（机械电子工程专业论文）基于tms320dm270的cmos成像系统的设计与实现.pdf

摘要 数字时代给人们创造了很多新的工作和生活方式，并推动了许多新兴产 业的迅速崛起。数字成像行业作为数字时代具有市场竞争力的行业之一。 降低成像系统的功耗、快速的处理大量的图像数据成为数字成像领域一直 追求的目标，本课题的研究工作就是围绕基于t i 芯片t m s 3 2 0 d m 2 7 0 的c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o rt r a n s i s t o r ) 数字成像系统的设 计与实现而展开。 针对课题的任务，在详细分析嵌入式双核( a r m ( a d v a n c e dr i s c m a c h i n e ) + d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ) 微处理器t m s 3 2 0 d m 2 7 0 的结构 特点和功能的基础上，提出了一种基于该处理器的c m o s 成像系统的设计方 案和实现方法，给出了各部分硬件电路的设计原理以及系统软件关键程序 的设计，最终实现了图像获取、处理、显示与存储的功能。 为降低成像系统的功耗，系统采用了c m o s 图像传感器，并且系统中所 用的器件尽可能选用低电压的器件，在电源的选用上采用开关电源，这些 技术的应用使系统的功耗明显降低。在软件设计过程当中多处采用中断机 制，即降低了系统的功耗又提高了系统的执行效率。系统软件整体上采用 模块化的设计，减少模块之间的相关性，这样有利于系统的调试，减少了 错误的发生。 关键词：c m o s图像传感器成像系统d m 2 7 0 北京| l i | i 乜大学硕士学位论文 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ec o m si m a g i n g s y s t e mw i t ht m $ 3 2 0 d m 2 7 0 a b s t r a c t d i g i t a lt e c h n o l o g i e sb r i n gh u m a nl i f ea n dw o r k i n gs t y l e s ，a n di m p e ln e w i n d u s t r i e st o g r o wu p d i g i t a li m a g i n gt e c h n o l o g y b e c o m e st h em o s t c o m p e t i t i v eo n ef o rd i g i t a lt e c h n o l o g i e s l o wp o w e rc o n s u m e s a n df a s t t r e a t m e n to fi m a g i n gd a t ab e c o m eo n ea i mt h a tp e o p l ea r ec h a s i n gi nt h ef i e l d t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fc m o s ( c o m p l e m e n t a r y m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o rt r a n s i s t o r ) i m a g i n gs y s t e m w i t h t m $ 3 2 0 d m 2 7 0 f i r s t l y , i ta n a l y z e st h e h a r d w a r ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec h i pt m s 3 2 0 d m 2 7 0 w h i c hh a sd u a l c o r e ( a r m + d s p ) a r c h i t e c t u r ea n dh a sv a r i o u sp e r i p h e r a l s s e c o n d l y , t h es c h e m eo fc m o ss i n g l e c h i pi m a g i n gs y s t e mi sp u tf o r w a r d ，a n d i t sh a r d w a r ep l a t f o r mi sr e a l i z e d t h i r d l y , t h ea u t h o rg i v e st h es c h e m e so fe v e r y p a r ta n dp a r t i a ls o f t w a r ef o rt h ea p p l i c a t i o no fc m o si m a g i n gs y s t e m f i n a l l y r e c e i v i n gd a t a ，d e a lw i t hd a