（信号与信息处理专业论文）基于bf561的光纤熔接系统的设计与实现.pdf

硕士学位论文 基于b f 5 6 1 的光纤熔接系统的设计与实现 摘要 光纤是有线通信领域重要的传输媒质，具有传输频带宽、损耗低、容量大、无电磁 干扰、原料丰富等优点。当光纤电缆发生损坏时要进行光纤的接续。现行主流的光纤接 续法是熔接法。光纤熔接时要保证两段光芯的断面精确对齐，保证熔接后内部完全融合、 密度一致，否则会在熔接处产生折射和反射，影响通信质量。本论文即讨论了一种基于 b l a c k f i n 5 6 1 的光纤熔接系统的设计与实现。 本光纤熔接系统通过图像采集与处理，可以根据菜单设置，做到光纤的自动对心和 自动熔接，并通过切换显示器输出画面，在垂直和水平两个方向观察光纤的实际对心和 熔接情况。 本文介绍了光纤熔接领域的发展概况，给出了本系统的硬件整体规划及模块设计方 案，将整个熔接系统分为三大部分，分别是电源模块：负责电池和市电模式的切换；d s p 处理模块：负责视频图像采集、数据处理以及视频字符叠加等核心算法功能的实现：输 入输出接v i 模块：负责电机、键盘和高温源等控制。具体讨论了各模块的电路设计、多 层电路板制作和硬件系统的调试。论述了光纤熔接过程中图像处理的方法和软件编程设 计，并从理论上初步分析了系统的熔接精度。 关键词：光纤熔接，b l a c k f i n5 6 1 ，图像处理 a b s t r a c t 硕士学位论文 a b s t r a c t f i b e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt r a n s m i s s i o nm e d i u mi nc o m m u n i c a t i o n i th a sm a n y a d v a n t a g e ss u c ha sw i d et r a n s m i s s i o nb a n d w i d t h ，l o wl o s s ，l a r g ec a p a c i t y , 1 1 0e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ，a b u n d a n tr a wm a t e r i a l sa n ds oo n w h e nt h ed a m a g eo ff i b e rc a b l e so c c u r r e d ，i ti s n e e d e dt ob er e p a i r e d n o w d a y st h em o s tu s e dm e t h o di sf i b e rf u s i o n i ti sn e c e s s a r yt oe n s u r e t h a tt w os e c t i o n so ft h ef i b e ra r ep r e c i s e l ya l i g n e dt oc a l s u r ef u l li n t e g r a t i o na n ds a m e d e n s i t y o re l s et h e r ew i l lb er e f r a c t i o na n dr e f l e c t i o nt or e d u c et h ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t y 1 1 1 ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ff i b e rf u s i o ns y s t e mb a s e do nb l a c k f i n5 61i sd i s c u s s e di n t h ep a p e r t 1 1 i ss y s t e mc a l la u t o m a t i c a l l ym a k et h ef i b e rf u s e da c c o r d i n gt ot h es a m p l e di m a g e sa n d t h em e n us e t b ys w i t c h i n go u t p u ts c r e e n ，t h es i t u a t i o no ft h ea c t u a lf u s i