（信号与信息处理专业论文）嵌入式智能交通图像处理与传输系统的研究与实现.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 随着单位、私人用车数量的大幅提高，城市交通问题日益严峻，交通管理部门急 需智能管理系统来科学有效地利用有限的道路交通资源。目前，计算机视觉和嵌入式 技术的迅速发展，为智能交通系统( i t s ) 的研制和实用奠定了坚实的技术基础。i t s 系统可以对整顿交通次序，缓解道路拥挤，减少事故伤亡等起到积极作用，研究能够 实时同步地传送道路视频图像和路况信息数据，已成为智能交通系统设计中的一个热 点。 本文根据实际用户单位的需求，设计了一套嵌入式智能交通图像处理与传输系 统，系统采用专用a s i c 实现了超小型m p e g 2 编码器，利用高性能t id m 6 4 2d s p 平台进行交通信息的实时采集，采用大规模f p g a 实现了微型d v b s 调制器中基带 部分的所有功能模块，利用射频模块与卫星通道或特定的无线频段实现了与标准卫星 接收机的通信。论文给出了系统各个模块的设计过程，详细描述了微型d v b s 调制 器中f p g a 各功能模块的设计细节，实现了基于d v b s 标准的交通视频和路况信息 数据的实时同步传输，并在实际试验中获得了较好的效果。论文为智能交通图像处理 与传输系统的研究提供了一种新颖且简便可行的实现方案。 关键词：智能交通，图像处理，f p g a ，d s p ，d v b - s 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i di n c r e a s eo fu n i ta n dp e r s o n a lv e h i c l eq u a n t i t y ，t r a f f i cs i t u a t i o n i sb e c o m em o r ew o r s e a ni n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ts y s t e mi sr e q u i r e df o rt h et r a f f i c m a n a g e m e n td e p a r t m e n t t ou s et h el i m i t e dr e s o u r c e s c i e n t i f i c a l l y a n d e f f e c t i v e l y n o w a d a y s ，r a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rv i s i o na n de m b e d d e ds y s t e m t e c h n o l o g ye s t a b l i s h e st h es o l i db a s i sf o rr e s e a r c ha n d r e a l i z a t i o no fi n t e l l i g e n t t r a f f i cs y s t e m ( i t s ) t h ei t sw i l la c tp o s i t i v er o ei nt h ef i e l do ft r a f f i c m a n a g e m e n t ，d e c r e a s in gt h ep r e s s u r eo ft r a f f icj a ma n dr a tioo fa c cid e n t t h e t e c h n i q u e o fr e a l - t i m ea n ds y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o no fv i d e oa n dt r a f f i c i n f o r m a t i o nb e c o m e sah o tp o i n ti nr e s e a r c ha n dd e s i g no fi t sr e s e a r c ha r e a a c c o r d i n gt op r a c t i c a lr e q u i r e m e n t ，w ed e v e l o pas e to fe m b e d d e di n t e l l i g e n t t r a f f i ci m a g ep r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m i ta d o p t sa s i ct or e a l i z et h e m p e g 一2m i c r o e n c o d e r ，m a k e su s eo fh i g h p e r f o r m a n c et id m 6 4 2d s pp l a t f o r mt o c o l l e c tr e a l t i m et r a f f i ci n f o r m a t i o n ，u s e sv e r y1 a r g e s c