采用MPC5200實現(xiàn)高速視頻探測的車內應用

　　汽車廠商正越來越多地通過對車內和車外捕捉到的高速視頻影像進行處理來提高汽車的安全性。舉例來說，安裝在車內的攝像機可用于確定乘客在車內的位置，從而以最佳方式配置氣囊并避免乘客受到傷害。安裝在車內不同位置的攝像機還可以用于車道偏離監(jiān)測、碰撞前警示、避免碰撞、后倒車燈警示和車距計算等。這些應用中有很多需要以非常高的速率來捕捉視頻影像。相應地，視頻影像必須通過實時的復雜算法進行處理，從而為車內的安全控制系統(tǒng)提供反饋。這是一項非常重要的任務，它可以避免發(fā)生碰撞，或在車輛發(fā)生碰撞的瞬間決定車內乘客的位置。而且，該項技術要要求司機側的引擎絕熱板必須能承受最高85℃的高溫，而在車內的其它部位則需要承受最高達105℃的高溫。

　　當前，汽車廠商們面臨的挑戰(zhàn)是擁有一種具備如下特征的經(jīng)濟高效的技術：

　　支持連接CMOS視頻傳感器的標準化高速接口

　　強大的處理能力

　　充足的MIPS，在需要時可執(zhí)行視頻探測算法

　　雙倍精度的浮點單元（FPU），可提高執(zhí)行算法的速度
　　
　　讀取全部圖像的DMA能力

　　減少中斷的次數(shù)，提高整體數(shù)據(jù)吞吐量

　　加快高速存儲系統(tǒng)的訪問速度
　　
　　將處理器核心從處理日常數(shù)據(jù)移動功能中解放出來
　　
　　支持下一代雙數(shù)據(jù)速率（DDR）內存，實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)存儲和檢索

　　與安全設備（如氣囊等）實現(xiàn)經(jīng)濟高效的快速連接

　　集成的CAN和J1850 BD C可以降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和總體系統(tǒng)成本
　　
　　可擴展到下一代汽車網(wǎng)絡，如面向媒體的系統(tǒng)傳輸(MOST®)
　　
　　能在85℃和105℃環(huán)境中運行，具體視成像傳感器所處的位置而定

　　只需較低功率即可運行
　　
　　DDR內存
 
　　CMOS成像傳感器
 
　　來自于飛思卡爾半導體公司（前身為摩托羅拉）的MPC5200高性能嵌入式處理器以一個緊湊型的低功率設備就能滿足所有這些設計要求。

　　尤其值得一提的是，MPC5200集成了一個高性能的MPC603e核心，該核心能在400 MHz 的頻率和-40至85℃的溫度范圍內處理760 Dhrystone 2.1 MIPS。PowerPC® 核心也利用了一個高性能、雙倍精度的浮點單元（FPU），可加快與其它關鍵任務平行的復雜數(shù)學運算的速度。以264 MHz (500 MIPS)運行的105 ℃版本還可以用于司機座位以外可能需要更高溫度級別的地方。

　　在FPU的幫助下，MPC5200處理能力可為大多數(shù)視頻探測算法提供足夠的支持。集成的PCI接口則為CMOS圖像傳感器提供標準化的高速接口。CMOS圖像傳感器能以每秒80至100幀的速率將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)組PC5200中，具體視PCI時鐘和照片的分辨率而定。
　　
　　BestComm智能DMA控制器能加快攝像機數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻却嬷羞M行處理的速度，從而最大程度地減輕MPC603e主處理器核心上的負荷，使其可以解放出來，處理視頻探測算法等任務。此外，BestComm控制器的使用還可以最大程度地降低主核心上的總體中斷負荷，繼而加速總體吞吐量。集成的CAN和J1850控制器，再加上外置MOST® 的支持，為汽車安全系統(tǒng)的剩余部分提供了經(jīng)濟高效的集成，并降低了與這些網(wǎng)絡進行通信的延遲。
　　
　　下文描述了如何通過PCI接口，為MPC5200設計一個基本的高速攝像機接口電路。在本例中，我們使用了飛思卡爾（前身為摩托羅拉）MCM20014 CMOS傳感器，但其它傳感器可以使用幾乎完全相同的接口機制。

