（信号与信息处理专业论文）基于dsp的网络摄像机系统.pdf

中文摘要 随着二十一世纪数字时代的来临，高速数字信息处理技术成为当今科技发展 的主流，专门为高速数字信息处理而设计的数字信号处理器( d s p ) 就成为数字化 领域的重要角色。伴随着d s p 技术和i n t e r n e t 的高速发展，采用以d s p 为核心 的网络数字视频监控系统就成为一种实际的需要。本论文就是基于这种需求而设 计并实现的一套基于d s p 的静态图像压缩技术和以太网传输技术的网络摄像机 系统。 本论文主要完成了基于d s p 的网络摄像机系统的设计和调试，包括系统方案 选择，元器件选择，硬件电路设计和调试，图像采集、压缩编码、网络传输驱动 程序的编写和调试。论文首先介绍了网络摄像机的发展和应用现状，同时论述了 图像压缩的必要性。接着对系统方案作了分析和选择，并设计出最终的系统结构。 第三章全面讲述了系统硬件的设计过程，包括数字信号处理器和其他芯片的选 型、视频采集电路的设计、以太网接口的设计以及系统控制电路的设计。针对整 个系统软件，文章首先对j p e g 算法的相关理论进行了说明，然后详细介绍了基 于d s p 的图像压缩编码、网络传输以及其他应用程序的流程。第五章详细讲述了 系统硬件和软件的调试过程、调试结果以及系统的性能参数并作了分析。最后， 文章简要阐述了如何实现独立系统，并对论文研究工作做了总结和展望。 本论文工作是天津市科委面上基础研究项目“基于嵌入式实时系统的网络 摄像机”的一部分，并在项目基础上作了功能扩展，使d s p 应用系统能够独立完 成网络摄像机的功能。 关键词：d s p ；j p e g ；以太网；图像压缩；摄像机 a b s t r a c t w i t ht h ec o m i n go fd i g i t a lt i m ei nt h et w e n t y - f i r s tc e n t u r y , t h ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sb e c o m i n gt h et r e n do ft h es c i e n c ed e v e l o p m e n ta n dt h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s p ) s p e c i a l l yd e s i g n e df o rh i g hs p e e dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gh a sb e c o m et h el e a d i n gr o l e i nd c c t r o n i c se n g i n e e r i n g w i t ht h e d e v e l o p m e n to f t h ed s pt e c h n o l o g ya n dt h ei m p r o v e m e n to f i n n e t8 p e e d ，n e t w o r k d i 垂t a lv i d e os u r v e i l l a n e es y s t e mb a s e do nd s p i sn e c e s s a r yi np r a c t i c e c o n s i d e r i n g t h i sd e m a n d ，n e t w o r kc a l n a as y s t e mi si n t r o d u e di nt h i sa r t i c l e ，w h i c hi sb a s e d0 1 1 t h et e c h n o l o g yo f d s ps t i l li m a g ec o m p r e s s i o na n dt r a n s m i s s i o nt c c i m o l o g yo nl a n t h ea r t i c l em a i n l ya c c o m p l i s h e st h ed e s i g na n dd e b u g g i n go fn e t w o r kc a n l e r a s y s t e md e p e n d i n go nd s pt e c h n o l o g y , w h i c hi n c l u d e st h ec o m p a r i s o no ft h es y s t e m p r o j e c t s ，t h es e l e c t i o no fc h i p s ，t h ed e s i g na n dd e b u g g i n go fh a r d w a r ec i r c u i t t h e p r o g r a mo fi m a g ec a p t u r i n g , c o m p r e s s i o n , e n c o d i n ga n dt h ed r i v e rf o rn e t w o r k t r a n s m i s s i o na r e d e s i g n e d a n dd e b u g g e di nt h i sa r t i c l et o