（测试计量技术及仪器专业论文）基于tms320c6711dsp的图像处理系统的设计.pdf

。海大学坝l 学位论文 摘要 机器视觉是一门涉及神经生物学、人工智能、心理物理学、计算机科学、 图像处理、模式识别等多个领域的交叉学科。一般将机器视觉分为通用视觉和 目的视觉。 本文以皮肤症状的识别为具体应用对象，进行了图像处理系统的工程实现 的实践，属于目的机器视觉的研究范畴。 本文完成了图像处理系统的硬件及软件的部分设计，主要的工作：在基 于t m s 3 2 0 c 6 7 1 i d s p 的扩展总线上，提出了一种图像采集与回放的子板设计方 案；编写了系统的驱动程序，使其能够完成图像数据的采集、读、处理、写、 显示，图像数据的上传和回放以及应用程序的固化等功能；完成了独立于p c 机平台的常用图像处理算法软件平台的设计；提出了针对皮肤症状图像的颜 色空间的转换、图像分割、数学形态学后处理、边缘检测、症状特征提取、特 征选择以及基于马氏距离函数的症状识别分类的处理方法并对这些算法予以了 c 语言程序的实现，从而实现了独立于p c 机平台运行的皮肤症状图像的识别系 统。 本文提出的设计思想和方法、运用的手段和工具、给出的子板硬件设计方 案和提出的图像处理算法及其程序实现，对皮肤症状识别系统的研发，具有开 拓性的实用意义，为智能皮肤显微镜的s o c ( s y s t e mo i lc h i p ) 芯片的研发提供了 个峰实的基础。 在本图像处理系统硬件平台的基础上，配上适当的应用软件，可方便地应 用于安保监控，指纹、文物、首饰鉴定等领域，具有广阔的应用前景。 关键词：视频采集，图像处理，皮肤症状识别，马氏距离 v 海大学顾l 。学位论文 a b s t r a c t m a c h i n ev i s i o ni sam u l t i d i s c i p l i n ac o m p o s e do fn e u r o b i o l o g y ，p s y c h o p h y s i c s ，a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，c o m p u t e rs c i e n c e ，i m a g e - p r o c e s sa n dp a t t e r n - r e c o g n i t i o n i ti sg e n e r a u l yd i v i d e d i n t ot h eg e n e r a lv i s i o na n dt h ep u r p o s i v ev i 函o n t h es k i ns y m p t o mr e c o g n i t i o ni st a k e na s as p e c i f i ca p p l i c a t i o na n d ，f r o mt h ee n g n i e e r i n g p o i n to fv i e w , a ni m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mi si m p l e m e n t e d ，w h i c hb e l o n g st ot h es t u d yo ft h e p u r p o s i v ev i s i o n t h ep a r t i a lh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e ma r ea c c o m p l i s h e di nt h i sp a p e r t h em a i n t a s k s a r e ：f i r s t l y , ad a u g h t e r - b o a r dd e s i g n s c h e m eb a s e do nt m s 3 2 0 c 6 7 1 1 d s pe x t e r n a l e x t e n d e di n t e r f a c ei s p r o p o s e dt oa c c o m p l i s hi m a g ea c q u i s i t i o na n dd i s p l a y s e c o n d l y , t h e s y s t e md r i v e r i s p r o g r a t m n e dt oa c c o m p l i s ha c q u i s i t i o n ，r e a d i n g ，p r o c e s s i n g ，w r i t i n g a n d d i s p l a y i n go fi m a g ed a t a ，t ot r a n s f e ri m a g ed a t ab e t w e e nd s p a n dp ca n dt os o l i d i f ya p p l i c a t i o n p r o g r a n l s t h i r d l y , ac o m m o ni m a g e - p r o c e s sa l g o r i t h ms o f t w