t a ，s t o r a g ea n dd i s p l a yr e a l i z e d t h es y s t e ma d o p tc m o ss e n s o r ，s w i t c ha n dl o wp o w e rd e v i c et oc u td o w n t h e s y s t e mc o n s u m e t h e r e a r es e v e r a l i n t e r r u p t i o n sd u r i n gp r o g r a m m i n g d e s i g n ，w h i c hc u t sd o w nt h es y s t e mc o n s u m ee f f i c i e n t l y t od e b u gs y s t e ma n d r e d u c ee r r o rt h es o f t w a r es y s t e md e s i g n e di nm o d u l e ，w h i c hc a nr e d u c et h e p e r t i n e n c e sa m o n gt h em o d u l e s k e yw o r d s ：c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o rt r a n s i s t o r ) ， i m a g i n gs e n s o r , i m a g i n gs y s t e m ，d m 2 7 0 i l l 北京1 1 1 1 5l a 凡学砸j 擘位论文 符号说明 a f ：a u t of o c u s 自动聚焦 a l u ：a r i t h m e t i cl o g i cu n i t 算术逻辑单元 a p e a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e 应用程序接口 a r m ：a d v a n c e dr i s cm a c h i n e 高级精简指令计算机机器 a s h c ：a m e r i c a ns t a n d a r dc o d ef o ri n f o r m a t i o ni n t e r c h a n g e 美国信息交换标准代码 a w b ：a u t ow h i t eb a l a n c e 自动白平衡 b g a ：b a l lg r i da r r a y 球状栅极阵列 b s c ：b o u n d a r ys c a nu n i t 边界扫描单元 b s r ：b o u r t d a r ys c a nr e g i s t e r 边界扫描寄存器 c c d ：c h a r g ec o u p l e dd e v i c e 电荷耦合器件 c c s ：c o d ec o m p o s e rs t u d i o 代码设计工具 c f a ：c o l o rf i l t e r a r r a y 彩色滤镜阵列 c m o s ：c o m p l e m e n t a r ym e t a l ，o x i d e s e m i c o n d u c t o rt r a n s i s t o r 互补型金属氧化物半导 体 c s ：c h i ps e l e c t 芯片选择 c s c ：c o l o rs p a c ec o n v e r s i o n 色空间转换 c p u ：c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t 中心处理单元 d a r a m ：d u a l a c c e s sr a n d o ma c c e s sm e m o r y 双边访问随机存储器( 在每个周期 能执行两次访问操作) d c i 丫1 d c 。i ! d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m 厂i n v e gd i s c r e t ec o s i n et r a r t s f o t i n 离散余弦变换和逆变换 d m a ：d i r e c tm e m o r ya c c e s s a d d r e s s i n g 直接存储器访问她址 d r a m ：d y n a m i cr a n d o m a c c e s sm e m o r y 动态随机存储器 d r c ：d e s i g nr u l ec h e c k 设计规则检查 d s p ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 数字信号处理器 e i m ：e t h e m e ti n t e r f a c em o d u l e 网络接口模块 f b g a ：f i n ep i t c hb a l ig r i d a r r a y 间距球状栅极阵列 