（光学工程专业论文）基于fpgadsp的实时图像处理器的研制.pdf

硕士论文基于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 摘要 随着科学技术的高速发展，微光图像，红外图像，x 光图像在军事、科研、 工农业生产、医疗卫生等领域的应用越来越广泛。然而由于这些图像自身的缺陷， 使得各行各业对于实时图像处理器的需求也越来越迫切。 本文设计和完成了一套的多功能图像实时处理系统，探讨了新型的适用于 图像实时处理的智能化算法，取得了良好的效果。在系统的硬件设计中以d s p 和f p g a 为平台，采用并行的处理方式，保证了系统的实时性要求。并利用d s p 实现了系统的自启动。同时，总结了系统的设计和调试经验，对调试时遇到的一 些问题进行了详细、深入的分析。 关键词：微光，x 光，红外，d s p ，f p g a 硕士论文基于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r n t e c h n o l o g y , l o w - l i g h ti m a g e ，i n f r a r e d i m a g ea n dx r a yi m a g eh a v eb e e nw i d e l yu s e d f o rt h ed e f e c t so f t h e s e i m a g e s ，t h en e e d f o rr e a l - t i m ei m a g e p r o c e s s i n gs y s t e m i sv e r y u r g e n t a m u l t i p u r p o s e r e a l - t i m e i m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mi sd e s i g n e da n d n e wi n t e l l e c t u a l i z e d a l g o r i t h m s a r ep r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e h a r d w a r ed e s i g ni sb a s e do nt h ed s pa n df p g as t r u c t u r e t h er e a l t i m e p e r f o r m a n c e i s g u a r a n t e e db y t h e p a r a l l e lo p e r a t i o n a u t o b o o ti s i m p l e m e n t e db yd s e i na d d i t i o n ，t h es y s t e md e s i g n i n ga n dd e b u g g i n g e x p e r i e n c e h a sb e e ns u m m a r i z e da n d a n a l y z e di nd e t a i l k e y w o r d s ：l o w l i g h t ，i n f r a r e d ，x - r a y , d s p , f p g a 硕士论文 基于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 1 绪论 随着科学技术的高速发展，微光图像，红外图像，x 光图像在军事、科研、 工农业生产、医疗卫生等领域的应用越来越广泛。由于以下三方面的原因，使得 我国近年来在实时图像处理器的研究方面得到了迅速的发展： ( 1 ) 由于这些成像器件自身存在的缺陷，造成了成像的效果并不太理 想，需要对图像进行适当的处理，以得到适合人眼观察或机器识 别的图像； ( 2 )工程应用中，在很多情况下对图像处理的实时性的有很高的要求， 这就使得各行各业对实时图像处理器的需求越来越迫切。 ( 3 )由于近些年来微电子的迅速发展，使得器件的功能越来越强，速 度越来越快，容量越来越大，这就为实时处理器的研制提供了良 好的条件。 本文正是在这样的情况下，运用大规模集成电路( f p g a ，d s p 等) 进行实 时图像处理器的研制。下面首先对各种图像的特点作一个介绍。 1 1微光、红外、x 光图像的特点 微光、红外、x 光图像的成像过程，其区别主要在于采用了不同的探测器， 除此之外在成像的过程中还是存在着很多的相似点，比如输入信号都比较微弱， 都存在光学系统，电子系统等等。这些类似的特点决定了这三种图像具有类似的 特征。 其中医用x 光成像技术，由于对入射x 光强度的控制较为严格，导致了所 得到的x 光图像具有相当大的噪声，其特点与微光图像有一定的相似性，x 光 图像是由于剂量的要求导致所探测到的光能量小：微光图像顾名思义就是微弱的 可见光图像，其光照度在晴朗的夜下，照度下降到1 0 。l x ：在阴云夜空下，最小 值约为1 0 。l x 。比较x 光图像处理系统和微光c c d 摄像系统的组成，可以看出 两者都是经过多次光电转换和电子倍增而形成的，而无论是在光电转换还是电子 倍增的过程中都会引入噪声。