a r ep l a t f o r mi s s e tu pt or u n i n d e p e n d e n to fp e r s o n a lc o m p u t e r f o r t h l y , m a n ya l g o r i t h m sa r ep r o p o s e df o rs k i n s y m p t o m r e c o g n i t i o n ，s u c ha sc o l o rs p a c et r a n s f o r m a t i o n ，i m a g es e g m e n t a t i o n ，i m a g ep o s t - p r o c e s s i n gb y m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y , e d g ed e t e c t i o n ，f e a t u r ee x t r a c t i o na n ds e l e c t i o n ，p a t t e r nc l a s s i f i c a t i o n m e t h o db a s e do nm a h a l a n o b i sd i s t a n c ef u n c t i o n a n da r ec o d e di ncl a n g u a g e a n dt h e nt h es k i n s y m p t o mr e c o g n i t i o ns y s t e mc a nr u ni n d e p e n d e n to f p e r s o n a lc o m p u t e r o fc r e a t i v i t ya n da p p l i c a t i o nv a l u ea r et h ei d e a s ，m e t h o d s ，t o o l s ，d a u g h t e r - b o a r dd e s i g n s o l u t i o n ，i m a g e - p r o c e s sa l g o r i t h m sa n dt h e i r r e a l i z a t i o nm e n t i o n e di nt h ep a p e gw h i c hi s b e n e f i c i a lt ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h es m a r ts k i nm i c r o s c o p es o c ( s y s t e mo n c h i p ) t h em e t h o d sp r o p o s e di nt h ep a p e rc a nb ea p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c ha st h es e c u r i t y s u p e r v i s o r y , f i n g e rm a r k ，c u l t u r a lr e l i ca n ds oo nw h e nas u i t a b l ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ei sa d d e d o nt h i si m a g e p r o c e s sh a r d w a r es y s t e m t h e r e f o r e ，i th a saw i d ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d k e y w o r d s ：v i d e oa c q u i s i t i o n ，i m a g e p r o c e s s ，s k i ns y m p t o mr e c o g n i t i o n ，m a h a l a n o b i sd i s t a n c e v i 原创性声明 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。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：伎、 本论文使用授权说明 日期：加z 3 膨 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 俊 导师签名： 卜海人学顾士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 d s p 是一种具有特殊结构的微处理器。d s p 的内部采用程序总线和数据总线 分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的 数字信号处理指令，可以用来快速实现各种数字信号处理算法。 t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 是适合于特定应用的高性能处理器。