基于DSP的圖象采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　圖像處理系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)處理相關(guān)性高，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)比較困難。即使采用高速單片機(jī)也無(wú)法滿足實(shí)時(shí)處理的需求，而DSP芯片則具有速度快，信號(hào)處理功能強(qiáng)大，實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，因此，將DSP用于圖像處理可使這一難題得到較好的解決。

　　1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　本系統(tǒng)采用基于CameraLink接口的圖像輸出相機(jī)。DSP采用TI的TMS320C6711，這是一種高性能DSP處理器，其工作頻率為150 MHz，最大處理能力高達(dá)900MFLOps，該DSP既可滿足高速處理要求，又可滿足高精度運(yùn)算時(shí)的浮點(diǎn)要求。

　　本圖像處理系統(tǒng)主要包括圖像采集模塊(由MDR26連接器DS90CR288A和IDT72V283組成)、圖像處理模塊(由DSP器件TMS320C6711、SDRAM圖像存儲(chǔ)器和FLASH程序存儲(chǔ)器等組成)以及圖像輸出系統(tǒng)(USB和FPGA)等。該系統(tǒng)的構(gòu)成原理框圖如圖1所示。其基本工作過(guò)程是將高速CCD相機(jī)采集到的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)電纜接入MDR26連接器，然后再接入LVDS線路接收器DS90CR288A以將其恢復(fù)成并行TTL信號(hào)，同時(shí)分離出8位圖像數(shù)據(jù)和3個(gè)控制信號(hào)。而同步FIFO作為數(shù)據(jù)緩存則不會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。當(dāng)其數(shù)據(jù)達(dá)到半滿時(shí)，HF有效，此時(shí)可觸發(fā)DSP中斷以通知DSP將FIFO中的數(shù)據(jù)取走，并開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。DSP與USB的數(shù)據(jù)傳遞建立在消息和中斷信號(hào)基礎(chǔ)上，當(dāng)DSP或USB任何一方有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，發(fā)送方先將數(shù)據(jù)和消息送到FPGA，然后用I／O腳觸發(fā)中斷至接收方，接收方接到中斷后再到FPGA中讀取消息，然后根據(jù)消息的內(nèi)容讀取數(shù)據(jù)。

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分利用了TMS320C6711中EDMA的優(yōu)勢(shì)，并用EDMA來(lái)進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。由于EDMA可以進(jìn)行背景操作，因而其整個(gè)采樣和輸出過(guò)程基本不影響操作。同時(shí)，也利用了TMS320C6711的二級(jí)緩存結(jié)構(gòu)，再加上系統(tǒng)外圍采用高速的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器芯片，因而大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的處理速度。

　　2 圖像采集與處理

　　2.1 Camera Link技術(shù)

　　Camera Link技術(shù)的核心是美國(guó)NS(NationalSemiconductor)提出的一種高速數(shù)據(jù)傳輸方法—Channel Link傳輸方法技術(shù)，該技術(shù)主要用于數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸。該技術(shù)采用LVDS信號(hào)模式，但比先前的RS644傳輸方法具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。LVDS(Low Voltage Differential Signaling)是最近發(fā)展起來(lái)的一種利用低電壓差分信號(hào)模式的傳輸技術(shù)。LVDS信號(hào)是以+1.2 V為基準(zhǔn)的300 mV差分形式，其低電壓擺幅差分模式具有高速傳輸數(shù)據(jù)時(shí)交叉干擾小，EMI干擾小等特點(diǎn)。ChannelLink采用LVDS方式傳輸數(shù)據(jù)，它將28位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行方式在4對(duì)線路上進(jìn)行傳輸，然后再用另外一對(duì)線路傳輸時(shí)鐘信號(hào)，其最高傳輸率可達(dá)2.38 Gb／s。傳輸距離可達(dá)10 m。NS的LVDS發(fā)送器DS90CR287可用于完成并行TTL／CMOS信號(hào)到LVDS信號(hào)的轉(zhuǎn)換，LVDS線路接收器DS90CR288則用來(lái)將LVDS信號(hào)還原成并行TTL／CMOS信號(hào)。