o a b o v ea l l ，t h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fn e t w o r kc a l l l e l aa r ed e s c r i b e d ；m e a n w h i l e , t l l e n e c e s s a r yo fi m a g ec o m p r e s s i o ni sd i s c u s s e d t h e nt h es y s t e mp r o j e c t sa r ea n a l y z e d a n ds e l e c t e d ，a n dt h ef i n a ls y s t e mf r a m ei sw o r k e do u t t h eh a r d w a r ed e s i g ni s i n t r o d u c e di i ld e t a i li nc h a p t e rt h r e e , w h i c hc o n s i s t so f t h es e l e c t i o no f d s pa n do t h e r c h i p s ，t h ed e s i g no f v i d e oc a p t u r i n gc i r c u i t , t h ed e s i g no f i n t e r a c ti n t c r f a c 2a n ds y s t e m c o n t r o lc i r c u i tc t e a st ot h es y s t e ms o f t w a r e ，t h et h e o r yo nj p e ga l g o r i t h mi s e x p l a i n e da tf i r s t , a n dt h e ni m a g ec o m p r e s s i o na n de n c o d i n gb a s e do i ld s p , h t e m e t t r a n s m i s s i o na n do t h e ra p p l i c a t i o np r o g r e ma r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h ed e b u g g i n g c o u r s ea n dr e s u l t so f t h es y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ee x p l i c a t e di nc h a p t e rf i v e , a n dt h e nt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d a tl a s t , h o wt oa c h i e v ei n d e p e n d e n t s y s t e mi sb r i e f l yi n t r o d u c e d ，a tm e a n t i m et h es u m m i n g - u pa n dp r o s p e c ta b o u tt h i s r e s e a r c ha r ep r e s e n t e d t h i st h e s i si sp a r to ft h et i 锄j i ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o g r e s se r o j e c t i n t e m e tc a m e r ab a s e do i le m b e d d e dr e a lt i m es y s t e m t h ea r t i c l ee x p a n d st h e s y s t e mf u n c t i o nb a s e do i lt h ep r o j e c t ，w h i c hm a k e st h ed s pa p p l i c a t i o ns y s t e mt o a c c o m p l i s hn e t w o r kc a n l e r af u n c t i o ni n d e p e n d e n t l y k e yw o r d s ：d s p ；j p e g ；e t h e m e t ；i m a g ec o m p r e s s i o n ；e a n l c l a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫洼叁茎或其他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。 学位论文作者签名：泰皆轧签字日期：凇。6 年，月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞蠢茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：泰寻知 签字日期：。占年，月参日 导师签名；皂羽t1导师签名；易。