其中 的浮点处理器t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 d s p 1 1 内部有6 个a l u 单元和两个乘法器单元组成的 8 个功能或执行单元、还有两组3 2 位的通用寄存器。采用哈佛总线结构，程序 指令和数据具有独立存储空间，因此允许同时访问数据和程序指令。内部程序 存储器采用两级高速缓存结构，使每个时钟周期可取8 条指令。时钟速率为 1 5 0 m h z ，即意味着c 6 7 1 1 能够在6 6 6 n s 内取到8 个3 2 位的指令。并采用超长 指令字( v l i w ) 的体系结构，非常适合于高速数学运算。 目前，d s p 已经广泛应用于高速自动控制、图像处理、通信技术、无线电、 语音处理、网络设备、医疗设备、仪器仪表和家电等领域，为数字信号处理提 供了高效而可靠的硬件基础。 图像是自然生物或人造物理的观测系统对世界的记录，是以物理为载体， 以物质为记录介质的信息的一种形式。图像信息是人类认识世界的重要知识来 源，国外学者曾做过统计，人类所得的信息有8 0 以上是来自眼睛摄取的图像。 图像处理技术的实现依赖于图像处理系统来完成。完整的数字图像处理系 统大体上包括如下几个方面：图像信息的获取；图像信息的存储；图像信息的 传送；图像信息的处理；图像信息的输出和显示。硬件是依托，软件是灵魂， 两者联系密切，相辅相成。 早期，关于图像信号或信息的获取、加工和利用统称为图像处理。对于不 同类型、不同内容、不同应用目的的图像，人们所采用的处理理论与技术不同， 对图像信息利用的水平和形态也不同。根据将要处理的图像信息形态的抽象程 度，处理后的图像信息形态和利用水平通常分为四个层次：图像处理、图像分 1 海人学硕士学位硷i 史= 析、图像理解与机器视觉，它们既有区别，又有联系和继承。图像处理是将一 幅图像变换成另一幅图像的加工过程，这里的图像是指有一个图像支撑域，支 撑域中的每个连续点或规则离散点都有相应的值，因此它主要是在图像像素级 上进行加工，它的处理结果是供人们欣赏或观察的，或作为后续的图像分析的 前处理，或是为图像传输、存储带来便利。图像分析是对图像中感兴趣的某些 区域进行检测和性质测量，用性质数、特征符和图像中的位置来表示图像，是 在单个像素级上的信息形态转变为比较简洁的图像支撑域中像素集合级上信息 形态的描述，其目的是提供人们分析判断之用或为后续的图像理解之用。图像 理解也叫图像识别，是在图像分析的基础上进一步深入分析图像中各部分的性 质，并进而建立各部分及各部分与性质之间的属性关系，用抽象出来的性质数、 特征符、属性图对图像内容进行合理的解释和初步推断性的描述。机器视觉是 根据一幅或多幅图像在图像分析理解的基础上对外部世界进行感知，使系统具 有类似人的视觉功能。 t m s 3 2 0 c 6 7 l1 d s p 的高速运算能力，用于语音处理、图像处理、医疗仪器和 通信技术等领域。本课题正是利用该d s p 芯片的优越性能开发出可以独立与p c 机运行的图像处理系统和皮肤症状的图像识别系统，以实现机器视觉的功能。 1 2 数字图像处理系统目前的现状 早期的数字图像处理系统【2 为提高处理速度，增加容量，都采用大型机。 大型机的造价高，浪费大。后来较普遍的是发展小型机为主的系统。 现在的图像处理系统向两个方向发展，一个方向是微型图像处理系统，主 机为p c 机，配以图像卡及显示设备就构成了最基本的微型图像处理系统。目前， 国产的有c a 5 4 0 、v p 3 2 、f g c t l1 0 1 0 n 8 、c a c a p 一1 0 0 0 、c a c p e 一3 0 0 0 等图像板研 制成功并己商品化。多媒体系统中常用的v i d e ob l a s t e r 也是一种较普遍的图 像卡。此外，大多数工作站也都有图像处理功能，也可以看作是微型图像处理 系统，但一般工作站大都以网络性能和图像功能见长。图像处理系统的另一个 方向就是向大型机方向发展，以解决大数据量与处理能力之间的矛盾。 微型系统设备紧凑、应用灵活、便于推广。特别是微型计算机的性能逐年 晦大学顺l 学位论文 提高，使得微型图像处理系统的性能也不断升级，加之软件配置丰富，使其更 具实用意义。 目前，专用于皮肤症状识别的图像处理系统种类比较少，难以适应市场的 需求和越来越多的人们对科学美容的要求。医院或美容院中使用的大多数智能 皮肤诊断仪是依赖于p c 机中的图像采集卡和高倍显微摄像头构成系统，其价格 昂贵、设备庞大、不易携带。因此，只有设计出独立与p c 机运行、体积小，识 别率高的微型图像处理系统，才能满足市场和科研的需要。 1 3 论文的主要研究内容 本课题的目标是设计一个独立于p c 机的基于t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 d s p 开发板的图 像处理系统，包括硬件设计和软件平台的设计。该系统的主要功能为： 1 独立地完成图像的采集、存储、处理、显示功能。 2 完成与上位机通信的功能，既能上传图像数据至p c 机，又能将p c 机中的图 像在f m s 3 2 0 c 6 7 1 1 d s p 图像处理系统上回放。 