a l ef p g at or e a l i z ea l l f u n c t i o n a lb l o c k so fb a s e b a n dp a r ti nm i c r od v b sm o d u l a t o r ，t h e nc o n n e c t sar a d i o m o d u l et or e a l i z ec o m m u n i c a t i o nw i t ht h es t a n d a r ds a t e l l i t er e c e i v e ro ns a t e l l i t e c h a n n e lo rs p e c i a l l yw i r e l e s sf r e q u e n c yb a n d t h i st h e s i sp r o v i d e st h ed e s i g n s c h e m eo fe a c hm o d u l e ，d e s c r i b e st h ed e s i g nd e t a i l so fe a c hf p g af u n c t i o n a lb l o c k i nd v b sm i c r o m o d u l a t o r ，r e a l i z e sr e a l t i m ea n ds y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o no f t r a f f i cv i d e oa n dt r a f f i ci n f o r m a t i o n t h es y s t e md e m o n s t r a t e sg o o dp e r f o r m a n c e i np r a c t i c a le x p e r i m e n t s t h i st h e s i sp r o v i d e sak i n do fn o v e la n ds i m p l es c h e m e f o rr e s e a r c ht h es y s t e mo fi n t e l li g e n tt r a f f i ci m a g ep r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o n k e y w o r d s ：i n t e l1i g e n tt r a f f i cs y s t e m ，i m a g ep r o c e s s i n g ，f p g a ，d s p ，d v b s i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 日期：羔! 显：竺= 尘 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 导师签名：垃日期：兰煎：! ：! 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 第一章引言 社会发展日新月异，在生产力迅速发展的同时，各种社会、生活、环境问题层出不穷。 其中，交通拥堵、交通事故和环境污染对社会经济发展和生活质量产生了严重的负面影响。 目前大力倡导和谐社会，更应该在交通方面使人、车、路、环境紧密配合，和谐统一，使 之能够极大的提高综合交通运输效率，保障交通安全，改善环境质量以及提高各种资源利 用率。因此现阶段迫切需要能实时、准确地获取道路视频和路况信息，从而方便交通管理 部门及时进行交通管理的智能交通系统( i t s ；i n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e m ) 。 1 1 视频处理技术用于智能交通系统的意义 第一代交通自动管理系统采用的是无线遥感、红外、雷达等手段以获取路况信息，相 关部门根据这些信息进行交通管理，虽然这种方式在一定程度上减轻了交警的负担，但是 指挥人员接收到的只是信号和数据，对现场并没有直观的了解。 如今，随着计算机视觉和硬件技术的迅速发展，图像和视频处理技术已经成为新一代 智能交通系统的核心。越来越优化的计算机视觉算法使得对路况信息获取更全面，判定更 可靠，同时硬件技术的发展使得人们可以获得更高质量的图像，并为系统的实时性提供了 保证。基于视频处理的现代智能交通系统还可以使人的视觉成为主导，让管理者身临其境， 以自动或人工辅助的形式对交通进行有效疏导n 引。 1 2 高速d s p 用于智能交通系统的意义 基于图像处理的视觉测量理论及应用技术在这些年得到迅速发展，从图像中快速获取 目标物体的三维尺寸、空间坐标信息的应用越来越多。以往的视频信号处理平台大都基于 p c 机，存在体积大、便携性差、功耗大、成本高的缺点。然而，d s p 芯片集成度、稳定性、 运算速度、数据吞吐量等性能的不断提高，给数字信号处理带来了巨大的发展空间。同时， 也因高性能数模、模数器件的出现，d s p 不再局限于传统音频、视频处理及离线信号处理 等方面的应用，数字信号处理的研究内容也由一开始简单的非实时处理转向高速实时应 用。