（光学工程专业论文）基于dm642的红外测温项目设计.pdf

硕士论文 基于d m 6 4 2 的红外测温项目设计 摘要 近年来，d s p 技术的发展不断将数字信号处理领域的理论研究成果应用到实际系 统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展，对图像处理等领域的技术发展也起到了 十分重要的作用。随着红外热成像技术的不断发展和红外焦平面阵歹i j ( i r f p a ) 图像传感 器的日益成熟，i r f p a 被广泛应用于军事、工业和商业等领域的多种成像系统中。本文 将红外热成像技术和d s p 技术相结合，以“非致冷红外焦平面热成像测温仪的研制” 为背景，设计实现了一套基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的视频图像实时处理模块。本文在分析 红外热图像特征的基础上，结合实际应用的需要，对红外图像处理技术进行了深入的研 究。利用高精度的黑体，对非致冷红外焦平面探测器模块进行了大量的温度标定实验， 根据实验数据，建立了图像灰度与目标温度之间的数学模型，实现了温度的测量。在图 像增强处理技术方面，提出了自适应灰度拉伸法，实现了对本系统感兴趣的温度偏高区 域的增强。通过分析各种多媒体实时开发平台的设计方式及高速电子系统的设计理论和 原则，完成了视频图像实时处理模块的总体框架设计。 关键词：红外图像，图像处理，温度测量，i r f p a ，d s p , t m s 3 2 0 d m 6 4 2 a b s t r a c t基于d m 6 4 2 的红外测温项目设计 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to fd s p t e c h n o l o g yh a sp u tt h et h e o r ya c h i e v e m e n to f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gf i e l di n t op r a c t i c a ls y s t e m s ，a n dp u s h e dt h ep r o g r e s so fn e wt h e o r y a n da p p l i c a t i o n a tt h es a m et i m e ，i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do fi m a g ep r o c e s s i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f r a r e di m a g i n gt e c h n o l o g ya n di n f r a r e df o c a lp l a n ea r r a y ( i r f p a ) s o l i di m a g ed e t e c t o r s ，i r f p ai sw i d e l yu s e di nv a r i o u si m a g i n gs y s t e mi nt h em i l i t a r y , i n d u s t r i a la n dc o m m e r c i a lf i e l d s t h i sp a p e rd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dam o d u l ef o rt h e r e a l t i m ep r o c e s s i n go ft h ei m a g eb a s e do nt h et m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，w i t ht h el i n k i n go ft h e i n f r a r e dt h e r m a li m a g i n gt e c h n o l o g ya n dt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) t e c h n o l o g y ， b a s e do nt h ep r o j e c tc a l l e d t h ed e v e l o p m e n to ft h ei n s t r u m e n tf o rt h em e a s u r i n go ft h e t e m p e r a t u r eu s i n gt h eu n - c o o l e di n f r a r e df o c a lp l a n e ”t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h