o nc a l lb eo b s e r v e di n v e r t i c a la n dh o r i z o n t a ld i r e c t i o n t h ed e v e l o p m e n to ff i b e rf u s i o ni si n t r o d u c e di nt h ef i r s t a f t e rt h a tt h ed e s i g no ft h e s e p a r a t em o l da n dt h ew h o l eh a r d w a r ea r eo f f e r e d t h es y s t e mi sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s t h e p o w e rm o l d ，t h ed s pp r o c e s s i n gm o l da n di 0i n t e r f a c em o l d n ep o w e rm o l di si nc h a r g eo f t h es w i t c ho fb a t t e r ya n d2 2 0 va c 。t h ed s pm o l di sr e s p o n s i b l ef o rt h ev i d e oi m a g e s a m p l i n g ，d a t ap r o c e s s i n g ，c h a r a c t e ro v e r l a y i n ga n do t h e rr e a l i z a t i o no ff u n c t i o n so rc o r e a l g o r i t h m s t h ei oi n t e r f a c em o l dc o n t r o l st h ek e y b o a r d ，t h em o t o r , t h eh e a ts o u r c e sa n ds o o n t h e nt h em e t h o do fa d j u s t i n gt h ee l e c t r i cc i r c u i to ft h es y s t e mi no r d e rt om a k et h ep c bi s d i s c u s s e d a tl a s tt h eh a r d w a r ed e b u g g i n gm e t h o da r ep r e s e n t e d ，t h es o f t w a r ei m a g e p r o c e s s i n gm e t h o d sa r ed i s c u s s e da n dt h ep r e l i m i n a r ys y s t e ma c c u r a c yi sa n a l y s e d k e yw o r d s ：f i b e rf u s i o n ，b l a c k f m5 61 ，i m a g ep r o c e s s i n g 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年 月日 硕i ：学位论文 基于b f 5 6 1 的光纤熔接系统的设计与实现 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 光纤通信的产生和发展是电信史上的一场重要革命，特别是近年来随着网络的飞 速发展，数据业务的增长，网络的带宽需求呈现加速增长的趋势，传统的i o m ，1 0 0 m 速度已经越来越满足不了人们同常学习工作的需要了。用户迫切希望提高网络速度， 这使得光网络成为通信技术领域活跃的方面。 光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通 信方式。1 9 6 6 年英籍华人高锟博士发表了一篇划时代的论文，他提出利用带有包层 材料的石英玻璃光学纤维，能作为通信媒质。从此，开启了光纤通信领域的研究工作。 1 9 7 7 年美国在芝加哥相距7 0 0 0 米的两电话局之间，首次用多模光纤成功地进行了光 纤通信试验。8 5 微米波段的多模光纤成为第一代光纤通信系统。1 9 8 1 年又实现了两 电话局间使用1 3 微米多模光纤的通信，为第二代光纤通信系统。