如今，以高速d s p 为核心研制小型便携、低功耗、低成本、可独立运行的视频信号处 理平台，用于视觉测量领域，已经成为视觉测量的发展趋势。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 1 3d v b 标准在视频广播中的意义 d v b 提供了一套完整的适用于不同媒介的数字电视广播标准，该标准选定m p e g 一2 作为 音频及视频的编码压缩方式，对信号源编码进行统一，经压缩后的m p e g - 2 码流再打包形 成传输流( t s ) ，进行多个传输流复用，最后通过卫星、有线电视及开路电视等不同媒介 传输，其传输数据率高，误码率低。另外，d v b 采用数字压缩技术，可以清除传输过程中 产生的重影和“雪花 干扰，大大提高了电视节目的传输效率、品质和收看效果。d v b 又 可以将图像、语音、文字及各种数据信息综合到一起播出，适用于无线广播、有线广播和 卫星电视，是极为实用的一种数字电视广播标准。 目前，我国利用卫星传送电视图像、电视伴音、广播，大都采用数字压缩方式，使用 m p e g 一2 d v b s 标准。 1 4 论文的主要工作 根据实际用户单位的需求，设计一套嵌入式智能交通图像处理与传输系统，系统采用 专用a s i c 实现超小型m p e g 2 编码器，利用高性能t id m 6 4 2d s p 平台进行交通信息的 实时采集，采用大规模f p g a 实现微型d v b s 调制器中基带部分的所有功能模块，利用 射频模块与卫星通道或特定的无线频段实现与标准卫星接收机的通信。 在接收端利用现有的标准卫星接收机输出道路监控图像，同时输出t s 流供后续时分 解复用处理模块输出实时路况数据，论文为智能交通图像处理与传输系统的研究提供了一 种新颖且简便可行的实现方案。 1 5 论文的内容安排 本论文的结构和主要安排如下： 第二章概述了智能交通图像处理与传输系统的总体构架，并对其中各个模块的功能 特点加以说明。 第三章主要介绍d m 6 4 2d s p 芯片的功能和特点，详细介绍了以d m 6 4 2 为核心的视频 处理平台的结构和功能。 第四章概述了d v b - s 标准的编码及调制原理，并详细介绍了各个模块的原理和实现 方案。 第五章简述了所用f p g a 芯片及开发环境，并对d v b - s 信道编码调制系统各模块的电 路框图和时序仿真图进行详细说明。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 第六章对论文做全面的总结，并展望了下一阶段的工作。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章交通图像处理与传输系统总体构架 第二章交通图像处理与传输系统总体构架 2 1 系统总体设计框图 系统总体设计分为发送与接收两个部分。在系统发送端主要对实时交通视频进行 m p e g 一2 编码和信息数据分析，并通过d v b - s 信道编码调制为适合卫星信道传输的信号；系 统接收端主要完成交通视频的恢复及信息数据的提取。 ：f p g a - - 1 图2 1 系统发送端设计框图 首先，由架设在道路上的摄像监控装置获取实时交通视频，将该视频流由两路分别进 行处理：一路由m p e g 2 编码器编码后，产生相应的t s 流；另一路送至d m 6 4 2e v m ，经过 d m 6 4 2d s p 处理，从视频中提取相关路况数据，同样封装为t s 流，但该t s 流与m p e g 2 编 码后产生的t s 流所选用的p i d 需不同，以便接收端区别接收。d v b s 信道编码调制器以主 方式工作，时分复用地分别向m p e g 2 编码模块和d m 6 4 2e v m 模块获取数据，经过内外编 码和q p s k 调制后输出的信号为数字信号。此时选用a d 公司的a d 9 7 7 5 芯片作为数模转换模 块，将转换后的模拟信号经过射频模块处理后发射至卫星信道。 系统接收端设计框图如图2 2 所示： 4 图2 2 系统接收端设计框图 在接收端，只需通用标准卫星接收机就可方便接收信号，并通过不同的p i d 区分出视 频t s 流和数据t s 流。一方面，由视频t s 流可以恢复出摄像机所拍摄的交通视频；另一方 面，对于数据t s 流，可以根据发送端定义的帧格式提取由d m 6 4 2e v m 分析出的路况信息。 交通视频与路况信息汇总到交管部门的控制中心，交通管理人员可以分析获得的信息，调 度车辆，管理交通。 2 2 系统主要组成模块介绍 2 2 1 交通视频采集模块 该模块是整个系统的关键前提，所采集到的视频质量将对结果有决定性意义。摄像设 备的安装应使之能监视： ( 1 ) 交通道口的信号灯。 ( 2 ) 交通道口各个方向的停车线。 ( 3 ) 能监视道口一定深度的车辆。 2 2 2m p e g - 2 编码模块 m p e g 一2 编码模块需要将摄像头采集到的模拟视频信号进行m p g e 一2 编码。以包的形式存 储和传送数据流是m p g e - 2 的要点。e s 是直接从编码器输出的数据流，可以是编码过的视频 数据流、音频数据流或其他编码数据流。e s 流经过p e s 打包后，转换成p e s 包，然后p e s 包 根据需要再打包成p s 或t s 包进行存储或传输，本文采用t s 流进行传输。 