et e c h n o l o g y o ft h ep r o c e s s i n go ft h ei n f r a r e di m a g ed e e p l y , o nt h eb a s eo ft h ec h a r a c t e ro ft h ei n f r a r e d i m a g ea n dt h er e q u i r e m e n to ft h ea p p l i c a t i o n m a n ye x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n et ot h e t e m p e r a t u r ec a l i b r a t i o no f t h eu n c o o l e di n f r a r e df o c a lp l a n ed e t e c t o r , u s i n gt h eh i g ha c c u r a c y b l a c k b o d y , a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a a tt h ea s p e c to fi m a g e e n h a n c e m e n tt e c h n i q u e ， t h i sp a p e rp r o p o s e dt h ea d a p t i v eg r a y s c a l ee x t e n s i o na n de n h a n c e dt h eh i g h e rt e m p e r a t u r e r e g i o n ，w h i c hi si m p o r t a n tt ot h i ss y s t e m t h r o u g ha n a l y z i n gt h ed e s i g nm e t h o d so fm a n y m u l t i m e d i ar e a l t i m ep r o c e s s i n gp l a t f o r m sa n dt h ed e s i g n t h e o r ya n dp r i n c i p l eo ft h e h i g h s p e e de l e c t r o n i cs y s t e m ，t h ed e s i g no fm a i nf r a m eo f v i d e op r o c e s s i n gm o d u l eh a sb e e n c o m p l e t e d k e y w o r d s ：i n f r a r e di m a g e ，i m a g ep r o c e s s i n g ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，i r f p a ，d s p , t m s 3 2 0 d m 6 4 2 i i 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 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 社 硼年6 月昭 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： 翟型) 过 晰月卢日 硕士论文 基于d m 6 4 2 的红外测温项目设计 1 绪论 1 1 红外热成像概述 把目标产生的不可见红外辐射转换成可见光图像进行显示的技术称作热成像技术。 热成像技术在光电子技术、红外系统仿真、光电成像制导等领域中有着重要的作用，红 外热像系统以其工作光谱波段较长、对成像辐射大气透射比良好等特点成为现代军事不 可缺少的一种高科技侦察与作战手段【l 】。国内外军方都认为能全天候工作的红外热像仪 是进行夜战的最好工具。红外热成像系统具有一定的穿透烟、雾、雪等限制以及识别伪 装的能力，不受战场上强光、闪光干扰而致盲，从而使得人眼可以在白天、黑夜以及恶 劣的气候条件下进行观测。由于红外热成像技术这一特点，使得其在军事上得到广泛的 应用。在工业监控、控制等民用方面也起着很大的作用。由于利用红外热成像技术实现 温度监控和检测有着非接触、使用方便、实时快速、测温范围宽、形象直观等优点，因 此在建筑、电力工业、石油化工、航天航空、质量检测及冶金等许多工业部门有着越来 越广泛的作用。 红外探测器是决定红外成像质量的决定性条件。红外探测器主要包括基于光电效应 的光电探测器和基于热电效应的热电探测器。基于h g c d t e 、i n s b 和p t s i 的光电探测器 曾经使热成像技术得到迅速发展，有着较高的灵敏度和响应速度，但为提高信噪比，此 类探测器需在远低于环境温度的条件下才能高效工作，即需要制冷，较大程度地增加了 系统成本和系统复杂程度，故在工业等民用领域一直难于广泛应用。