因此x 光图像也可以看作是微光图像的一种，只 是在实现上阴极的选用有所不同罢了。根据微光系统的表现特征的分析推论，系 硕士论文摹于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 统的噪声主要来自于像增强器，像增强器的噪声主要可以分为两大类：电子噪声 和离子噪声。电子噪声是像增强器正常工作期间由光子流和光电子流所固有的随 机性起伏产生的噪声，其表现特征为整幅画面上基本均匀的极细微的粒子蠕动。 离子噪声也称雪花噪声，它基本上存在于设计制造不尽完善的像增强器中。其表 现犹如片片雪花随机的漂浮在画面上，并在它出现处显著改变图像的细节结构和 对比。综合起来，这两种图像最显著的表现特征就是在图像画面上叠加有明显的 颗粒性和在空间上随机的闪烁噪声。由图像的噪声特性决定了对于微光和x 光 图像可以采用时间域或空间域的滤波技术，再采用时间域或空间域的增强技术， 具体应用上可以采用邻帧瞬时比较法，多帧累加平均算法。 红外图像的成像系统中，同样存在着电子系统的噪声，但与上述两种图像相 比由于没有电子放大环节引入的噪声，因此红外图像相对而言，噪声情况要比上 述两种图像小一些，但同样可以采用上述的噪声消除方法进行处理。另外红外图 像还存在着动态范围小，对比度差的问题，这个问题可以采用直方图均衡的方法 得到改善。 1 2 论文研究工作 本文设计和完成了一套多功能实时图像处理系统，探讨并实现了适用于不同 特征图像的实时化算法，取得了良好的效果。本文围绕实时图像处理器的研制主 要做了如下的研究工作： ( 1 ) 利用可编程逻辑器件( f p g a ) 以及数字信号处理器( d s p ) ，在 d s p + f p g a c p l d 的基础上，确定了总体设计方案和具体电路结构，成功 实现了多功能图像处理板的研制。 ( 2 ) 为了处理红外图像存在的灰度级较为集中，层次感差的问题，同时也为了 克服以往算法功能单一的缺陷，采用了基于等差数列的直方图均衡算法， 利用对参数的调节可以实现对多种不同图像的直方图均衡。 ( 3 ) 为了适应多种不同特征图像的处理要求，采用了帧数可调的方式来对数据 进行多帧的累加，实现了2 帧，4 帧，8 帧的累加算法。采用该技术增大 了系统的灵活性、抑制了图像噪声、提高了图像的清晰度，取得了较好的 效果。 硕士论文基于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 基于x 光图像需要存储的特性，设计了“f r e e z e ”通道，使得在发现了 感兴趣的图像后，可以将该图像冻结住，以便于进一步观察或存储到计算 机中。 利用双l u t 查找表实现实时红外图像均衡处理功能的处理结构，该结构 可进行动态直方图变换。 实现了系统的脱机独立运行，完成了d s p 的b o o t l o a d e r 程序加载。利用 d s p 完成了对f p g a 的加载，大大的简化了电路、降低了成本，为系统 实现商品化做好了准备。 大量采用贴片元件，进一步减d , y 电路板和功耗。 对于电路噪声和干扰的产生机理及抑制方法进行了研究，总结出了具有抗 干扰能力的高速印刷电路板布局与布线原则，提高了系统的可靠性和稳定 性。 ” d 幻 ( ( ( ( ( 硕士论文基于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 2 算法原理及实现 2 1 基于等差数列的直方图均衡算法 2 1 1 基于等差数列的直方图均衡算法介绍 直方图均衡算法作为图像处理中的一个经典算法，在图像处理中得到了广泛 的应用。在红外图像处理中，针对图像的灰度级比较集中，层次感差等问题，采 用直方图均衡的方法来进行处理，可以使其灰度级尽量拉开，从而达到对比度增 强的效果。但是在实际处理中发现，对于某些图像采用直方图均衡算法处理后， 图像的亮暗反差太大，使图像变得生硬，不太适合人眼观察。当然，除经典的直 方图均衡算法外，还出现了很多新算法，或是改进算法。但是这些算法也往往只 是对某些图像有较好的处理效果。正是由于它们的通用性较差，使得其应用范围 受到了一定程度的限制。本文所采用的基于等差数列形式的直方图均衡算法，则 较好的克服了上述的局限性。主要是由于此算法采用了参数可调的方式，使得这 种方法对于不同特征的图像具有更好的适应能力。只要通过对参数的调整，便可 以得到更适合于人眼观察的效果。 此算法是对原始图像的直方图进行统计后，以灰度中心点为原点向两边利用 两个等差数列对直方图进行一次重新排列，以获得较好的灰度拉伸效果。具体算 法如下： 假设灰度范围为o 一2 5 5 ( 共2 5 6 级灰度) ，图像实际所具有的灰度级为n ， 则图像的中心灰度”，为n 2 ( n 为偶数) 或( n + 1 ) 2 ( n 为奇数) ，而其相应的灰度范 围的中心点设为1 2 7 。在中心灰度级的位置确定后，以此中心点为起始点向两边 以等差数列的形式设排列剩余的灰度级。设排列后中心灰度级与其相邻灰度级之 间的间距为“，等差数列的公差为，图像实际灰度级数为n ，则可以得出下列 等式。 1 3 为偶数时 ( ) x l o4 半f _ 2 5 5( 2 1 1 1 ) 硕士论文基于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 1 1 为奇数时： ( ) x l o + 半f _ 2 5 5 ( 2 l l 固 上面的等式中存在3 个变量，但是对于某一幅确定的图像来说，它的灰度级个数 n 是确定的，而且完全可以统计出来。