数字图像实时存储系统的设计
摘要
本文论述了数字图像实时存储系统的设计过程以及该系统的实现在科学领域中的意义。
数字图像由于其分辨率高、像素数目多，存储时所需的容量相当大，而且要得到平滑连续的画面效果，对速度的要求也是相当高的。该数字图像实时存储系统实现了采用n台慢速设备完成高速数据流的数据实时存储。即对95MB/s（峰值带宽为100MB/s）的高速数据流等分成四路，每一路的数据流为25MB/s，存储控制信号以像素时钟为基础进行四分频，用分频信号去控制每一路数据流的存储操作。存储器采用四块40GB希捷U Series 6 ST340810A IDE硬盘，每块硬盘平均数据传输率可达55MB/s，完全满足系统的要求。而且存储容量可以达到160GB，同时解决了速度和容量的问题。由于该系统脱离了计算机平台，整个系统的体积趋于小型化，能够机载、车载，适合于遥测。而且，IDE硬盘在目前广泛应用的大容量存储器中价格是相当便宜的，因此这是一套性价比极高的方案。
在该数字图像实时存储系统的设计方案中，关键问题是解决将一路数据流等分成四路的接口部分。在设计中，引入了Lattice厂家的ispLSI系列的可编程器件。利用Lattice开发软件将数据分流接口电路部分集成到可编程器件中，使数据及控制信号串的延迟达到一致，因而使电路性能更加稳定，运行速度更快。并且采用可编程器件，使设计过程更加灵活、方便，若需更改电路，不必重新焊电路板，只需更改设计源文件，重新编译、下载即可。
目前，国内在数字图像的处理和存储方面的技术还比较薄弱，尤其是实时存储技术，几乎是空白。为此，自行设计了数字实时存储系统。该系统经实际测试，工作稳定、性能可靠。该项技术的解决，将会大力促进科学研究、军事技术，尤其在航天、航空侦察，高速数据记录领域的应用发展。
We discussed the design process of digital image real-time memory system and its applications in the field of scientific research in this paper.
Because of high resolution rate, great amounts of pixels, enormous memory capacity is necessary, and smoothing continuous image makes high speed a must. This system realized real-time memory of high-speed data stream using several low-speed equipments. High-speed data stream of 95MB/s (peak bandwidth=100 MB/s) is divided into 4 channels and each channel is 25 MB/s. The frequency of signal is divided by 4 according to the pixel clock, and the divided frequency signal is used to control the data stream of each channel. Four XIJIE U Series 6 ST340810A IDE hard disks of 40G are used as the memory in the system. Each transmits at 55 MB/s, satisfying requirements completely. And the capacity is up to 160G, the requirements of speed and capacity are fulfilled simultaneously. The system deviated from the computer platform, its volume tends to miniaturization, therefore, it could be carried by plane and vehicle and fits remote measuring. Furthermore, IDE hard disk is considerably cheap relatively to other memories widely applied currently. This design has extremely high cost performance.
During the design project of the system, the point is to resolve the interface there one data stream is divided into four. The programmable logic device (PLD) of ispLSI made by Lattice is applied. The application of Lattice development software makes it possible to integrate the interface circuits of dividing data stream into PLD and makes the delays of data and control signal consistent. Consequently the circuit gained highly stable performance and higher speed. Meanwhile if the circuit needs modification, it is unnecessary to weld PCB again, only modifying source file, recompiling and reloading are needed. Obviously the design could be more flexible and convenient.
At present, the technologies of the digital signal processing and memorizing are behindhand in China and it is almost blank especially in the field of real-time memory. Therefore the digital real-time memory system is designed. The system has stable and credible performance by testing. This technology would accelerate the development of science and military technology, especially in the fields of aviation, aviation scout and high-speed data record.
数字图像由于其分辨率高、像素数目多，存储时所需的容量相当大，而且要得到平滑连续的画面效果，对速度的要求也是相当高的。该数字图像实时存储系统实现了采用n台慢速设备完成高速数据流的数据实时存储。即对95MB/s（峰值带宽为100MB/s）的高速数据流等分成四路，每一路的数据流为25MB/s，存储控制信号以像素时钟为基础进行四分频，用分频信号去控制每一路数据流的存储操作。存储器采用四块40GB希捷U Series 6 ST340810A IDE硬盘，每块硬盘平均数据传输率可达55MB/s，完全满足系统的要求。而且存储容量可以达到160GB，同时解决了速度和容量的问题。由于该系统脱离了计算机平台，整个系统的体积趋于小型化，能够机载、车载，适合于遥测。而且，IDE硬盘在目前广泛应用的大容量存储器中价格是相当便宜的，因此这是一套性价比极高的方案。
在该数字图像实时存储系统的设计方案中，关键问题是解决将一路数据流等分成四路的接口部分。在设计中，引入了Lattice厂家的ispLSI系列的可编程器件。利用Lattice开发软件将数据分流接口电路部分集成到可编程器件中，使数据及控制信号串的延迟达到一致，因而使电路性能更加稳定，运行速度更快。并且采用可编程器件，使设计过程更加灵活、方便，若需更改电路，不必重新焊电路板，只需更改设计源文件，重新编译、下载即可。
目前，国内在数字图像的处理和存储方面的技术还比较薄弱，尤其是实时存储技术，几乎是空白。为此，自行设计了数字实时存储系统。该系统经实际测试，工作稳定、性能可靠。该项技术的解决，将会大力促进科学研究、军事技术，尤其在航天、航空侦察，高速数据记录领域的应用发展。
We discussed the design process of digital image real-time memory system and its applications in the field of scientific research in this paper.