热电探测器有低功 耗、低成本、长寿命、小型化和可靠性强的特点，可是受到灵敏度和响应速度的限制应 用不是很广。但是随着近年来非致冷红外焦平面技术的突破和实用化，使其与致冷红外 热像技术相比所具有优势得到很好发挥，使得非制冷红外焦平面探测器在红外热成像领 域中有着越来越重要的地位【2 】。 红外图像表征景物的红外辐射分布，它决定于景物发射率和温度的空间分布，并受 到噪声的干扰。由于景物温度按照梯度规律传播，以及红外辐射的衍射效应比可见光强 烈，从而导致红外图像具有较高的相关性，其对比度往往比可见光图像弱，红外图像的 视觉效果较为模糊。加上由于焦平面阵列元响应率的不一致、电荷传输效率、1 f 噪声 以及环境温度变化等诸多因素造成的图像的非均匀性进一步损害了图像质量，所以必须 对图像进行非均性校正、滤波去噪、伪彩色变换等处理来改善图像质量。 热探测器是根据接收到的视场内所有物体的热辐射能量将其转换为电信号输出，一 般来说景物某点温度越高，辐射能就越强，热探测器输出电压信号就越大，而电压信号 输入到显示器所对应热图像相应像素点的亮度就越高。这说明在条件不变的情况下，一 1 绪论基于d m 6 4 2 的红外测温项目设计 定温度范围内，像素灰度值与物体温度之间存在着某种固定的对应关系，这就使得利用 红外图像进行温度测量成为可能【3 1 。 红外光红电视 景物辐 辐射 学 外 子 觉 射分布 大气成 探处响 场 传输像 测理应 图1 1 红外成像系统框图 1 2 红外热成像测温意义及发展趋势 1 2 i 红外辐射概述 凡是温度高于绝对零度的物体都可以产生红外辐射，物体所发出的红外辐射能量强 度与其温度成比例。普朗克黑体辐射定律定量的确定了不同温度的黑体在各个波长下的 电磁辐射能量的大小。 普朗克公式： m 入= c i 入一5 e x p ( c 2 入t ) 一1 】 ( 1 1 ) - e ， e 去 、 图1 2 各种温度下绝对黑体的辐射出射腰 式中，c 1 = 3 7 4 1 8 1 0 1 6 w m 2 ；c 2 = 1 4 3 8 8 * 1 0 2 m k ；入为辐射波长：t 为目标温度。 绝对黑体是一个理想概念，在现实生活中是不存在的。在相同温度下，实际物体在 同一波长范围内辐射的功率总是小于黑体辐射的功率。为了描述辐射能力的大小引入了 辐射率的概念。我们把物体的单色辐出度m ( 入，t ) 与黑体的单色辐出度m b ( 入，d 的比值 定义为物体的单色黑度( 入) ，它描述了被测物体相对于黑体辐射能力大小。 2 伴黝 ( 1 2 ) 硕士论文基于d m 6 4 2 的红外测温项i f l 设计 即： m ( 允，r ) = 占( 兄) m 。( 五，7 - ) ( 13 ) 辐射率根据物体的材料、表面情况、形状、温度和不同波长处等因素不同而不同。 一般金属辐射率比较低，但它随温度的增高而增高，有氧化层后辐射率成几倍或几十倍 的增加；非金属的辐射率高些，一般均大于o 8 ，随着温度的增加而减小；还有一些介 质的光谱发射率随波长变化而变化。但是，般物体在一定光谱范围内、一定温度范围 内辐射率可以看作是常数。并且，辐射律是物体的表面性质，也就是对于处于同一温 度的不同材料相同形状和表面情况的物体，如果刷上相同的物质辐射率就会相同。对于 一些常见目标，人体辐射率为0 9 6 ( 2 0 度) ，土壤o 9 5 ，砖0 9 3 。 由图1 2 可以看出，黑体辐射功率峰值波长随着温度的升高逐渐减小。经证明峰值 波长入m 和温度t 之间存在着如下对应关系： am t = b b 2 8 9 7 8i lm k ( 1 4 ) 这就是维恩位移定律，它表明黑体光谱辐出度峰值对应的波长入m 与黑体的绝对温 度t 成反比。 。 为了定量的衡量目标和背景辐射的差别，引入辐射对比度的概念，它被定义为在( 入 l ，入2 ) 波段内目标辐出度m t 与背景辐出度m b 之差与背景辐出度m b 的比值。 c = ( m t - m b ) m b ( 1 5 ) 将普朗克公式、维恩位移定律带入上式可得出对比度的峰值波长ac 与光谱辐出度 峰值波长入m 的关系：入c = o 8 3 2 入m 。地面背景温度通常在3 0 0 k ，在不考虑其他因素的 情况下，辐射对比度峰直波长为8pm 。 组成大气的主要气体是氮气、氧气、氩气，它们占9 9 以上，所幸它们不吸收1 5 | l m 以下的红外线，否则红外技术在野外就无法使用。能引起红外吸收的气体是水汽，二氧 化碳，臭氧( 0 3 ) ，它们在不同波段针对红外线形成吸收带，再加上甲烷，一氧化碳等吸收作 用，造成了红外辐射的衰减。通过ll am 到1 5 l am 的红外辐射通过一海里长度的大气透 射比试验，证明只有处于红外吸收带之间的红外辐射能够透过大气向远处传输，其中有三 个透过大气的红外波段，1 2 5l am ，3 5pm ，8 1 3 “m ，这三个波段被称作“大气窗口”， 红外测温系统常常在这三个窗口内工作。