1 9 8 4 年实现了1 3 微米单模光纤的通信系统，即第三代光纤通信系统。8 0 年代中后期又实现了1 5 5 微 米单模光纤通信系统，即第四代光纤通信系统。用光波分复用提高速率，用光波放大 增长传输距离的系统，为第五代光纤通信系统。 光纤主要是由纤芯、包层和涂敷层构成。纤芯是由高度透明的材料制成的。包层 的折射率略小于纤芯，从而造成一种光波导效应，使大部分的电磁场被束缚在纤芯中 传输。涂敷层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械的擦伤，同时又增加光纤的柔 韧性。在涂敷层外，往往加有塑料外套。光纤具有传输频带宽、损耗低、容量大、无 电磁干扰、原料丰富等优点，被广泛运用于通信领域中，作为有线通信重要的传输媒 质。当发生光纤电缆损坏时要实行光纤的接续。光纤接续的方法有熔接、活动连接、 机械连接等，熔接法具有接点损耗小、可靠性高等特点，因而在工程中被大量采用。 在光通信工程中，光缆的接续及光器件的好坏会直接影响到整个系统的损耗及传输性 能。 1 2 光纤熔接国内外发展概况 光在光纤中传输时会产生损耗，这种损耗主要是由光纤自身的传输损耗和光纤接 头处的熔接损耗组成。光纤的内层和外层的折光率不一样，所以在光纤熔接的时候不 能有一点的错位，要绝对保证熔接时两根光纤的断面成为一个整体，内部完全融合、 密度一致，否则会在熔接处产生折射和反射，影响通信质量。 光纤熔接机完成了两项功能：准确地对准两根光纤的纤芯，然后把它们熔接在一 1 绪论硕i ：学位论文 起，形成一根无缝的长光纤。光纤接续的方法很多，现阶段以电弧熔接法最为优越， 应用最为广泛。电弧熔接法是利用光纤高温时的熔融性能和高压尖端放电产生的高温 电弧原理，使光纤熔接起来。电弧的温度通常在1 , 6 0 0 c 和1 , 7 0 0 。c 之间。 目前，市场上的光纤熔接机大都采用图像处理技术。图像是对客观事物形象、生 动的描述，是直观而具体的信息表达形式，是人类最重要的信息载体。特别是在今天 的信息社会，随着网络、通信和微电子技术的快速发展和人民物质生活水平的提高， 以图像为基础的视频以其直观、方便和内容丰富等特点，同益受到人们的青睐。随着 计算机的发展，不仅用摄像机代替人眼，而且用计算机代替人、协助人，来完成监视 或控制任务。本论文讨论的光纤熔接系统采用基于d s p 处理器的数字图像处理技术 能更好的进行实时监测控制和处理。 现行的光纤熔接机通过图像采集与处理，可以做到自动设定光纤端面位置、单模 光纤的自动对心和自动熔接。通过切换显示器输出画面，可以在垂直和水平两个方面 观察光纤的对心和熔接情况，还可根据芯轴偏差和倾斜程度估算出接续损耗并显示。 目前光纤熔接机市场上性能比较好的是住友，藤仓，古河公司，西门子和爱立信 以及惠普公司也有生产，国内也有不少光纤熔接机生产厂家。 1 3 本论文所做的主要工作及论文结构 本文主要对基于b l a c k f m 5 6 1 的光纤熔接系统的软硬件设计做了较深入的讨论， 包括系统的整体结构设计、软硬件设计以及调试等。主要完成的工作如下： 给出了系统设计方案：包括电源模块供电的设计，输入输出接口模块的设计， d s p 处理器模块采用视频解码器a d v 7 1 8 3 来进行图像的采集，选用 b l a c k f i n 5 6 1 作为视频处理的核心，并将视频图像通过视频编码芯片a d v 7 1 7 9 输出到显示器进行监控。 完成硬件电路设计，包括原理图和多层p c b 设计。 进行硬件系统各个模块的调试，主要有d s p 读写外部存储单元( s d r a m 、 f l a s h 等) ，a d v 7 1 8 3 的控制和视频图像采集，a d v 7 1 7 9 的图像输出，外 部接口( 加热器，电机驱动，l e d 照明，触摸式键盘输入、u s b 接口、液 晶显示器等) 的控制等。 实现软件编程的设计。根据光纤熔接的要求，对采集的图像进行分析和处理： 根据键盘的菜单选择，进行相应的处理，如背景，字符以及其他控制信号的 叠加等，根据图像处理结果驱动电机进行光纤的接续工作。 论文的章节安排如下： 第一章：介绍了本课题的研究背景与意义，光纤熔接领域的发展概况。 第二章：介绍了光纤熔接系统的主要组成部分，工作原理以及相关的技术指 2 硕士学位论文 基于b f 5 6 1 的光纤熔接系统的设计与实现 标。 