（信息与通信工程专业论文）交通信息视频采集卡的缓存与网络传输实现.pdf

浙江大学硕+ 学位论文 y 8 7 7 6 毒7 交通信息视频采集卡的缓存与网络传输实现 摘要 随着社会经济发展，交通系统日益复杂。为了给交通系统的管理提供各种实 时交通信息，以方便，高效的利用和管理现有的交通系统，我们在第一代交通信 息采集卡的基础上，进行了第二代交通信息采集卡的前期研发。 该设备由图像传感器模块，图像压缩与缓存模块，网络传输模块，图像处理 模块四部分组成。本文将对网络传输模块和图像缓存模块的设计作一个详细的说 明。 本文首先介绍了智能交通系统的发展背景和基本概念，交通信息采集设备的 发展以及基于视觉的交通信息采集设备的优势。第二二章介绍了我们课题的任务以 及方案的总体设计，以及本人在课题中所承担的研发任务。第三章介绍了网络传 输模块的具体实现，包括微控制器a r m 芯片l p c 2 2 1 4 的配置方案，网络芯片 l a n 9 1 1 5 的初始化配置和驱动程序，介绍了网络传输所用的协议以及具体实现。 第四章介绍了图像缓存模块的具体实现，包括同步动念随机存储器( s d r a m ) 结构和工作原理的介绍，对s d r a m 读写控制器的实现，以及仿真结果。第五章 介绍了后端图像处理系统的方案设计，以及后续的工作的要点。最后一章对全文 进行了总结，并提出日后工作的重点与方向。 【关键词l ：智能交通系统，图像采集，网络传输，s d r a m 缓存，d s p 浙江大学硕士学位论文交通信息视频采集卡的缓存与网络传输实现 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p i i l e mo fs o c i e t y 趾de c o n o m y ，t 1 1 e 仃a | 五cs y s t c mb e c 锄e b e c o m e sm o r e 锄dm o r cc o 玎叩l e x i nt l l ei n t e r e s to fp r o v i d i i l g 也em a n a g e m e n to f t m 珩cs y s t e m 谢t l lr e a l - 血n e 衄蚯ci - 0 珊a t i o nt o 觚h i e v ee m c i e n tm a l l 雄r c m e n ta n d m a k e 伽lu s eo ft l l e 打a m cs y s t e m m a l l a g e 也e 仃a 伍cs y s t e me 箍c i e i l t l ya n dm a k ef u l l u so fi t ，w ei n v e s t i g a t et h es e c o n dg c l l e r a t i o no ft 世i ci n f o 瑚a t i o na n a l y s i ss y s t e m b a s e do nt h cf i r s tg e n e r a t i o no f t m 塌cs y s t e m o u rs y s t e mc o n s i s 招o ff o u rp a r t s ，i n c l u d i n gt h ei m a g es e n s o rm o d u l e ，i m a g e c o m p r e s s i o na n ds 衄丑g em o d u l e ，n e “v o r kt r a n s m i s s j o nm o d u j e ，a l l di m a g e p m c e s s i n gm o d l l l e n l i sa m c l c m e s i sw i l lc o n c e n t r a t e f o c u s e so n 血ed e s i g na i l d i m p l e m e n t a t i o no f t l l en e t w o 盘t 瑚s m i s s i o nm o d u l ca i l di m a g es t o r a g em o d u l e t h i sa n i c l et t l e s i sf i 强t l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tb a c k 田d u n da n db a s i c d e f i n i t i o nc o n c e p to ft l l ei n t c l l i g c n tt r 髓cs y s t e m ，a l s o 也ed e v e l o p m e n to ft r a m c i n f 0 姗a t i o nc o l l e c t i o ns y s t 锄a n dm ea d v a n c e m e n ta d v a m a g e so ft h es y s t c m sb a s c d o nv i e 、w i s u a li n f b n n a