3 5um ，8 1 3l am 两个波段的范围都有不同特性 的控制可选用。这两个波段分别称为“短波”和“长波”窗口。从原理上计，这两个窗口 都敏感，但大多数设计者都选择了短波段，原因是该波段范围中，能在较宽的范围内提供最 佳功能，达到良好的测温要求；而长波窗口则更多地用于低温及远距离的检查。文中系统 主要是针对地面景物进行观察，结合地面景物辐射对比度的最佳波长和实验室条件，选 用了8 1 4pm 波段的非制冷红外焦平面探测器。 1 绪论基于d m 6 4 2 的红外测温项目设计 1 2 2 红外热成像测温 红外热成像在军用和民用方面都有很重要的作用，成像质量决定于热像仪的性能。 热像仪分为制冷型和非制冷型。制冷型热像仪成像质量较好，但成本太高，一般只在要 求很高的军事上使用。与致冷型红外探测器相比，非致冷红外探测器可以在室温下工作， 无需致冷，从而不需要真空杜瓦瓶等致冷系统，简化或不需要机械扫描装置，因而大大 减轻了系统的重量与功耗，降低了成本和维修费用，提高了可靠性。为改进非致冷红外 热成像系统的性能，以期获得满意的热图像，需要做进一步的研究工作。改善非致冷红 外热成像系统的性能有两种途径，第一种方法是通过改善非致冷红外探测器阵列的性能 来改善热成像系统的性能，另外一种方法是对非致冷红外热成像系统的图像作实时处 理。由于对探测器阵列的改进存在的困难较多，而对非致红外热成像系统的图像作低级 的空域实时图像处理以及高级的图像分析相对而言较为简单，因此可以通过非致冷红外 热成像系统图像处理的研究工作，以求改善和提高非致冷红外热成像系统的技术性能。 国内民用热像产品的应用领域是非常广阔的，各省、市、地区电力部门各大、中型 电厂，各地消防单位，大、中型舰船，都迫切需要配备红外热像产品，而国外民用热像产 品尽管性能较好，但其价格对我国多数企业来说还是比接难以接受的。国内由于近年来 还不能生产类似的民用热像探测器，因此，我们的目的就是从我国实际经济水平考虑， 在利用现有探测器的基础上，尽可能快地开发出一种实用、可靠、性能适中、价格适宜 的热像产品，其意义无疑是十分巨大的【4 】 红外测温是利用物体的辐射能量与温度有关的原理而组成红外测温系统也就是所 测目标所辐射的红外能量，通过大气传输到红外测温仪，测温仪将辐射能转换成电信号， 通过放大及线性化等化信号处理后，以模拟信号或数字信号方式显示输出。 红外测温是以黑体辐射理论为基础，利用红外探测器对被测目标的红外辐射能量进 行测量，确定被测目标的温度。热成像技术可获取景物大视场的红外辐射图像，通过系 统定标的方法可实现对景物场景的图像测温。红外测温是一种非接触测温方式，它与传 统测温方式相比有很多优点： 1 ) 它的测量不干扰被测温场，不影响温场分布，从而具有较高的测量准确度，可 分辩o o l 的温度差； 2 ) 测温范围宽。在理论上无测量上限，可以测量相当高的温度； 3 ) 红外测温与用普通接触式温度计测温不同之处在于，它不需要与测温对象达到 热平衡就能读出被测物体的温度，所以测温的响应速度非常快，可实时观测，易于快速 与动态测量； 4 ) 红外测温的测量过程中，测温仪可以不接触被测物体，所以可以对高电压和大 电流的导线，正在运转的机器、远距离难于接近的物体等测温对象进行温度测量； 4 硕士论文基于d m 6 4 2 的红外测温项目设计 5 ) 可以确定微小目标的温度。红外测温可实现实时观测和自动控制，测量距离也 可近可远，并且可以夜间作业，实现“夜视 。 由于红外热成像测温技术具有无损伤、非接触、快速实时、远距离等优点，所以发 展非常迅速，尤其是在高温、高电压、高速运动等场合下，该技术更具有常规无损检测 技术所无法相比的优点。目前该技术己在建筑、电力工业、石油化工、航天航空、质量 检测及冶金等领域中获得广泛应用。例如在质量检测方面，汽车轮胎作为汽车的一个重 要部件，它在高速工作时产生热场，这个热场的温度高低分布对轮胎的性能产生了很大 影响，但用传统测温方式很难方便又精确测出这个热场并容易损坏轮胎，而是用红外成 像测温就可以解决这个问题。又如在建筑方面，建筑物的漏气是房屋安全的重大隐患。 而靠肉眼往往看不到这些位置，热成像系统则可以方便地检测到【5 j 。 1 2 3 国内外研究现状 红外技术作为一门非接触性测试技术在测量温度领域内已有一定的历史，特别是在 军事工业领域和军事用途产品中获得了一定程度上的开发应用。目前非致冷红外焦平面 热成像主要有4 种技术途径，即电阻测辐射热计焦平面技术、热释电焦平面技术、热电 堆焦平面技术和常规集成电路技术。这4 种途径分别通过如下方法检测温度变化：电阻 测辐射热计是通过热敏电阻材料的温度变化而变化的吸收层温度来检测：热释电探测器 是通过检测与吸收材料温度变化率有关的电压输出来检测温度变化：热电堆探测器则是 检测吸收层与参考热层( 一般是探测器的底) 间的温差；常规集成电路技术是根据测量正 向电压变化来检测温度变化。由于辐射测温本身特点所限制电压一温度曲线只能在较 小范围内近似看为直线，所以，传统的模拟式测温仪难以做到宽量程、高精度、多功能。 