基于FPGA和TMS320DM642的CCD圖像采集和處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

當(dāng)CCD產(chǎn)生的視頻信號(hào)為模擬信號(hào)對(duì)，對(duì)其直接傳輸、存儲(chǔ)和處理比較困難，須要將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)，以便對(duì)其進(jìn)行處理，并進(jìn)行高效可靠的傳輸和存儲(chǔ)。當(dāng)前，數(shù)字圖像采集和處理系統(tǒng)不僅要面臨高速寬帶、高精度的挑戰(zhàn)，而且對(duì)采樣時(shí)機(jī)、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣速率的可控性也提出了較高的要求，本文提出了一種實(shí)時(shí)圖像采集和處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)以TMS320DM642[1-2]為核心，結(jié)合視頻解碼芯片SAA7115H和OSD FPGA構(gòu)成實(shí)時(shí)圖像采集和處理系統(tǒng)電路。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以TMS320DM642為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，整個(gè)系統(tǒng)主要由視頻解碼芯片(A/D轉(zhuǎn)換芯片)、可編程邏輯門陣列(OSD FPGA)、TMS320DM642及外圍電路組成。外圍電路主要包括CCD攝像機(jī)、SDRAM圖像存儲(chǔ)器、FLASH程序存儲(chǔ)器及TMS320DM642外圍電路(復(fù)位、電源連接等)。圖1為該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。


1.2 系統(tǒng)工作原理

由CCD攝像頭攝入的PAL制圖像傳送到SAA7115解碼器，SAA7115解碼器將信號(hào)轉(zhuǎn)變成并行的BT.656圖像碼流送至TMS320DM642視頻口VP0，TMS320DM642將其再解碼，得到Y(jié)UV(4:2:2)格式的圖像，并通過EDMA傳輸?shù)絼?dòng)態(tài)存貯器（SDRAM）中存儲(chǔ)，圖像大小為每場720×288（寬×高），每幀720×576（寬×高）。CPU通過訪問SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)，依照相應(yīng)的程序進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理。

在實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)中，為了不影響數(shù)據(jù)處理速度，需要在恒速的CCD圖像采集與變速的TMS320DM642圖像處理之間加入緩沖電路，緩沖采用TMS320DM642視頻口的片內(nèi)FIFO和片外SDRAM的乒乓緩存結(jié)構(gòu)。“乒乓操作”是一個(gè)經(jīng)常應(yīng)用于數(shù)據(jù)流控制的處理方法，如圖2所示，其處理流程為：輸入數(shù)據(jù)流通過指針等時(shí)地將數(shù)據(jù)流分配到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)1、2和3中，在第1幀的時(shí)間，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到1；第2幀將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到2，與此同時(shí)，將1的數(shù)據(jù)作運(yùn)算處理。在下個(gè)緩沖周期，再次切換，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到3，與此同時(shí)，將2的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理。如此循環(huán)，A、B、C、D、E為其5種狀態(tài)。

乒乓操作的最大特點(diǎn)是按節(jié)拍、相互配合地切換，將經(jīng)過緩沖的數(shù)據(jù)流不停頓地進(jìn)行運(yùn)算及處理。把乒乓操作模塊當(dāng)作一個(gè)整體，此模塊兩端的輸入數(shù)據(jù)流與輸出數(shù)據(jù)流均是連續(xù)不斷的，沒有任何停頓，因此非常適合進(jìn)行流水線式處理，完成數(shù)據(jù)的無縫緩沖與處理。

2 功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 視頻采集模塊

本系統(tǒng)采用Philips公司的SAA7115視頻解碼芯片將CCD模擬視頻進(jìn)行數(shù)字化，然后傳給TMS320DM642的視頻端口進(jìn)行處理，同時(shí)分離水平同步(XRH)和垂直同步(XRV)等信號(hào)。

視頻解碼芯片采用SAA7115，省去時(shí)鐘同步電路的設(shè)計(jì)，簡化接口電路，提高系統(tǒng)的可靠性。由攝像機(jī)采集到的模擬信號(hào)經(jīng)過視頻端子進(jìn)入到解碼器SAA7115的模擬端Al11，經(jīng)模擬處理和A/D轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生數(shù)字色度信號(hào)和亮度信號(hào)，分別對(duì)其進(jìn)行處理。亮度信號(hào)處理的結(jié)果一路送到信號(hào)處理器，進(jìn)行綜合處理，產(chǎn)生Y和UV信號(hào)，經(jīng)格式化后采用4:2:2 YUV格式從IPD[7-0]輸出直接連接到TMS320DM642視頻口的VP0[9-2]管腳；另一路經(jīng)過同步分離器，由數(shù)字PLL產(chǎn)生相應(yīng)的同步信號(hào)與TMS320DM642的VP0CTL0和VP0CTL1相連，同時(shí)PLL驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘發(fā)生器，產(chǎn)生27 MHz的時(shí)鐘同步信號(hào)LLC，輸出到TMS320DM642的VP0CLK0管腳。解碼器SAA7115與TMS320DM642的視頻接口的原理如圖3所示。