y r ri 签字日期：0 一缉，月岔日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的来源及研究意义 本课题是天津市科技发展计划项目基于嵌入式实时系统的网络摄像机， 项目编号：0 3 3 6 0 0 1 1 1 ，主要用于远程视频监控。 网络摄像机是集视频压缩技术、计算机技术、网络技术、嵌入式技术等多 种先进技术于一体的数字摄像设备。首先回顾一下视频监控系统的发展历史： 1 第一代模拟图像监控。主要由摄像机、视频矩阵、监视器、录像机组成， 摄像机采集的视频信号采用模拟方式传输，主要采用专用的视频电缆，传输距 离不太远，适用于小范围监控，如建筑物内部监控，只能在本地监控中心观看 监控图像。它的功能单一，设备繁多，不易扩展。 2 第二代基于p c 技术的监控。随着计算机多媒体技术的发展，数字视频压 缩编码技术日益成熟，因此计算机被广泛的应用于监控领域。它一般采取以下结 构：在前端监控现场，有若干台摄像机，通过相应的线路连接到监控终端上，监 控终端可以是一台p c 机，也可以是专用的工控机。监控终端除了可以处理摄像 机传输过来的视频信号外，还可以利用视频压缩卡和通讯接口卡，利用通讯网络， 将这些信号传输到一个或多个监控中心以便集中处理。基于p c 的监控系统，功 能较强，灵活性高，可以发挥现代计算机强大的处理功能，但它的稳定性一般， 另外，它的软件的开放性不好，难于对系统直接进行扩展，成本非常昂贵。 3 第三代基于嵌入式的网络监控。随着i c 技术及网络技术的迅速发展，出 现了一种新的基于嵌入式技术的网络视频监控系统。它的主要原理是：采用嵌入 式实时多任务操作系统，在芯片上集成了视频压缩与传输处理功能。摄像机传送 来的视频信号数字化后由高效压缩芯片进行压缩，然后通过内部处理后传送到网 络或服务器上。网络上的用户可以通过专用软件或者直接用浏览器观看w e b 服务 器上的摄像机图像，授权用户还可以控制摄像机云台镜头的动作或对系统进行配 置。这种监控系统的主要特点是：把视频压缩处理功能集成到一个体积很小的设 备内，可以直接连入以太网或广域网，达到即插即用，省掉各种复杂的电缆，安 装方便( 仅需设置一个i p 地址) ，用户端甚至无需使用专用软件而仅用浏览器即 可观看。但是因为使用的都是高端处理器，系统价格更为昂贵“。 综合以上三代视频监控系统的优缺点，我们考虑设计一种基于网络的嵌入式 图像压缩传输系统，能够以比较低的价格实现网络监控功能，适合于对监控系统 第一章绪论 要求不高的用户。 基于这种考虑，我们设想将图像信号数字化后先进行j p e g 编码，再将压缩 后的图像数据传输给计算机，从而构成一个能实现远距离监控并且价格适当的一 个完全数字化的图像监控系统。使用j p e 6 静态图像作为编码方案，图像压缩后 的数据量比原始图像数据量大为减少，从而提高了图像网络传输的实时性。实现 这个系统的关键问题是如何解决图像信号的压缩编码和压缩后图像数据的传输。 目前d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 芯片的性能非常强大并且价格可以接受， 采用d s p 来进行图像的压缩编码是可行的。与此同时，随着网络技术的普及与推 广，以太网通信速率的提高和交换技术的发展使它得到了迅速发展和普及。目前， 以太网己无可争议地成为主要网络技术，而且近年来出现了高性能的以太网络接 口芯片，这使把压缩后的数据通过以太网传输成为可能。 本文的目的就是研究：如何利用d s p 构成一个能对c m o s 图像传感器进行图 像采集和压缩并且将压缩后的图像数据通过r j 4 5 以太网络接口传送到终端的图 像显示系统。有了这样的图像压缩和传输系统，就可以在摄像机的输出端直接对 图像信号进行采集压缩，来自不同压缩系统的图像数据通过双绞线就可以构成一 个以太网络数字图像监控系统，在能够满足用户基本需求的情况下，大大降低了 监控系统材料费用和施工难度。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 数字信号处理器的发展 世界上第一片单片d s p 芯片是1 9 7 8 年a m i 公司宣布的$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年美国 i n t e l 公司宣布诞生的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑。这 两种芯片内部都没有现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器。1 9 8 0 年，日本n e c 公司推出的u p d 7 7 2 0 是第一片具有乘法器的商用d s p 芯片。 在这之后，最成功的d s p 芯片当数美国德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ， 简称t i ) 的一系列产品。