传送流( t r a n s p o r ts t r e a m ) 简称t s 流，它是根据i t u tr e c h 2 2 2 0i s o i e c1 3 8 1 8 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章交通图像处理与传输系统总体构架 和i s o i e c1 3 8 1 8 3 协议而定义的一种数据流。 由一个或多个原始流和一些其它流复合在一起， 其他数据包。 标准t s 流帧格式如图2 3 所示： 传输流由一道或多道节目组成，每道节目 包括视频流、音频流、节目特殊信息流和 图2 3 标准t s 流帧格式 如上图所示，t s 包的长度是固定的，为1 8 8 字节，其中包括同步字节( 4 7 h ) 和数据包 识别号p i d 等。p i d 为1 3 位字段，指示存储于分组有效负载中数据的类型。p i d 值o x 0 0 0 0 为 程序关联表保留，o x 0 0 0 1 为条件访问表保留，o x l f f f 为空分组保留。从p i d 可以判断其后 面负载的数据类型是视频流、音频流、p s i 还是其他数据包。本文即通过设置不同的p i d 值 以区别交通视频流和由d m 6 4 2e v m 获得的路况信息数据流。 2 2 3d m 6 4 2e v m 模块 该模块是整个系统产生视频交通信息的核心，主要对获得的交通视频图像进行处理和 分析。首先，安装在道路上的摄像头采集到的是模拟视频信号，基于d m 6 4 2 的视频处理模 6 塑室坚皇盔兰堡主婴壅竺兰垡丝奎茎三兰銮望望堡竺型皇箜塑墨堑璺竺塑苤 块需要先将该信号转换为数字视频信号，然后通过一系列的计算机视觉算法，实时计算出 所需的交通信息数据，例如：车数、车速、车型、流量、事故触发、违章触发等，之后将 得到的数据也封装成标准t s 流，以备传输。以上数据可以以固定格式写入t s 流填充数据区 中，方便接收端提取。 路况信息数据帧格式如图2 4 所示： i b l b 最大1 8 2 1 ， 自适应区长标志信息( 与插入的标志有关)填充敦据 1 b2 b1 b1 b1 b1 b 车数车速车型流量事故触发违章触发 图2 4 路况信息数据帧格式 2 2 4d v b - s 信道编码与调制模块 d v b - s 信道编码与调制模块用f p g a 实现，以主方式工作，主动向d m 6 4 2e v m 以及m p e g 一2 编码器获取t s 流，获取方式采用时分复用。由于需要保持交通视频信号的顺畅连贯，同时 路况信息不可能在极短时间内发生巨大变化，每秒内向d m 6 4 2e v m 获取一至两次信息数据 即可，其他时刻信道都可用于交通视频信号传输。 d v b - s 信道编码与调制模块主要包括以下几个部分： ( 1 ) 主动方式，信息数据读取控制器。 ( 2 ) 复用适配和能量扩散 ( 3 ) 外码编码器 ( 4 ) 卷积交织器 ( 5 ) 内码编码器 ( 6 ) 基带成形滤波器 ( 7 ) q p s k 调制器 其中外码编码器选用r s ( 2 0 4 ，1 8 8 ，t = 8 ) 码，卷积交织深度i = 1 2 ，内层纠错编码采用 删除型卷积码，卷积码码率为1 2 、2 3 、3 4 、5 6 和7 8 可选，基带成形滤波器滚降系数 为o 3 5 。 由d v b - s 信道编码与调制模块处理后的数据仍是数字信号，需要送至数模转换器进行 d a 变换。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章交通图像处理与传输系统总体构架 2 2 5a d 9 7 7 5 数模转换模块 由d v b - s 信道编码调制器输出的是数字调制信号，需要进行数模转换成模拟信号后才 能经射频模块发射，本方案选用a d 9 7 7 5 作为d a 芯片。 a d 9 7 7 5 是a n a l o gd e v i c e s 公司开发的1 4 位高性能d a 芯片，a d 9 7 7 x 系列芯片配有s p i ( s e r i a lp o r ti n t e r f a c e ) ，提供系统级的可编程配置接口。可配置功能包括：可选 2 x 4 x 8 x 速率插值滤波；可选f s 2 ，f s 4 ，f s 8 数字调制；直接i f 模式；可编程信道增益控 制；可编程内部分频器；二进制有无符号数输入；可选单端口或双端口数据输入。 a d 9 7 7 5 功能模块图如图2 5 所示n 6 1 ： 图2 5a d 9 7 7 5 功能模块图 a d 9 7 7 5 配有s p i 同步串行接口，利用该接口配置a d 9 7 7 5 灵活方便，且符合工业微处理 器和控制器标准。串行i o i 二l 也与大多数同步传输格式兼容，包括m o t o r o l a 的s p i 和i n t e l 的s s r 协议。利用s p i 口可以读写a d 9 7 7 5 的所有寄存器，以对其进行配置。本文以大端( m s b ) 方式来介绍a d 9 7 7 5 的配置时序，如图2 6 所示： 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章交通图像处理与传输系统总体构架 粥酊r u c l i 嗍c y ae-c 址 - 1nr i 啪二卫丑互珏五互匹工丑工正卫珥正二二二二二二玉丑互匹二 啪一l 0 6 nl i l io oi 嘀卜一 f _ r 。