这样以上两个等式中就只剩下两个变量屯 和f 。分别为等差数列的首项和公差。而其中l 的必须为一个大于等于1 的整 数。当取f 0 为1 ，2 ，3 这样的整数值时便可以得出相应的公差a i 。不难看出， 当首项，。，墨时，是小于。的，此时数列为一个单调递减的数列：反之， 当f 。s 兰时，此等差数列为一个单调递增的数列。利用上面求出的z 。和， 便可以得出每一个原始灰度级在进行了变换后所对应的新的灰度级所在的位置 ，具体的计算公式如下： n 为偶数时： o ( 川) x o 生生掣删 1 2 7 1 2 7 + ( 女一詈) 如+ 兰生二二! 生旦善地， 1 1 为奇数时 0 旷，) x o4 掣删 1 2 7 1 2 7 砸一半m + 堡塑等塑 后= i 2 k 旦 2 ( 2 1 1 3 ) 女；兰 旦 七h k = l 2s 女 丰富的指令系统 t m s 3 2 0 c 3 1 的汇编语言指令集特别适合于数字信号处理。所有指令均占 个机器字长，大部分指令是单周期的。指令集共有1 1 3 条指令，可以分为六类： 数据传送类、二操作数算术逻辑类、三操作数算术逻辑类、程序控制类、互 锁操作类及并行操作类。 ( 2 ) 灵活的程序控制 t m s 3 2 0 c 3 1 提供相当灵活的程序流控制。软件的程序控制包括重复、跳转、 陷阱及返回等。t m s 3 2 0 c 3 1 重复方式可以实现无开销循环。 ( 3 ) 流水线操作 流水线操作是t m s 3 2 0 c 3 1 具有高性能的特性之一。5 个功能单元控制 t m s 3 2 0 c 3 1 的操作：取指( f ) 、译码( d ) 、读操作数( r ) 、执行( e ) 和d m a 。 流水线操作就是一个基本指令的取指、译码、读操作数和执行的并行操作。流水 线的结构如图3 6 ，1 2 1 所示。图中在m 周期，流水线充全重叠，4 个单元的操 c y c l e 1 f e t c h l d e c o d e i r e a d le x e c u 螬l m - iy xw r mzy x w 叫o v p e e r f r l a e c p tl n o t e ： 图3 , 6 1 , 2 1t m s 3 2 0 c 3 1 的流水线结构 作同时进行，5 个功能单元的优先级从高到低依次是e 、r 、d 、f 、d m a 。当一 条指令的处理已经准备好到流水线的下一级，但那一级还没有谁备好接收新的输 入时，就出现所谓的流水线冲突。在这种情况下，低优先级的单元处于等待状态， 直到高优先级的单元完成它的当前操作。 硕士论文基于f p g a + d s p 的宴时图像处理器的研制 ( 4 ) 寻址方式多样 t m s 3 2 0 c 3 1 支持5 类寻址方式，在这些类中又可采用6 种寻址类型。5 类 寻址方式是：a 通用寻址方式；b 三操作数寻址方式；c 并行寻址方式；d 长立即 数寻址方式；e 条件跳转寻址方式。6 种寻址类型是：a ，寄存器寻址；b 直接寻址； c 司接寻址；d 短立即数寻址；e 长立即数寻址；f 相对寻址。此外，t m s 3 2 0 c 3 l 还有两种数字信号处理中非常有用的寻址方式，一种是圆周寻址方式，主要用于 卷积和相关等运算中存储器循环缓冲：另一种寻址方式是比特反转寻址，主要用 于f f t 运算。 3 6 2d s p 的自启动设计 t m s 3 2 0 c 3 x 系列d s p 是美国德州仪器公司( t i 公司) 生产的第三代浮点数 字信号处理器。虽然它是上世纪8 0 9 0 年代的产品，但由于其具有结构简单， 功能强大的特点，在今天还是得到了广泛的应用。 在d s p 中主要的存储器是r a m ，而由于r a m 的数据易失性。这使得在每次加 电时必须将程序以及所需的数据从外部的非易失性存储器( 如e e p r o m ) 中调入 到f l s p 内部的r a 酣中。这就是b o o tl o a d e r 的功能。它实际上是段代码，在每 次加电之后，当d s p 处于m i c r o c o m p u t e r 状态时，这段代码会自动去执行。 表3 6 2 ，it m s 3 2 0 c 3 1 自引导装入方式及地址 i有效中断引脚装入方式存储器地址 i n t 3 3 2 位串行串行口 i n t 0 外部存储器b o o t l 地址：o x 0 0 1 0 0 0 i n t l 外部存储器b o o t 2 地址：0 x 4 0 0 0 0 0 i n t 2 外部存储器b o o t 3 地址：o x f f f 0 0 0 首先介绍一下b 0 0 t l o a d e r 的工作过程。在加电以后，d s p 首先查询 m c b l m p 脚，是不是接了高电平。如果是，接下来查询中断标志寄存器( i f ) 的i n t 3 这一位，如果说被置为1 ，则用串口装载数据，如果没有置位，则查询 i n t o 这一位的情况，同理，如果被置位，就从外部端口地址为1 0 0 0 h 的地方装 载数据，如果没有，这继续向下查询。