f i q ：f a s ti n t e r r u p tr e q u e s t 快速中断请求 g p i o ：g e n e r a lp u r p o s ei n p u t o u t p u t 通用输入输出 h p i b ：h o s tp o r ti n t e r f a c eb r i d g e 主端口接口桥 i z c ：i n t e ri n t e g r a t e dc i r c u i ts e r i a li n t e r f a c e 内部集成串行接口 v i 北京邮电大学硐：l 一学位论文 i r q ：n o r m a li n t e r r u p tr e q u e s t 外部中断请求 i s r ；i n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e 中断服务例程 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 联合图像专家组 j t a g ：j o i n tt e s t a c t i o ng r o u p 联合测试行为组织 l c d ：l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 液晶显示器 m a c ：m u l t i p l y a c c u m u l a t eu n i t s 乘加单元 m c b s p ：m u l t i c h a n n e l b u f f e r e ds e r i a l p o r t 多通道缓冲串行口 m p e g ：m o t i o np i c t u r ee x p e r t sg r o u p 运动图像专家组 n t s c ：n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e 国家电视制式委员会f 美国电视标准) o c ：o p e nc o l l e c t o r 集电极开路 o sd ：o ns c r e e nd i s p l a y 在屏幕上显示内嵌菜单 p a l p h a s e a l t e m a t i n gl i n e 逐行倒相制( 是欧美的一种电视标准) p b g a ：p l a s t i cb a l lg r i d a r r a y 球状栅极阵列 p c b ：p r i n t e dc i r c u i tb l o c k 印制电路板 p l l ：p h a s el o c k e dl o o p 锁相环路 p m s t ：p r o c e s s o rm o d es t a t u sr e g i s t e r 处理器模式状态寄存器 o 1q ：q u a n t i z e ra n di n v e r s eq u a n t i z e r 量化和反量化 r a m ：r a n d o ma c c e s sm e m o r y 随机存取存储器 r g b ：r e dg r e e nb l u e 红绿蓝 一 r i s c ：r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g 精简指令集计算机 r o m ：r e a do n l ym e m o r y 只读存储器 s a r a m ：s i n g l e a c c e s sr a n d o ma c c e s sm e m o r y 单边访问随机存储器f 在每个周期可 执行一次访问操作、 s c c b ：s e r i a lc a m e r ac o n t r o lb u s 串行摄像控制系统 s d r a m ：s y n c h r o n o u sd r a m 同步动态随机存储器 s p i ：s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e 串行外围设备接口 s s o p ：s h r i n ks m a l lo u t l i n ep a c k a g e 缩小型s o p 封装 s x g a ，s u p e rv i d e og r a p h i c sa r r a y 扩充视频图形排列 t a p ：t e s ta c c e s sp o r t 测试访问端口 t s o p ：t h j ns m a l lo u t l i n ep a c k a g e 薄型小尺寸封装 t s s o p ：t h i ns h r i n ks m a l lo u t l i n ep a c k a g e 薄型缩小外型封装 t t l ：t r a n s i s t o rt ot r a n s i s t o rl o g i c 晶体管一晶体管逻辑 u a r t ：u n i v e r s a l a s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r 通用异步收发 u s b ：u n i v e r s a ls e r i a lb u s 通用串行总线 v i i 北京邮电火学 峨i 学位沦文 v g a ：v i d e og r a p h i c s a r r a y 视频图形排列 v l c v l d ：v a r i a b l el e n g t hc o d e r d e c o d e r 可变长度编码解码器 x g a ：e x t e n di m a g eg a t e a r r a y 扩充图形排列 i j j ! 