第三章：完成了系统的硬件设计：包括系统框图设计、器件选择、系统的原 理图设计与多层p c b 设计等； 第四章：给出了系统硬件电路的功能调试，主要是d s p 处理器和视频输入输 出的调试。 第五章：实现了系统软件设计，讨论了光纤熔接过程的软件处理方法，并对 软件图像处理过程进行了分析。 3 2 基于d s p 控制的光纤熔接系统硕士学位论文 2 基于d s p 控制的光纤熔接系统 2 1 引言 随着数字信号处理技术的发展，d s p 处理器的应用领域越来越广泛。本论文就是 采用a d i 公司的b l a c k f i n 5 6 1 处理器作为主要的控制处理中心，结合一系列外部输入 输出设备对光纤熔接过程进行实时监控。本章介绍了光纤熔接系统的主要组成部分， 工作原理以及相关的技术指标。 ? 2 2 光纤熔接系统的组成 设计的系统充分利用b f 5 6 1 d s p 的双核处理能力，实现实时的图像采集、分析处 理和输出，驱动步进电机调整光纤对接位置，利用字符叠加功能在液晶显示屏上输出 状态控制信息。 系统提供丰富的外部接口资源，包括通用输入输出端口：加热器，电机驱动，l e d 照明，键盘输入、u s b 接口、触摸式液晶显示器等。采用全自动数字控制，熔接精 度高，突破了传统光纤接续中机械控制方法的不足，同时提供了友好的人机界面，便 于产品的实际工程操作。 系统总体设计框图如图2 2 1 所示。 框图中上部分为光纤熔接机的电源管理模块，提供外部电源和内部锂电池供电。 采用d c d c 模块将电源稳压到1 5 v 和1 2 v 。1 5 v 电压提供给高压源，用于产生高压 电弧。1 2 v 电压提供给系统的其他电路。 框图的下部分为光纤熔接机的硬件主体部分，包括中央处理器以及外围的输入输 出接口部分。其中接口单元输入部分有限位开关，防风罩开关，加热器时温测量， 两路c c d ，以及键盘输入。接口单元输出部分包括加热器，电机驱动，液晶显示器， c c d 光源，蜂鸣器，提示音以及u s b 接口。 2 3 系统工作原理 本设计中的光纤熔接系统，采用双路c c d 摄相头对两光纤接续部分的图像进行 采集，两路摄相头工作在互相垂直的模式下，d s p 处理器根据采集的光纤端面图像信 息，采用相应的算法进行数字图像处理，分析光纤截断面的对齐情况，据此给出两光 纤位置的调整信息，驱动步进电机进行相应的调整，直至实现光纤的对齐。 系统的熔接方式有自动和手动两种。自动方式：放入光纤，盖上防风盖后自动熔 接。手动方式：光纤放入后，手动控制光纤的x 、y 、z 三个方向的运动量，人为对 4 硕士学位论文 基于b f 5 6 1 的光纤熔接系统的设计与实现 准光纤，常用于设备不能自动对准时，复位后设备记录此对准数据。如无特殊情况， 一般都选用自动熔接程序。 图2 2 1 光纤熔接系统硬件框图 光纤熔接实物大致结构如图2 3 1 所示。 5 2 基于d s p 控制的光纤熔接系统 硕士学位论文 竞埒i 7 l 羹豫钒 图2 3 1 光纤熔接实物图 此光纤熔接系统的实际工作流程( 自动熔接) 见图2 3 2 。 首先要清洁及检查光纤端面合格。在光纤接续中，光纤端面的制作是最为关键的 工序。光纤端面的制作包括剥除、清洁、切割等环节，合格的光纤端面是熔接的必要 条件，端面质量直接影响到熔接质量。不管用专用开缆刀或普通刀片，都应注意进刀 深度，否则易划伤内部套管及光纤。裸纤的清洁应按以下两个步骤进行： ( 1 ) 仔细观察光纤剥除部分的涂覆层是否全部剥除，若有残留应重剥。 ( 2 ) 如有极少量不易剥除的涂覆层，可用棉球蘸适量酒精擦除。 当两根光纤的端面制备好后，将其固定在光纤熔接机的焊接槽中，然后进行光纤 轴心位置的调整，因光纤芯径很小只有微米量级的，在位置上稍有一点偏离就会引起 耦合效率的下降，所以一定要对齐。本论文设计的系统就是为实现光纤轴心位置的精 确对接。 当两光纤对齐后，便可以进行熔接。在熔接时先将对准的光纤端面移动，离开一 段间隙，再放电预热并不断移动光纤端面进行熔合，完成连接，如图2 3 3 所示。 光纤的包层直径为1 2 5 1 t m ，在多模光纤中，芯的直径是1 5 9 m 5 0 p m ， 大致与人 的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8 1 t m 1 0 9 m 。如果按光纤纤芯直径大小来 分类的话，可以分为如下：缓变型多模光纤：5 0 1 2 5 9 m ；缓变增强型多模光纤： 6 2 5 1 2 5 9 m ；缓变型单模光纤：8 3 1 2 5 9 m 。