直到有一个中断被置位而进入数据装载阶 段为止。其外部中断与启动方式的对应关系如表3 6 ，2 1 所示。其启动过程如图 3 6 2 1 所示。 硕卜 皂义基于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 当某中断对应的寄存器标志位被置位后，便开始进行数据装载的过程，本文 主要以外部存储器的装载过程为例加以说明。 图3 6 2 1d s p 启动过程 当装载过程从开始后，d s p 便从外部存储器读数据，而存储器的端口地址必 须与其触发的中断相一致。比如，当采用i n t ! 中断作为触发信号时，那么外围 存储器的端口地址就必须是4 0 0 0 0 0 h 。在装载过程中，前几位数据是非常重要的。 它决定了存储器的位数，系统的控制字，数据量的大小，以及数据装载的目的地 址。而如果装载出现问题，很大一部分原因就来源于开始几个数据的错误。当 上述的数据装载完毕后，d s p 就转到程序的执行地址开始执行。 在d s p 中执行的文件是c o f f 格式的o u t 文件，而这种格式的文件是无法 被大多数的存储器所接受的，这就需要将这些o u t 文件转化为存储器所接受的数 据格式。这种转化需要使用到t i 公司的软件h e x 3 0 。在此给出一个例子，来讲 述转化的过程。直接在d o s 状态下输入；h e x 3 0z j b o o t c m d 便可得到转 换的文件z j d s p 2 i 0 。其中，z j b o o t c m d 是一个命令文件，内容如下： z j d s p 2 o u t i m e m w i d t h8 昌 硕士论文 基于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 一c g8 e s h b o o t m a pz j t e s t 2 m x p oz j d s p 2 i 0 一r o m w i d t h8 从以上的文件中，便可以看到这样转化所需要的一些基本参数。 第一行的 z j d s p 2 o u t 是指用于转换的o u t 文件； 第二行的一i 参数，表示数据转化为i n t e l 格式；第三行的- - m e m w i d t h8 是指定义系统内存的字宽； - - c g8 e 8 是表示系统 的控制字是8 e 8 ；- - b o o t 选项是自将所有的指令都放在b o o t 的区域；一m a p z j t e s tm x p 是产生一个m a p 文件，这个文件用于检查转换的结果。- - oz j d s p 2 i 0 是指输出文件的名字。而最后一个参数- - r o m w i d t h8 是指外接存储器的宽度， 根据具体使用的存储器来确定。因为本文使用的f l a s h 存储器是8 位的，因此 取8 。另外需要强调的是，m e m w i d t h 这个参数的意义，在这里取了8 ，当然也可 以取为1 6 或3 2 ，但如果这样的话，产生的文件数就分别为2 个和4 个，也就是 说利用m e m w i d t h 除以r o m w i d t h 得到的数就是产生的数据文件的数目，也就是 需要使用的存储器的数目，从根本上讲，存在这个问题的原因是d s p 芯片内部 数据位宽是3 2 位的。但是如果m e m w i d t h 和r o m w i d t h 不相等，必然会导致硬件 的复杂化。因此，在没有特别要求的情况下，尽量采用m e m w i d t h = 8 这样的参 数。 在上文中曾经提到关于应用h e x 3 0 软件可以得到一个m a p 文件。这个m a p 文件包含了很多在转换过程中以及转换后的参数，对于判断转换后文件的正确性 是相当有效的，因此建议推荐使用。 3 7 f l e x l0 k 3 0 的加载设计 3 7 1f l e x l o k 器件介绍 3 7 1 1f l e x l o k 的特点 f l e x l 0 k 是工业界第一个嵌入式的p l d ( p r o g r a m m a b l ei x l g i cd e v i c e ) ，其 特点如下： ( i ) 高密度 - 2 4 硕一l + 论文 基于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 1 0 0 0 0 - - 2 5 0 0 0 0 个可用门。高达4 0 9 6 0 位内部r a m ( 每个e a b 有2 0 4 8 位) ，所有这些都可在不减少逻辑能力的情况下使用。 ( 2 ) 系统级特点： 支持多电压( m u l t i v o l t ) i o 接口。 低功耗( 维持状态小于0 5 m a ) 。 遵守全p c i 总线规定。 内带j t a g 边界扫描测试电路。 通过外部e p r o m 、集成控制器或j t a g 接口实现在电路可重构( i c r ) 。 时钟锁定和时钟自举选项有助于减小时钟延迟变形和对时钟进行倍频。 器件内低变形时钟树形分布。 ( 3 ) 灵活的内部连接： 快速、可预测连线延时的快速通道( f a s t t r a c k ) 连续式布线结构。 实现快速加法器、计数器和比较器的专用进位链。 实现高速、多输入逻辑函数的专用级联链。 