　　該接口非常明了，而且只需較少的接口邏輯就能完成連接。

　　使用MPC5200的時鐘假設
　　
　　最可能的X B釋放目標頻率為132 MHz；IPBus為66 MHz；PCIc k（外部總線時鐘）為66 MHz；XTA 的預期輸入頻率為33 MHz。

　　對于本應用，最大的PCI頻率為33 MHz。

　　時鐘選擇代表如下可能的4-1、2-1或1-1比率結構：X B->IPBus、IPBus->PCIc k。在132 MHz X B時，IPBus必須設置為4:1或2:1（分別適用于33 MHz 或66 MHz IPBus）。根據(jù)IPBus 的情況（33 MHz、16.5 MHz與 33 MHz IPBus一起工作；或33 MHz 與a 66 MHz IPBus一起工作），PCIc k可能支持1:1的比率，也可能支持2:1的比率。在處理器端，可能使用一個66 MHz的PCIc k ，但在撰寫本文時，市場上的圖像傳感器還未達到該速度。

　　如果要求50%的負載循環(huán)，生成HC K的PWM輸出值只能是IPBus時鐘的偶整數(shù)商。
　　
注釋

　　從BestComm 到X B的突發(fā)處理在XB 頻率上進行處理，但來自外圍設備的數(shù)據(jù)由BestComm在IPBus頻率上捕捉。

　　可能的時鐘關系示例：

　　XTA ：27 MHz，X B：108 MHz，IPB：54 MHz， PCI：27 MHz，HC K：13.5 MHz (來自 IPBus時鐘的4/1比率的PWM)

　　XTA ：33 MHz， X B：132 MHz， IPB： 66 MHz， PCI：33 MHz， HC K：8.25 MHz (來自 IPBus時鐘的8/1比率的PWM)

　　XTA 輸入可以變化，以產(chǎn)生不同的運行頻率，但是8.25 MHz 的HC K應該適用于攝像機，而且它還在DMA時鐘和傳感器數(shù)據(jù)速率（PCIc k 到HC K）之間提供4:1的差異。這對可能發(fā)生的潛在帶寬問題有所幫助。

　　方法是在傳感器數(shù)據(jù)總線和PCI數(shù)據(jù)總線之間提供接口邏輯。我們?yōu)?:1和4:1兩種情況提供了示例電路。MPC5200的接口邏輯非常簡單，然而，這里有一些必須認真考慮的系統(tǒng)應用問題。

　　其中一個值得注意的事項就是，是否將PCI總線用于攝像機數(shù)據(jù)傳輸以外的其它用途。如果需要與其它設備共享PCI總線，接口邏輯就必須與其它PCI目標共存，這就要求有額外的電路。如果不需要與其它任何設備共享PCI總線，接口邏輯就可以認為任何PCI處理都是針對它的，這樣邏輯就變得非常簡單。

　　下面的框圖中展示了連接到必需的接口邏輯或直接連接到傳感器的MPC520 PCI信號。
　　
　　圖2中的粗線表示三態(tài)的情形。總線需要外部上拉電阻，這樣在其輸入值中，接口邏輯就會出現(xiàn)一個邏輯數(shù)字“1”。

　　傳感器在其幀有效時段中顯示：傳感器上有一幀正準備進行傳輸。該信號將通過IRQ線連接到MPC5200。幀傳輸需要由MPC5200 PCI控制器驅動。

　　MPC5200 PCI使Frame_b輸出低電平，以開始進行處理。AD線由MPC5200通過地址信息進行驅動。接口邏輯可以忽略這一階段。

　　MPC5200 PCI 使Irdy_b輸出低電平，以啟動數(shù)據(jù)階段。AD線仍然由MPC5200推動，直到目標（接口邏輯）判斷Devse _b “要求”該處理。

注釋

　　如果HC K與PCIc k 的比率為2:1，則PCIc k與接口邏輯的連接就沒有必要（邏輯將完全變成聯(lián)合體）。對一個4:1 PCIc k-HC K的比率來說（人們更期望這樣），需要一個觸發(fā)器來延遲和縮短PCI信號Trdy_b的持續(xù)。