t i o n t h es e c o n dd a r to fm i s 枷c l ei n n _ o d u c e sm et a s ka n d o v e r a l ld e s i g no fo u rp 蚵e c t ，a i l dt 1 1 ep a r t sih a v ei n v e s t i g a t e m y 、o r ki nt m sp r o j e c t t h et t l i r dp a r ti n 仃o d u c e st l l ed e s i g na i l di m p l e m e n t a t i o no ft l l en e t 、v o r kn e t w o r k 咖s m i s s i o nt r a n s m i s s i o nm o d l l l e m o d l l l e ，i r l c l u d i i l gt l l ec o n f i 胂t i o na n d 锄v e r sf o r c h i p l p c 2 2 1 4a i l d l a n 9 1 1 5 ，a l s o t l l en e t w o r kp r o t o c o lu s e di nn e t 、阳r k t h n s m i s s i o n 【o d u j e 甜l dh o wtoi t si m p i e m e n t a t i o n t h ef o n hp a r ti n t r o d u c e t a n ( s a b i o u tt h ei m p l e m e n t a t 主o no fm ei m a g el i n a g e s t o m g es t o r a g em o d u l c m 0 d u l e ， i n c l u d i n gt h es d r a m st h e o r y8 i l da r c l l i t e c t u r ea i l dt l l e o r y o fs y n c h m n o u sd ”锄i c r a n d o ma c c e s sm e m o r y ( s d r a m ) ，h o wt o 妇p l e m e n tt h cc o n t r o l l i n go f m e i m p l e m e n t a t i o no fs d r a mr e a d w r i t ec o n 扛d l l o r ，a n dn l ee r n u l a t i o nr e s u l t s t h cf i 胁 p a r ti m r o d u c e st 王l ed e s i g no f 拙l ei m a g e1 1 1 l a g ep r o c e s s i n gp m c e s s i n gm o d u l e m o d u l e a tl a s tt h es u m u pg i v e s ”k e y - p o i n ta n dd i r e c t i o no f t l l ec o 州n l l i n g 矗m j r ew o r k i k e y k e yw o r d l ：i n t e l l i g e n t1 m m cs y s t e m ，i m a g ec o l l e c t i o n ，n 咖o r kt r a i l s m i s s i o n ， s d r a mc a c h c d s p 2 浙江大学硕上学位论文 交通信息视频采集卡的缓存与瞬络传输实现 绪论 1 1 智能交通系统概述 随着高速公路的增多和车速的加快，道路交通智能化管理的要求也越来越高 道路交通智能化管理面对着越来越高的要求。交通部门希望对每时每刻的交通运 行情况作监视交通部门希望实时监控交通运行情况，以用于疏导车流，对流量作 统计分析统计并分析交通流量，以及评估新建一条道路以缓解拥塞的必要；交警 部门需要有交通事故发生的现场资料，对和对车辆速度的检测监测，并跟踪记录 违规超速的车辆；驾车人员希望了解前方道路的拥塞程度，以便选择合适的流畅 的道路以便选择一条合适的道路。这些都促使交通管理的智能化发展，正成为近 年来新兴的研究的热点。于是提出了智能交通系统的概念。这些要求都促使交通 管理呈现智能化趋势，并最终发展出“智能交通系统”这一全新的概念。 “智能交通系统”简称“i t s ”( i n t e l l i g e n tn a n s p o r ts y s t e m s ) ，在2 0 世纪9 0 年代迅速崛起，作为2 l 世纪的新型交通运输系统在日本，美国等西方发达国家 取得了巨大的发展。智能交通系统是人们将先进的信息技术，数据通讯传输技术， 电子控制技术，传感器技术以及计算机处理技术等有效的综合运用于整个运输体 系，从而建立起的一种在大范围内，全方位发挥作用的实时，准确，高效的运输 综合管理系统，其目的是使人，车，路密切配合，和谐统一，极大地提高交通运 输效率，保障交通安全，改善环境质量和提高能源利用率。 