模仿三态能实现内部三态总线。 多达6 个全局时钟信号和4 个全局清除信号。 ( 4 ) 增强功能的i o 引脚。 每个引脚都有一个独立的三态输出使能控制。 每个i o 引脚都有漏极开路选择( o p e n - d r a i no p t i o n ) 可编程输出电压的摆率控制可以减小开关噪声。 ( 5 ) 具有快速建立时间和时钟到输出延时的外部寄存器。 ( 6 ) 多种封装方式可任意选择。 3 7 1 2f l e x i o k 器件的功能描述 f l e x l o k 主要由嵌入式阵列块、逻辑阵列块、f a s t t r a c k 和i o 单元四部分 组成。如图3 2 2 1 所示。 ( 1 ) 嵌入式阵列 嵌入式阵列是由一系列的e a b ( 嵌入式阵列块) 构成的。当要实现有关存 贮器功能时，每个e a b 提供2 0 4 8 位用来构造r a m 、r o m 、f i f o 或双口r a m 硕士论文 基于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 等功能。当e a b 用来实现乘法器、微控制器、状态机以及d s p 等复杂逻辑时， 每个e a b 可以贡献1 0 0 到6 0 0 个门。e a b 可以单独使用，也可以组合起来使用。 本文采用的f l e x l 0 k 3 0 有6 个e a b ，共有1 2 2 8 8 位存储空间，本文便使用了其 中的两个作为新型直方图均衡算法的查找表( l u t ) 。 ( 2 ) 逻辑阵列 逻辑阵列是由一系列的逻辑阵列块( l a b ) 构成的。每个l a b 包含8 个逻 辑单元( l e ) 和一些连接线。 图3 7 1 2 1f l e x l 0 k 器件的结构方框图 l e 是f l e x l 0 k 结构中的最小单元。它含有一个4 输入查找表( l u t ) 、一 个带有同步使能的可编程触发器、一个进位链和一个级联链。进位链提供l e 之 间非常快( 0 2 n s 左右) 的向前进位功能。级联链可以在最小延时的情况下实现 多输入逻辑函数。本文采用的f l e x l 0 k 3 0 有1 7 2 8 个l e 。 ( 3 ) f a s t t r a c k 连接 在f l e x l 0 k 中，l e 和器件i o 引脚之间的连接是通过快速通道 ( f a s t t r a c k ) 连接实现的。f a s t t r a c k 是遍布整个f l e x l o k 器件长、宽的一系列 水平和垂直的连续式布线通道。采用这种布线结构即使对于复杂的设计也可预测 其时延等参数。 ( 4 ) i o 单元( i o e ) 硕士论文 基于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 i 0 单元( i o e ) 包含一个双向i 0 缓冲器和一个寄存器，它既可以用在 需要快速建立时间的外部数据的输入寄存器上，也可以作为要求快速的“时钟一 输出”性能的数据输出寄存器。i o e 引脚可以作为输入输出或双向引脚。 在本文中选用了i o k 系列中的f l e x l o k 3 0 r c 2 4 0 ，它是一个3 万门的f p g a ， 使用门数较多主要是考虑到系统以后功能扩展的需要。此芯片的管脚数位2 4 0 个，用如此多的管脚主要原因是由于需要进行8 帧累加，8 帧累加时需同时读如 8 片存储器的数据。 3 7 2f l e x l 0 k 3 0 器件的加载 f l e x l 0 k 3 0 器件的工作状态分为三种：一种称之为用户状态( u s e r m o d e ) ，指 电路中器件正常工作的状态；种是配置状态( c o n f i g u r a t i o n ) ，指将编程数据 装入器件的过程，也可称之为构造；第三种就是初始化状态( i n i t i a l i z a t i o n ) ， 器件复位各类寄存器，让i 0 引脚为逻辑器件正常工作作准备。 n c o n f i g 、 n s t a t u s 、叫 d c l k n 厂 厂| 厂 d a t a 卫醛d 区 匝d 回似 u s e ri o s 倒二二二二二卫匾亟二二二二二二 i n i t _ d o n ef 3 j 图3 ，7 ，2 if l e x l o k 器件的工作状态及加载时序图 f l e x l 0 k 器件正常工作时，它的配置数据贮存在s r a m 之中。在每次加电期间， 配置数据都必须重新构造，将i o 引脚和寄存器初始化之后便进入了用户状态， 其各种工作状态及加载时序如图3 7 2 1 所示。 f l e x l 0 k 器件配置分为两大类：主动配置方式和被动配置方式。主动配置由 器件引导配置操作过程，它控制着外部存贮器的初始化过程；而被动配置由计算 机或控制器控制配置过程。根据数据线的多少将f l e x l o k 器件配置又分为并行配 置和串行配置两类。f l e x l 0 k 分为以下四种配置方式，如表3 7 2 1 。 