以上3 种类型的光纤就可标识为： 5 0 9 m 1 2 5 9 m ( 光纤直径包层直径) 缓变型多模光纤、6 2 5 9 m 1 2 5 9 m 缓变增强型多模 光纤、8 3 9 i n 1 2 5 9 m 突变型单模光纤。光纤的中心波长指光信号传输所使用的光波段。 目前常用的光模块的中心波长主要有三种：8 5 0 n m 波段、1 3 l o n m 波段以及1 5 5 0 n m 波段。8 5 0 n m 波段：多用于短距离传输；1 3 l o n m 和1 5 5 0 h m 波段：多用于中长距离 传输。 6 硕士学位论文 基于b f 5 6 1 的光纤熔接系统的设计与实现 图2 3 2 光纤熔接系统自动接续工作流程 7 2 基于d s p 控制的光纤熔接系统硕一l ：学位论文 幸卡 对准兜终轴芯调开段同隙 放电预格缝绫放电融合融含结果 图2 3 3 光纤熔接过程 光纤熔接是一个复杂的系统，实际工程处理中需要用到很多技术。在j 下式接续前， 应对熔接机的各项参数进行测试，以确定熔接机的对准精度、放电大小、推进量等各 项参数，使其适应具体接续光纤的特定工作条件，将损耗控制在设定的指标之内。接 续完成后，应及时用光时域反射仪进行损耗的测定，当损耗符合指标要求后，方可进 行补强工序，直到完成接续。 本论文侧重讨论光纤熔接系统中图像处理部分的实现，主要是与b l a c k f i n 5 6 1 处 理器相关的部分，能够解决光纤对接过程中轴心倾斜和横向错位的问题。 2 4 本章小结 本章介绍了光纤熔接系统的组成，给出了光纤熔接系统的具体工作流程并结合工 程实际给出了光纤的相关技术参数，从宏观上对光纤的接续工作做了一些工程上的说 明。 日i ：学位论女 g 十b f 5 6 1 的光纤熔接系统的设计5 窑现 3 光纤熔接系统的硬件设计 3 1 引言 本论文设计的光纤熔接系统分以下几个模块：电源模块，处理器模块和输入输出 接口控制模块。本章主要讨论各个模块电路的器件选择与设计、系统硬件电路设计以 及多层p c b 布扳时需要注意的一些问题。 3 2 电源模块设计 电源部分由内部锂电( 1 2 v 1 68 v ) 或外电源( 1 1 v - - 1 6b y ) 提供，经电源管理检 测电量并显示在屏幕上，并能分辨出是内部锂电还足外部电源。当识别到有外电源供 电时，关断内部锂电，自动接通外部电源。电源管理部分通过键盘实现对丌关控制管 的软开关。 电源电量显示区显示方法如图321 所示。 _ - - i i i 图3 2 1 电池电量满 锂电的工作范围在1 2 v 1 68 v ，把1 2 1 68 分成四段，即1 2 v 一个档。当在 1 68 v 1 5 6 v 之间为满四格，1 56 v 1 44 v 时显示三格，1 4 4 v 1 3 2 v 显示二格 1 3 2 v 1 22 v 显示一格。当检测到低于1 22 v 时将提示电量过低，并报警，同时电 量显示区显示红色，见图32 2 。 图3 22 电池电量过低 如降到1 2 v 以下将自动关机保护锂电。 外部电源电量显示区显示方法和内部电源显示方法类似，在提示电压方面有所不 同，当电压降到1 1 v 时提示报警，但不自动关机。 对电源管理部分的要求如下：电源管理部分是长期工作在内部锂电电源下t 功耗 尽可能的小，所以在工程实践中采用单片机控制，除了系统电源检测状态，其他时间 使单片机处于休眠状态，能有效地减小系统的功耗。 根据上述工程要求，电源模块的硬件设计框图如图3 23 所示。 3 光纤熔接系统的硬件设计 硕士学位论文 3 3 处理器模块设计 图3 2 3 电源模块硬件设计框图 3 3 1b l a c k f m 系列处理器 a d s p b f 5 6 1 处理器是美国模拟器件公司( 简称a d i ) 的b l a c k f i n 系列中的高性能 产品，针对于多媒体和通信方面的各种应用。该器件的核心由两枚独立的b l a e k f m 处 理器内核组成。该处理器将双乘法累加器处理引擎，r i s c 指令集和单指令多数据能 力结合起来，形成了一套独特的指令集结构。另外，内部集成了两个并行外部接口 ( p p i ) ，为同时进行图像采集、处理和显示提供了一个片上级系统解决方案。 3 3 1 1b l a c k f i n a d s p b f 5 6 1 系统结构 l o 硕士学位论文基于b f 5 6 1 的光纤熔接系统的设计与实现 a d s p b f 5 6 1 具有双b l a c k f i n 内核，每个内核可达6 0 0 m h z 。