3 能够利用硬件的拨动开关切换图像处理算法，实现系统算法模型的可重构； 4 通过f l a s h 固化程序，可以构成独立于p c 机运行的系统； 5 针对皮肤症状识别这一特定目标，利用马氏( m a h a l a n o b i s ) 距离法，完成 对黄褐斑、雀斑、黑头、粉刺四种症状的分类识别； 6 能够在t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 d s p 的图像处理系统上运行。 1 4 主要工作和创新点 本人参与了上海大学目的机器视觉( 对象是皮肤症状的识别) 项目组的科 研工作，参加了图像处理系统的硬件及软件的部分设计工作，本人的主要工作 和贡献： 1 基于t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 d s p 开发板的扩展总线，提出了一种图像采集与回放的子 板设计方案，并予以工程实现： 2 完成了图像处理系统的主控程序模块的设计，该模块完成：硬件驱动程序 i 海大学硕士学位论文 设计，其中包括初始化程序，图像存储区地址分配，视频输入、输出控制寄存 器设置等；图像的采集、显示、上传、下载；f l a s h 固化；图像数据文 件的格式转换。 3 开发了一套运行于底层( 像素级上) 的图像处理程序库，程序库驻留在图像 处理系统上，可独立于p c 机进行图像的转置、取反、旋转、平移、水平垂直 镜像、缩放、颜色空问转换、中值滤波、平滑、灰度均衡、灰度变换、边缘检 测、轮廓跟踪、种子填充、分割、数学形态学后处理等操作； 4 给出了一种皮肤症状识别的处理流程，提出针对皮肤症状的皮肤图像的分 割、特征提取、特征选择及基于马氏距离函数的模式识别的处理方法及其这些 算法的程序实现： 本文针对皮肤症状识别的工作目标，提出了整套处理方法，实现了独立于 p c 机的皮肤症状识别操作。本文工作的创新性不仅在于提出了用马氏距离函数 进行皮肤症状的识别，而且首次成功地将皮肤症状的识别在t i 的 t m s 3 2 0 c 6 7 1 i d s p 开发板上予以工程实现。本文提出的设计思想和实现方法，对 目的机器视觉、t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 d s p 开发板的普及、拓展应用具有相当的实用价值。 1 5 本文的结构 论文主要介绍基于t m s 3 2 0 c 6 7 1 i d s p 的图像处理系统的设计，包括软件和硬 件；以及利用该开发平台实现的基于马氏距离的皮肤症状识别系统。 第一章是对数字图像处理系统的现状作了总体的分析。概述了本文主要研 究的内容，本人的主要工作和创新点以及本文的整体安排。 第二章阐述了系统的硬件功能模块，对t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 d s p 的图像处理系统的 底板进行了介绍，并阐述了图像采集和显示子板的设计原理和方法。 第三章阐述了系统的驱动程序和可重构图像处理算法的图像处理系统的软 件平台的搭建。 第四章阐述了利用马氏距离算法的皮肤症状识别系统的在t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 d s p 图像处理系统上的实现。 第五章是全文的总结以及对今后工作的展望。 j 二海人学砸l 学位论文 第二章硬件设计 2 1 彩色视频系统的基础知识 2 1 1 电视信号 模拟电视信号主要有p a l 、n t s c 和s e c a m 三种p 】，我们的图像系统使用的 是p a l 制式。 p a l 制式标准规定视频源每秒钟需要发送2 5 9 贞图像。每帧又被均分为奇场 和偶场，每场3 1 2 5 行。扫描时，先扫描奇数行，构成奇场；再扫描偶数行， 构成偶场。这种扫描方式称为隔行扫描【”。即隔行扫描每秒钟共扫描5 0 场( 奇 数场与偶数场各2 5 场) ，即隔行扫描时帧频为2 5 1 t z 、场频为5 0 t z ，而行扫描频 率为1 5 6 2 5 k h z 。我们采用的就是这种是隔行扫描的方式。 p a l 制式的彩色视频信号 5 】是这样构成的：首先有一个基本的黑白视频信 号，然后在每个水平同步脉冲之后，加入一个颜色脉冲和一个亮度信号。因为 彩色信号是由多种数据“叠加”起来的，故称之为复合视频信号。除此之外， 还必须传送复合同步信号、复合消隐信号、槽脉冲和均衡脉冲信号。 1 图像信号：图像像素的亮度信号和色度信号，我们使用的是符合c c i r 6 0 1 标 准的y c b c r 之比为4 ：2 ：2 格式的图像信号。 2 复合同步信号：电视系统中，为了满足收、发同步的需要，电视发送端每当 扫描完一行时加入一个行同步脉冲：每当扫描完一场时加入一个场同步脉冲： 通常将行、场同步信号合称为复合同步信号。 3 复合消隐信号：图像的分解或恢复重现，都需要电子扫描才能完成。电子束 在回归时，若不采取措施，无论是行或场都将出现回扫线，这将对正程所传送 的图像起干扰作用。消除回扫线的方法是在行、场扫描的逆程期间，在摄像管 与显像管中分别加入能使扫描电子束截止的消隐脉冲一一行消隐脉冲和场消隐 脉冲，二者合称复合消隐脉冲或复合消隐信号。 4 槽脉冲：在电视系统中，提取行同步的方法是利用鉴相或微分电路提取行同 海人学砸卜学位论文 步脉冲的前沿。由于场同步脉冲较宽，因而在场同步期间会使行同步的信息丢 失。