表3 7 21 f l e x i o k 配置方式 方式典型应用 主动串行( a s )利用e p c i ( p r o m ) 配置 被动串行( p s )串行同步c p u 接口，b i t b l a s t e r 等 被动并行同步( p p s )并行同步c p u 接口 t被动并行异步( p p s )并行异步c p u 接口 萋 蠹 硕士论文基于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 本文采用的是微处理器的p s 配置方式，如图3 7 2 2 所示。本文由t m s 3 2 0 c 3 1 图3 7 2 2 微处理器的p s 方式 作为微处理器完成对f l e x i o k 3 0 的加载，加载数据大小为4 5 k 字节，以i n t e l 文件格式存于外部f l a s h ( a t m e l 2 9 c 0 1 0 ) 中。需要注意的是2 9 c 0 1 0 的大小为l m 位，即1 2 8 k 字节，而在这个存储空间中需要放入d s p 的程序和f p g a 的加载数据， 为了寻址的方便，以f l a s h 的最高地址位来区分这两段数据，在这种情况下每一 个数据都不能大于6 4 k ，显然此处的数据满足这个要求。在此强调这个问题主要 是考虑到如果采用容量更大的芯片时，需要注意其加载数据的大小，如果大于 6 4 k 时就需要考虑更换更大容量的f l a s h 芯片了。其具体的加载过程为：由 t m s 3 2 0 c 3 1 从a t m e l 2 9 c 0 1 0 中读取数据，软件编程的方式产生如图3 7 2 1 的时 序，将数据传送至f l e x i o k 3 0 。在加载过程中主要用到了f l e x i o k 3 0 的以下几个 引脚，现逐一进行介绍。 m s e l l 和m s e l o 为选择配置方式引脚。状态为0 0 ：a s 或p s ；1 0 ：p p s ；1 1 ： p p a 。本文采取的是p s 方式加载，将这两个引脚均接地。 n e e 是f l e x i o k 器件使能输入，n c e 为低时使能配置过程，在为单片配置时， n c e 必须始终为低。 n c o n f i g 为配置控制输入引脚，低电平使f l e x i o k 器件复位，在由低到高跳 变过程中启动配置。 c o n f i gd o n e 引脚为器件配置的状态输出端。在配置期间，f l e x i o k 器件将 其驱动为低。所有配置数据无误差接受后，f l e x i o k 将其置为三态。输入高电平 引导器件执行初始化状态并进入用户状态。c o n f i g _ d o n e 必须经由1 o k q 的上拉 电阻接至v c c ，而且可以将外电路驱动为低以延时f l e x i o k 初始化过程。 硕士论文基于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 n s t a t u s 是命令状态下的状态输出引脚。加电后，器件立即驱动该引脚到低 电平，然后在1 0 0 m s 内释放它，n s t a t u s 必须经由1 o kq 的上拉电阻接至v c c ， 如果配置中发生错误，f l e x l o k 将其拉低。 d c l k 为外部数据源提供时钟，为可靠加载，加载时钟频率应小于i o m h z ，本 文的加载时钟在2 m h z 以下。 d a t a o 为加载数据输入引脚，加载时钟d c l k 的上升沿将其送入f l e x i o k 器 件。 实际在加载过程中需要使用5 位数据，但是由于这5 位数据中，只有三位是 从微处理器下载到芯片的，其它两位则是由芯片传回微处理器的，而且这些数据 的读写时间并不冲突。因此本文中只使用t m s 3 2 0 c 3 1 的低三位数据端口为f p g a 的加载提供必要的数据和时钟等信号。其中d 0 用于输出加载数据d a t a o ，d 1 产 生加载时钟d c l k ，d 2 输出加载起始信号n c o n f i g ；同时d 1 也作为状态判断信号， 读取n s t a t u s 位的状态。d 2 也用于读取加载状态信号c o n f i g d o n e 。可见，d 1 和 d 2 管脚存在复用，这是通过在c p l d 内部的三态门实现的。另外由于从存储器中 读入的数据是8 位的，而加载时是串行的，因此在d s p 中还需要实现个并到串 的数据转换。 实现这些加载必须首先能够完成对程序存储器的读操作。为正确实现地址译 码和一些数据接口等操作，本文由c p l d 器件e p m 7 0 6 4 完成上述功能，其中实现 t m s 3 2 0 c 3 i 对f l e x i o k3 0 加载功能的数据接口电路图如图3 7 2 3 所示。 图3 7 2 3实现加载功能的数据接口电路图 硕士论文基于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 3 8 印制电路板( p c b ) 上的地线处理 系统中的每个p c b 应至少有一个地线层。理论上一个双面板应该将一面作 为地层线，而另一面作相互连接用，但在实际中，这是不可能的，因为地线层中 的局部也要用于信号和电源的走线及过孔。尽管如此，保留区域应尽可能大。板 上i c 的接地引脚应直接焊接到地线层以减少串行电感。电源端与地端应安装低 电感陶瓷表面贴片式退耦电容。 