r - 一- 一一- r 一一r r r _ 1 一 图2 6a d 9 7 7 5 配置时序 s c l k 串行数据时钟。用于同步配置数据并驱动内部状态机。s c l k 最大频率限制为 15 m h z ，数据在s c l k 的上升沿读入，在s c l k 的下降沿读出。 c s b ：片选信号。在整个通信期间，c s b 信号保持低电平状态。 s d i o ：串行数据i 0 口。配置数据从该端口写入，也可以被设置为双向口，配置后可以 从该端口读取内部寄存器数据。 s d o ：串行数据输出端口。可以从该端口读取内部寄存器数据，如s d i o 口设置为双向口， n s d o 将被置为高阻状态。 r w 位：读写标志位。高电平表示将进行读操作，低电平表示将进行写操作。 n 1 ，n o - 第5 、6 比特表示在一个数据传送周期内，将传送的数据字节数。表示方式如 表2 1 所示： n o n 1o oi 0o 11 1 传送字节数 1 b y t e 2b y t e3b y t e4b y t e 表2 1n l ，n 0 与传送字节数映射表 a 4 、a 3 、a 2 、a 1 、a 0 ：低位的5 个b i t 表示读写的寄存器地址，如果在一个数据传送周 期内传送多个字节数据，则表示读写寄存器的起始地址。 2 2 6 卫星接收机 该模块接收卫星信道信号，根据不同的p i d 转换为两路标准t s 流，主要包括以下部分： ( 1 ) 中频接口和q p s k 解调器：完成正交相干解调和模数转换。 ( 2 ) 匹配滤波器：根据滚降因子对脉冲波形进行反升余弦脉冲成形滤波。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章交通图像处理与传输系统总体构架 ( 3 ) 载波与时钟恢复单元：用于恢复解调器同步时钟。 ( 4 ) 内码解码器：进行删除卷积译码，通过维特比译码实现。 ( 5 ) 同步字节解码器：对m p e g - 2 同步字节进行识别，为去交织提供同步信息。 ( 6 ) 卷积去交织器：将内码解码器输出端处的突发误码以字节为单位进行随机化处理： 以提供外码解码器纠正突发误码的能力。 ( 7 ) 外码解码器：进行r s 译码。 ( 8 ) 去能量扩散：通过去除用于能量扩散而使用的随机化处理，恢复用户数据，并轾 已反转的同步字节( b 8 h ) 恢复为正常的m p e g - 2 同步字节( 4 7 h ) 。 ( 9 ) 基带物理接口：将数据结构转换成外部接口所需的格式和协议。 2 2 7 数据提取模块 数据提取模块接收由卫星接收机输出的数据t s 流，根据d m 6 4 2e v m 模块规定的帧格式 提取数据并进行映射和计算，交管部门就能获得直观的路况信息。 l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章d 1 6 4 2e v x 平台的设计与实现 第三章d m 6 4 2e v m 平台的设计与实现 3 1t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s p 芯片介绍 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。d s p 芯片的内部 采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特 殊的d s p 指令，可以用来实现各种数字信号处理算法。如今，随着d s p 芯片集成度、稳定 性、运算速度、数据吞吐量等性能的不断提高，给数字信号处理带来了巨大的发展空间， 同时，d s p 也不再局限于传统音频、视频处理及离线信号处理等方面的应用，数字信号处 理的内容由开始简单的非实时处理转向高速实时处理n 钔。 3 1 1d s p 芯片的概述和发展 在d s p 芯片出现之前，数字信号处理一般是用通用c p u ( 8 0 8 6 ；8 0 2 8 6 等) 完成的。由 于集成电路制造工艺不断提高，2 0 世纪8 0 年代初出现了集成在单个芯片上的数字信号处 理器，简称d s p s 。到了9 0 年代中期，主流的d s p 芯片结构基本类似，它们一般被用来处 理数字滤波或类似的算法( 如：f i r 、i i r 、f f t 等) 。如今，3 g 等技术的发展对d s p 的要求 不断提高，要求d s p 有处理多通道、多数据流的能力，d s p 同样迎合了这一需要。t i 的c 6 4 x 的内核采用了v l i w ( 超长指令字) 结构，突破了“传统”的d s p 结构，有8 个处理单元，用 简洁的指令可以使8 个单元并行处理，可以很方便的处理多通道和多数据流的任务，大大 加快了d s p 的处理速度，使其具备较高的性能。d s p 的时钟周期也随着半导体技术的发展 有较大的提高，c 6 4 x 的主频已经可以达到1 g h z ，使得d s p 的处理能力达到8 0 0 0 m i p s ( 每秒 百万条指令) ，性能迸一步提高。 