i t s 的功能很多，主要的功能有：发挥先进的导航系统作用，自动收费，协 助安全驾驶，交通管理优化，道路管理效率化，协助公交车辆运营，商用车效率 化，协助行人，协助紧急车辆运营等1 2 w 。 1 2 交通信息的采集系统 1 2 1 各种交通检测系统的比较 在i t s 中，交通信息的提取是极其重要的一个环节，。它是后续信息处理的 前提，是整个i t s 系统的基础，。而交通信息提取中其中最重要的一个环节就是 车辆检测监测。车辆监测检测技术包括提取车流量，车速，队列长度，车辆转弯， 违章行驶等交通参数。从5 0 年代开始，国内外就开始对这个问题进行了探索和 研究，传统的检测技术有以下几种： 使用埋设磁感应线圈的检测系统 浙江大学硕上学位论文 交通信息视频采集卡的缓存与网络传输实现 目前的车辆检测系统很多都基于这种方法。它可以进行车辆计数，测定车辆 存在，直接测量车速。但是安装困难，难以维护。如m i d i a i le l c c 们i l i c s 的 s e l f p o w e r e dv e l l i c l ed e t e c t o r 。 超声波检测系统 超声波检测器传送的声音频率在2 5 k h z 到5 0 _ i z 之间。一部分被传送的能 量经过路面车辆表面的反射被接收端装置接收，以此判断车辆存在或经过。 其优点在于结构紧凑，安装方便，但是容易受到温度和大气扰动影响。如 s 啪i t o m o 的s d u 。3 0 0 。 微波多普勒检测系统 它以恒定的频率来传送电磁波，根据多普勒原理，传送和接收信号间的频率 差异和车速存在一定的比例关系。因此通过检测这种频率差异来计算车速。 它可以检测车辆存在，检测车速，它的优点是适合各种气象，直接测速，但 是无法检测速度较慢的车和静止的车。如m i c m w a v es e n s o r s 的t c 2 0 。 被动红外检测系统 被动红外的检测系统能提供车辆存在，车辆数目等数据，但不能测定车速。 它用对能量敏感的光子检测仪来测定检测仪可测定范围内物体所发出的红 外能量。其优点在于雾天的穿透力非常远，但是在雨雪天，到达检测仪的能 量的差异将减小，因此不适台雨天和雪天。如e l t e c 的8 4 2 。 主动红外检测系统 它的检测原理和微波检测相似。目前普遍使用激光二极管传送能量。通过测 定车辆通过两条红外光线的时间来获取车速数据。它的优点在于雾天的穿透力非 常远，直接测速，但是其它天气的适应性差。如g 邶砌a i l 的1 h 蚯cs e n s o r 。 现在已经存在的许多检测设备都是基于这些传统的技术，从上面的分析可以 看出，这些方法的最大缺陷在于它们只能提供少量的信息，只能对车辆存在或者 不存在作出比较准确的判断，而对于速度，队列长度等参数则需要通过多次检测 车辆存在或车辆通过来获得，毫无疑问这将增加成本，降低系统可靠性。另外这 些产品在成本，可维护性，可升级性方面存在许多缺陷。 随着计算机硬件技术和图像处理技术的飞速发展，基于视觉的交通检测系统 显示出了蓬勃的生命力。通过对架设在公路上的电子摄像机所采集到的视频数据 进行图像分析，从中提取车流，车速，队列长度等一系列的交通参数。相比其他 6 浙江大学硕十学位论文交通信息视频采集卡的堙存与网络传输实现 的方法，基于视频的检测方法监视面积大，信息丰富，能提供多种决策信息。硬 件设备简单，维护方便，性价比高，升级容易。这些优点使基于视频的交通信息 监测系统成为近年来研究的热点。 1 2 2 基于视觉的交通监测系统的发展 基于机器视觉的交通监视系统在拥有高交通流量的地方受到不断的重视。用 机器视觉监视交通需要从视频数据中提炼出车辆的信息。通过在道路旁的电线杆 或楼房上架设摄像机，就可以监视很大一片面积，并得到视频数据。由于机器视 觉检测交通的许多优点，从7 0 年代开始，美国，日本，法国，澳大利亚，英国， 比利时等许多国家就开始了机器视觉提取交通参数的研究。 1 9 8 4 年，m i 砒1 e s o t a 大学开始了a u t o s c o p e 系统的研究，即大面积多点图像 检测系统，这个系统对自动背景更新，阴影，光线变化，反射，拥挤等进行了较 为成功的探索。 1 9 9 6 年新加坡政府开始e r p 系统的研究，以求减缓商业区，交通高峰期的 拥挤情况。整个系统分为两个子系统a 、，i ( a u t o m a t i cv e h i c l ei d e m m c a t i o n s y s t e m ) ，e c e 系统( e l e c t m l l i cc 锄e r ae n f o r c e m e n ts y s t e m ) 。e c e 系统和a v i 系统配合来记录那些没有合法牌号的车辆的车牌号。 清华大学的v i s a t r a m 系统利用摄像机通过两个s l i c e 窗来监视交通。一个 s l i c e 窗垂直于车道，称为检测线，另一个平行于车道称为跟踪线。通过分析两 幅2 d s t 图，来获取车流车速等交通参数。 r e e d i n g 大学的s e c u r e 系统利用放在运动车辆上的摄像机定位，识别，跟 踪多目标。