t i 公司在1 9 8 2 年成功推出其第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品t m s 3 2 0 1 1 、t m s 3 2 0 c l o c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等，之后相继推出了第二 代d s p 芯片t m s 3 2 0 2 0 、t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 ，第三代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 0 c 3 1 c 3 2 ， 第四代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 ，第五代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x ，第二代d s p 芯片的改进型t m s 3 2 0 c 2 x x ，集多片d s p 芯片于一体的高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 c 8 x 以及目前速度最快的第六代d s p 芯片t m s 3 2 0 c c 6 2 x c 6 7 x 等。t i 公司常用的d s p 芯片可以归为三大系列，即：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 2 x x c 2 4 x c 2 8 x 等) 、 t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c 5 4 x c 5 5 x ) 、t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列( 包括 2 第一章绪论 硼s 3 2 0 c 6 2 x c 6 4 x c 6 7 x ) 。如今，t i 公司的一系列d s p 产品已经成为当今世界上 最有影响的d s p 芯片。t i 公司已经成为世界上最大的d s p 芯片供应商，其d s p 市场占有量占全世界份额的近5 0 。m o t o r o l a 公司和美国模拟器件公司( a n a l o g d e v i c e s ，简称a d ) 也相继推出了一系列的d s p 芯片。 自1 9 8 0 年以来，d s p 芯片得到了突飞猛进的发展，d s p 芯片的应用越来越广 泛。从运算速度来看，m a c ( 一次乘法和一次加法) 时间已经从2 0 世纪8 0 年代初 的4 0 0 n s ( 如t m s 3 2 0 1 0 ) 减少到1 0 n s 以下( 如t m s 3 2 0 c 5 4 x 、t m s 3 2 0 c 6 2 x 6 7 x 6 4 x 等) ，处理能力提高了几十倍，甚至上百倍。d s p 芯片内部关键的乘法器部件从 1 9 8 0 年的占模片区( d i ea r e a ) 的4 0 左右下降到5 以下，片内r a m 数量增加一 个数量级以上。从制造工艺来看，1 9 8 0 年采用4 u m 的n 沟道m o s ( n m o s ) 工艺，而 现在则普遍采用亚微米( m i c r o n ) c m o s 工艺。d s p 芯片的引脚数量从1 9 8 0 年的最 多6 4 个增加到现在的2 0 0 个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加， 如外部存储器的扩展和处理器件的通信等。此外，d s p 芯片的发展，使d s p 应用 系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。表卜1 是t i 公司d s p 芯 片发展比较表”。 表卜1t id s p 芯片发展比较表( 典型值) 年份 1 9 8 21 9 9 2 1 9 9 92 0 0 2 制造工艺 4 p mn m o s0 8 p mc m o s0 3 p mc m o s i n t e r n e t 是一个网络用户的团体，用户使用网络资源，同时也为该网络 的发展壮大贡献力量； i n t e r n e t 是所有可被访问和利用的信息资源的集合。 8 0 2 3 局域网是一种基带总线局域网，最初是美国施乐( x e r o x ) 公司的帕洛 阿尔托研究中心( p a l oa l t o ，简称p a r c ) 于1 9 7 5 年研制成功的，当时的数据率 为2 9 4 m b s 。1 9 7 8 年，数字设备公司( d e c ) 和英特尔公司( i n t e l ) 联合施乐公司 定义了l o m b p s 以太网标准，这个标准后来成为i e e e 标准8 0 2 3 的基础。最近， 它已经扩展到包括一个称为快速以太网的l o o m b p s 版本和一个称为吉比特以太 网的1 0 0 0 m b p s 版本。以太网的主要特点有：实时性有保证、稳定性高和通用性 强。 毫无疑问，以太网是最近2 0 年中最成功的局域网技术。以太网技术的成熟 4 第一章绪论 使其具备了向工业自动化、测控领域、智能家居等领域发展的坚实基础5 钔。 1 3 本课题的研究内容及论文完成的工作 1 系统整体方案设计和硬件元器件的选型。 2 系统硬件原理图的设计、p c b 板布线。 3 电路板元器件的焊接，初步熟悉d s p 的c c s 集成开发环境。编写系统应用 程序( 图像压缩程序和图像数据以太网传输驱动程序) 并进行s i m u l t o r 调试。 4 对电路板进行硬件调试，对d s p 的外围元器件芯片进行调试( 包括存储器、 帧存器、以太网控制器和o s 图像传感器等) 。 5 现场可编程门阵列f p g a 的编程、仿真和p o f 文件的烧录。 