这样在场逆程期间行就可能失步，造成每场丌始时的前几行不能立刻同步， 解决这个问题的办法是在场同步脉冲上开几个槽，称为槽脉冲。 5 均衡脉冲信号：为了保证偶数场的扫描线准确的嵌套在奇数场各扫描线之间， 在场同步脉冲前、后以及中间，每隔半行都增加一个行同步脉冲，这样就可以 使相邻两场的场同步脉冲前沿到达积分电路时积分电容器上所充电压基本相 等。为了使增加脉冲后的平均电平不增加，把这部分脉冲宽度减小为原来的一 半( 即2 3 5 u s ) ，场同步脉冲上开槽也应每半行开一个，但槽宽仍为4 7 曲。 这样，场同步期间要开5 个槽，且每个场同步脉冲前、后各有5 个2 3 5 p s 宽的 脉冲，称为前、后均衡脉冲。 6 全电视信号：将图像信号、复合同步信号、复合消隐信号、槽脉冲和均衡脉 冲信号等叠加，即构成视频信号。 2 1 2c c i r 6 0 1 标准 当前模拟电视存在着p a l 、n t s c 和s e c a m 三大制式并存的问题，因此，数 字电视的输入格式标准试图将这三种制式统一起来，形成一种统一的数字演播 室标准，这个标准就是c c i r 6 0 1 ，现称i t u r r e c b t 6 0 1 标准。 数字视频c c i r6 0 1 编码标准为： 1 ，采样频率：为了保证信号的同步，采样频率必须是电视信号行频的倍数。c c i r 为n t s c 、p a l 和s e c a m 制式制定的共同的电视图像采样标准：f s = 1 3 5 m h z ，这 个采样频率正好是p a l 、s e c a m 制行频的8 6 4 倍，n t s c 制行频的8 5 8 倍，可以 保证采样时采样时钟与行同步信号同步。对于4 ：2 ：2 的采样格式，亮度信号 用f s 频率采样，两个色差信号分别用f s 2 = 6 7 5 m i l z 的频率采样。由此可推 出色度分量的最小采样率是3 3 7 5 b l h z 。 2 分辨率：根据采样频率，可算出对于p a l 制式，每一扫描行采样8 6 4 个样本 点。由于电视信号中每一行都包括一定的同步信号和回扫信号，故有效的图像 信号样本点并没有那么多。c c i r6 0 1 规定对所有的制式，其每一行的有效样本 点数为7 2 0 点。由于不同的制式其每帧的有效行数不同( p a l 制为5 7 6 行，n t s c l 海人学硕= e 学位论文 制为4 8 4 行) 。实际计算机显示数字视频时，通常采用p a l 制式为7 6 8 列5 7 6 行，2 5 帧秒。 3 数据量：c c i r6 0 1 规定，每个样本点都按8 位数字化，也即有2 5 6 个等级。 但实际上亮度信号y 占2 2 0 级，色度信号c b 和c r 占2 2 5 级，其它位作同步、 编码等控制用。如果按fs 的采样率、4 ：2 ：2 的格式采样，则数字视频的数 据量为：1 3 5 ( m h z ) 8 ( b i t ) + 2 x 6 7 5 ( m h z ) x 8 ( b i t ) = 2 7 m b y t e s 。 2 2 系统的设计指标 1 基于t m s 3 2 0 c 6 7 11 d s p 的嵌入式系统图像处理系统，可以独立工作。 2 在t m s 3 2 0 c 6 7 1l 开发板的底板上，在外部扩展总线的基础上扩展出子板，能 够完成图像采集和显示功能。 3 流媒体设计思路，多幅图像连续采集、存储，处理后输出，达到准实时动态 的效果；也可对静态图像进行采集、存储和处理。 4 硬件平台适合多种图像处理算法工作。 5 具有与上位机通讯功能，系统采集的数字图像可发给上位机，进行复杂的图 像处理；也可以将上位机处理的结果在系统上回放。 6 处理速度1 2 5 帧秒，图像分辩率为7 6 8 列5 7 6 行。 7 输入视频信号源为p a l 彩色输入信号，数据格式为符合c c i r 6 0 1 建议的y c b c r 之比为4 ：2 ：2 格式的视频数据流。 2 3 系统硬件设计 2 3 1 系统硬件设计框架 本图像处理系统由底板和子板两部分组成。如图2 一l 所示，底板是t i 的 t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 d s p 开发板，主要由t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 d s p 处理器、一片2 5 6 k 8 b i t s f l a s h 、两片4 m 3 2 b i t s 的s d r a m 、外部存储器接口e m i f ( e x t e r n a lm e m o r y i n t e r f a c e ) 和其它通用外设接口如r s 2 3 2 、并行打印机接口、音频接口等组成， 主要完成系统的控制、图像数据处理、图像数据保存。子板通过d s p 扩展总线 海大学d ll ：学位论文 接口与底板连接，主要由视频解码芯片s a a 7 1 1 3 、视频编码芯片a d 7 1 9 0 、图像 采集和显示f p g a 、c p l d 、一片2 5 6 k 8 b i t s f l a s h 和两片2 m 3 2 b i t s 的s d r a m 组成，主要完成图像数据采集及图像数据回放。 