根据地面上特征的帧问跟踪进行摄像机运动估计，运用模板相关技术 进行车辆检测。相比于固定摄像机技术，它能有效处理重叠的车辆，阴影，雨天 等情况，在缺少模型的情况下，也能恢复车辆的三维形式。 加州大学的b e r k e l e y 分校的研究人员在p 棚项目中的交通参数提取的研究 中提出了基于主动轮廓的跟踪和基于特征的跟踪。 现实中，我们需要一个简单，快速，鲁棒的实时跟踪系统，完成基于视频图 像处理技术的交通流参数检测。图像传感器将实时的视频信息采入，经过对视频 图像的实时处理分析，得到各种交通信息。 浙江大学硕士学位论文 交通信息视频采集卡的缓存与网络传输实现 二系统概述 2 1 设计指导思想 经分析，我们知道基于p c 平台优点在于方法简单，开发周期短，开发费用 低。缺点是容易死机，死机后恢复工作相对较慢；同时限于p c 硬件平台，许多 性能取决于i o 特性，整机处理能力无法提高。而近年来，随着数字信号处理器 d s p 的迅速发展，其强大的功能在图像处理领域得到了广泛的应用。因此，决定 选择t i 公司的d s p 芯片作为处理平台。 在国家“十五”科技攻关项目中，我们研究所已经完成了第一代基于d s p 芯片的智能交通监控系统的研发工作。但第一代监控系统本身存在着一定的不 足： 第一代监控系统采用的是外接专用摄像头，由于原始图像的质量直接影 响后期的处理，为了保证所采集图像的良好质量，所选用的摄像头比较 昂贵。 图像分辨率较低。 难以进行局部升级，由于整个系统是集成在一块板卡上的，我们如果相 对某个局部进行升级( 比如要将s r a m 乒乓缓存换为s d r a m 乒乓缓存 以提升容量或减小占用面积。) 非常的不方便。 基于以上考虑，同时为2 0 0 5 年国家自然科学基金重点项目“基于机器视觉 传感器的月球车导航和控制”提供必需的前端视频采集与处理系统，我们对第二 代智能交通监控系统作出了新的设计，提高了整个系统的灵活性和可升级性。系 统的预期性能如下： 集成传感器模块，取代外接专用摄像头，提高整个系统集成度 由于交通信息的后期处理要求较高的图像质量，我们采用了高分辨 率的图像传感器，并可实现高速率采集( 本系统中在q x g a 的模式 下每秒至少采集3 帧) 。 考虑到应用中的实际情况( 有时图像采集模块与处理模块需要相隔 比较远的距离，比如马路两侧安放采集模块实现两路采集，而处理 模块只安装在马路一侧的监控室) ，所以我们将系统的采集模块和处 理模块分开来，之间用网络进行连接。 由于系统采集的分辨率比较大，在数据传输前进行了j p e g 2 0 0 0 的压 缩，缩小数据量再进行传输。 8 浙江大学硕i ? 学位论文交通信息视频采集卡的缓存与网络传输实现 2 2 系统框图 整个系统由图像传感器模块，图像压缩与缓存模块，网络传输模块，图像处 理模块四部分组成，其系统结构框图如下图所示： 图2 1交通信息采集卡系统框图 图像传感器模块 本系统的关键部分之一是图像传感器模块，本模块采用了m i c r o n 公司的 m t 9 t 0 0 1c m o s 图像传感器，完成视频信号的采集，以及数字化转换，并将数字 图像数据交与图像压缩与缓存模块部分进行后续工作。这是一款3 0 0 万象素的 c m o s 图像传感器，具有高帧率高分辨率的成像优势，既可以用于静态图像捕捉， 又可以用于连续视频的采集，最大分辨率为o x g a ( 2 0 4 8 1 5 3 6 1 0 b i t ) ，最大 分辨率下可以实现每秒1 2 帧连续采集。外接b a y e r 滤镜。m t 9 t 0 0 1 输出的是 数字图像，后面不需要a d 转换。它的分辨率较高，可以为我们提供高质量的原 始图像从而保证后期的处理能够达到预期的目的。 图像压缩和缓存模块 图像压缩可以通过软件编程或专用芯片完成，系统中我们选用了后者。这是 由于软件压缩需要高级d s p 或其他强大的数字信号处理芯片的支持，这种方法一 方面提高了系统成本，且大大提高了系统的编程难度。而且现在市场上有多种图 像压缩芯片可供选择，相关技术比较成熟。经过考虑，我们最终选用了a d 公司 的j p e g 2 0 0 0 压缩芯片a d v 2 0 2 。a d v 2 0 2 是一款完整压缩和解压缩图像编解码芯片， 完全支持j p e g 2 0 0 0 标准。并带有一个灵活接口，适用于多种视频和静止图像格 式，其主要性能如下： 使用s u i 心( s 叫a lu l 缸一e m c i e mr e c u r s i v ef i l 协证g ) 技术，实现了低功耗、 低成本的小波压缩； 可以为视频或静态图像采集提供完整的单片j p e g 2 0 0 0 压缩，解压方案，压缩 比可以达到1 0 4 0 ； 输入图像尺寸可编程，在4 ：2 ：2y c b c r 模式下支持最大宽度为2 0 4 8 象素，在 单分量模式下支持最大宽度为4 0 9 6 象素；支持9 ，7 和5 3 小波变换； 支持图像最大高度为4 0 9 6 象素； 9 浙江大学硕士学位论文交通信息视频采集卡的缓存与网络传输实现 支持许多标准视频接口，例如i t u r - b t 6 5 6 ，s m p t e l 2 5 m p a i ，n t s c 等等； 2 片或者多片a d v 2 0 2 可以联合使用以进一步提高压缩能力； 灵活的异步s r a m 模式接口能够实现与主机的1 6 或3 2 b i t 无缝接口； 需要2 5 v 3 3 v i 0 电压以及1 + 5 v 的核电压供电； 封装有1 2 m m 1 2 m m 的1 2 1 脚c s p b g a ，速度可达1 1 5 z ， 或者1 3 m m 1 3 m m 的1 4 4 脚c s p b g a ，速度可达1 3 5 m h z 或者1 5 0 m h z 。 