堡型【里查兰堡! 兰堕堡兰 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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l 】所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学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己在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 申青学位论文与资料若有不实之处 本人签名：叁缝亟 本人承担一切相关责任。 日期： 弛：；= 圭星 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属 本人签名： 导师签名： 权书。 日期 日期 锄63 。2 - 8 j 轴艰；耻 1 1 课题背景 第一章绪论 随着计算机技术和数据处理技术的不断发展，成像系统在国防领域、商业领域、 个人消费品领域都得到了广泛的应用。小到个人的数码相机，大到火星探测车，成像 系统都扮演了一个关键的角色。而我国成像系统的研究尚处于起步阶段，本课题是空 间信息集成与3 s 工程应用北京市重点实验室( 北京大学) 与贵航集团下属盖克无人 机有限责任公司合作的“空间遥感平台中的c m o s 成像与信息处理系统”项目的关 键部分，得到了国家“科技型中小企业技术创新基金”的支持( 立项代码： 0 2 c 2 6 2 1 5 2 0 0 7 5 0 ) 。 1 2 成像系统国内外的发展现状 1 9 9 7 年9 月，索尼( s o n y ) 公司发布了m v cf d 7 数码相机，这是世界上第一 款使用常规3 5 英寸软盘的数码相机。索尼也由此开始大力进军数码相机业。 1 9 9 9 年3 月，奥林巴斯( o l y m p u s ) 发布c 2 5 0 0 l 数码相机，这是第一款配备了2 5 0 万 像素c c d 的数码相机。1 9 9 9 年1 0 月，卡西欧( c a s i o ) 发售综合了g p s 和数码相 机功能的腕表型数码相机，数码相机往多样化发展又进了一步。1 9 9 9 年7 月，柯达 d c s 3 3 0 成为首先推出的3 0 0 万像素的相机机种。2 0 0 0 年1 月，尼康( n i k o n ) c o o l p i x 9 9 0 和奥林巴斯( o l y m p u s ) c a m e m i a c 一3 0 3 0 z 几乎同时推出，使3 0 0 万像素c c d 逐渐成为市场主流。2 0 0 0 年2 月，传统相机鼻祖徕卡( l e i c a ) 进军非专业型数码相 机市场，推出1 3 0 万像素的徕卡d i g i l u xz o o m 。2 0 0 0 年2 月，海鸥发布中国第一代 国产数码相机d s c - 1 1 0 0 。2 0 0 0 年5 月，佳能( c a n o n ) 公司推出高档数码相机e o s d 3 0 ， 它使用c m o s 代替c c d 。2 0 0 0 年6 月，索尼发布第一款使用c d r 光盘作为存储设 备的数码相机m a v i c am v c c d l 0 0 0 。2 0 0 0 年7 月，奥林巴斯发布内置打印机的数码 相机c 2 1 1 。 2 0 0 0 年8 月，奥林巴斯发布第一款实际像素4 0 0 万的数码相机c a m d e i a e 1 0 。2 0 0 0 年9 月，徕卡推出4 3 0 万像素数码相机d i g i l u x4 3 。2 0 0 0 年9 月，在德国p h o t ok i n a 展览会上，柯达正式对外公布了高达1 6 0 0 万实际像素的c c d ，这被称为是c c d 制 造技术上的一个星程碑。2 0 0 1 年3 月，奥林巴斯美国公司宣布推出c a m e d i a c 7 0 0 u l t r a z o o m 数码相机，这是目前世界上最小的1 0 倍光学变焦数码相机【lj 。 在我国，早在1 9 9 9 年，政府就开始扶持这些传统相机企业，那时候的照相机名牌 北京蝴电大学硕士学位论文 企业上海海鸥照相机公司曾一举创下国内数码相机产业的五个。第一。然而，因为本 土企业没有掌握核心技术，好景不长，1 9 9 9 年海鸥引进的是3 3 万像素数码相机的生 产线成了摆设。2 0 0 0 年初，方正、紫光陆续推出1 3 0 万像素和2 0 0 万像素的数码相机 系列产品，成为最早进入数码相机领域的i t 厂商。