图2 1图像处理系统硬件框图 图2 1 中s a a 7 1 1 3 9 1 是p h i l i p s 半导体公司推出的一款9 位视频输入处理芯 片，能通过i2 c 总线与d s p 相连构成应用系统。经s a a 7 1 1 3 解码后变为符合i t u 6 0 1 标准的输出信号且y c b c r 之比为4 ：2 ：2 格式的像素数据流( 如表2 一l 所示) 。 表2 - 1 一行y c b c r 图像数据格式 a d 7 1 9 0 1 是a d 公司推出的款1 0 位视频输出处理芯片，它也有高速i 总线控制端口。支持p a l n t s c 的复合视频信号的输出。 f p g a 是控制电路，对于图像采集f p g a ，它是根据s a a 7 1 1 3 的同步信号实时 地将y c b c r 图像数据从s a a 7 1 1 3 取出，放至子板的输入缓冲区s d r a m 中暂存， 并将每一帧图像y c b c r 数据分离开插放好，插好一帧后，f p g a 向d s p 发出中断 i n t 4 请求信号，d s p 启动一次e d m a 传输，将图像数据从子板的输入缓冲区读入 到底板的源图像存储区。而图像显示f p g a 正好相反，它的主要功能是通过e d m a 通道把y c b c r 图像数据从底板的目的存储区取到子板的输出缓冲区中，并插好 成一帧暂存，然后根据a d 7 1 9 0 的同步信号将子板输出s d r a m 中的y c b c r 数据送 海大学侦- 学位论文 入a d 7 1 9 0 的数据总线，通过a d 转换，将数字信号转换为模拟视频信号输出显 示。由此可见，图像采集f p g a 和图像显示f p g a 完成的刚好是两个相逆的过程。 c p l d 的主要功能有两个：一是将e m i f 的并行总线接口协议转换为i2 c 总线 协议，以便通过i 总线完成对s a a 7 1 1 3 和a d 7 1 9 0 的控制寄存器的初始化：二 是协调图像采集f p g a 和图像显示f p g a 之间的工作，主要是同步信号的的协调， 并在图像采集并插好一帧后向d s p 发出硬件中断i n t 4 。 予板中f l a s h 的功能是上电复位后完成两块f p g a 的初始化配置。 输入缓冲区s d r a m 和输出缓冲区s d r a m 的容量是一样的，都是2 m x3 2 b i t s ， 每片最多能够暂存4 帧图像，每帧图像的大小为7 6 8 点5 7 6 行。 其工作原理：p a l 制式符合c c i r 6 0 l 标准的视频信号经过s a a 7 1 1 3 解码后， 变为8 位宽的4 ：2 ：2 格式的y c b c r 图像数据输出，图像采集f p g a 根据s a a 7 1 1 3 的同步信号实时地将y c b c r 图像数据从s a a 7 1 1 3 取出，放至子扳的输入缓冲区 中暂存，并将每一帧图像y c b c r 数据分离开放好，插好一帧后，f p g a 向d s p 发 出中断i n t 4 请求信号，d s p 启动一次e d m a 传输，将图像数据从子板的输入缓冲 区读到底板的源存储区；经过图像处理算法处理过的图像放至底板的目的存储 区中，再通过e d h i a 把y c b c r 数据从底板的目的存储区送到子板的输出缓冲区中， 并插好成一帧暂存，最后根据a d 7 1 9 0 的同步信号将子板输出缓冲区中的y c b c r 数据送入a d 7 1 9 0 的数据总线，通过a d 转换，将数字信号转换为模拟视频信号 输出显示。 2 3 2 底板介绍 底板上的d s p 处理器t m s 3 2 0 c 6 7 11 是整个图像处理系统的中央处理器，负 责进行复杂的图像处理算法的运行，为板上各种芯片提供地址信号、数据信号 和控制信号，协调系统工作。 板上的d s p 扩展总线f l 】提供了1 6 0 个管脚的信号，其中包括时钟信号、地 址总线、数据总线、中断等控制信号，用，i t 可以利用这些资源开发自己的子板。 因此，t m s 3 2 0 c 6 7 1 l 开发板板提供了一个灵活而良好的硬件开发平台。关于d s p 扩展总线在2 3 ，2 2 中会做详细介绍。 f 一海人学顺士学位论殳 开发板上有一片2 5 6 k 8 b i t s f l a s h 可以用作程序存储区，它的断电不失数 据的特性为烧录程序，形成独立的图像处理系统提供了方便。另外板上的两片 4 m x3 2 b i t s 的s d r a m 既可以用作图像数据存储区，可以放置多帧图像，以实现 动态图像存储区的切换，并能保存图像处理结果。 下面主要介绍d s p 芯片和底板的外扩总线。 2 3 2 1t m s 3 2 0 c 6 7 1 1d s p 介绍 浮点处理器t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 d s p 内部 有6 个a l u 单元和两个乘法器单元组成 的8 个功能或执行单元、还有两组3 2 位的通用寄存器。采用哈佛总线结构，程 序指令和数据具有独立存储空间，因此允许同时访问数据和程序指令。并采用 超长指令字( v l i w ) 的体系结构，非常适合于高速数学运算。