对图像进行缓存时，由于图像分辨率较高，所需内存空间较大，因此我们选 用了h y n i x 公司的s d r a m 芯片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 ，并采用乒乓缓存的结构，采 集到的图像进入s d r a m 进行乒乓缓存，在存储当前帧的同时，上一帧存储完毕的 数据通过f p g a 进入a d v 2 0 2 进行压缩，压缩后的结果返回f p g a 并传入网络 传输模块。 图2 2 图像压缩与缓存模块 网络传输模块 网络传输模块担负着各类数据的传输工作，它利用以太网与后端d s p 处理模 块进行通信。在实际应用中，图像采集和处理部分可能需要分开放置并有一定的 距离，于是通过网络接口将前后端系统连接起来。将采集得到或压缩后的图像数 据传输到处理模块进行一系列的处理检测，提取有用的交通信息传送给控制中 心。 图2 3 网络传输模块 图像处理模块 图像处理模块负责对网络传输过来的压缩图像数据进行解压，解压后的数据 1 0 浙江大学硕十学位论文交通信息视频采集卡的缓存与网络传输实现 返回f p g a 并送入s d r a m 进行乒乓缓存，在对当前帧缓存的同时，d m 6 4 2 可以提 取s d r a m 中存储的上一帧的数据进行实时的分析和处理，获取有用的实时的道 路交通信息，并将处理结果传送到控制中心。 图2 4图像处理模块 下面的章节中，我们将对该系统的设计细节做一个详细的介绍。 2 3 本人承担工作 网络传输模块的设计和实现工作 图像缓存模块的设计和实现工作 后端d s p 图像处理模块的方案及原理图设计 浙江大学硕士学位论文 交通信息视频采集卡的缓存与网络传输实现 三网络传输模块设计 3 1 前端微控制器l p c 2 2 1 4 介绍 网络打包功能我们决定用a r m 芯片来完成。采用褂s c 架构的a r m 芯片 具有小体积、高性能、低成本、低功耗等特点。同时，由于支持t h i l i l l b 指令集， 删微处理器能够更加灵活的适应各种应用的需求。程序员通过变通的使用 a r m 和t h u m b 指令集，可以在存储空间、代码执行速度以及程序复杂度之问做 一个合理的折中，这样做对于程序的性能、稳定性和可维护性都非常有意义。目 前，a r m 微处理器主要包含如下几个系列：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、 a i 己m l l 、s e c l l r e c o r e 、x s c a l e 以及s n d n g a 肌。 根据应用的需要，我们选择了p h i l i p s 公司生产的l p c 2 2 1 4 f b d l 4 4 。这是 一款3 2 b i t 低功耗a i t m 7 t d m i s 系列微处理器，其中t 表示支持t h 岫b 指令集； d 表示具有片上d e b u g 功能，m 表示内嵌了硬件乘法器，i 表示具有i c e 结构， 支持片上断点调试。其封装为l q f p l 4 4 ，引脚间距o 5 m m 。它的主要特性如下【l 5 】： 集成1 6 k b 片上静态r a m ， 集成2 5 6 k b 可编程片上f l a s h ； 支持8 ，1 6 或3 2 b i t 的外部s r a m 总线接口，这大大简化了l p c 2 2 1 4 与外 围器件的通信； 支持在系统可编程( i s p ) 和在应用可编程( i a p ) ： 带有8 路1 0 b i t a d 转换模块； 带有两个3 2 位计数器，以及p w m ，r e a lt i m ec l o c k 和看门狗模块； 集成u a r t ，1 2 c ，s p i 等标准接口； 最大工作频率为6 0 m h z ，内嵌可编程片上锁相环； 强大的中断控制功能，支持多达4 路的外部中断输入； 具有蕊种低功耗模式：i d l e 和p o w e r i d o w n 使用a r m 芯片来进行打包工作可以方便前端模块的调试，我们可以在p c 端运用各种调试工具对前端图像采集，压缩和传输进行调试，非常直观。而如果 我们用前面的f p g a 来进行打包的话，会大大占用f p g a 的资源，而且没有很 好的调试环境，无法在p c 端得到直观的反馈。 浙江大学硕上学位论文交通信息视频采集卡的缓存与网络传输实现 3 2l p c 2 2 1 4 配置 3 2 1 存储器映射控制 存储器映射控制用于改变从地址o x o o o 0 0 0 0 0 开始的中断向量的映射。