　　只要目標保持Trdy_b處于高狀態(tài)，MPC5200 PCI就能使AD總線處于三態(tài)之一（tri-state），并保持在等待狀態(tài)。

　　在任何剛出現(xiàn)的PCIc k邊緣，其中Trdy_b被探測為低，PCI就會捕捉到數(shù)據(jù)并認為要傳輸一個數(shù)據(jù)拍。

　　在完成了下一個到最后一個數(shù)據(jù)拍后，MPC5200 PCI使Frame_b輸出低電平，這表示正在請求最后一個數(shù)據(jù)拍。

　　當目標傳輸完最后一個數(shù)據(jù)拍（以Trdy_b變低為標志）后，MPC5200 PCI使Irdy_b輸出低電平，處理完畢。

　　還有其它一些信號與PCI處理有關，但它們用于PCI傳輸?shù)腻e誤情況中，在本應用中不作要求。

　　當兼容3.3伏的CMOS攝像機傳感器三態(tài)其數(shù)據(jù)總線時，傳感器的數(shù)據(jù)線路就與PCI AD總線進行直接、有效的連接。否則，在這一設計中需要數(shù)據(jù)轉發(fā)器。在對傳感器的 ineVa id信號進行判斷時，該傳感器只應該驅動數(shù)據(jù)線路。

　　只有在沒有其它真正的PCI目標設備連接到PCI接口上時，該示例接口才發(fā)揮作用。否則，某些支持的類型需要通知接口邏輯響應即將到來的PCI處理。

　　在2:1的情況中，當HC K低時，傳感器數(shù)據(jù)有效，并隨HC K的再次出現(xiàn)而作為下一個數(shù)據(jù)拍，下一個出現(xiàn)的PCIc k 邊緣就會捕捉數(shù)據(jù)。

注釋

　　PCI處理必須在 ineVa id判斷之前進行。PCI處理在 ineVa id 變高時，一直由Trdy_b 保持等待狀態(tài)。由于5200Enab e 要求拒絕幾次循環(huán)，在PCI處理結束時可能還需要額外的電路來關閉此電路。在這一過程中，人們可能會要求進行非攝像機的PCI處理（該接口邏輯絕不能響應）。

　　由于HC K源自MPC5200 PWM，HC K處理發(fā)生在PCIc k邊緣后（根據(jù)設計，PCIc k應提前到達總線）

　　當HC K下降時，Trdy_b的判斷要延遲一個PCIc k

　　當HC K升高時，Trdy_b也立刻升高。

　　這在PCIc k 邊緣創(chuàng)建了PCI數(shù)據(jù)拍捕捉，然后，PCIc k邊緣再創(chuàng)建不斷上升的HC K（其中像素在增加）

　　控制傳感器數(shù)據(jù)讀取的BestComm任務非常靈活，能根據(jù)傳感器的大小進行調節(jié)。

　　在基于飛思卡爾（前身為摩托羅拉）CMOS傳感器的本例中，我們使用640 * 480像素，每像素10比特。在每一行后面，脈沖停止，BestComm任務會自動開始下一行的讀取，直到完成整幅圖片。

　　這種方法具有很高的幀速率，每行的開銷為15 c ks。

　　640像素數(shù)據(jù)時鐘 + 15時鐘= 655時鐘

　　655 時鐘 * 480 線路 = 每幀314.4k時鐘

　　33 MHz PCI 時鐘 -> 每幀9,52 ms ，每秒105幀

　　幀速率取決于時鐘和傳感器的分辨率。

　　為完成一幅完整的圖片而讀取的脈沖的長度和行數(shù)就是BestComm的參數(shù)，這些參數(shù)可以根據(jù)每種傳感器的類型進行調整。

　　采用接口實現(xiàn)的幀吞吐量比該應用的幀速率要高得多。限制因素是用于算法所需的計算能力，該算法與應用的關系非常緊密。飛思卡爾（前身為摩托羅拉）能以一個集成的FPU提供400 MHz和760 MIPS的MPC603e核心。