基于PCI總線的電視圖像處理仿真系統(tǒng)

隨著電視圖像處理系統(tǒng)性能的提高，設(shè)計(jì)人員需要不斷采納新的數(shù)字圖像處理算法，如何對(duì)這些新算法進(jìn)行評(píng)估，如何將理論設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成工程應(yīng)用成為設(shè)計(jì)人員關(guān)心的首要問(wèn)題。

實(shí)現(xiàn)電視圖像信號(hào)處理需要設(shè)計(jì)一套復(fù)雜的電路系統(tǒng)，且硬件電路的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮高速DSP芯片的開(kāi)發(fā)、超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)、視頻轉(zhuǎn)換、接口等復(fù)雜電路。設(shè)計(jì)印刷電路板和調(diào)試將占用設(shè)計(jì)人員較多的工作時(shí)間，較長(zhǎng)的研制周期和較高的研制經(jīng)費(fèi)均不利于圖像處理新思路、新算法向工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。仿真系統(tǒng)能較大程度降低硬件電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，縮短研制周期，有利于科研設(shè)計(jì)人員集中精力對(duì)新算法進(jìn)行評(píng)估和測(cè)試。

能否實(shí)時(shí)采集和實(shí)時(shí)處理電視圖像信號(hào)是設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。鑒于微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高和PCI總線的高速特性，基于PCI總線設(shè)計(jì)電視圖像處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)成為了可能。本系統(tǒng)使用微型計(jì)算機(jī)仿真電視圖像處理系統(tǒng)來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行處理，使用PCI插卡電路，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和發(fā)送。PCI總線的發(fā)展，打破了傳統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳送的瓶頸，傳統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)總線的最大缺點(diǎn)是傳輸速率太低，不能實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，更不能滿足圖像處理系統(tǒng)和大型應(yīng)用程序的要求。PCI總線作為一種同步，且獨(dú)立于處理器的32位局部總線，其最高工作頻率為33 MHz，數(shù)據(jù)傳輸峰值吞吐率可達(dá)132Mb／s。因而用PCI總線傳送1場(chǎng)(256×256×32位數(shù)據(jù))信號(hào)的時(shí)間不大于20 ms。由于電視信號(hào)存在空間和時(shí)間上的冗余，如對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮，則傳送一場(chǎng)信號(hào)所需的時(shí)間將會(huì)更短。因此，在仿真系統(tǒng)中，利用PCI總線將數(shù)據(jù)圖像信息直接傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)存中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸、存儲(chǔ)和處理是可能的。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

由于采用了微型計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，因而可使硬件電路設(shè)計(jì)的工作量大大降低，仿真系統(tǒng)僅需要設(shè)計(jì)一PCI插卡，就可實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的適時(shí)采集和處理。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

采用PCI總線視頻處理卡對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理和視頻A／D轉(zhuǎn)換，再通過(guò)PCI總線將數(shù)字圖像信息寫(xiě)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存，使用高級(jí)語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的預(yù)處理、分割、目標(biāo)圖像處理、匹配等算法。

2 PCI總線視頻信號(hào)處理卡

PCI總線視頻處理卡由模擬視頻信號(hào)處理、視頻信號(hào)A／D轉(zhuǎn)換、PCI總線數(shù)據(jù)采集和信號(hào)傳輸?shù)炔糠纸M成。

2．1 視頻處理和視頻A／D轉(zhuǎn)換

視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)電纜傳輸后有一定的衰減并且迭加上噪聲信號(hào)，對(duì)A／D轉(zhuǎn)換前的原始視頻信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，可以有效增強(qiáng)視頻信息，降低噪聲干擾。視頻A／D轉(zhuǎn)換芯片可供選擇的種類比較多，如SAA7111，BT218等。

2．2 PCI總線數(shù)據(jù)采集和信號(hào)傳輸

PCI總線是成組數(shù)據(jù)的瘁發(fā)傳輸，每組數(shù)據(jù)是由一個(gè)地址信號(hào)和一系列的數(shù)據(jù)信號(hào)組成，PCI總線采用地址和數(shù)據(jù)復(fù)用結(jié)構(gòu)，大大減少了信號(hào)數(shù)量，但PCI總線規(guī)范仍然十分復(fù)雜，其接口的實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)ISA、EISA總線困難，連接到PCI總線上的設(shè)備可分為主控設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備兩類，目標(biāo)設(shè)備最少需要47個(gè)信號(hào)，主控設(shè)備最少需要49個(gè)信號(hào)，其中包括數(shù)據(jù)／地址復(fù)用總線、接口控制線、仲裁、總線命令、系統(tǒng)線等。在設(shè)計(jì)中，可采用以下兩種方案實(shí)現(xiàn)PCI總線的接口設(shè)計(jì)：

2．2．1 采用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)PCI接口設(shè)計(jì)

目前幾乎所有的可編程邏輯器件廠商均有用于微型計(jì)算機(jī)接口的典型的PLD產(chǎn)品。多數(shù)廠家還提供用VHDL、Verilog、AHDL編制的PCI總線接口核心設(shè)計(jì)模塊。利用這些模塊可編程邏輯器件可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的PCI總線接口設(shè)計(jì)。由于可編程邏輯器件自身的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)PCI接口設(shè)計(jì)時(shí)有更多的思維想象空間。

雖然使用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)PCI接口具有靈活的特點(diǎn)，但在設(shè)計(jì)中仍存在以下需要關(guān)注的問(wèn)題：

(1)PCI具有順從性的特點(diǎn)，幾乎所有包含高性能數(shù)據(jù)和控制路徑中的邏輯都需要1個(gè)PCI系統(tǒng)時(shí)間的拷貝，這與PCI苛刻的負(fù)載要求相矛盾。另外，在完成某些功能如數(shù)據(jù)突發(fā)傳送時(shí)，往往需要很多時(shí)鐘負(fù)載，而時(shí)鐘上升沿到輸出有效時(shí)間必須小于11 ns，這進(jìn)一步加重時(shí)鐘扇出問(wèn)題。

(2)PCI規(guī)范對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的7 ns建立時(shí)間要求苛刻，有時(shí)在設(shè)計(jì)中要使用模擬延遲來(lái)解決。

(3)任何完善的PCI接口器件都必須提供PCI配置空間，實(shí)現(xiàn)PCI規(guī)定功能需要完成邏輯校驗(yàn)、地址譯碼、實(shí)現(xiàn)配置所需的各類寄存器等基本要求，選用的可編程器件對(duì)其邏輯門(mén)的容量有較大的要求。

此外，在使用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)插卡電路時(shí)還需加入FIFO、用戶寄存器、后端設(shè)備接口等電路，在一定程度上增大了電路設(shè)計(jì)的難度。