在本文中，为了使系统调试方便，采用了两层板设计，但是处于抗干扰的考 虑，最好采用四层板，其中中间两层分别为电源层和地层，而上下两层可以用来 放置芯片以及信号连线。 对于具有大量数字电路的高速系统要求从物理上将敏感的模拟器件与有噪 声的数字器件分离，且信号走线尽可能短。对于模拟、数字混合的p c b 板应有 相互分离的地线，且二者不能相交叉，以防止电容耦合。 3 8 1 模拟数宇混合器件的地线处理 象运算放大器、基准源等模拟器件应与模拟地之间退耦，而a d 、d a c 以及 其它混合i c 也应看作模拟器件并与模拟地之间退耦。此类内部既有模拟电路又 有数字电路的i c ，由于数字电流的迅速改变将产生一电压并无疑会通过分布电 容耦合到模拟电路。同时在i c 的引脚之间不可避免地存在约o 2 p f 的分布电容， 因此其模拟地与数字地通常保持分离以避免数字信号耦合到模拟电路。 然而，为防止进一步耦合，a g n d 与d g n d 应在外部以最短距离连接到模 拟地。在g n d 连接处任何额外的阻抗都将引起数字噪声，同理也将通过分布电 容耦合到模拟电路。i c 的d g n d 引脚是指该引脚在内部连接到i c 的数字部分， 而不是指该引脚必须连接到系统的数字地。 模拟电路与数字电路一般要求单独供电。模拟电源管脚应该与模拟地之间接 退耦电容，逻辑电路的电源引脚应与数字地之间退耦。 3 8 2 采样时钟电路的地线处理 采样时钟产生器电路也应考虑接地问题并且与模拟地之间的退耦电容要更 硕卜论文基于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 大一些。采样时钟的相位噪声会降低系统的s n r 。由于采样时钟的抖动会调制 输入信号，增加噪声并引起基准畸变，因此应采用低相位噪声的晶振作为采样时 钟。采样时钟产生器应与数字电路隔离并退耦到模拟地。理论上在具有分散地的 系统中采样时钟产生器应以模拟地作为参考，然而由于系统的各种制约，这种 作法有时不能实现。在许多情况下，采样时钟是通过对基于数字地的高频系统时 钟分频得到的如果将基于数字地的时钟信号传递到基于模拟地的a d c 两种 地之f 可的噪声将直接叠加到时钟信号上并产生过大的抖动这种抖动将降低 s n r 。 3 8 3 电源接入端地线处理 虽然本文的设计所用到的是稳压电源输出，但为了进一步的减少噪声干扰， 仍然需要对此电源的输入端作相应的处理。 ( 1 )在紧靠电源线进入电路板处安装一个1 0 0 uf 的电解电容器，滤除低 频干扰( 小于1 k i - i z ) ，同时要并联一个o 1uf 的小电容滤除高频干 扰。 ( 2 )在模拟电源与数字电源连接在一起之前，需要分别通过一个铁氧体 磁珠，达到进一步减小干扰的目的。铁氧体磁珠又称为零欧姆电阻， 主要功能就是减小干扰的。 硕士论文基于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 4 实时图像处理器的调试 4 1 系统调试的一般方法 在系统调试的过程中，由于系统的复杂程度较高。需要采用一些调试的方 法，这些方法不仅能够提高调试的速度，更关键的是能够提高调试的成功率， 以下是本文中所使用到的一些调试方法： ( 1 ) 首先在设计时，需要为调试中用到的重要信号留下测试点，特别是对于 f p g a 这样的管脚密集的芯片；对于不能确定的信号可以在设计时加入开 关或跳线，以便于随时修正。 ( 2 ) 在焊接电路板之前首先需要对电路板的电源进行测量，看是否存在短路 的情况。 ( 3 ) 在焊接芯片时，最好不要一次性将所有的芯片都焊接上，这样如果某 个芯片出现问题就很难检查。较好的方法应该是对于一些较为复杂的芯 片，一个一个的焊接调试，除了该芯片必备的外围芯片，其他芯片不要 焊接，以免相互影响，造成调试的困难。 ( 4 ) 每次焊接上新的芯片之后，就需要重新测量电源和地，看是否出现短路， 因为这时候如果出现问题很容易烧坏芯片。 ( 5 ) 在使用示波器进行时序观察时，最好使用两个通道进行观察，这样才能 找出各信号之间地相位和时序关系。 ( 6 ) d s p 的调试过程中，可以先编写- - d 段测试程序，如产生方波的程序等。 在测试程序顺利通过后，再去调试大的程序，这主要是为了保证d s p 能 够正常工作。 4 。2 系统调试中的问题及解决方法 4 2 1d s p 自启动的问题及其解决方法 4 2 1 1 硬件的连接问题 硕i ：论文 基于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 在d s p 芯片上有一个r e a d y 脚，用来与外围设备进行联络，以得到外围设备 的状态。在实际的操作中，有时可以不使用这个信号，而完全用软件等待的方式 来保证数据传输的准确。但是d s p 芯片在自启动时却要用到这个脚，这是因为 在系统r e s e t 之后，系统的控制字中有一个以两位表示的参数s w w 被置为了1 1 ， 它的意思是用外部的r e a d y 信号和内部的软件等待信号进行逻辑与，只有当着两 个信号都为有效时( 低电平有效) ，所得到的信号才是有效的，也只有这样才去 读外部的数据。如果在硬件的连接上将引脚接为高电平的，这外部的r e a d y 信号 始终是无效的。这样出现的结果就是d s p 进入了无限的等待之中，而不会去读取 外部存储器的数据，造成自启动的失败。 