2 0 0 2 年5 月，联想也推出了自有 品牌的数码相机产品，并在全国5 0 家“联想数码影像中心”进行推销和售后服务。接 着朝华科技、华旗资讯等r r 厂商，还有先科、t c l 等家电厂商，也都纷纷推出了自 己的数码相机。然而好景不长，到了2 0 0 4 年上半年，国内数码相机市场中8 0 以上 的产品是索尼、佳能、柯达、奥林帕斯、三星、尼康这些品牌的，就连富士、卡西欧、 松下、理光也来凑热闹，而中国的联想、紫光、方正、爱国者等i t 企业品牌的销量 却不到1 万台，其中还存在很多作为礼品、赠品免费送出的数码相机。 这表明，仅靠引进来发展国产数码相机的道路是走不通的，赛迪顾问数码相机分 析数据表明，从2 0 0 2 年起，国产厂商高举“价格战”的大棒，杀入中低端数码相机市 场，掀起了数码相机大幅降价的序幕，然而由于数码相机生产的核心技术，如c c d 、 c m o s 等掌握在少数国外厂商手中，其生产成本难以大幅度地下降，导致生产的数码 相机规格没有成为市场上的主流，随着国外企业在中低端市场上也加入降价行列，国 产数码相机的价格优势将不复存在。国产数码相机面临着一场严峻的“抗洋战争”，而 打赢这场战争的关键将不再会是单纯的价格战，而是要掌握数码相机生产的核心技 术，降低生产成本。 1 3 数字成像系统核心处理器的选择 处理器是成像系统硬件的核心，随着半导体技术的不断发展以及人们对成像系统 处理器要求的不断提高，数字成像系统核心处理器由原先的单处理器( d s p 或f p g a ) 发展到双处理器( d s p + a r m 或d s p + f p g a ) ，处理器的性能也在不断的提高，d s p 由5 x 系列到6 x 系列，a r m 处理器由a r m 7 到a r m 9 。这些发展虽然使成像系统 的性能得到了一定的提高，但是有如下缺点： 1 ) 单d s p 虽然能满足成像系统快速处理数据的要求，但是用一个d s p 做成的成 像系统只能简单的处理成像数据，其控制功能有限。况且d s p 对操作系统的支持有 一定的困难。 2 ) 用f p g a 也可以实现一个成像系统，但是首先要在f p g a 上实现一个集数据处 理与控制功能与一体的处理单元，开发难度大、开发周期长且效果不理想。 3 ) 采用双处理器的成像系统是目前的主流系统，双处理器系统即满足了处理大量 数据的要求又有丰富的控制功能，所以很多主流的厂商均采用这种方式。但是，采用 双处理器显然增加了产品的成本。由于是两个处理器在运行，所以系统的功耗和体积 也比较大。这与人们不断追求小体积小功耗的便携产品相矛盾。 北京l 唯l 匕 学坝l 学位论文 针对以上的原因，本系统采用t m s d m 2 7 0 作为主处理器，t m s d m 2 7 0 是t i 公司 2 0 0 3 年新推出的多媒体处理器，集成有d s p 和r i s c 处理器a r m 的双核结构，其中 a r m 7 t d m i3 2 位r i s c 微控制器来处理非成像功能，并用作整个系统的主控制器， 可编程的c 5 4 x t md s p 处理视频编码与解码，这样使系统及能具有灵活软件接口又能 即时处理大量的图像数据。s u m s u n g 公司及n o k i a 公司2 0 0 5 年初均采用这款处 理器推出自己f i 勺手机产品。 1 4 图像传感器的选择 在数字图像传感器出现之前，摄像机都采用化学感光胶片，用过以后要更换新的 底片，特别是用计算机处理图像的时候还要先用扫描仪等数字化仪转换成数字图像。 c c d 和c m o s 等数字图像传感器的出现，彻底改变了视觉世界的表达方式。随着计 算机技术和互联网技术的飞速发展，数字图像得到越来越广泛的应用。 7 0 年代初，随着m o s 技术的成熟，三种典型的固体图像传感一电荷耦合器件 ( c c d ) 、电荷注入器件( c l d ) 、光敏二极管阵列( p d a ) 得到了发展。在这三种固体 图像传感器中，c c d 发展最为迅速。1 9 7 0 年是影像处理行业具有里程碑意义的一年， 美国贝尔实验室发明了c c d 。到9 0 年代初，c c d 技术己比较成熟，人们利用这一 技术制造了数码相机，将影像处理行业推进到一个全新领域。数码相机无需胶卷和冲 洗、可重复拍摄和即时调整；影像可无限次复制且不会降低质量，方便永久保存，并 可用于电子传送和处理。它的诞生给影像处理业带来了一场革命。c c d 器件及其应 用技术的研究取得了惊人的进展。作为一种新型光电转换器被广泛应用，特别是在图像 传感和非接触式测量领域的发展则更为迅猛【2 1 0 c c d 图像传感器经过3 0 多年的发展，从最初简单的8 像元移位寄存器发展至今， 已具有数百万至上千万像元。从目前c c d 技术的发展趋势来看，主要有以下几个发 展方向： ( 1 ) 高分辨率； ( 2 ) 高速度： ( 3 ) 微型、超小型化； ( 4 ) 微光c c d ： ( 5 ) 多光谱c c d 器件。 随着c c d 应用范围的扩大，其缺点逐渐暴露出来。为此，人们又开发了另外几 种固体图像传感器技术。