微处理机的发展对红外测温起了很大的促进作用，使测量仪表的功能扩大，并简化了控 制系统。使用微机技术的红外测温仪，灵活性好，仪器的测温范围改变和扩大都十分方 便容易实现温度的自动控制，采用高位a d 转换，仪器的分辨率和精度可以进一步 改善，稳定性和可靠性进一步提高。 随着红外材料及传感器类型的不断开发研究，新型测温仪器正逐步替代传统的测试 手段目前美、英等国正致力于加强前视红外系统信息处理能力与发展( 如自动人工目 标分类) 便携式整机配个人计算机可产生实时、高分辨力图像来解决研究领域和工业 领域中的问题。世界上除了一些大军工企业公司( 如美国的h o n e u w e l l 公司、体斯飞机公 司) 之外，许多大商业公司( 如三菱电气、日本横河电机( 株) 、瑞典a g a 公司、法国p y r o 公司、h g h 红外系统工程公司等) 也正在积极从事红外测温、热成像技术的研究及产品 开发。单据美国市场预测，红外测温仪( 如辐射计) 在1 9 8 5 1 9 9 4 年十年间销售额平 均增长1 1 ，1 9 8 9 年估计约达2 亿美元。国内情况：近年来随着我国工业迅速发展和 产品更新换代的加速，对测温仪器的需求量越来越大，尽管热电偶( 热电阻) 一类接触性 1 绪论基于d m 6 4 2 的红外测温项目设计 测温传感器件仍然具有很大的优势，但非接触性的红外测温仪器正日益受到各行业的注 视和研究开发。 1 3 系统方案比较 红# t - n 温系统的设计前期有两套设计方案，一套是以a r m + f p g a 为结构的系统设 计，另外一套是以d s p 为核心的体系架构。a r m 处理器的特点在于它的功能接口很齐 全，但是功能的齐全也带来了处理速度的相对缓慢，因此它能够适用于很多对于处理器 速度要求不是很高的场合，因为它不能保证处理的实时性；但是一般d s p 的特点就在 于它的处理速度非常快，在一些对处理器速度有很高要求的产品中应用非常广泛，而它 的缺点就是功能模块不够齐全，在一些要求有很多性能的产品中就处于比较劣势的地 位。而本文选择的d m 6 4 2 则是一款专门为各种视频应用而开发的芯片，其工作主频高 达7 2 0 m h z ，可实时实现多路数字视频的编码运算，而本系统对红外图像处理的操作比 较多而且复杂，还需要满足图像实时性的要求，因此需要处理速度比较快的处理器作为 核心处理器，出于以上考虑，系统选择了d m 6 4 2 作为主处理芯片【6 j 。 1 4 论文主要研究工作 面红# i - n 温系统是一个由红外探测器得到红外图像，然后根据该图像得到目标物体 温度。与传统方法相比，它是非接触式的、远距离测温方式，且与点测温相比，它还能 够反映物体整个表面的温度分布，对于分析整个物体表面的温度具有非常大的意义。面 红多 i - n 温系统的研制，对于工业测控，民用方面等都有较为重要的意义。 本文主要讨论的是红外测温系统中的后端处理，即数字红外图像的获取、处理与输 出这三个部分。在设计中，尽量采用高性能、集成度高的处理器，以提高整个系统的处 理能力，提高性能，同时降低成本。整个系统的工作分成硬件和软件两个部分来完成。 a 硬件设计 硬件设计的目标是为整个测温系统搭建一个运行平台，为系统必备的功能打下基 础。这部分涉及到一个嵌入式硬件系统的微型构架，包括主处理器d s p ( 用做图像处理， 完成系统的核心处理功能) ，外部主存储器s d r a m ，程序存储器f l a s h ，视频编码器 s a a 7 1 0 4 h 。各个部分的正确设计，对整个系统的功能及性能有着至关重要的影响。 b 软件设计 同样作为测温系统的重要部分，软件设计也包括了大量的工作。实现了红# i - n 温系 统的人机界面需求，系统能够支持多种图形的绘制，支持任意英文及汉字的输出，对 d s p 的软件o s d 功能做了比较深入的研究。 c 算法研究 6 硕士论文 基于d m 6 4 2 的红外测温项目设计 作为测温系统的核心功能，必须保证测温功能的准确实现，本论文做了大量的研究 以及测试，从理论测温算法模型到实际工程算法模型，用大量的实践数据总结出了比较 精确的测温算法，还对在实际中出现的器件内部温度对测温算法影响也做了深入研究， 做出了很有成效的温度补偿算法，使系统的稳定时间由原来的几个小时缩短到开机的短 短十几秒的时间，效果十分显著。本文还对伪彩色变换算法做了各种尝试与总结，找出 了比较符合人眼的认知习惯的变换算法。 在完成了上述三个部分的工作之后，目前已经成功建立起来该系统，实现了友好的 人机界面，并能够对数字红外图像进行采集、处理、输出，并得到较好的效果，对于物 体的温度测量也取得了令人满意的成果，取得了较好的成果。 7 2 红外测温系统硬件设计基于d m 6 4 2 的红外测温项目设计 2 红外测温系统硬件设计 2 1t m s 3 2 0 d m 6 4 2 和c c s 介绍 对于一个嵌入式应用系统，都离不开一个高性能主处理器。