6 图像采集、压缩程序的e m u l a t o r 调试。 7 以太网传输驱动程序的e m u l a t o r 调试。 8 编写目标文件格式的转换程序并烧录e p r o m ，使系统成为独立运行的d s p 系统。 本论文的结构安排如下： 第一章：绪论，主要介绍课题的来源及研究意义、国内外的研究现状和本课 题的研究内容及论文的安排。第二章：系统总体方案设计，介绍了系统的构成、 图像压缩方案的选择、基于d s p 技术的硬件系统方案选择和硬件结构设计及系统 框图。第三章：系统硬件设计，讲述了系统硬件的设计原理，主要包括视频采集 电路的设计、主处理器的选型和特点、系统以太网接口设计、系统中其他电路的 设计以及d s p 应用系统电路设计中应注意的问题。第四章：系统软件设计，详细 说明了系统应用软件和驱动程序的编写流程，主要由j p e g 编码算法、图像压缩 编码流程、d s p 与r t l 8 0 1 9 a s 接口通信程序的设计和其他应用程序的设计组成。 第五章：系统的调试与测试，简单介绍了系统的硬件调试和软件调试流程并对性 能参数作了分析。第六章：独立系统的实现，主要讲述了d s p 应用系统的自举加 载和e p r o m 的烧录。 第二章系统总体方案设计 2 1 系统构成 第二章系统总体方案设计 整个系统主要由图像采集、处理和传输模块、以太网和终端解码显示模块构 成。图像采集、处理和传输模块主要由图像采集单元、图像压缩单元和网络传输 单元组成。图像采集单元完成对c m o s 图像传感器0 v 6 6 3 0 的初始化和配置以及完 成对完整一帧图像数据的判断和采集。图像处理单元主要完成对一帧图像的 j p e g 压缩编码并生成完整的一帧j p e g 图像数据。网络传输单元的主要功能是完 成一帧已压缩图像数据的以太网传输工作。以太网在系统中的作用是作为传输介 质进行图像数据的网络传输。终端解码显示模块由p c 机或掌上电脑p d a 组成， 其功能是完整的接收一帧图像数据并解码显示。图2 一l 是整个系统的结构框图。 l终端解码显示模块j - - - i 图2 - i 系统结构框图 系统的工作过程如下：系统上电t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 复位后，由其内部固化的自举 引导程序( b o o t l o a d e r ) 将存于e p r o m 中的应用程序和数据搬移至片内r a m ，然后 i m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 开始运行图像采集、压缩编码程序和图像网络传输程序。之后， 系统开始采集、压缩图像并将图像压缩后得到的数据经以太网传输至终端。 2 2 图像压缩方案的选择 根据本系统所要完成目的和任务的要求，我们首先考虑系统图像编码算法的 选择。 目前，网络摄像机的图像压缩编码标准主要有m p e g 4 、h 2 6 3 、h 2 6 4 、m - j p e g 等。根据本系统设计所要完成目的和任务的实际要求，我们采用决定j p e g 图像 编码算法。j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ) 是由i s 0 i e c j t c i s c 2 w g 8 6 第二章系统总体方案设计 和c c i i - ry i i i n i c 于1 9 8 6 年底联合组成的专家小组。j p e g 小组的工作是研究 具有连续色调的图像( 包括灰度及彩色图像) 的压缩算法，并将其制定为适用于大 多数图像存储及通信设备的标准算法。j p e g 小组于1 9 9 0 年提出j p e g 算法的建 议。 作为静态图像压缩的标准算法，j p e g 算法必须满足以下要求：算法独立于 图像的分辨率；具有低于l b i t 像素的编码率；在压缩比大约是2 的情况下能够 无失真地恢复原图像；支持顺序编解码和渐进编解码以及对各种图像成分及数据 精度的自适应能力；编解码设备简单、易实现。 2 s 基于d s p 技术的硬件系统方案选择 由于i n t e r n e t 已经得到了全世界的承认，因此i n t e r n e t 所使用的t c p i p 体系在计算机网络领域中就占有特殊重要的地位。众所周知，t c p i p 体系共有 四个层次，如图2 - 2 所示。采用d s p 采集、压缩图像数据是最佳的选择，没有其 他更佳的方案，而网络传输模块可以根据t c p i p 的层次有3 种方案可供选择”。 应用层 ( 各种应用层 协议) 运输层t c p 、u d p 网际层口 网络接口层 图2 - 2t c p i p 体系结构 2 3 1 方案一：采用专用网络处理器芯片 我们首先想到的是找出一种可以实现如下功能的芯片：能够独立实现图像数 据的网络传输而不需要主处理器即d s p 控制，d s p 需要做的工作就是传输给此芯 片要传输的图像数据。也就是要采用专门的网络处理器来实现图像数据传输系统 的网络接口和控制单元。其结构如图2 - 3 所示。 其中，m o t o r o l a 公司生产的m p c 8 6 0 芯片是专门为网络应用而设计的，它内 部集成了3 2 位p o w e r p c 微控制器和l o l o o m b p s 以太网姒c ( 媒介访问控制、 m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层功能，专门用于处理网络协议、信令交互、呼叫处理 等网络应用。 