每一个b l a c k f m 内 核包含2 个乘累加器( m a c ) ，2 个4 0 位的a l u ，4 个8 位视频a l u 和1 个4 0 位移 位器。运算单元处理来自寄存器组的8 位、1 6 位或者3 2 位数据。b l a e k f i n 的内核结 构如图3 3 1 1 所示。 、一一一一一一一一一一嗽盱强日e 哺盯一一一一一一一一一 ，图3 3 1 1b l a c k f i n 内核结构图 a d s p b f 5 6 1 系统包括：各种外设( 定时器、实时时钟、p p i 、s p i 、u a r t 等) 、 存储器d m a 控制器、外部存储器控制器( e b i u ) ，以及在这些外设、控制器和可选 的外部( 片外) 资源之间的接口。这些接口包括外设总线( p a b ) ，d m a 总线( d c b ， d e b ，d a b ) 、外部访问总线( e a b ) 以及外部接口总线( e p b ) 。 外设总线( p a b ) 是d s p 的一条专用外设总线，一个等待时间很短的外设总线， 它在内核的等待时间最短，并且可以控制中断响应时间，以适应时间要求较高的外设。 所有通过p a b 访问的外设资源都被映射到m m r 。d m a 总线提供了一种访问片内、 片外存储器的方法，该方法基本上不降低存储器的带宽或者存储器的带宽降低的很 少。d m a 控制器可以在外设和内部设备之间传送数据。d m a 总线支持1 6 字节和3 2 字节的数据突发，数据总线宽度为3 2 位。 外部访问总线( e a b ) 提供了一种方法，该方法使d s p 内核可以直接访问外部 存储器，以便进行指令读取、数据读取。外部接口总线( e p b ) ，通过e b i u 对外部 设备进行访问。a d s p b f 5 6 1 的系统结构如图3 3 1 2 所示。 l l 3 光纤熔接系统的硬件设计硕士学位论文 3 3 1 2b l a c k f i n 系列d s p 存储结构 a d s p b f 5 6 1 把存储器视为一个统一的4 g b 的地址空间，使用3 2 位地址。所有 的资源，包括内部存储器、外部存储器和i o 控制寄存器，都占据公共地址空间中 图3 3 1 2b l a c k f i n 系统结构图 相应的部分，并且各自独立。地址空间的各部分存储器按分级结构排列，一些非常快 速、低延迟的存储器( 如c a c h e 或s r a m ) 的位置非常接近处理器，而更大的、低成 本低性能的存储器远离处理器。l 1 存储器是b l a c k f i n d s 内核中性能最高的最重要的 存储器。l 2 存储器提供较低性能的额外容量。b l a c k f i n 5 6 1 处理器具有3 2 8 k b 的片上 存储空间。每个b l a c k f i n 内核包括：3 2 k l l 指令存储器( 16 k b 指令s r a m c a c h e ，16 k b 指令s r a m ) ，6 4 k l l 数据存储器( 3 2 k b 数据s r a m c a c h e 、3 2 k b 数据s r a m ) ，4 k b 存放中间结果的s r a m 。两个内核共享1 2 8 k b l 2 存储器。 通过外部总线接口单元( e b i u ) ，外部存储器可以由s d r a m 、f l a s h 和s r a m 进行扩展，可以访问多达7 6 8 m b 的物理存储器。存储器的d m a 控制器提供高带宽 的数据传输能力。它能够在l 1 、l 2 和外部存储器空间之间完成代码或数据块的传输。 3 3 2 外部存储器设计 本设计中的外部存储模块包括s d r a m 和f l a s h 。其中，s d r a m 用于存储视频 图像数据以及在运算过程中产生的中间数据等；而f l a s h 则是用于存储程序代码以提 供a d s p b f 5 6 1 的上电加载程序代码。b l a c k f i n 存储空间如图3 3 2 1 所示。 外部存储单元地址分配为： 1 2 硬学位论文 基于b f 靳l 的光纤熔接系统的设计与实现 f l 曲h ：o x 2 0 0 f f 黔0 x 2 0 0 0 0 0 0 0 ； s d r a m ：o x 0 7 赶嘧帆0 0 0 0 0 0 0 0o “pr * 圈3 3 上1b l a e k f i n 存储空间 s d r a m 即同步动态随机存取存储器，同步是指数据由片外系统时钟信号控制来 进行存取操作的s d r a m 内存访目采用突发模式，s d r a m 在现有的标准动态存储 器中加入同步控制逻辑，利用一个单一的系统时钟同步所有的地址数据和控制信号。 