Because of high resolution rate, great amounts of pixels, enormous memory capacity is necessary, and smoothing continuous image makes high speed a must. This system realized real-time memory of high-speed data stream using several low-speed equipments. High-speed data stream of 95MB/s (peak bandwidth=100 MB/s) is divided into 4 channels and each channel is 25 MB/s. The frequency of signal is divided by 4 according to the pixel clock, and the divided frequency signal is used to control the data stream of each channel. Four XIJIE U Series 6 ST340810A IDE hard disks of 40G are used as the memory in the system. Each transmits at 55 MB/s, satisfying requirements completely. And the capacity is up to 160G, the requirements of speed and capacity are fulfilled simultaneously. The system deviated from the computer platform, its volume tends to miniaturization, therefore, it could be carried by plane and vehicle and fits remote measuring. Furthermore, IDE hard disk is considerably cheap relatively to other memories widely applied currently. This design has extremely high cost performance.
During the design project of the system, the point is to resolve the interface there one data stream is divided into four. The programmable logic device (PLD) of ispLSI made by Lattice is applied. The application of Lattice development software makes it possible to integrate the interface circuits of dividing data stream into PLD and makes the delays of data and control signal consistent. Consequently the circuit gained highly stable performance and higher speed. Meanwhile if the circuit needs modification, it is unnecessary to weld PCB again, only modifying source file, recompiling and reloading are needed. Obviously the design could be more flexible and convenient.
At present, the technologies of the digital signal processing and memorizing are behindhand in China and it is almost blank especially in the field of real-time memory. Therefore the digital real-time memory system is designed. The system has stable and credible performance by testing. This technology would accelerate the development of science and military technology, especially in the fields of aviation, aviation scout and high-speed data record.
引文
[1] 姜灵敏 微机硬盘管理技术 人民邮电出版社 1999年6月
[2] 杨晓元、吴助、陈光达、魏萍 外存储设备故障诊断与维修 科学出版社 1998年
[3] 吴秀清、周荷琴 微型计算机原理与接口技术 中国科学技术大学出版社 2001年
[4] 刘泽、赵永江 最新流行微机及外边设备使用与维修全书 航空工业出版社 1997年1月
[5] 张玉清 IBM PC微型计算机原理及接口技术 人民邮电出版社 1997年10月
[6] 邹振春、董国增 MCS-51系列单片机原理及接口技术 机械工业出版社 1999年10月
[7] 曹琳琳、曹巧媛 单片机原理及接口技术 国防科技大学出版社 2000年7月
[8] 刘洪梅、薛永毅、伊兵 微型计算机实用接口技术 机械工业出版社 1998年11月
[9] 中国计量出版社组编 新编电子电路大全第3卷通用数字电路 中国计量出版 2001年1月
[10] 电子工程手册编委会、集成电路手册分编委会 标准集成电路数据手册TTL电路（增补本） 电子工业出版社 1994年9月
[11] 曾繁泰、侯亚宁、崔元明 可编程器件应用导论 清华大学出版社 2001年4月
[12] 孙富明、李笑盈 基于多种EDA工具的FPGA设计 电子技术应用 2002年第1期
[13] 袁天夫 可编程阵列逻辑器件在通信系统中的应用 微波与卫星通信 1997年第1期
[14] 李显杰 可编程阵列逻辑器件在通信系统中的应用 微电子学与计算机 2000年第1期
[15] 苏传芳 嵌入式处理器实现IDE硬盘存储 计算机时代 2002年4月
[16] 董勇 硬盘接口种种 现代通信 2000年第2期