l x t 9 0 5 以太网适配器专为i e e e 8 0 2 3 物理层应用而设计，它实现以太网物 第二章系统总体方案设计 理层( p h y ，p h y s i c a l ) 功能，主要包括曼彻斯特编解码、接收噪声抑制、输出脉 冲成形、超时重传、链路完整性测试、信号极性检测与纠正。 在这种方案中，1 p c 8 6 0 和物理层设备l x t 9 0 5 共同实现以太网接口。控制逻 辑也由m p c 8 6 0 实现，d s p 只负责处理图像采集、压缩编码。 图2 3 采用专用网络处理器方案的系统实现框图 m p c 8 g o 和数字信号处理器d s p 之间采用主从方式连接，两者通过d s p 主机 接口h p i ( h o s tp o r ti n t e r f a c e ) 进行通信，m p c 8 6 0 和以太网之间需要一个物理 层设备连接。 这种方案的优点是处理能力强，可以实现比较复杂的功能，缺点是成本较高。 2 3 2 方案二：采用以太网控制器 由于第一种方案成本太高，我们想到用d s p 来完全取代专用的网络处理器， 于是产生了第二种方案。如图2 4 所示。 图2 4 采用以太网控制器方案的系统实现框图 第二章系统总体方案设计 这种实现方案中d s p 不但要处理图像编码，还要充当主处理器，网络接口由 d s p 和r t l s 0 1 9 a s 共同来现。r t l 8 0 1 9 a s 实现以太网媒介访问层( k i a c ) 和物理层的 功能：更高层的网络协议，信令交互、呼叫处理等也需要由d s p 来完成。 这种方案能够实现图像压缩系统的基本功能，处理能力与第一种相比可能要 差一些，但是相信已经足以满足一般应用，而且这种方案成本较低。 2 3 3 方案三：采用通用收发器 我们还考虑过直接用物理层设备和d s p 来实现网络接口，即方案三，如图 2 _ 5 所示。 这种方案与第二种方案相比，只是将以太网接口换成了通用收发器l x t 9 0 5 ， l x t 9 0 5 只实现物理层的功能，因此i ) s p 需要实现m a c 层以及更上层的协议。这 增加了d s p 上的程序设计工作，这种方案无论从性能上还是成本上都没有优势。 图2 5 采用通用收发器的系统实现框图 综合三种方案的优缺点，再结合系统的具体功能要求，我们觉得采用第二种 方案d s p 和r t l 8 0 1 9 a s 是无论从性能还是成本上都是比较理想的选择，所以在我 们所设计的图像压缩系统中决定采用第二种方案。 2 4 硬件系统结构设计及系统框图 根据该系统的要求和硬件选择的整体方案，我们决定对该图像压缩传输系统 的硬件部分做如下的模块设计。 1 电源模块：由于系统芯片供电电压情况复杂( 电路板上有三种电压) ，需要 特别设计电源模块。 2 图像采集模块：图像采集模块主要由一个c m o s 图像传感器、视频缓冲器 以及相应的控制电路组成。 3 控制单元和图像处理模块：主要由t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6d s p 完成。 4 存储模块：由于d s p 片内的r o m 中的内容都是由t i 公司写定的自举加载 9 第二章系统总体方案设计 程序或者中断向量表，是不可擦写的。而系统又需要存储较大的图像采集、压缩 编码算法程序和以太网驱动程序，所以必须外接足够大的e p r o m 存储器。为了以 后改进系统，提高图像的分辨率，以防d s p 片内r a m 容量不能满足要求，所以外 接s r a l i 存储器。 5 以太网接口模块：和以太网的接口主要由以太网控制芯片r t l 8 0 1 9 a s ，网 络变压器芯片h r 6 1 1 0 1 g 和r j 4 5 以太网络接口完成。 根据图像采集、压缩和传输系统硬件结构模块的设计，绘制整体系统框图， 如图2 6 所示。 2 5 本章小节 图2 - 6 系统硬件框图 本章主要介绍了系统总体方案的设计，说明了系统的总体方案选择，硬件系 统方案选择，硬件系统整体结构设计，探讨了不同设计方案的原理及优缺点并最 终设计出整体系统框图。 1 0 第三章系统硬件设计 第三章系统硬件设计 3 1 数字信号处理器电路的设计 3 1 1 数字信号处理器的特点和选型 数字信号处理器，即d s p 芯片，也称为数字信号处理芯片，是一种特别适合 于进行数字信号处理的微处理器，其主要作用是实时快速的实现各种数字信号处 理算法。根据数字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下主要特点：在一个指 令周期内可完成一次乘法和一次加法；程序和数据空间分开，可以同时访问数据 空间和程序空间；片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时 访问；具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；快速的中断处理和硬件i o 支持；具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；可以并行执行多个操作；支 持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以并行执行。 