所有這些功能均在I2C總線控制下完成。SCL作為I2C接口的時(shí)鐘線與TMS320DM642的SCL相連，SDA作為I2C接口的數(shù)據(jù)地址線與TMS320DM642的SDA相連。通過SCL和SDA的時(shí)序配合，可由TMS320DM642向SAA7115的寄存器寫入數(shù)據(jù)或讀出數(shù)據(jù)。

2.2 TMS320DM642圖像處理模塊

本系統(tǒng)中視頻口VP0作為輸入，與視頻解碼器SAA7115的IPD相連。從解碼器SAA7115出來的BT.656數(shù)據(jù)流進(jìn)入VP0口后，經(jīng)由BT.656捕獲通道，進(jìn)入到視頻口緩沖區(qū)中，每個(gè)視頻口都有1個(gè)5 120 B的視頻輸入/輸出緩沖區(qū)，視頻口輸人的數(shù)據(jù)分別進(jìn)入捕獲FIFO A和FIFO B，其中Y緩存2 560 B，Cb和Cr緩存分別為1 280 B。根據(jù)輸出的同步脈沖產(chǎn)生幀存儲(chǔ)器的地址信號(hào)、讀寫和片選等控制信號(hào)，將圖像逐幀存入SDRAM存儲(chǔ)器中，通過中斷通知TMS320DM642讀取。TMS320DM642通過EDMA事件實(shí)現(xiàn)視頻口緩沖區(qū)和片內(nèi)L2存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳遞。用戶編程設(shè)定1個(gè)緩沖區(qū)閾值用以產(chǎn)生EDMA事件。BT.656格式的數(shù)據(jù)流經(jīng)由捕獲通道分別進(jìn)入各自的緩沖區(qū)，并打包成64 B的雙字。當(dāng)雙字增至緩沖區(qū)閾值時(shí)觸發(fā)EDMA事件，存儲(chǔ)器映射寄存器即作為EDMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑吹刂贰楸ＷC每一場的數(shù)據(jù)能夠全部傳完且沒有遺漏，每次EDMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小應(yīng)等于閾值。由于TMS320DM642的強(qiáng)大處理能力，用戶算法作為任務(wù)線程嵌入TMS320DM642軟件系統(tǒng)中。

2.3 外圍存儲(chǔ)模塊

本系統(tǒng)的TMS320DM642在視頻圖像的處理時(shí)，處理過程中會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，而其內(nèi)部最多僅有256 KB的RAM，所以需要擴(kuò)展大容量的外部存儲(chǔ)器才能滿足數(shù)據(jù)處理的需要。本系統(tǒng)選用2片SDRAM用于存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)和緩存數(shù)字視頻信息，選用1片F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器用于固化程序和一些掉電后仍需保存的用戶數(shù)據(jù)。SDRAM芯片和FLASH芯片均通過TMS320DM642的EMIF口實(shí)現(xiàn)無縫連接[3]。TMS320DM642的EMIF有4個(gè)獨(dú)立的可設(shè)定地址的區(qū)域，稱為芯片使能空間（CE0～CE3），當(dāng)FLASH和FPGA映射到CE1時(shí)，SDRAM占據(jù)CE0，CE3的一部分被配置給OSD功能的同步操作和擴(kuò)展的FPGA中的其他同步寄存器操作。本系統(tǒng)合并形成了一個(gè)64 bit長的外部存儲(chǔ)器端口，將地址空間分割成了4個(gè)芯片使能區(qū)，允許對(duì)地址空間進(jìn)行8 bit、16 bit、32 bit和64 bit的同步或不同步的存取，并且使用了芯片使能區(qū)CE0、CE1和CE3。CE0被發(fā)送給64 bit的SDRAM總線，CE1被8 bit的FLASH和FPGA功能使用，CE3被設(shè)置成同步功能。

2.3.1 SDRAM存儲(chǔ)器

本系統(tǒng)采用MT48LC4M32B2[4]來構(gòu)成SDRAM存儲(chǔ)器，大小為1 M×32 bit×4 banks， 在CE0空間連接了64 bit的SDRAM總線?？偩€由外部PLL驅(qū)動(dòng)設(shè)備控制，在133MHz的最佳運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行，SDRAM的刷新由TMS320DM642自動(dòng)控制。TMS320DM642的EMIF與SDRAM接口圖如圖4所示。


2.3.2 FLASH存儲(chǔ)器

本系統(tǒng)擴(kuò)展4 M的FLASH，映射在CE1空間的低位。FLASH寄存器選用4 M×8 bit的AM29LV033C。FLASH寄存器主要用來導(dǎo)入裝載和存儲(chǔ)FPGA的配置信息。CE1空間被配置成8 bit，F(xiàn)LASH寄存器也是8bit。由于CE1的可利用地址空間小于FLASH的空間，所以利用FPGA可產(chǎn)生3個(gè)擴(kuò)展頁。這些擴(kuò)展的線形地址通過FPGA的FLASH基礎(chǔ)寄存器進(jìn)行定義，復(fù)位后的默認(rèn)值是000。TMS320DM642的EMIF和FLASH的接口圖如圖5所示。