　　2.2 TMS320C6711 DSK簡(jiǎn)介

　　本系統(tǒng)采用美國(guó)TI公司的TMS320C6711DSK(DSP Starter Kit)開(kāi)發(fā)工具。這是由TI公司提供的一套獨(dú)立的C6000開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，這種開(kāi)發(fā)工具集成了一些基本的應(yīng)用電路，它既可以幫助用戶評(píng)估和開(kāi)發(fā)C6000系列DSP的功能，也可以作為DSP初學(xué)者的學(xué)習(xí)工具。它的硬件由6711 DSP構(gòu)成，主頻為150 MHz，憑借其二級(jí)高速緩存及VLIW (very long instruction word)架構(gòu)，每秒可執(zhí)行900萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算(MFLOPS)。DSK可以提供雙時(shí)鐘，通過(guò)設(shè)定可使CPU工作在150 MHz，而使擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口(EMIF)工作在100 MHz。 DSK上設(shè)計(jì)有16 M字節(jié)／100 MHz的SDRAM和128 K字節(jié)的ROM。SDRAM由TMS320C6711為其產(chǎn)生所需的控制信號(hào)和刷新信號(hào)。最大刷新周期可達(dá)15.625 ms。HPI接口可通過(guò)并口連接所有的DSP存儲(chǔ)空間，并有子卡接口所需的存儲(chǔ)器和外圍連接接口及嵌入式JTAG仿真功能。

　　2.3 圖像采集與處理接口設(shè)計(jì)

　　根據(jù)CameraLink標(biāo)準(zhǔn)，CCD輸出圖像數(shù)據(jù)經(jīng)Camera link后，可由LVDS線路接收器DS90CR288將其恢復(fù)成并行的TTL／CMOS信號(hào)，并分離出8位圖像數(shù)據(jù)和3個(gè)控制信號(hào)(LVAL，DVAL，STROBE)接人同步FIFO(IDT72V283)，再通過(guò)DSP的外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)接入TMS320C6711DSK開(kāi)發(fā)板進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理。其具體的圖像采集電路原理圖如圖2所示。

　　3 圖像輸出系統(tǒng)

　　3.1 USB芯片AN2131QC

　　USB芯片選用CYPRESS半導(dǎo)體公司的EZUSB(AN2131QC)芯片，AN2131 QC具有一個(gè)USB接口、8位數(shù)據(jù)線和16位地址線，以及3個(gè)8位I／O端口，其片內(nèi)帶有增強(qiáng)型8051核，該8051核與傳統(tǒng)8051的區(qū)別在于其速度較快。傳統(tǒng)的8051標(biāo)準(zhǔn)指令周期是12個(gè)CLOCK，而在這里只需要4個(gè)CLOCK，因而大大提高了指令執(zhí)行的時(shí)間。由于其帶有增強(qiáng)8051核，故可以將固件儲(chǔ)存在主機(jī)上，每次上電時(shí)，再將固件調(diào)用到芯片的RAM存儲(chǔ)器單元，這樣可使固件升級(jí)非常容易。另外，CYPRESS公司還提供了一個(gè)不需要修改就可以使用的驅(qū)動(dòng)程序ezusb.Sys，這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序允許任何傳輸類型與EZ-USB芯片構(gòu)建的系統(tǒng)進(jìn)行通信。CPU的時(shí)鐘頻率為24 MHz，使用RAM作為程序存貯器，其8051程序代碼及設(shè)備描述表可以每次從主機(jī)中下載。

　　3.2 圖像輸出接口設(shè)計(jì)

　　TMS320C6711與AN2131QC采用并口方式進(jìn)行通訊。DSP為32位處理器，其并行接口數(shù)據(jù)線為32根，而AN213 I QC的并行口為8位，若將DSP32根數(shù)據(jù)線中的8根數(shù)據(jù)線直接與USB并口相連，則DSP傳送一個(gè)32位數(shù)據(jù)需進(jìn)行4次操作，這顯然會(huì)影響系統(tǒng)的效率。因此，可采用8位／32位數(shù)據(jù)線轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)緩沖設(shè)備來(lái)將兩者相連?？紤]到性能價(jià)格等因素，本設(shè)計(jì)采用FPGA作為兩者之間的緩沖設(shè)備，實(shí)現(xiàn)從DSP到USB數(shù)據(jù)傳輸緩沖以及32位數(shù)據(jù)線轉(zhuǎn)8位數(shù)據(jù)線功能。FPGA采用X ilinx公司SpartanIIE系列的XC2SSOE芯片作為轉(zhuǎn)換器。其圖像傳輸電路原理圖如圖3所示。