本系统采用的主处理器 为t e x a si n s t r u m e n t s 公司的高性能数字媒体处理器d s pt m s 3 2 0 d m 6 4 2 。对我们测温系 统非常有利的是，它具有如下优点： ( 1 ) 速度非常快，最高工作频率高达6 0 0 m h z ，接近主流的通用处理器的工作频率； ( 2 ) 性能非常好，它提供了8 级指令流水线结构，指令的预取、解码、执行同步进 行，每个时钟周期即是指令周期。因此，最高指令执行速度达到6 0 0 m h z x8 - - 4 8 0 0 m i p s ( m e g a i n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ) ，足够满足我们的图像处理要求； ( 3 ) 最为主要的是，它提供了专门的视频信号接口，可以兼容外部多种视频编解码 器。这为我们提供的数字视频接口以很大的便利，大大简化硬件系统的复杂性； ( 4 ) 还提供丰富的多种外设接口，为增强其功能，提高其可扩展性，提供了很好的 基础。如外部存储器接口e m i f 支持多种外部同步异步存储器，如f l a s h 、s d r a m 、 s b s r a m 等，还有多通道缓冲串口m c b s p ，支持多种串行传输协议，如s p i 协议等， 已经多通道音频口m c a s p ，支持音频扩展。 8 m c a s p 0 图2 1 d s p 外部设备连接框图 国上 硕士论文基于d m 6 4 2 的红外测温项目设计 数字红外测温系统d s p 部分的设计详细框图如图2 1 所示，所标识的为在本测温系 统中所使用的接口设备【7 1 。 2 1 1t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的基本结构 d m 6 4 2 是美国德州仪器公司为了适应多媒体通信的发展推出了新一代的数字媒体 处理器( d i g i t a lm e d i ap r o c e s s o r ) 。d m 6 4 2 是基于t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列中的最高性能的 定点d s pc 6 4 xc p u ( 在6 0 0 m h z 的时钟频率下，数据处理能力可以达到4 8 0 0 m i p s ( 每 秒百万条指令) ) 。它具有极强的处理能力和高度的灵活性和可编程性，同时又集成了音 视频和网络通信等外设，特别适于多媒体通信应用。与其它d s p 芯片相比较，d m 6 4 2 的最大不同之处在于它具有三个可配置为输入或输出模式并且支持多种视频标准的视 频端口，因此可方便的应用于数字图像处理、基于i p 的音视频传输、数字视频纪录、 机器视觉、医学成像、安全监视、数字相机等领域。其内部结构如图2 2 所示。 图2 2t m s 3 2 0 d m 6 4 2 内部结构 由于d m 6 4 2 是建立在c 6 4 xd s p 核基础上，采用德州仪器公司开发的第二代高性 能的先进的超长指令字结构( v e l o c 汀i 2 t m ) ，具有以下特点： ( 1 ) d m 6 4 2 具有增强型直接存储器存取控制器( e d m a ) ，可以通过6 4 个独立的通 路提供超过2 g b f l e s e c 的i o 带宽； ( 2 ) d m 6 4 2 有两级片内c a c h e ( 高速缓冲存储器) ，第一级包括一个直接寻址的 1 6 k b y t e 的程序c a c h e ，一个1 6 k b y t e 的数据c a c h e ；第二级为一个2 5 6 k b y t e 程序与数 据共用的存储空间，可分配为寻址存储空间或者c a c h e ； 9 2 红外测温系统硬件设计基于d m 6 4 2 的红外测温项目设计 ( 3 ) d m 6 4 2 包括一个6 4 位外部存储器接口( e m i f ) ，可以与同步的和异步的存储器 和外设无缝地接口，总共外部寻址空间可达到1 0 2 4 m b y t e ； ( 4 ) d m 6 4 2 内部包括6 4 个3 2 位字长的通用寄存器以及8 个独立的运算单元。具有 两个专用硬件乘法器，在每个时钟周期内可执行2 个1 6 位1 6 位的乘法或4 个8 位8 位的乘法。另外还包括6 个算术逻辑单元，在每个时钟周期内都可执行2 个1 6 位或4 个8 位的加减、比较、移位等运算。这将大大提高处理数据的速度。在6 0 0 m h z 的时钟 频率下，d m 6 4 2 每秒可以进行2 4 亿次1 6 位的乘累加或4 8 亿次8 位的乘累加。