因此，如果不使用外部的r e a d y 信号，那么应该将其接为低电平，使外围的 r e a d y 信号始终有效，而读写的速度完全由内部的等待信号决定。 4 212 软件问题 程序的装入点的选择：在d s p 中，程序往往使加载到d s p 内部的l a m 里的， 而对于t m s 3 2 0 c 3 1 来说有两个大小为1 k 的r a m ，地址分别为8 0 9 8 0 0 h 和 8 0 9 c 0 0 h ，程序装载时要注意不能从8 0 9 8 0 0 h 装载，因为在装载时，b o o tl o a d e r 将在8 0 9 8 0 0 h 处建立了一个字长的堆栈。因此，如果在8 0 9 8 0 0 h 处装载会造成 冲突。本文中将程序装载在地址8 0 9 8 i o h 处。 中断的产生问题；在一般情况下，应该是在d s p 复位之后对某一个中断引 脚输入一个1 2 个h l 长度的低脉冲，从而将相应的中断标志寄存器置位。然 而这种1 2 个h 1 宽度的脉冲是很难得到的。因此，对于中断数量较少的应用， 可以采用将某一个中断始终接低电平的方法，采用这样的方法应该注意的是在开 中断的时候，接地中断的相应允许位不能打开。 4 2 2 彩色信号同步不稳的问题 本处理器使用来处理微光，红外，x 光等图象的视频信号，而这些视频信号 都是黑白视频信号。但如果将输入信号改为一般的彩色视频信号( 即c v b s ) 时， 会出现图像上下跳动的问题。出现这些问题的原因可能是由于彩色视频信号的色 同步信号对同步分离电路的干扰。为解决这个问题可以采用集成视频a d 转换 硕士论文 基于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 器，如p h i l i p s 公司的s a a 7 1 l l ，因为这种器件可以实现亮色分离，产生y c 信号输出，其中的亮度信号y 就可以用作黑自图像的处理。另外这种a d 的好 处还在于它能够输出各种同步信号，像素时钟等，这样便省去了同步分离，锁相 环等电路。 4 2 3 双向端口的使用问题 对于双向端口的使用：在本论文的设计中多处应用了双向端口，其中包括对 d s p 对f p g a 的加载和s r a m 的读写操作。在以前的设计中均采用了7 4 h c 2 4 5 总线收发器，但是考虑到电路的大小，功耗等问题，便在本设计中采用了f p g a 芯片i o 口的双向传输能力。每一个i o 口包含一个双向的i o 缓冲器和寄存 器。但在具体使用双向i o 口时容易犯一些错误，导致编译无法通过。最常见的 问题是在于将输入输出信号均经过一个三态门。以为这样才能使输入输出信号 不至于冲突，但这样设计的结果往往使编译出错。正确的方法是只对输出的信号 加一个输出三态缓冲门，而输入信号直接输入，为了防止信号的不稳定，以及将 输出的信号作为输入信号，可以利用一个控制信号对有效地输入信号进行锁存。 这样便可以保证输入信号的正确性。 4 2 4 输出三态门无法及时关闭的问题 在进行多帧累加的算法中，由于存储器数量的限制，使得在一个时钟周期内 必须完成一次读操作和一次写操作，因此需要利用三态门控制数据的流向，读写 时序如图4 2 4 1 所示： 图4 2 4 1 读写时钟的时序关系 但在使用a l t e r a 的f l e x l 0 k 3 0 芯片时遇到了这样的情况。数据输出时 三态门著不能及时的关闭。以下的一个实验证明了此问题的存在。当使用w r 这 个时钟作为三态门的控制信号时，当w r 处于低电平时进行数据的锁存应该是没 有数据的，因为此时数据总线处于高阻的状态。然而，即使在此处进行数据的锁 硕士论文基于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 存仍然可以锁存到数据，最直观的表示是用锁存到的数据进行图像的显示，完全 可以的到正确的显示。说明此时总线上仍然有数据。如果此时再进行数据的读取， 必然会造成数据的冲突，导致数据读取的不正确。在本文中解决的方法是将不同 的存储器读取时间分开，对于读写的存储器，在进行数据写入存储器的同时进行 数据的锁存，即此写入数据也作为一帧的累加数据先进行锁存，其余的七帧数据 在进行存储器读取操作时进行锁存，然后将到的8 帧数据进行累加。通过这样的 时序修改，在不改变电路功能的情况下，避免了在数据冲突时去锁存数据，其实 验结果证明也是完全可行的。 4 2 5 图像背景的亮暗交界处出现白色的亮点的问题 在调试过程中发现在进行多帧累加处理之后的图像轮廓边缘处出现了许多 白色的亮点，并且累加帧数越多，白色的亮点也越多。显然是在明暗交界处的数 据发生了错误，经分析造成这种错误的原因可能是由于锁存时钟不一致，造成数 据变化的不一致。在上一个问题中就提到了在8 帧累加中，读写操作存储器和读 操作存储器锁存数据并不是同时进行的，这样就导致了数据变化的不一致。在经 过多次累加之后就出现了数据不稳定的情况。在本文中解决这一问题的方法是， 在每一级加法器后面用同一个时钟进行锁存，已达到数据的稳定，实验结果证明 是可行的。 硕i 论文 基于f p g a + d s p 的实时图像处理器的研制 结束语 由于热像仪，微光摄像机，x 光电视在军事，医疗，工农业生产等方面的