[17] 吴芝路、赵雅琴、任广辉、邵力坤 IDE硬盘的在线与脱线控制 测控技术 2002年第21卷第2期
[18] 顾健、周敬利、余胜生、向东、陈加忠、郑俊浩 一种基于DCT的磁盘阵列错误恢复算法 电子学报 2001年2月第2期
[19] 陈劲松 下一代硬盘接口的新动向 电脑技术 1995年6月
[20] 王一超 ASIC与现场可编程器件 全国专用集成电路和系统集成学术交流会文集 1995年
[21] 孟宪元著《可编成ASIC集成数字系统》，电子工业出版社，1998
[22] 蒋璇、臧春华 数字系统设计与PLD应用技术 北京:电子工业出版社 2001年11月
[23] 黄惠英、费铸增 EPLD可编程器件设计实验开发[J] 北京邮电大学学报 2000年23(2)：43-47
[24] 周建民 可编程阵列逻辑应用技术 中国科学技术大学出版社 1990年
[25] 宋万杰、罗丰、吴顺君 CPLD技术及其应用 西安:西安电子科技大学出版社,1999,9
[26] 潘松 CPLD/FPGA在电子设计应用中的前景 电子技术应用 1999(7)
[27] 赵不贿 在系统可编程器件与开发技术 北京:机械工业出版社 2001年6月
[28] 杨晖、张凤言 大规模可编程器件与数字系统设计[M] 北京航空航天大学出版社1997年
[29] XILINX The Programmable Logic Gate Array Data Book 1999
[30] ispPAC Handbook Lattice Simiconductor Corporation
2000(3)
[31] ispLSI Data Sheets.Lattice Semlconductor Corporation, 1998
[32] Quantum Corpomtion Quantum Fireball Plus AS Product Manual[Z] 2000
[33] R.Haskin and F.Schmuck Tiger file system[A] Proceedings of COMPCON[C] Spring1996
[34] Robert N ISP PAC Handbook[M] Sdem (Oregon, U.S.A): Lattice Semiconducor 1999
[35] Mardia K V and Hainsworth T J. A spatial thresholding method for image segmentation. IEEE Trans, Pattern Analysis and Machine Intelligence,1988,10
[2] 杨晓元、吴助、陈光达、魏萍 外存储设备故障诊断与维修 科学出版社 1998年
[3] 吴秀清、周荷琴 微型计算机原理与接口技术 中国科学技术大学出版社 2001年
[4] 刘泽、赵永江 最新流行微机及外边设备使用与维修全书 航空工业出版社 1997年1月
[5] 张玉清 IBM PC微型计算机原理及接口技术 人民邮电出版社 1997年10月
[6] 邹振春、董国增 MCS-51系列单片机原理及接口技术 机械工业出版社 1999年10月
[7] 曹琳琳、曹巧媛 单片机原理及接口技术 国防科技大学出版社 2000年7月
[8] 刘洪梅、薛永毅、伊兵 微型计算机实用接口技术 机械工业出版社 1998年11月
[9] 中国计量出版社组编 新编电子电路大全第3卷通用数字电路 中国计量出版 2001年1月
[10] 电子工程手册编委会、集成电路手册分编委会 标准集成电路数据手册TTL电路（增补本） 电子工业出版社 1994年9月
[11] 曾繁泰、侯亚宁、崔元明 可编程器件应用导论 清华大学出版社 2001年4月
[12] 孙富明、李笑盈 基于多种EDA工具的FPGA设计 电子技术应用 2002年第1期
[13] 袁天夫 可编程阵列逻辑器件在通信系统中的应用 微波与卫星通信 1997年第1期
[14] 李显杰 可编程阵列逻辑器件在通信系统中的应用 微电子学与计算机 2000年第1期
[15] 苏传芳 嵌入式处理器实现IDE硬盘存储 计算机时代 2002年4月
[16] 董勇 硬盘接口种种 现代通信 2000年第2期
[17] 吴芝路、赵雅琴、任广辉、邵力坤 IDE硬盘的在线与脱线控制 测控技术 2002年第21卷第2期
[18] 顾健、周敬利、余胜生、向东、陈加忠、郑俊浩 一种基于DCT的磁盘阵列错误恢复算法 电子学报 2001年2月第2期
[19] 陈劲松 下一代硬盘接口的新动向 电脑技术 1995年6月
[20] 王一超 ASIC与现场可编程器件 全国专用集成电路和系统集成学术交流会文集 1995年
[21] 孟宪元著《可编成ASIC集成数字系统》，电子工业出版社，1998
[22] 蒋璇、臧春华 数字系统设计与PLD应用技术 北京:电子工业出版社 2001年11月
[23] 黄惠英、费铸增 EPLD可编程器件设计实验开发[J] 北京邮电大学学报 2000年23(2)：43-47
[24] 周建民 可编程阵列逻辑应用技术 中国科学技术大学出版社 1990年
[25] 宋万杰、罗丰、吴顺君 CPLD技术及其应用 西安:西安电子科技大学出版社,1999,9
[26] 潘松 CPLD/FPGA在电子设计应用中的前景 电子技术应用 1999(7)
[27] 赵不贿 在系统可编程器件与开发技术 北京:机械工业出版社 2001年6月
[28] 杨晖、张凤言 大规模可编程器件与数字系统设计[M] 北京航空航天大学出版社1997年
[29] XILINX The Programmable Logic Gate Array Data Book 1999
[30] ispPAC Handbook Lattice Simiconductor Corporation
2000(3)
[31] ispLSI Data Sheets.Lattice Semlconductor Corporation, 1998
[32] Quantum Corpomtion Quantum Fireball Plus AS Product Manual[Z] 2000
[33] R.Haskin and F.Schmuck Tiger file system[A] Proceedings of COMPCON[C] Spring1996
[34] Robert N ISP PAC Handbook[M] Sdem (Oregon, U.S.A): Lattice Semiconducor 1999
[35] Mardia K V and Hainsworth T J. A spatial thresholding method for image segmentation. IEEE Trans, Pattern Analysis and Machine Intelligence,1988,10