这样强 大的运算能力，使得d m 6 4 2 可以进行实时的多路视频处理和图像处理，在信号处理方 面有着明显的优势； ( 5 ) d m 6 4 2 还具有3 个可配置为输入或输出模式的数字视频端口( v p 0 、v p l 、v p 2 ) ， 这3 个视频端口支持多种视频标准，可以与常见的视频a d 、d a 芯片进行无缝的连接， 方便了系统对图像数据实时处理的要求； ( 6 ) 此外，d m 6 4 2 还包括1 0 1 0 0m b s 以太网接入控制器，计算机p c i 控制器，多 通道串行音频接口，管理数据输入输出模块等； ( 7 ) d m 6 4 2 采用能节省空间的5 4 8 引脚球栅阵列封装( b g a ) ； 2 1 2d m 6 4 2 视频端口 d m 6 4 2 作为一款专门为视频处理设计的芯片，与其他d s p 处理器相比较，最大的 不同之处在其具有三个可以配置的视频端口。d m 6 4 2 中的视频端口具有以下特点： ( 1 ) 每个视频端口具有2 0 位的数据i o 口，数据输入输出模式可为b t 6 5 6 、y c 、 r a w 模式。在视频采集模式下，时钟频率最高可达到8 0 m h z ，在视频显示模式下，最 高可达11 0 m h z ，像素时钟口和同步信号口构成时序逻辑控制模块； ( 2 ) 每个视频端口包括大小为5 1 2 0 b y t e 的a 、b 两个通道的缓冲器( b u f f e r ) ，从视 频端口输入或输出的数据通过d m a 通道在这些缓冲器与片内存储器和外设进行数据交 换； ( 3 ) 视频端口的数据传输都通过d m a 通道进行，d m a 传输的模式可以通过设置 d m a 通道参数进行控制，d m a 通道可实现视频i o 端口与存储器之间传送数据和d s p 执行程序这两大任务的并行进行，大大提高了系统资源使用率；视频端口的结构如图2 3 所示【8 1 。 l o 硕论女 基f d m 6 4 2 的n 外蝌温项目设计 图2 3d m 6 4 2 视频端口柏结构圈 2 1 3 c c s 概述 目前d s p 的发展趋势是随着处理器的速度越来越快，结构越来越复杂，d s p 的 应用也越来越广泛，正向多处理、多通道的方向发展。由于d s p 的诸多优点，市场上 对基于d s p 的产品需求也越来越大，因此d s p 厂商之间、开发者之间的竞争越来越 激烈对d s p 的开发效率的要求也在不断提高。而d s p 芯片的开发需要一整套完整 的软件和硬件开发工具，对于丌发者，要想充分利用d s p 的性能，缩短开发周期，提 前抢占市场，有效的开发工具至关重要。为了便于d s p 软件开发，德州仪器( t i ) 公司推 出了一种c c s ( c o d e c o m p o s e rs t u d i o ) 集成开发环境。c c s 扩展了基本的代码产生工具， 集成了c 编译器、c 优化器、汇编器、汇编优化器和连接器等，并集成了调试和代码实 时分析功能。开发者的一切开发过程都是在c c s 这个集成环境下进行，包括项目的建 立、源程序的编辑以及程序的编译和调试。另外，c c s 还提供了更加丰富和强有力的 调试手段来提高程序调试的效率和精度。c c s 的出现是d s p 开发软件的一次革命性的 变化。 c c s 内部还包含了实时操作系统( r t o s ) d s p b i o s ，其主要是为需要多任务实时调 度和同步以及主机目标系统通信和实时监测的应用而设计的。c c s 并不是代码产生工 具和代码调试工具的简单集成，它提供了实时分析和数据可视化的功能，c c s 的实时 分析和数据可视化功能是建立在d s p b i o s 和r t d x 技术基础上的。实时分析和数据 可视化增强了实时、嵌入式信号处理的丌发过程，提供了配置、构造、跟踪和分析程序 的工具把传统的d s p 调试技术向前提高了一大步，大大降低了d s p 系统的开发难 2 红外测温系统硬件设计基于d m 6 4 2 的红外测温项目设计 度。因此，程序开发人员可以集中精力开发系统的应用性，可以在不中断程序运行的情 况下查看算法的对错，实现对硬件的实时跟踪，大大缩短了开发周期。d s p b i o s 组件 包括抢先式多任务内核、硬件抽象层、实时分析工具和配置工具等【9 】。 本系统使用c c s 2 2 0f o rc 6 0 0 0 版本进行软件开发。 2 2 外部主存储器设计 一个成熟的嵌入式硬件系统，包括多个方面的功能，这些功能都是为嵌入式系统软 件提供的，而且是必备的。作为d s p 的典型外设，外部高速存储器为d s p 的数字信号 处理功能提供基本的程序运算空间。在本系统中，外部主高速存储器使用m i c r o n 公 司的高速同步动态存储器m t 4 8 l c 4 m 3 2 8 2 p 。由于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 本身自带的外部存 储器接口e m i f 集成了对s d r a m 存储器的控制接口，使得这部分的设计变得简单和容 易，接口如图2 4 所示。 