其中，最引人注目、最有发展潜力的是c m o s 图像传感器， 它能获得和c c d 产品相似的图像质量，且在功耗、集成度上都取得了很大突破。 c m o s 图像传感器具有许多优点，如芯片内部集成了a d 转换器、输出为数字信号、 北京邮电大学硕二l 学位论又 外围线路简单、工作时不需要相位驱动脉冲、价格便宜等，这些优点使其很适合于桌面 多媒体、视频会议、图像监控等场合。 c m o s 器件本是一种可大规模生产的集成电路。应用c m o s 技术的图像传感器是 在2 0 世纪6 0 年代末期出现的，比c c d 传感器还要早出现几年的时间，但很快就被 图像质量高、信号噪声小的c c d 传感器所超过。7 0 年代初c m o s 传感器在n a s a 的j e tp r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ( j p l ) 制造成功，8 0 年代末，英国爱丁堡大学成功试制出了 世界第一块单片c m o s 型图像传感器件，1 9 9 5 年像元数为( 1 2 8 1 2 8 ) 的高性能 c m o s 有源像素图像传感器由喷气推进实验室首先研制成功【1 】，1 9 9 7 年英国爱丁堡 v l s iv e r s i o n 公司首次实现了c m o s 图像传感器的商品化，就在这一年，实用c m o s 技术的特征尺寸已达到0 3 5 m m ，东芝研制成功了光敏二极管型a p s ，其像元尺寸为 5 6 r a m 5 6 r a m ，具有彩色滤色膜和微透镜阵列，2 0 0 0 年日本东芝公司和美国斯坦福 大学采用0 3 5 m m 技术开发的c m o s a p s 已成为开发超微型c m o s 摄像机的主流产 品。近年来，美国国家半导体公司、斯坦福大学实验室、贝尔实验室、o m n i v i s i o n 、 s t 、m o t o r o l a 等公司都纷纷投入这项技术的开发研究工作。由于c m o s 图像传感器 在功耗、集成度、信噪比和价格等方面要优于c c d ，成为图像传感器研究的热点。 在中低端，c m o s 已经取代c c d 取得了统治地位。近年来，用于高速摄像的c m o s 图像传感器在国外已经见到报道，瑞士的p h o t o b i t ( m i c r o n ) 公司已经推出了帧率为 4 0 0 0 f p s 的高速c m o s 3 1 。随着工艺的不断发展，c m o s 在高端高速成像方面也有赶 超c c d 的趋势。 目前c m o s 图像传感器的研究与发展趋势主要有以下几个方面： ( 1 ) 多功能、智能化： ( 2 ) 高帧速率； ( 3 ) 高分辨率； ( 4 ) 低噪声技术； ( 5 ) 宽动态范围： ( 6 ) 模块化、低功耗。 从c m o s 与c c d 目前的应用及技术发展来看，c m o s 图像传感器有取代c c d 的 趋势，然而，c m o s 图像传感器毕竟还是一个新兴的器件，在技术成熟度上还不及 c c d 器件。相对于c c d 而言，c m o s 图像传感器对光线的灵敏度不好，信噪比也很 低，这导致了其在成像质量上短时期内还难以与c c d 全面抗衡，有观点认为，c c d 与c m o s 技术相互结合也是一种发展趋势，有关技术也正在进行研究过程中【4 】d 本课题中图像传感器采用o m n i v i s i o n 公司的0 v 2 6 1 0 ，o v 2 6 1 0 是o m n i v i s i o n 公 司为数码相机和数字录像机所设计的一款高性能c m o s 图像传感器，支持最大分辨 率为1 6 0 0 x 1 2 0 0 ( u x g a ) ，片上的1 0 位a d 转换器可支持1 0 帧秒的数据处理，而 4 北京电入学坝学位论文 j 在s v g a ( 8 0 0 x 6 0 0 ) 的分辨率下更可达到4 0 帧秒的处理能力。o m n i v i s i o n 公司独 有的传感嚣技术可有效的减小固定图案嗓声( f i x e dp a t t e r nn o i s e ，f p n ) ，并提供了优 良的黑点平校准功能以优化彩色性能。控制寄存器可方便灵活的控制时序、极性和相 机芯片的操作，给产品的设计提供了极大的灵活性。 1 5 论文完成的工作 本课题的主要目的是设计出一套基于t m s 3 2 0 d m 2 7 0 的c m o s 成像系统，建立一 套完整的图像获取、压缩、存储系统。本论文主要完成以下工作： 针对t m s 3 2 0 d m 2 7 0 的特点及处理能力。提出了系统整体方案的设计。 利用t m s 3 2 0 d m 2 7 0 及其外围电路实现本系统的硬件平台，完成芯片选型、系 统原理图及多层高速p c i 3 板的设计、制作及调试，编写各个外围器件的测试程 序。 在已调试好的硬件平台上进行系统软件的设计，包括系统初始化及c m o s 传感 器的驱动程序。 得出最后的结果：各个硬件模块能正常的工作，图像能在l c d 上显示。 1 6 本论文的组织 第一部分概述成像系统的发展历程、现状及主处理器和图像传感器的发展现状； 第二部分详细的介绍了t m s 3 2 0 d m 2 7 0 的结构特点和性能；第三部分给出了系统硬件 的具体设计方案：第四部分讨论了系统的底层软件设计；第五部分是系统的软硬件联 调及最终试验结果：第六部分对本论文的工作进行总结。 