这允 许运行在不同存储器空间中的代码对中断进行控制“。 l地址名张描述访问 露铝瓣映射臻割毽扦址秘a h b 0 。t 鼬o c k | j p f l a s h 减r a m 删l o x e 0 l f c 0 4 0n z 、a m a r ：皇胜a r m 瞄断h - l = n 征婚廿 功能描述复位值 o o ：b o o t 皱投蠢 燃l f | ；鞋矾b o o t b l 诎e 辞i 魄驸 o l ： i 户f b s l l 较j tl 登5 l 1 ：z 瓤峻髓也弦r n a s h - l i l o ：耀r r 删 迪j t豁h 。一从静嚣r a m 瓤铺嗽封 r 1 ：0a p l ：0 l l ：川户讣d i t 鬲器 趣式，i t 瓤! 扶外躺曲礁臻；孔耩踺斯。 0 谴蟪式r ，墨川，l p c ：1 1 ，2 ：1 4 ，l p c 2 n 4 沱1 1 44 、e 川芘3 靛 曲缝：时t 没定茂。灿 警告：葶i 碱进定会、f 披嚣f t 的讲议娜k 7 ：2 掇i j _ f供涮，产艟搦币篮翔其。i 、l 敲釜街 1 ：_ i 盘 i l 的热k 皱定义姒 图3 一l存储器映射控制寄存器 本系统中，我们将其设为用户f l a s h 模式。即中断向量不重新映射，位于 f 1 a s h 中。 3 2 2p l l 锁相环设置 p l l 的激活由p l l c o n 寄存器控制。p l l 倍频器和分频器的值由p l l c f g 寄存 器控制。为了防止p l l 参数发生意外改变或p l l 失效，对这两个寄存器进行了保 护。p l l 在芯片复位和进入掉电模式时被关闭并旁路。程序必须在配置并激活p l l 后等待其锁定，然后再连接p l l “”。 p l l 等式使用下列参数： f o s c 晶振频率 f c c o p l l 电流控制振荡器的频率 浙江丈学硕士学位论文 交通信息视频采集卡的缓存与网络传输实现 c c l k m p p l l 输出频率( 处理器的时钟频率) p l l c f g 寄存器中m s e l 位的倍增器值 p l l c f g 寄存器中p s e l 位的分频器值 p l l 输出频率( 当p l l 激活并连接时) 由下式得到： c c l k = m 掌f o s c或c c l k = f c c o ( 2 p ) c c o 频率可由下式得到： f c c o = c c l k 木2 奉p 茸zf c c o = f o s c 丰m 掌2 半p p l l 输入和设定必须满足下面的条件 f o s c 的范围：1 0 m h z 一2 5 删z c c l k 的范围：1 0 删z f 皿a x ( l p c 2 2 1 4 允许的最大频率) f c c o 的范围：1 5 6 删z 一3 2 0 m h z 我们采用了1 1 0 5 9 2 姒z ( f o s c ) 的片外晶振，由于c c l k ( p l l 输出频 率) 4 0 m h z ，推荐采用3 个处理器时钟用于m 圳取指，故配置如下： m a m t i m = 3 m a m c r = 2 ：m a mf u c t i o n sf u l l ye n a b l e d 3 2 6 管脚连接模块配置 管脚连接模块的用途是将管脚配置为需要的功能，当管脚只选择一个功能 时，其他功能无效1 。 名称描述井幻复位馈她地 p n s e i _ o稽哦 选弹毒打嚣o谴；o x o 0 o oo x e o 。2 c 0 0 0 p r n s e u * 畴j j 堡抒稳：1 1 茹li 童：i o x ls 4 0 0 0o x e 0 0 1 c 0 0 4 p 聃e l 2* 峨噬弹奄括群2罐一j迪 6 3 i | _ 6 40 姬2 c 1 4 图3 2 管脚连接模块寄存器映射 管脚连接模块可以将p 0 一p 3 的管脚配置为相应的用途，我们的配置如下 p i n s e l 0b i t p oo = 1 ： p i n s e l o b i t p 吐1 = l ： p i n s e l 0b i t p o1 3 = o p i n s e l o _ b i t p o l ll = 0 t x df o ru a r t 0 r x df o ru a r t 0 9 1 1 5r e s e t s p e e ds e lf o r9 l1 5 p i n s e l lb i t p 01 6 = l ：e i n t of o rc o 姗u n i c a t i o nw i t hl a n 9 1 1 5 ( 9 1 1 5i r q ) p i n s e l l b i t p 0 2 7 = 3 ： t 0 1f o rl e db l i n k ( t i m e r 0 ) p i n s e l lb i t p 03 0 = l ： e i n t 3f o rc o 哪u n i c a t i o nw i t hf p g a p i n s e l 2 = p i n s e l 2 0 x 0 7 0 0 2 9 1 0 p i n s e l 2 = p i n s e l 2 o x f 7 f f f f d f ： c o n f i g u r a t i o nf o r9 1 1 5c o 姗u n i c a t i o n 3 2 7 外部存储器控制器( e m c ) 外部静态存储器控制器是一个a m 队a h b 从机模块，它为a m b aa l b 系统总线 和外部存储器期间提供了一个接口。