内部程序存储器 采用两级高速缓存结构，使每个时钟周期可取8 条指令。时钟速率为1 5 0 m h z ， 即意味着c 6 7 1 1 能够在6 6 6 n s 内取到8 个3 2 位的指令。 d s p 外围i o 接口的电源电压是3 3 v ，而内核电压是1 8 v 。内部总线包括 一个3 2 位程序地址总线和一个2 5 6 位程序数据总线、两个6 4 位的数据总线和 两个6 4 位的数据存储总线。通过3 2 位地址线，d s p 寻址空间总共可以达到2 ” = 4 g b ，包括4 个外部存储器空间：c e o 、c e l 、c e 2 和c e 3 ，其地址映射表如下： 表2 2c e o 、c e l 、c e 2 和c e 3 的地址映射表 存储空间起始地址大小位置 c e oo x 8 0 0 0 0 0 0 03 2 m b y t e s底板s d r a m c e l0 x 9 0 0 0 0 0 0 0 2 5 6 k b y t e s 底板f l a s h c e 2o x a 0 0 0 0 0 0 0 2 5 6 m b y t e s子板s d r a m c e 3 0 x b 0 0 0 0 0 0 0 2 5 6 m b y t e s子板s d r a m 2 3 2 2t m s 3 2 0 c 6 7 11d s p 扩展总线接口 扩展总线接口【1 1 是两个8 0 脚的插头，即j 1 和j 2 。其中，j 1 集中了扩展存储器 接 e m i f 的接口信号，如表2 3 所示，可以方便地进行存储器扩展。e m i f 为子板 海大学坝l 学位论文 提供了时钟信号、子板s d r a m 平u f l a s h 片选信号、2 0 位地址总线和3 2 位数据总线以 及s d r a m 的读写信号。j 2 是其他外围器件的信号汇总，如表2 4 所示，包括e m i f 时钟信号、两个定时器、四个外部中断请求信号、子板控制和子板状态信号，以 及多通道缓冲串口m c b s p 控制信号等。 借助扩展总线接口，开发者设计自己的i o 板，组成d s p 应用系统。在本系统 设计中我们利用c l k o u t l 作为子板的时钟信号；将面和面作为外部s d r a m 年h f l a s h 的片选信号；利用2 0 位地址总线和3 2 位数据总线以及读写信号完成对s d r a m 图像缓冲区数据的读写；当图像采集完一帧后，利用e x t j n t 4 向底板d s p 发送中 断请求信号，该中断也是可屏蔽中断的最高级中断。 表2 3t m s 3 2 0 c 6 7 1 ld s pe m i f 接口信号描述 引脚 i 0描述 c i 。k o u t l0时钟输出运行于c p u 时钟速度 c l k o u t 20时钟输出，运行于l 2 的时钟速度 e c l k i n i d a l f 时钟输入，必须由6 2 1 c 6 7 1 d s p 的系统提供 e c l k o u t0e m i f 时钟输出 e d 3 1 ：0 i 0e m i f 的3 2 数据总线i o e a 2 1 ：2 0外部地址输出。驱动字节地址的2 2 1 位 r 肿 0 低电平有效的片选信号，用于存储器空间c e o 似1 0 低电平有效的片选信号，用于存储器空间c e l r f 2 0 低电平有效的片选信号，用于存储器空间c e 2 阳3 o低屯平官效的片选信号，用于存储器卒问c e 3 b e 3 ：0 0 低电平有效的字节使能信号。单个字节和半字可咀被选择用于写周期； a r d yi准备信号。用于低速存储器和外设访问时插入等待岗期 一r ) e0低电平有效的输出使能信号，用于异步存储器接口 s d r a s o低电平有效的行地址选通信号用于s d r a i d 接口 s s n f 0 低电平有效的输出缓冲使能，用于s b s r a m 一丹f o 低电平有效的读选通信号，用十异步存储器接口 r n f 4 s o低i 乜平有效的列地址选通信号，用于s d r a m 接l r r a n r0低i b 平有效的地址选通使能信号，用于s b s r a m 接口 忸o低电，卜有效的写选通信号用于异步存储器接口 m w e o 低电平有效的写使能信号，用于s d r a m 接u q f 啊 0 低电甲有效的写使能信号，用于s b s r a m 接口 h n fn i低也平有效的外部总线保持请求( 3 态) h 0 f n d o低电、卜有效的外部总线保持应答 b u s r e qo高电半有效的总线请求信号表h i 挂起刷新或存储器访问 l 海大学硕上学位论文 表2 - - 4 t m s 3 2 0 c 6 7 1 1d s pj 2 接口信号描述 引脚i o描述 c l k x oi 0 m c b s p o 发送时钟 f s x o u om c b s p o 发送帧同步 c l k r oi 0 m c b s p o 接收时钟 f s r oi 0 m c b s p o 接收帧同步 c l k x l一i 0 m c b s p i 发送时钟 。 