北京邮电大学硕士学位论文 第二章t m s 3 2 0 d m 2 7 0 的结构特点 2 1t m s 3 2 0 d m 2 7 0 概述 d m 2 7 0 是d s p 领域的顶级厂商t i 公司为数码相机开发所设计的一款高度集成的 双内核处理器，内置高度集成的成像外围器件，为开发高图像质量的数码相机提供了 可行的方案。其灵活的接口电路可兼容多种不同类型的c c d 和c m o s 图像传感器、 电源管理、s d r a m 等外部器件，并且用户可利用其基于d s p 的图像协处理器自行开 发图像处理算法，根据需求设计规划自己的系统。d m 2 7 0 的系统架构如图2 1f 8 j ： 图2 1d m 2 7 0 的系统架构 d m 2 7 0 的主要功能特性如下： 2 8 8 引脚的微b g a ( t t * b g a ) 封装，0 8 m m 管脚间距 支持1 0 2 m h z ，6 4 m 字节的3 2 1 6 位s d r a m ； 北京州电人学7 页士学位论义 支持8 1 6 位c c i r 6 0 1 6 5 6 视频格式； 支持v g a 分辨率下3 0 f p s 的运动j p e g 压缩解压缩： 片上集成鹋m h z 频率a r m 7 的3 2 位r i s c 微处理器，8 k 字节的i - c a c h e 和 3 2 k 字节片上程序数据存储器； 片上集成1 0 0 m h z 德州仪器c 5 4 x 数字信号处理器( d s p ) 内核，1 2 8 k 字节 片上存储器： 用于实时显示和数字缩放的预览引擎( p r e v i e we n g i n e ) ； 通用屏幕显示( o ns c r e e nd i s p l a y , o s d ) ： 彩色l c d 的数字接口； c f ，s m ，m m c s d 和m s 存储卡接口： 四个计时器，一个看门狗电路，两个u a r t ； 用于n t s c ，p a i 混合视频输出的单通道1 0 位d a c ； 3 4 个通用i o ( g e n e r a l p u r p o s ei o ) 端口； 片上u s b l 1 功能控制器： 双通道可编程p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 输出。 具体的功能模块如所示，可分为四个模块实体： a r m 子系统及其外围电路： d s p 子系统与两个协处理器； 成像外围器件模块： ： 存储器通信控制模块。 各个模块的特点与功能将在后面详细论述。 2 2 a r m 子系统 2 2 1a r m 概述 a r m 7 t d m i 处理器是一种1 6 3 2 位的高性能、低功耗的的嵌入式r i s c 微处理 器，由a r m 公司设计，然后授权各个半导体厂商生产，它目前已经成为应用最广泛 的嵌入式处理器。a r m 7 支持1 6 位的t h u m b 指令集，使用t h u m b 指令集可以以1 6 位的系统开销得到3 2 位的系统性能，它既能工作在3 2 位的a r m 状态下也能工作在 1 6 位的t h u m b 状态下。上电开始执行代码时，处理器默认工作在a r m 状态下( 1 3 】。 a r m 处理器支持7 种模式： 用户模式： f i q 快速中断模式： i r q 中断模式： 北京邮电大学砸卜学位论文 管理模式： 中止模式： 系统模式( ( a r m 体系结构v 4 及以上版本) ； 未定义 a r m 处理器的特性如下： 3 2 位的精简指令集处理器： 有3 2 1 0 3 的内部r a m ； 有8 k b 的指令缓冲： 提供3 2 1 6 位的指令集： 4 个硬件定时器： 看门狗定时器； 两个中断系统( f i q ，t o o ) ； 外部扩展内存接口； 提供最快的8 0 m h z 的操作速度： 1 6 个外部中断： - 提供j t a g 接口； 2 2 2 本系统中a r m 体系架构 a r m 子系统由a r m 7 t d m ir i s c 处理器核、s r a m 和外设组成，a r m 控制各种 外设，包括：定时器、中断控制器、i c a c h e 、屏幕显示、u s b 接口和串口。在本 系统中a r m 负责处理系统级的功能，比如：系统初始化、寄存器配置、用户接口、 用户命令的执行及各种系统的控制功能。因为a r m 有很大的程序空间并且有很好的 上下文切换的能力，所以比d s p 更能适合多任务的系统。 在本系统中，a r m 子系统的各个具体模块如图2 2 【1 4 】【1 5 】： 一j s d 内存控制器 一f f h l _ 一一：i “。 2 2 3 系统存储区的分配 二二二二二二二、二二二 图2 - - 2a r m 子系统模块图 a r m 子系统的存储空间由内部存储器和外部存储器组成，其中内部存储器 有：3 2 k - b y t e 的内部s r a m ，8 k b y t e 的高速缓冲，外部有由片选信号c s o c s 4 对应的 外部存储器和外部s d r a m 组成。