与通用微处理器相比，d s p 芯片的其他通用功能相对较弱些。但是，近年来 新推出的d s p 芯片已经将通用微处理器的一些功能集成在芯片中，d s p 芯片已经 可以实现普通微处理器的功能。 设计d s p 应用系统，选择p s p 芯片是非常重要的一个环节。总的来说，d s p 芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。不同的d s p 应用系统由于应用场 合、应用目的等不尽相同，对d s p 芯片的选择也是不同的。一般来说，选择d s p 芯片时应考虑到如下诸多因素：d s p 芯片的运算速度、d s p 芯片的价格、d s p 芯 片的硬件资源、d s p 芯片的运算精度、d s p 芯片的开发工具、d s p 芯片的功耗以 及封装的形式、质量标准、供货情况、生命周期等其他因素。 一般而言，定点d s p 芯片的价格较为便宜、功耗较低，但运算精度稍低。浮 点d s p 芯片的优点是运算精度高，用c 语言编程调试方便，但价格稍贵，功耗较 大。综合考虑以上各种因素，我们我们认为采用t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列中应用最广泛 的t m s 3 2 0 c 5 4 x x 是比较合适的。结合本系统的特点，我们决定硬件系统核心的微 处理器采用t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 芯片。 3 1 2t m s 3 2 0 v c 5 4 16 的主要功能特点哺“ 1 c p u 先进的多总线结构：三条独立的1 6 位数据存储器总线和一条1 6 位的程 序存储器总线； 第三章系统硬件设计 4 0 位算术逻辑运算单元( a l u ) ，其中包括4 0 桶型移位寄存器和两个单独 的4 0 位累加器； 一个1 7 位1 7 位的并行乘法器，耦合到一个专用的4 0 位加法器，用于 非流水线的单周期乘法累加运算。 2 存储器 1 2 8 k 1 6 位的片上r a m ，其中包括：8 块8 1 6 位片上双寻址程序数据 r a m ( d a r a m ) 以及8 块8 1 6 位片上单寻址程序r a m ( s a r a i ) ； 1 6 k x1 6 位片上r o m 。可以配置为程序存储器。 3 指令集 单指令重复和块重复操作； 用于程序和数据管理的块存储器移动指令； 2 个或3 个操作数同时读的指令； 具有并行存储和并行加载的算术指令； 从中断快速返回指令。 4 片上外设 软件可编程的等待状态发生器； 具有内部振荡器或外部时钟源的片内锁相环( p l l ) 时钟发生器； 六通道直接存储器访问控制器( d m a ) ； 三个多通道缓冲串口( m c b s p s ) ； 8 位或1 6 位增强的并行主机接口( h p l 8 1 6 ) 。 3 1 3t m s 3 2 0 v c 5 4 16 存储器资源配置方案 3 1 3 1t m s 3 2 0 v c 5 4 16 片上的存储器资源 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的片上存储器资源包括：1 2 8 k 字的片上r a m 和1 6 k 字的片上 r o m 。其中1 2 8 k 字的片上r a m 可分为：8 块8 k 字的片上双寻址r a m 和8 k 字的片 上单寻址r a m 。t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 程序和数据存储器映射如图3 一l 所示，扩展的程序 存储器映射如图3 - 2 所示“。下面我们将具体的分析一下存储器映射图。 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 通过3 个状态位m p m c 、o v l y 和d r o m “使能”和“禁止” 程序和数据空间中的片上存储器。这三个状态位是： m p m c 位 若m p m c - o ，则片上r o m 映射到程序空间，系统选择微计算机模式； 若m p 脚= 1 ，则片上r o m 不映射到程序空间，系统选择微处理器模式。 o v l y 位 若0 v l y = l ，则片上r a i d 映射到程序和数据空间； 第三章系统硬件设计 若o v l y - 0 ，则片上r a m 不映射到程序和数据空间。 d r o m 位 若d r o m = o ，则片外r o m 映射到数据空间o x 8 0 0 0 0 x f f f f ； 若d r o m = i ，则片外r o m 不映射到数据空间0 x 8 0 0 0 o x f f f f 。 上述3 个状态位包含在处理器工作方式状态寄存器( p m s t ) 中，其中d r o m 的 用法与m p m c 无关。 