f s x li 0m c b s p l 发送帕同步 c l k r l i 0m c b s p i 接收时钟 f s r li 0 m c b s p l 接收帧同步 t o u t oo t i m e r o 输出 t 叫t l0t i m e r l 输出 d x o0 m c b s p o 发送数据 d r oi m c b s p o 接收数据 d x l0 m c b s p i 发送数据 d r l r m c b s p i 接收数据 t i n p oi t i m e r o 输入 t i n p li t i m e r l 输入 e x ti n t 4 i 外部中断4 e x ti n t 5i 外部中断5 e x ti n t 6i 外部中断6 e x ti n t 7i 外部中断7 r e s e t0 系统复位 c n t l l 0 子板控制1 s t a t li 子板状态l c n t l o0子板控制 s t a t oi子板状态 e c l k o u t 0 e m i f 时钟 2 3 3 子板设计 2 3 3 1 s a a 7 1 1 3 视频解码芯片 s a a 7 1 1 3 内部包含两路模拟处理通道如图2 2 所示，a l l l 、a 1 1 2 和a i l d 是一 路模拟输入通道，a 1 2 1 、a 1 2 2 j u a l 2 d 是第二路模拟输入通道；输入信号是p a l 制 式的视频信号。v p o o v p 0 7 是a d 转换后8 位的y 、c b 、c r 数据输出：输出信号是 符合c c i r 6 0 1 标准的4 ：2 ：2 格式的y c b c r 视频数据流，如表2 1 所示。另外，x t a l 卜海大学硕l 学位论文 接2 4 5 7 6 m h z 的晶振；s d a h s c l 是s a a 7 11 3 的i2 c 接口，用来完成对7 1 1 3 芯片控制 寄存器初始化配置。 图2 2s a a 7 1 1 3 接线图 s a a 7 1 1 3 能实现视频信号源选择、抗混叠滤波、a d 转换、自动增益控制、 时钟发生、亮度对比度饱和度控制、亮色分离等功能，并具有锁相环( p l l ) ， 可输出2 7 m h z 的系统时钟。s a a 7 1 1 3 兼容p a l n t s c s e c a m 多种制式，可以自 动检测场频适用的5 0 或6 0 h z ，可以在p a l ，n t s c 之间自动切换。它内部具有一 系列寄存器，可以配置为不同的参数，对色度、亮度等的控制都是通过改写相 应寄存器的值实现的，寄存器的读写需要通过i2 c 总线进行。p a l n t s c 制的复 合视频信号经s a a 7 11 3 解码后变为符合i t u 6 0 1 标准的输出信号且y c b c r 之比为 4 ：2 ：2 格式的像素数据流( 如表2 2 所示) 。其中，每个y 、c b 、c r 数据均为8 海人学顺l 学位论文 位，且y 的抽样频率为1 3 ，5 m h z ，c b 和c r 的抽样频率各位6 7 5m h z 。 s a a 7 11 3 芯片共有9 8 个控制寄存器，通过i2 c 总线进行配置，其从地址范 围为o o h 6 2 h ，下面列举几个重要的控制寄存器的设置。 ( 1 ) 同步控制寄存器，从地址为0 8 h ，该控制字为b 8 h 。 表2 - 5s a a 7 1 1 3 同步控制寄存器定义 v n o i o 1 ：表示场噪声衰减，选择正常模式； h p l l ：表示行同步锁相环，选择打开状态； h t c o 1 ：行时间常数选择，选择快速锁定模式； f o e t ：强制性奇偶场分隔信号，选择即使采用逐行扫描，仍存在半帧分隔信号； f s e l ：场频选择，选择5 0 b l z ，6 2 5 行扫描模式； a u f d ：场自动侦测，允许场自动侦测模式； ( 2 ) 格式控制寄存器，从地址为i o h ，该控制字为o o h 。 表2 - 6s a a 7 1 1 3 格式控制寄存器定义 y d e l o 2 ：亮度延迟时间补偿，选择无时间补偿模式； d 3 ：2 8 6 行场，第一场有效行从2 4 至3 0 9 行，第二场有效行从3 3 7 至6 2 2 行； h f e l o i ：行同步的设置，选择参考值o o b ： o f t s o 1 ：选择符合表2 1 ，y ：c b ：c r 为4 ：2 ：2 格式视频数据流，每行7 2 0 个像素。 ( 3 ) 色度控制寄存器，从地址为o e h ，该控制字为0 1 h 。 表2 - 7s a a 7 1 1 3 色度控制寄存器定义 c h b w o 1 ：表示色度带宽，选择标准带宽； f c t c ：表示标称时间常数； 4 海大学顾“ 。学位论文 d c c f ：色度梳状滤波器使能位，0 为使能，1 为屏蔽 c s t d o 2 ：表示制式选择，选择p a l 制式； 2 3 3 2 图像采集模块设计 图像采集系统的工作原理如下：系统启动时先通过子板的f l a s h 向f p g a 输入构造数据，完成f p g a ”】逻辑功能的定义，使f p g a 实现图示的各逻辑功能 块。当需要采集图像时，先根据图像分辨率配置计数器，计数器相当t - s d r a m 的地址发生器。d s p 向f p g a 发出a d s t a r t 信号，使系统处于使能状态。在收到 第一一个场消隐后