该模块可同时支持多达4 个单独配置的存储 器组。每个存储器组的宽度为8 ，1 6 或3 2 位“。 1 6 浙江丈学硕士学位论文交通信息视频采集卡的缓存与网络传输实现 b a n k地垃楚绷鹫譬寄存嚣 o8 0 0 0 0 0 0 0 一8 0 f f 瓣b c f g o l8 l o oo o o o 一8 l f f 阡= fb c f g l 28 2 0 00 0 0 0 一8 2 f ff f i 下 b c f g 2 3 8 3 0 0 0 0 一8 3 f ff f l 下 b c f g 3 图3 3外部存储器组的地址范围 我们在系统中将网络芯片l a n 9 1 1 5 作为l p c 2 2 1 4 的一个外部存储器设置在 b c f g o 处，这为l p c 2 2 1 4 对l a n 9 1 1 5 的访问提供了无缝接口，l a n 9 1 1 5 作为l p c 2 2 1 4 的外部存储器统寻址，地址范围为8 0 0 00 0 0 0 8 0 f ff f f f 。宽度为1 6 b i t 。 b c f g o _ b i t m w = 0 l ：c o n f i g u r a t ec s oa sa1 6b i ti n t e r f a c e b c f g o b i t w s t 2 = o x o l ： b c f g o b i t i d c y = 0 x f ： b c f g ( ) - b i t w p = o ：c s 0m e m o r yb a n kc o n f i g u r a t i o n 3 2 8 定时器配置 定时器对外设时钟( p c l k ) 周期进行计数，可选择产生中断或根据4 个匹配寄存 器的设定，在到达指定的定时值时执行其他动作。 t o 眦r _ b i t m r o r e s = l ：w h e nt cm a t c hm r o ，t cr e s e t s t o e m r _ b it e m c l = l1 ：w h e nt cm a t c h f r o ，t o g g l em a t o 1o u t p u t t o p r = l o ： t o m r o = l 0 0 0 0 0 ： t o t c rb i t c e = 1 ： t i m e r 0e n a b l e 为了得到l p c 2 2 1 4 正常工作的指示，我们设置了一个定时器通过匹配方式给 l p c 2 2 1 4 的m a t o 1 以触发，通过外接的一个发光二极管闪烁得到l p c 2 2 1 4 工作 的正常情况。 3 2 网络芯片l a n 9 1 1 5 介绍 系统中要实现2 0 4 8 1 5 3 6 1 0 b i t 分辨率下每秒3 帧的图像传输，即使先对 原始图像进行了压缩，l o m 的以太网芯片也是不够的，因此我们需要的是一款 支持百兆网的控制芯片。我们最终选择的是s m s c 公司的l a n 9 】1 5 ，它是s m s c 1 7 浙江大学硕士学位论文 交通信息视频采集卡的缓存与网络传输实现 公司日前推出的第二代l o 1 0 0 非p c i 以太网控制器，目标应用在性能和低功耗 有严格要求的嵌入和消费类电子市场，以满足家庭中多个p c 和打印机与数字媒 体相连接日益增长的需求【l 引。它的基本特性如下： 完全兼容i e e e 8 0 2 3 8 0 2 3 u 标准； 片上集成了以太网的m a c 和p h y ，也可以外接p h y 内部的p h y 可以针 对1 0 m l o o m 通信实现自动协商功能； 支持l o b a s e t 和1 0 0 b a s e t x ； 支持全双工与半双工通信并能对全双工通信进行流控制； 自动产生并检验3 2 位c r c ： 带有高性能s r a m 总线接口，方便与主机进行通信； 支持l o o p b a c k 模式，可以使片内m a c 的t x 端不经过p h y 直接传回 r x 端，这种模式用于初期测试非常方便； 拥有灵活的地址滤波模式，可以滤除广播包等等： 片内集成1 6 l ( b y t ef i f o 用于做接受、发送缓存，用户可以自出调节接受发 送模块使用的缓存比例； 可配置的主机中断： 支持b u r s tr e a d ( 连续读) 模式。 拥有许多电源管理模式，能够在线唤醒： 带有外部e e p r o m 接口； 支持以太网3 l e d 状态显示，或者用这三个引脚作为g p i o 。 