使用s d k a m 不但能提高系统性能还能简化设计、提供高速的数据传输；在功能上， 它类似常规的d r a m ，也需时钟进行刷新，刷新周期一般为1 5 6 u s ，可以说，s d r a m 是一种改善了结构的增强型d r a m 。s d r a m 结构的另一大特点是其支持d r a m 的 两列地址同时打开两个打开的存储体阃的内存存取可以交叉进行，一般的如预置或 激活列可以隐藏在存储体存取过程中，即允许在一个存储体读或写的同时另一存储 体进行预置。s d k a m 的速度约束着系统的时钟速度，它的速度是按m l t z 或珊来计 算的s d r a m 的速度至少不能慢于系统的时钟速度，目前s d r a m 的速度可达 1 3 3 光纤熔接系统的硬件设计硕i ：学位论文 1 8 0 m h z 。s d r a m 的访问通常发生在四个连续的突发周期，第一个突发周期需要4 个系统时钟周期，第二到第四个突发周期只需要1 个系统时钟周期。 设计中采用m i c r o n 公司的m t 4 8 l c l 6 m 1 6 a 2 芯片。实现s d r a m 与d s p 正确 连接之后，下一步需要对s d r a m 控制寄存器进行正确设置，涉及的寄存器包括 s d 删刷新率控制寄存器( e b i us d l m c ) ，s d r a m 块控制寄存器( e u i ts d b c t l ) 以及s d r a m 全局控制寄存器( e b ms d g c t l ) 。其中，e b i us d r r c 要根据具体 所采用的s d r a m 芯片的参数来设置，e b i us d g c t l 设置与访问时的时序和设置有 关的可编程参数，e u i ts d b c t l 包括了s d r a m 的空间以及页而大小的参数设置。 详细介绍将在下文硬件调试中说明。 在d s p 系统中，当一个程序仿真调试通过后，为使d s p 目标系统成为个独立的 脱机运行系统，就必须进行d s p 的引导装载设计。引导装载的方式主要包括并行i o 口引导装载、串行口引导装载、s p i 引导装载、外部并行引导装载等模式，并支持8 位字节和1 6 位字的引导装载方式。d s p 目标系统引导装载的设计实现有两个突出的 优点： ( 1 ) 应用程序代码可以存储在片外相对速度较慢、断电后数据不会丢失的外部 程序存储器中，上电后通过引导装载方式，将程序代码搬移到d s p 片内或片外 的程序存储器中运行； ( 2 ) 它也可以省去对d s p 片内r o m 进行掩膜编程操作，因为掩膜编程费用高， 一般应用于大规模生成场合，而且还须将程序提交给d s p 芯片厂家来完成。因 此，d s p 引导装载功能给d s p 用户进行独立运行系统设计带来极大的方便。 1 4 图3 3 2 2b l a c k f m 外部存储器设计 设计中采用f l a s h 芯片作为外部程序存储，同时将系统需要调用的一些参数，例 硕l j 学位论文基于b f 5 6 1 的光纤熔接系统的设计与实现 如用于字符叠加的字符库，用于显示某些功能设置的图片库等存入f l a s h 中。选定s t 公司的6 4 m f l a s h 芯片m 2 9 w 6 4 0 d 。 外部存储器设计的框图如图3 3 2 2 所示。 3 3 3 视频输入输出设计 3 3 3 1 视频解码器设计 视频输入模块的主要功能是视频采集，即对现实中的图像进行采集，实现光电转 换，并转换成数字信号，然后再通过a d s p b f 5 6 1 的p p i 端口控制存储到s d r a m 中。 现行主要的图像采集方式有c c d ( 电荷藕合器件) 采集和c o m s 采集。由于c c d 采集方式的特点就是成像质量高、噪声小、寿命长，本文选择前者进行图像采集。 c c d 电路输出的是标准视频信号，还要外加视频模数转换电路。 a d v 7 1 8 3 是美国模拟器件公司推出的集成了1 0 位a d c 的增强型视频解码器。 