m p t w e - 髑k p r m w m o d 1 g n - c h j p d 脚q a m o - 3 ( 0 v l y - 1 l e x l 耐 i o v l y - o ) o n c h t p l m p 月m c - 0 e x t e r 删 ( m p t m c - 4 p a g e l x p c - i 图3 - 1 程序和数据存储器映射图 o - c h j p ) a r a m 0 - 3 f g v l y - i i e x t e m a l l o v l y - o ) o n - c r a - n 3 咖p i m c - 0 ) e 目删 嘲p m c - 1 ) o n _ c h 的 d a i 排3 ( o v l y - 1 i e x t e r n a l ( o v l y - # ) o m c s a r a 7 ( m p t m c - o ) e d 啊r i 越 l m p i 虻- i ) o n c h i p o r a i o v l y - i i e x ”一 ( o v l y , o ) 嘶n o n c h 韬 a a r m 陶 ( o v l y - i ) e x m ( n a l ( o v l y , o ) e x m m a i 图3 - 2 扩展的程序存储器映射图 在本系统中，m p 五苑= o ，即选择微计算机模式，片上双寻址r a m 的第4 至第7 块映射在扩展程序存储区的o x l 8 0 0 0 0 x l f f f f ，片上单寻址r a m 的第0 至第3 块映射在扩展程序存储区的0 x 2 8 0 0 0 0 x 2 f f f f ，片上单寻址r a i 的第4 至第7 块映射在扩展程序存储区的0 x 3 8 0 0 0 o x 3 f f f f 。系统设置o v l y = 1 ，片上 双寻址r a m 的第0 至第3 块映射在程序区o x 0 0 8 0 o x 7 f f f ，同时映射在扩展程 序存储区的o x 0 1 0 0 0 0 0 x 0 1 7 f f f 、o x 0 2 0 0 0 0 0 x 0 2 7 f f f 、0 x 0 3 0 0 0 0 o x 3 7 f f f 、o x 7 f o 0 0 0 0 x 7 f 7 f f f 。上电时，系统设置d r o m ：o ，片外扩展的 e p r o m 映射在数据区0 x 8 0 0 0 o x f f f f ，t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 片内的自举程序把存储在 第三章系统硬件设计 e p r 叫的应用程序代码搬移至片内的r a m 中，然后设置d r o m = i ，把片上双寻址 r a m 的第4 至第7 块映射在数据区的o x 8 0 0 0 o x f f f f 。 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 芯片提供1 6 k 字的掩膜r o m 资源并且只能映射在程序存储器 空间，但是用户不能烧录片上r o m 。t i 公司在片内r o m 中内置了中断向量表和一 个自举加载程序( b o o t l o a d e r ) ，这段程序在d s p 上电时自动执行，实现从外部扩 展的程序存储器中读取程序代码到指定的程序区位置的功能。 3 1 3 2t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 与地址分配相关的引脚配置 本系统扩展的存储器有：一片2 5 6 k 字的s r a m 、一片3 2 k 字的双端口r a m ( 或 1 6 e 字的f i f o ) 、两片3 2 k 字节的e p r o m 。这些存储器的地址分配与t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的一些引脚有关，下面将详细讲述这些引脚的配置： 1 地址总线( a 2 2a o ) t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的程序区的最大寻址空间为8 m 字，数据区和t o 区的地址空 间为6 4 k 字。低1 6 位( a 1 5 a o ) 为寻址外部数据空间或程序空间或i o 空间所复 用，当d s p 处于保持方式时，a 1 5 a o 处于高阻状态。7 个最高位( a 2 2 a 1 6 ) 用 于扩展程序存储器寻址。 2 数据总线( d 1 5 d o ) d s p 的数据总线d 1 5 d o 为c p u 与外部数据存储器、程序存储器和i o 设备 之间传输数据所复用。当h p i l 6 引脚为高电平时，主机接口( h p i ) 工作在h p i l 6 模式下，d 1 5 d o 也为h p i 数据总线所复用。 3 选通信号( d s 、p s 、i s 、m s t r b 、i o s t r b ) d s 、彤和四分别是数据、空间和i o 空间选择信号。d s 、p s 和四总是 高电平，只有与一个外部空间通信时，相应的选择信号才为低电平。它们的有效 时间与地址信号的有效时间相同。这三个信号为低有效。在任一时刻，三个信号 中只能有一个为低，此时为低的那个选通信号指定了要访问或正在访问的地址空 间，从而保证了地址线和数据线的公用但不冲突。 m s t r b 是存储器选通信号，平时为高电平，当c p u 寻址外部数据存储器或 程序存储器时为低电平。i o s t r b 是i o 选通信号，平时为高电平，当c p u 寻址 外部i 0 设备时为低电平。但与d s 、p s 和b 信号所不同的是，它们为脉冲驱 动信号，就是说在每次访问中都会产生一次驱动脉冲，而d s 、p s 和岱信号在 连续的操作时将始终保持低电平状态。因此，这两个扩展的选通信号，就为一些 只能靠脉冲驱动选通的设备提供了