选择这款芯片除了因为它卓越的性能优势，丰富的文档支持，强大的可编程 性之外还有一个非常重要的因素就是它与主机之间采用的是简单的s r a m 总线 接口。目前，很多l o o m 网络控制芯片采用的都是p c i 接口，这一方面方便了与 p c 主板的连接，另一方面确限制了它们在嵌入式系统中的应用，因为这种网络 芯片在与不集成p c i 接口的芯片进行通信时需要在系统中加入额外的p c i 桥， 这大大的提升了系统的复杂度。 3 2 1l a n 9 1 1 5 初始化配置 由上述l p e 2 2 1 4 的介绍可知，l a n 9 1 1 5 作为l p c 2 2 1 4 的外设可由l p c 2 2 1 4 直接寻 址访问。于是我们可通过这一性能对l a n 9 1 1 5 进行直接的配置和初始化。初始化 流程如下所示“： s o f t w a r er e s e to ft h e 杞 f i f 0a l l o c a t i o na n df l o w c o n t r 0 1c o n f i g u r a t i o n 浙江大学硕士学位论文交通信息视频采集卡的缓存与网络传输实现 s e t t i n gt h em a ca d d r e s s c o n f i g u r i n gt h ei r qp i n s e t t i n gt h ei n t e r r u p td e a s s e r t i o np e r i o d e n a b li n ga n dd i s a b l i n gi n t e r r u p t s s t o p p i n ga n ds t a r t i n gt h et r a n s m i t t e r s t o p p i n ga n ds t a r t i n gt h er e c e i v e r c o n f i g u r i n ga d d r e s sf 订t e r i n go p t i o n s p h yd e t e c t i o na n di n i t i a l i z a t i o n 1 9 浙江大学硕士学位论文 交通信息视频采集卡的缓存与网络传输实现 3 2 2l a n 9 1 1 5 底层驱动编写 3 2 _ 2 1 1l a n 9 1 1 5 存储器空间 图3 4 l a n 9 儿5 内部存储器 如上图所示，l a n 9 1 1 5 包含四个主机可寻址的f i f 0 s ：r xs t a t u s ，r xd a t a ， t xs t a t u s ，t xd a t af i f o s 。它们的大小都可以通过寄存器c s r s 进行设罱3 。 r x 数据路径包括两个只读的f i f 0 ：状态和数据f i f o 。r xs t a t u sf i f o 可以 从两个地方读取。对r xs t a t u sf i f 0 所进行的是毁灭性的读取，而对r xs t a t u s f i f 0p e e k 所进行的是非毁灭性的读取。主机可以对任意一个地址进行读取，它 们里面的数据和功能都是一致的。 浙江大学硕上学位论文交通信息视频采集卡的缓存与网络传输实现 t x 数据路径和r x 数据路径的原理一样。“。 3 2 2 2 发送数据包操作 八 k ， 图3 5发送数据包流程图 数据通过依次写入t xd a t af i f 0 被发送。每个需要传送的数据包可能被分 为数个缓冲区，发送的时候，每一个缓冲区前面都要加上两个3 2 位t x 命令 ( t x _ c m d a 和t x c m d _ b ) ，这两个命令包含了l a n 9 1 1 5 对数据包进行的操作命令 【1 蚰 o t ) 【_ c m d a ： b u f f e re n da l i g n m e n t ：微处理器在进行数据传输时的对齐。 d a t as t a r to f f s e t ：对齐之后，需要知道第一位有效数据的偏移量。 f i r s ts e g m e n t ：表明该部分是不是数据包的第一部分。 l a s ts e 鲫e n t ：表明该部分是不是数据包的最后一部分。 浙江大学硕上学位论文交通信息视频采集卡的缓存与网络传输实现 b u f f e rs i z e ：表明当前传送部分的大小( 不包括t x 命令的长度) 。 i n t e r r u p to nc o m p l e t i o n ：在当前传输结束后，触发t x _ d o n e 。 。i 。x _ c m d b ： p a c k e tt a g ：数据包发出之后，可以从t xs t a t u s 寄存器读回的i d 号。若各次 传输属于同一个数据包，则i d 号相同。 数据包长度：当前数据包的总长度。 数据包流控制 为了实现连续发送，必须检查t x f i f o 里是否还有足够的空间。这可以通过读 t x _ f i f o i n f 里的t d f r e e 位( t xd a t af i f o f r e es p a c e ) 得到。t