外部地址空间范围为( 0 0 1 0 ：0 0 0 0 0 8 0 f ：f f f f 。共 有1 2 8 m 字节的空间。当系统上电或复位时p c 指针会指在0 0 0 0 ：0 0 0 0 的位置，在 0 0 0 0 ：0 0 0 0 的位置里保存一条跳转指令，这个跳转指令使p c 指针指向0 0 1 0 ：0 0 0 0 的位置，这个区域是f l a s h ，所以a r m 开始执行f l a s h 里的程序启动系统。具体 的存储器映射如下图2 3 所示： 北京邮电人学硕士学位论文 0 0 0 0 ：0 0 0 0 h 0 0 0 0 ：0 0 0 3 h 0 0 0 0 ：0 0 0 4 h 0 0 0 0 ：7 f f f h 0 0 0 3 ：0 0 0 0 h 0 0 0 3 ：0 f f f h 0 0 0 4 ：0 0 0 0 h 0 0 0 5 ：f f f f h 0 0 1 0 ：0 0 0 0 h 0 8 0 f ：f f f f h 复位向量 4 b v t e s 内部r a m外部存储区撑0 3 2 k b 8 m 哈 d p s i r 0 0 0 9 0 ：0 0 0 0 h 外部s d r a m 保留区域 2 4 m 毋 d p s i r l 0 2 1 0 ：0 0 0 0 h 外设寄存器区外部存储区# t 4 - kb y t e s2 4 n m d p s i r 2 d s p 内部存储 0 3 9 0 ：0 0 0 0 h 外部存储区# 2 区- 2 4 毋 1 2 8 k b d p s b 0 5 1 0 ：0 0 0 0 h 外部存储区# 3 保留区域2 4 m b d p s i r 4 0 6 9 0 ：0 0 0 0 h 外部存储区# 4 外部存储区 2 4 m b t 2 8 m b y t e s d p s i r 5 0 8 1 0 ：0 0 0 0 h 图2 3 存储器映射图 3 2 4a r m 子系统的寄存器 c s 0 s dc c s l c s 2 c s 3 c s 4 因为a r m 是整个系统的主控处理器，所以a r m 子系统的寄存器包括两部分，一 部分是a r m 内部的寄存器，a r m 内部的寄存器共有3 7 个，其中包括： 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c ) 在内，r 0 - r 1 4 ，p c ，r 8 _ f i q ，r 9 一f i q ， r 1 0 _ f i q ， r l l f i q ，r 1 2 一f i q ，r 1 3 _ f i q ，r 1 3 _ s v c ，r 1 3 一a b t 、r 1 3 一u n d ，r 1 3 一i r q 、r 1 4 _ f i q ，r 1 4 _ s v c ， r 1 4a b t ，r 1 4u n d ，r 1 4 ，这些寄存器都是32位的寄存器。_irq 6 个状态寄存器：c p s r ，s p s r f i q ，s p s r s v c ，s p s r - u n d ，s p s r i r q ，这些寄存 器也都是3 2 位的，但目前只用了其中1 2 位。 a r m 处理器共有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式中有一组相应的寄 存器组。任意时刻，可见的寄存器包括1 5 个通用寄存器( r 0 一r 1 4 ) 、一个或两个状态 寄存器及程序计数器( p c ) 。在这些寄存器中其中有些常用的约定，比如r 1 3 在a r m 0 中常用作堆栈指针，r 1 4 常用作连接寄存器，用来存放当前子程序的返回地址，r 1 5 用作程序计数器p c 等i “】。 另一部分是系统的寄存器，即外部寄存器。这些寄存器是整个外设的寄存器，因 为这些寄存器的管理权限归属a r m ，所以也属于a r m 子系统的寄存器。外设包括： 定时器、中断控制器、各种串口通信、看门狗、g i o 、c c d 控制器、时钟控制器、s d r a m 控制器、u s b 控制等等。a r m 通过对这些寄存器的管理来管理这些外设。具体的在 后面的章节中会详细介绍。 2 3d s p 子系统 2 3 1 概述 d s p 子系统由t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 内核，本地内存，共享内存( i m a g eb u f f e r ) ，和两个协 处理器( i m x & v l c d ) 组成。t m s 3 2 0 c 5 4 x d s p ( 简称c 5 4 x ) 是1 6 一b i t d s p ，运算可以到 达速度1 0 2 m p s ，是定点运算d s p 。高度并行的算术逻辑运算单元，专用硬件逻辑， 片内存储器，片内外设和高度专业化的指令集使得指令执行时的多重流水线结构将指 令周期降低到了最小值，在一个机器周期内完成两个读和一个写操作。以下是d s p 子系统的架构图2 - - 4 旧：