自1 9 8 2 年t i 推出第一款定点d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 以来，t i 的定点d s p 芯片已经经历 了t m s 3 2 0 c l x 、t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x 、t m s 3 2 0 c 5 x 、t m s 3 2 0 c 5 4 x 、t m s 3 2 0 c 6 2 x 等几代产品，产 品的性能价格比不断提高，应用越来越广泛。t i 公司常用的芯片可分为如下四大系列： ( 1 ) t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列，包含t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x 。 ( 2 ) t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列，包含t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x c 5 5 x 。 ( 3 ) t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列，包含t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x 。 ( 4 ) 多媒体芯片系列，包含t m s 3 2 0 d m 6 4 x ，t m s 3 2 0 d m 6 4 3 x ，t m s 3 2 0 d m 6 4 4 x 。 堕室些皇奎堂堡主堕壅竺堂垡堡苎笙三皇些竺! 璺望兰鱼箜堡盐皇壅墨 c 2 0 0 0 系列适合于控制应用，c 5 0 0 0 系列适合于低功耗应用，c 6 0 0 0 系列则主要针对需 要高性能运算的应用。c 6 0 0 0 系列是1 9 9 7 年t i 公司推出的d s p 芯片，这种芯片是定点、浮 点兼容的d s p 系列，其中定点系列是t m s 3 2 0 c 6 2 x x ，浮点系列是t m s 3 2 0 c 6 7 x x 。d m 6 4 x 系列 是专为多媒体应用设计的高性台r d s p 系列，非常适合于需要处理视频及数字图像的场合， 本文即采用了t i 公司的d m 6 4 x 系列芯片t m s 3 2 0 d m 6 4 2 。 3 1 2d s p 芯片在实时图像处理系统中的应用 随着计算机及通信技术的发展，图像和视频处理技术的应用愈加广泛。例如，对于基 于计算机视觉的智能交通系统，需要对摄像机获取的交通图像进行实时的去噪、车辆计数、 车速测量、车型判断、车牌识别、事故触发等处理，一方面图像处理算法复杂，另一方面 处理的数据量巨大且对实时性要求较高。如今，实现图像处理的主要方式有： ( 1 )在通用计算机上用软件实现图像处理。 ( 2 ) 在通用计算机系统中加入专用的加速处理模块。 ( 3 ) 利用通用单片机。 ( 4 ) 利用专用d s p 芯片。 ( 5 )利用通用可编程d s p 芯片。 在众多图像处理方式中，最常用的是第1 种，但此种方式速度相对较慢，不适于实时 处理；而其他几种方式各有不足，如第2 种方式不适于嵌入式应用，专业性较强，应用受 到限制：第3 种方式适于数字控制等不太复杂的数字信号处理，不适合计算较大的图像数 据处理；第4 种方式因为采用的是专用d s p 芯片，故其应用范围受限，系统不够灵活，无 法进行算法的升级与更新；对于第5 种方式，t i 公司推出了一个开放、具有强大集成能力 的开发环境( c c s ) 。它采用了由先进的开发工具组成的直观系统，使用c c s 提供的工具， 开发者可以非常方便地对d s p 软件进行设计、编码、编译、调试、跟踪和实时性分析，可 有效减少d s p 编程时间。综上所述，利用通用可编程d s p 芯片实现图像处理较之其它方 式具有一定的优越性，而且d s p 芯片的可编程性和强大的处理能力，使其可用于快速实现 各种数字信号处理算法，成为目前图像处理系统的最佳选择。 3 1 3t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s p 芯片简介 d m 6 4 2 是全球最大的d s p 制造商德州仪器公司推出的c 6 4 x 系列的一款高性能定点d s p ， 在6 0 0m h z 时钟主频下，数字处理能力可以达到4 8 0 0m i p s ；同时它也是一款具有高质量、 1 2 妻室坚皇奎堂堡主堕壅竺堂垡堕奎笙三皇些! 竺! 竺! 鱼箜丝生皇壅婴 多通道、优越视频处理性能的单片媒体处理器，独特的v e l o c it i 架构使其在视频和图像 处理中得到了广泛应用。d m 6 4 2 包含了许多新的指令，增加了额外的数据通道，寄存器的 数量也增加了。这些扩展使得c p u 可以在一个时钟周期内处理更多的数据，从而获得更高 的运算性能。其内部集成了多种片内外设，使其在开发视频和图像领域的应用更为便捷。 它带有3 个可配置的视频端口，提供与视频输入、视频输出以及码流输入的无缝接口，这 些视频端口支持许多格式视频的输入输出，包括b t 6 5 6 ，h d t vy c ，r g b 以及m p e g 一2 码流。