它内含三个1 0 - b i t 精确模数转换器( a d c s ) 和完整的自动增益控制( a g c ) 电路， a d v 7 1 8 3 有着高级和快速灵活的数字输出接口，可以使得基于帧缓冲和线锁定、时 钟锁定的系统中，视频解码和转换有着非常好的表现，可广泛用于放映机、数字电视、 d v d 录像机和游戏机等许多系统中。它能够自动将一种兼容国际标准n t s c 或p a l 的模拟视频基带信号转换成另一种兼容1 6 位8 位c c 瓜6 0 1 c c 瓜6 5 6 的y c r c b 型 4 ：2 ：2 或4 ：1 ：1 视频数据。其灵活的数字式输出接口能够在基于缓存器结构和行锁时钟 的系统中完成视频解码和转换功能。 a d v 7 1 8 3 有六个模拟视频信号输入通道，输入通道可以进行多种配置支持6 个 复合电视广播信号c v b s 输入信号，3 个分离电视信号s - v i d e o 视频格式，和两个 y c r c b 模拟视频输入信号。 a d v 7 1 8 3 可设置为二线连续双向端口模式，并与1 2 c 兼容；可自动进行n t s c 或 p a l 检测；带有不同模式的视频输入和1 6 - b i t 宽度总线数字输出；输入峰峰值为 0 5 v 二2 v 。 设计的电路原理图如图3 3 3 丑所示。 3 3 3 2 视频编码器设计 视频输出模块，用于将光纤熔接系统采集的图像经过处理，并由d s p 处理器根 据现场工作情况进行图像和字符叠加，菜单选择等，将处理后的图像通过视频编码器 a d v 7 1 7 9 输出。 1 5 3 光纤熔接系统的硬件设计硕十学位论文 ；一： ：! ：，。一一 ：。：。，i ，；i ：，一：。 j ，： ；- “一 ；一。 一7 ! ：a d v 7 1 8 3 _ c t 生。佰p p i o _ d 7 4 口 r r lp5 7 4p p l 0d 6 “”“6 盯l lp p3 7 5p p i o d 5 d v d d i o 髓 ：一。 群等 啪p2 7 6p p k id 4 5p p i o d 3 盎避i o = 啪翻 m r 6 p p l 0d 2 scp10 7p p l 0d l r 2 1 l 嘁一一v d e c _ 舅 p 9 ，。 i 假d y d d i o # 。 3 6 r 蕊舶 8p p l 0 _ d o p 啪n p 71 9 。d v d d i o 群 舒 m 加 n c 艘o” 2 l + i i10k2 h 五 l 琳l力 ：1 0u r1 3 n t 7砣 2 “ ，。；同。芸 p l 站 i n 2 p o 3 3 i vv n 糟 前磐 魄 蹦一c 嘶盯 。 l 一+ 咐i 。 一51 广- 1蟠 i 戊l 摩c l i i ：l 一，a ( 备i d ml c c 2 篇。，i l 1 ii c o 时i i n 9u c r 盯 。2 5 。l 一研j k 叩i 。 t i ：”l冀 蜀r 卯 i 。2 吼c 一匿i _ 强 。j 8 2 仃r 。 珊1 0踟 c r i 程 1 v d e c 一礴 。一一 i 8 0v e 吧c j i r l d 。j w n v a c t i v e 堪5 n e l d i n 儿轭哪噬s 盯 韶7 0 一：- v ； f ； c 奠 一i ，b 算 - 卸粗了即眭册 岔 ? e仃r 一。 6 l 删 。惦 一? ：o n l 堪1 20 1 c ) a j 凹 l ： 一“。 ：一一 一 5 l ( 1 q | 盯一。 露 贼u t 田嘲k 啊 1 2一“”，i 幻 。 c i 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存储器，与输入输 出接口模块的信息传递( 9 0 芯接插件) ，以及b l a c k f i n 处理器外围的一些电路，包 括时钟，复位，j t a g 接口等等。系统工作的主要处理任务都是由d s p 处理模块完成 的，这是整个光纤熔接系统的核心。 处理器模块的硬件实物图如图3 3 4 3 所示。 硕t 学位论文基于b f 5 6 i 的光纤熔接系统的设计q 实现 酗3343 处理器模块的埂什实物幽 3 4 输入输出接口模块设计 3 4 1b l a c k f m 处理器的双向可编程标志 b l a c k f i n 5 6 1 支持4 8 个双向可编程标志p f x 。每个管脚都可以通过标志方向寄存 = i ； ( f i od i n ) 单独地配置为输入或输出方式。当配置为输出方式时，写入到标志置 位( f i of l a gs ) 和标志复位( f i o f l