e x t e m a lc l o c k 图2 4d s p 到s d r a m 接口 t m s 3 2 0 c 6 4 x 系列d s p 的外部存储器接口e m i f 对s d r a m 的接口支持如下数据宽 度：1 6 位、3 2 位、6 4 位。为了尽量的加大d s p 到s d r a m 的单位时蒯吞吐量，我们选 用了6 4 位的数据带宽。对于我们所选用的s d r a m ，m t 4 8 l c 4 m 3 2 8 2 p 是3 2 位1 6 m b 的s d r a m ，我使用了两片来拼成6 4 位的s d r a m 。 如图2 5 所示，s d r a m 的信号引脚包括四个部分：数据线d a t a 、地址线a d d r 、 控制线c t r l 、字节使能信号b y t ee n a b l e 。对于单片m t 4 8 l c 4 m 3 2 8 2 p ，它包含了4 个 b a n k ，b a n k 选择引脚为b a o 、b a l ，行选择、列选择地址引脚为a o a 1 l ，其中， 1 2 硕士论文基于d m 6 4 2 的红外测温项目设计 行地址为a 8 共九个地址线，列地址为a 0 a 1 1 、b a o 、b a l 共1 3 个地址线。在与 d s p 相连时，一定要注意，使用d m 6 4 2 的c e o 空间时，d s p 的e a 3 e a l 6 分别与s d r a m 的a 0 a l l 、b a o 、b a i 相连，才能保证正确的设计。对于单片s d r a m ，数据总线宽 度为3 2 位，它还包括四根字节使能引脚：b e o b e 3 ，这四根字节使能的作用在于，我 们可以通过该3 2 位的数据总线来访问一个四字节单元中的一个字节。在设计时，要注 意：b e o b e 3 对应规定的数据总线编号。其中，b e o 对应d q o d q 7 ，b e l 对应 d q s d q l 5 ，b e 2 对应d q l 6 d q 2 3 ，b e 3 对应d q 2 4 d q 31 。因此，为了设计p c b 图 时走线的方便性，数据线可以打乱，如由d s p 引出的e d o 可以接s d r a m 的d q 7 引脚， 但是这个对应关系是不能够被打乱的。正是依靠d s p 的e m i f 接口提供b e o b e 7 的便 利性，我们将两片s d r a m 拼成一块逻辑上一致的6 4 位存储器，它们的地址线、控制 线一致，而高低3 2 位的数据线分别接两片s d r a m ，d s p 的字节使能信号线b e o b e 3 和b e 4 b e 7 分别接对应得s d r a m 上。如采用这种拼接方式的话，两块s d r a m 使用 统一的接口，即地址线、控制线相同，而字节使能和数据线分别对待，即可实现c 6 4 0 0 系列d s p 的e m i f a 接口的6 4 位数据总线连接方式，加大数据的吞吐量1 1 0 1 。 e a 3 2 5 2e d 7 e a 42 6 a l l d q 0 4e d 6 。e 扣 a 1d q i 5e d 6 a 6 6 0 a 2，。dq2 7e i ) 4 3 ，d 8e d 3 a 8酡 矗dq4 l de d 2 a 9 6 3 5 d q 5 1 le d l e a l 0 6 4 a 6 一 d q 6 1 3e d 0 a l l6 5 7 d q 7 7 4e d 8 e a l 2。6 6 a 8 一 “dq8 7 6e d 9 e a 】32 4 a 9 d q 9 7 ，e d 】0 v - a h2 t 1 0d q l o 7 9e d l l e a l 52 2 l l”d q l l 8 0d 1 2 b 0d q l 2 。e a l 62 3 8 2e d l 3 b ld q l 3 8 3e d l 4 e c l k o u t l 醴 。dql4 8 5e d l 5 c u 【7，d q l 5 s d c k e6 7 3 le d 2 3 c 旺1 6 3 3d f 2 2 ，d q l ， 3 _e d 2 l i t e l7 1 蛐d q l 8 3 6e d 2 0 b e 22 8 n q m id q l 9 3 7e d l 9 d q m 2 ， d q 2 0 ；腿33 9：e d l 8 d q 桕 d q 2 l 4 0d 1 7 c e 0 #2 0 d q 2 2 4 2e d l 6 c s d q 2 3 瓤) 融5 #! ， 4 5t 2 , 2 4 sd q 2 4 4 7e d 2 5 c s d q 笛 s d w e 岸1 7 4 8e d 2 6 、张dq26 5 0e d 2 7 ；一 0 1 4 dq27 5 le d 2 8 ，卯 n c ld q 2 8 5 3e d 2 9 ：，：，：5 7 n c 2 ， ，dq 5 4 e d 3 0 ：卯 l q c 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