d m 6 4 2 的其他外设包括：多通道音频串口( m c a s p ) ，1 0m b s 和1 0 0m b s 的以太网 口( e m a c ) ，外部存储器接口( e m a c ) ，主机接口( h p i ) ，多通道缓冲串口( m c b s p ) 以及p c i 接 口等。它不仅具有c 6 4 x 系列芯片的主要特征，还高度集成了音视频等外部设备的接口，方 便多媒体应用开发。 图3 1 为d m 6 4 2 的内部架构方块图1 。 图3 1d m 6 4 2 内部架构方块图 1 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章d m 6 4 2e v l l 平台的设计与实现 d m 6 4 2 的视频端口是单向的高速并行接口，主要被用作d m 6 4 2 与视频d a ，a d 芯片之间 通信的接口。 3 2d m 6 4 2e v m 平台概况 d m 6 4 2e v m 在智能交通系统中主要对所获得的实时交通图像进行分析处理，从中获得 车数、车速、车型、车牌、违章触发等信息数据，以便提供给控制中心，使相关部门可以 及时地对各种路况进行相应处理，该节主要介绍了d m 6 4 2e v m 的主要特点和电路图示。 3 2 1d m 6 4 2e v m 主要特点 d m 6 4 2e v m 是一个低功耗、独立的开发平台，使用户可以对t i 的t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s p 进 行评测和开发应用。该平台的主要特点包括： ( 1 ) 一颗t i 公司6 0 0 瑚z 的t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s p 芯片。 ( 2 ) 两路视频端口p a l n t s c 制式或s 端子。 ( 3 ) 4 m , 6 4 b i t 同步动态存储器( s d r a m ) ，存储多达3 2 帧图像。 ( 4 ) 4 m * 8 b i tf l a s h ：可以写进大量程序，具备自启动功能，可作为嵌入式的产品使 用。 ( 5 ) a i c 2 3 立体声数字信号编解码器。 ( 6 ) 1 0 到1 0 0 m 以太网端口。 ( 7 ) 导入加载选项配置( b o o tl o a d e r ) 。 ( 8 ) 板上j t a g 仿真接口。 ( 9 ) 8 个用户指示灯。 ( 1 0 ) 单+ 5 v 电压供电。 ( 1 1 ) 标准r s 2 3 2 串口通信：两路，每路可高于1 1 5 2 k s 。 3 2 2d m 6 4 2e v m 功能概述 d m 6 4 2e v m 板上的d s p 芯片通过6 4 b i t 的e m i f 接口连接板上外围设备：s d r a m 、f l a s h 和u a r t 【1 3 】。 板上的视频编码器和解码器都符合标准规范，直接连接到视频端口。 板上的a i c 2 3 多媒体编解码器允许d s p 进行模拟音频信号的输出和接收。1 2 c 总线用来 1 4 壹室坚皇奎兰堡主堕壅竺兰垡堡苎笙三童些竺! ! 翌兰鱼箜堡盐皇壅堡 控制编解码器端口，m c a s p 用来控制数据。模拟信号通过3 个3 5 m m 的音频插座进行输入 输出，分别是麦克风输入( m i c r o p h o n ei n p u t ) 、直接输入( 1 i n ei n p u t ) 和直接输出( 1 i n e o u t p u t ) 。编解码器可以选择麦克风输入或直接输入作为主动输入，模拟输出被指定为直 接输出接口。m c a s p 可以通过软件重新设定为一个扩展接口。 板上配有用户指示灯，用户可以利用这些指示灯进行交互式的反馈试验。还设计有+ 5 v 电源作为独立的器件为板卡供电。板上的配电系统为d s p 提供1 4 v 的电压，为i 0 提供 3 3 v 的电压。在板卡电源供给正常之前，板卡保持复位状态。板卡上还配有电源芯片为编 解码器提供3 3 v 电压。 c o d ec o m p o s e r 与评估板通过1 4 针或6 0 针的扩展j t a g 端口进行连接通信。 3 2 3d m 6 4 2e v m 基础操作与软件开发 d m 6 4 2e v m 是通过使用t i 公司的c c s 软件工具进行开发。c o d ec o m p o s e r 与d m 6 4 2e v m 通过3 t a g 扩展仿真接口进行连接通信。 在日常的开发使用过程中，集成开发环境c c s 提供了一个整合的可视化的开发环境， 它提供配置、建立、调试、跟踪和分析程序的工具，便于实时地对嵌入式信号处理程序进 行编译和测试，它能有效地加快开发速度，提高工作效率d 0 1 。 c c s 包括如下各部分： ( 1 ) c c s 代码生成工具 ( 2 ) c c s 集成开发环境( i d e ) ( 3 ) d s p b i o s 插件程序和a p i ( 4 ) r t d x 插件、主机接口和a p i 可以看出，c c s 区别于以往开发环境的是其内部集成了d s p b i o s 和r t d x 技术，提供 了实时分析和数据可视化功能，在对目标系统的实时调制过程中，d s p b i o s 所提供的数据 获取、统计和事件记录功能等，都是在程序执行过程中实时完成的，与主机之间的数据交 换也是通过r t d x 在程序执行过程中实时完成的，而且r t d x 完成主机与目标机数据交换所 使用的是d s p 的内部仿真逻辑和j t a g 接口，不占用d s p 的系统总线、串口等i 0 资源， 这样不但能更直接地观察到系统的运行，能更容易发现问题，还降低了d s p 系统的开发难 度。