2.4 OSD FPGA模塊

FPGA負(fù)責(zé)完成所有芯片的接口和控制，其中包括SAA7115與I2C總線的接口、復(fù)位控制信號(hào)以及與TMS320DM642的EMIF接口和外設(shè)接口等，其體系結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。本系統(tǒng)的OSD FPGA功能模塊的芯片型號(hào)為Xilinx XC2S300E-6PQ208C[5]，主要用來完成以下工作：

(1)通過寄存器使用TMS320DM642外部存儲(chǔ)器接口(EMIF);
(2)通過可編譯寄存器使用TMS320DM642的EMIF接口控制GPIO；
(3)產(chǎn)生EMIF緩沖控制信號(hào)（DIR和OE）；
(4)提供對(duì)于PLL1708的連續(xù)控制接口；
(5)為FLASH產(chǎn)生3頁bit空間；
(6)使用SAA7115的同步信號(hào)。

2.5 電源和復(fù)位模塊

該系統(tǒng)通過單+5 V供電，在板子內(nèi)部轉(zhuǎn)換為+1.4 V和+3.3 V，為各器件供電。+3.3 V為TMS320DM642的I/O口、解碼器及其他芯片的電源，+1.4 V為TMS320DM642 CPU內(nèi)核電源。TMS320DM642內(nèi)核電壓+1.4 V，外設(shè)I/O電壓+3.3 V，降低內(nèi)核電壓主要是降低功耗，外部接口引腳采用+3.3 V電壓，便于直接與外部器件接口。由于是2種不同的電壓，所以要考慮供電系統(tǒng)的配合問題。在加電過程中，保證CPU內(nèi)核電源先加電，最晚也應(yīng)當(dāng)與外設(shè)I/O電源同時(shí)加電。關(guān)閉電源時(shí)，先關(guān)閉I/O電源，再關(guān)閉內(nèi)核電源。如果內(nèi)核加電晚于I/O，則會(huì)發(fā)生內(nèi)部總線競爭，從而產(chǎn)生不可預(yù)定的結(jié)果。因此，選用電源芯片TPS54310[6]獲得上述2種電壓，并利用其電源輸出有效引腳PG和允許電壓輸人引腳EN保證TMS320DM642的內(nèi)核和I/O上電掉電順序。

為防止系統(tǒng)程序進(jìn)入死循環(huán)或因電壓波動(dòng)而產(chǎn)生異常，本系統(tǒng)用看門狗芯片來控制系統(tǒng)復(fù)位。這里采用TI的TPS3823-33DBVT[7]看門狗芯片，它由+3.3 V電源供電，能對(duì)電源電壓進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)電源電壓降至2.93 V以下時(shí)觸發(fā)復(fù)位信號(hào)，使整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，直至電源電壓復(fù)原，復(fù)位信號(hào)的最小長度為200 ms。同時(shí)，還含有一看門狗計(jì)時(shí)器，用來監(jiān)測來自處理器芯片的跳變沿觸發(fā)信號(hào)，如果1.6 s內(nèi)未接收到觸發(fā)信號(hào)，它同樣讓系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)并持續(xù)200 ms，這樣可在系統(tǒng)程序進(jìn)入死循環(huán)后重新啟動(dòng)系統(tǒng)。TMS320DM642電源與復(fù)位電路的連接圖如圖7所示。


3 抗干擾設(shè)計(jì)

由于高頻脈沖噪聲對(duì)本系統(tǒng)危害最大，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，可采取以下措施：

(1)優(yōu)化PCB印制板的設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)：
①采用短而寬的導(dǎo)線來抑制干擾。時(shí)鐘引線、總線驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)線常有大的瞬變電流，其印制導(dǎo)線要盡可能短。對(duì)于分立元件電路，印制導(dǎo)線寬度在1.5 mm左右即可滿足要求；對(duì)于集成電路，印制導(dǎo)線寬度在0.5 mm～1.0 mm之間選擇；
②傳輸多種電平信號(hào)時(shí)，盡量把前、后沿時(shí)間相近的電平信號(hào)劃為一組傳輸；在雙面印制板的背面布置較大面積的地線區(qū)域，可對(duì)部件產(chǎn)生的高頻脈沖噪聲起到吸收和屏蔽的作用；分開模擬和數(shù)字電源層；

(2)增加總線的抗干擾能力。采用三態(tài)門形式的總線結(jié)構(gòu)，并給總線接上拉電阻，使總線在瞬間處于穩(wěn)定的高電平而避免總線出現(xiàn)懸空狀態(tài)。

本文面向?qū)崟r(shí)圖像采集和處理，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以TMS320DM642、SAA7115、OSD FPGA等實(shí)現(xiàn)了視頻圖像采集和處理系統(tǒng)的硬件電路，該系統(tǒng)電路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)節(jié)靈活、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，通過驗(yàn)證，滿足設(shè)計(jì)的應(yīng)用要求，可為今后視頻圖像采集和處理的進(jìn)一步研發(fā)提供參考。