內核NiosII。

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

    DC2000使用一片FPGA，內嵌NiosII軟內核，成為系統核心控制器。在這片FPGA上，還編程實現了64個外圍通信控制模塊，為系統提供64個可同時工作的基于LVDS的高速接口，與全部系統其他器件進行高速通信。系統工作時，數據計算FPGA陣列、輸入輸出端口、系統面板、紅外接收器、網絡端口、RS232控制口等元件向主控FPGA發送狀態信息和請求指令。軟核的外圍通信控制模塊先預處理這些信息，將其最主要的內容交給內核，其他附屬信息不需要經過主控制程序，由外圍器件自行應答。主控程序是在內核上運行的并行流水線流程控制程序，它負責整臺機器的正常順序工作和非常狀態處理。程序根據用戶指令和系統當前狀態，向外圍模塊批量發送簡單控制指令。由外圍模塊編譯指令，通過LVDS高速串行口發送給系統其他設備。

    DC2000使用基于FPGA的NiosII軟核和并行外圍通信控制模塊，提高了整臺機器的信息處理性能，將復雜的并行控制簡單化；用一個芯片實現全部控制，編程調試簡單方便，易于升級。

    四、DC2000與普通工控機拼接卡系統的性能比較

    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，需要從國外購買Datapath卡進行組裝，另一種就是硬件拼接處理器。

    用工控機組裝拼接控制器，需要插多個Datapass卡，多卡使用同一組PCI總線，占用PCI總線資源，其結果是機器性能很大程度上取決于工控機CPU計算速度。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：

系統結構：	計算機結構，8-12個PCI插槽；266-533MHz系統總線；
輸出通道：	數量2-32個；輸出通道分辨率640x480到1280x1024像素；
輸入視頻：	個數1-8個；格式NTSC或PAL自適應；8路Video卡不能疊加；
輸入RGB：	個數1-4路；時鐘速度123M；采樣顏色深度16bpp；
系統支持：	WindowsXP/2000
軟件支持：	設備提供上自開發軟件
控制：	本地鍵盤鼠標、遠程鼠標鍵盤

需要注意的是：

1、當VGA/RGB信號多于2路時，系統分配給每路VGA信號的處理時間不足，導致信號實時性降低，基本現象就是鼠標和動態圖像的不連續；
2、有些工控系統號稱具有24bpp的采樣顏色深度，事實上在實際使用中，由于計算速度的限制，都只用到16bpp顏色；
3、采用網絡接口采樣的方法增加RGB輸入信號數量，并不能節約系統資源，結果仍然是多個信號同時顯示的時候，圖像實時性受影響。并且網絡信號采樣的質量、實時性等受到網絡速度、通信質量等環境影響，有一定未知性和不穩定性。

DC2000拼接控制系統采用全硬件設計，與工控機有本質區別。系統采用多通道分離處理，所有數據并行處理；使用FPGA陣列并行處理信號，速度快，支持通道個數多；系統主控芯片與系統計算芯片分離，采用主程序串行控制；不屬于工控機，不運行Windows/Linux操作系統，不存在計算機防病毒問題，不存在軟件系統維護問題；數據實時處理，不需要硬盤、光驅等海量存儲設備；設備支持全年24小時運行，不需要特殊維護。其基本性能參數如下：

系統結構：	并行處理結構，自定義高速LVDS總線，速度2.5Gb/s
輸出通道：	實時頁面存儲，數量1-16個，內部級聯后，可依據當前顯示窗口數無限擴展；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模擬數字接口；
輸入視頻：	單系統1-32路，內部級聯后無限擴展；格式NYSC或PAL自適應；Video信號高速動態圖像補償；信號任意拉伸、壓縮，可以在多屏內任意位置開窗口，信號任意跨屏漫游，疊加(信號疊加層數不宜超過4層)，圖像實時性不受影響；
輸入RGB：	實時頁面存儲，分級數據預處理；單系統1-32路，內部級聯后無限擴展；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模擬數字接口；信號任意拉伸、壓縮，可以在多屏內任意位置開窗口，信號任意跨屏漫游，疊加(信號疊加層數不宜超過4層)，圖像實時性不受影響；
系統支持：	不需要系統支持
軟件支持：	DC2000遠程控制軟件
控制方式：	RS232串口、面板按鍵、紅外遙控、100/1000Mbps網絡(TCP/IP協議)

對于單機而言，以上參數為可實現的正常運行參數。例如，RGB信號可以支持8路分辨率為1600x1200的RGB信號同時輸入；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；運行顏色深度為24bpp，可選擇所有通道使用32bpp的真彩色設置。

示例：多個圖像在一個單元或多個單元上實現圖像分割功能：

示例：多個圖像在一個單元或多個單元上實現圖像疊加功能：

示例：多個圖像實現圖像疊加縮放功能：

DC2000與普通工控機拼接卡系統的性能比較，如下表所示：

名稱	DC2000純硬件拼接器	插卡式拼接器
操作系統	硬件嵌入式操作系統，系統穩定高效，切實保障系統長時間運行	Windows\Linux操作系統，系統常常因為病毒等各種原因崩潰
硬件構成	模塊化設計，系統組成較為簡單，都是由一個廠家獨立研發和制造，故障率低	工控機加采集卡，多頭輸出卡等組成，部件眾多，情況復雜，常常因為個別部件故障導致整機無法運行
系統總線	自主研發的高速總線，各通道獨立處理，可同時處理多路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或多個屏上拉伸、縮放、跨屏漫游、疊加，信號實時性不受影響	信號漫游、疊加功能受限
輸出信號	高質量DVI-I(向下兼容VGA信號)信號可選	VGA模擬信號，效果跟數字信號有很大差距
RGB信號	可接受高分辨率DVI、VGA信號，同時顯示的數量不受限制，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數字信號；最多同時顯示兩路RGB信號，且受限于帶寬，播放高數據流量動態圖像時，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，動態補償；圖像經過處理，顯示質量好，畫面速度不受影響	圖像未經處理直接采集輸出，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，對工作環境要求低，運行安靜，發熱量小	需要等待長時間的開機過程，受工作環境影響大，夏季面臨散熱問題，冬季風扇噪音大
性價比	優良的性能，同等要求下，價格低于卡式機，性價比較高	功能有限，同等要求下，價格高于硬件式拼接。

2006.12

背景資料

    北京東平聯祥科技有限公司是專業從事大屏幕投影顯示系統、多媒體視頻會議系統、安防監控系統相關設備銷售及安裝維護的高科技企業。主要產品有VGA/RGB/AV矩陣、VGA畫面分割器、VGA長線驅動器、VGA光纖收發器、大屏幕顯示控制系統等各類系統外圍設備。公司同時為廣大系統集成商提供專業解決方案及其它技術支持，力爭建立業內最佳服務支持平臺。

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