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章蹦6 4 2e v h 平台的设计与实现 3 3d m 6 4 2e v m 主要组成部件 3 3 1e f 端口 该板具有一个6 4 b i t 长的外部存储器端口，将地址空间分割成了三个芯片使能区，允 许对地址空间进行8 b i t 、1 6 b i t 、3 2 b i t 、6 4 b i t 的同步或不同步存取。e v m 板使用芯片使 能区c e o 、c e i 和c e 2 。c e o 被分配给6 4 b i t 的s d r a m 总线。c e i 和c e 2 分别被分给8 b i t 的 f l a s h 和u a r t 使用。 3 3 2s d r a m 寄存器端口 该板在c e o 空间连接了6 4 b i t 的s d r a m 总线。这3 2 m 的s d r a m 空间用来存储程序、数 据和视频信息。总线由外部p l l 驱动设备控制，运行在i o o m h z 或以上的最佳运行状态。 s d r a m 的刷新由d m 6 4 2 芯片自动控制n 刚。 e m i f 的时钟可以通过d m 6 4 2 芯片来配置，在复位的时候，通过对e a l 9 和e a 2 0 两个管 脚进行设置，表3 1 列出了配置模式。 e a l 9e a 2 0时钟频率 0 0默认 o1 c p u c l k 4 lo c p u c l k 6 l 1e c l k i n 表3 1e a l 9 、e a 2 0 与时钟频率映射表 3 3 3fla s h 寄存器端口 板上有4 m * 8 b i t 的f l a s h ，主要被用来导入转载和存储配置信息。e v m 板的c e l 空间被 配置成8 b i t ，f l a s h 寄存器也是8 b i t 啪1 。 3 3 4u a r t 接口 两个u a r t ( t l l 6 c 7 5 2 ) 的寄存器被映射在d m 6 4 2 的c e l 空间的高位。每一个u a r t ，a 和b 产生8 位的地址。u a r t 端口连接到r s - 2 3 2 驱动设备。u a r ta 连接到d b - 9 接口，u a r t b 连接到板上双排接口。 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章d m 6 4 2e v i l 平台的设计与实现 3 3 5 视频解码器端口 在d m 6 4 2e v m 中，使用的视频解码器芯片是s a a 7 11 5 h ，端口通过一个r c a 类型的视频 插座和一个4 针的低噪声s - v i d e o 接口，连接到视频源，但输入的必须是合成的视频源。 s a a 7 11 5 h 是可通过d m 6 4 2 的1 2 c 总线进行配置的，可以连接所有的主要合成视频标准，例 如n t s c ，p a l 和s e c a m ，这些都可以通过解码器的内部寄存器进行适当的编程口1 。 3 3 6 视频编码器端口 d m 6 4 2e v m 使用s a a 7 1 0 5 作为视频编码器芯片，该编码器可以进行r g b 、h d 合成视频， n t s c p a l 复合视频的编码，也可对依靠s a a 7 1 0 5 内部寄存器进行编程的s - v i d e o 进行编码 恻。s a a 7 1 0 5 也是通过d m 6 4 2 的i 总线进行配置8 聃1 。 3 3 7a10 2 3 端口 d m 6 4 2e v m 使用t i 的a i c 2 3 立体声数字多媒体编解码处理器进行音频信号的输入输出。 编解码器通过麦克风采样模拟信号或直接输入模拟音频信号，然后将其转换为d s p 可以处 理的数字数据。当d s p 处理完后，再将数据转换为模拟信号输出，用户即可在输出处收听 到音频信号。a i c 2 3 有两路通讯通道，用于配置寄存器和发送接收数字音频采样。a i c 2 3 同样是通过1 2 c 总线进行配置，但当传输音频信号时，该端口一般是空闲的瞳7 1 。 m c a s p 作为双向数据通道，用来传输音频数据，首选的连续信号模式是匹配m c a s p 脉 冲模式的d s p 模式。 a i c 2 3 由p l l l 7 0 8 提供一个可编程时钟。默认的系统时钟为1 8 4 3 2 m h z 。内部的采样频 率通过分频产生，如4 8 k h z 或8 k h z 。采样频率通过a i c 2 3 的s a m p l e r a t e 寄存器设置n 7 1 。 3 3 8 时钟发生器 e v m 板上的音频时钟是通过一个p l l 时钟发生器产生。该p l l 的输入时钟源s t c l k 是 由d m 6 4 2 芯片的压控振荡器产生。在流动的视