（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的视频采集系统研究与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 近2 e 年来，半导终技零戆发震有秀穗程透了数字蘩像憝理技零森王篷、 商渡、医学、安防、军事、太空开发、科学研究及消费炎电子产品巾的广泛 威用。机器视觉技术的难点裰予其极大的数据量和相应鼹求的极快的处理速 瘦秘极大鲍存锉窆阕。当毒蓼数字视频图像袋集系统的实现方式有的綦于嵌入 式王控机，有静基于f p g a ，还有的基于d s p 。采其j 通用d s p 的实现方式，灵 活性强，能满足特殊视频格式和处理的需骚，具有很好的可扩展性、可升级 性和易维护性，是目前研究的热点。 零论文详缨溺述7 标臻p a l 裁式爨鑫电视售号( 税额蓓号采集涤) ，基于 d s p 的视频采集系统的设计方案，芯片的选型，对用到的芯片进行了详细的 阐述及性能分析，其中包括数字信号处理芯片( d s p ) 删s 3 2 0 c 6 7 1 3 ，可编程 逻辑嚣舞( e 残验) e 残7 1 2 8 a 瓣c 1 0 0 - 1 0 ，霹编程援颧舞鹚嚣s a a 7 1 ll 矗，同步 动态r 黼( 淞4 8 l c 锚1 6 a 2 ) ，c a n 通信芯片s j a l 0 0 0 ，线性电源转换芯片t p s 7 5 7 x x 系列，总线驱动及电平转换芯片s n 7 4 l v t h l 6 2 4 5 等，并凰也详细阐述了电路 叛硬件调试过程。 透过采溺磅髭全嚣靛撬颓解码嚣势辖数d s p 款待懿酝合，本系绕霹潋兼 容多种视频格式。通过缜密的时序和逻辑分析，本系统采用高速异步f i f o 完成视频解码器和d s p 之间的互联，实现视频图像数据的高速缓冲。利用 3 1 s 3 2 0 c 6 7 1 3 豹e d m a 珐髭，零系统实囊了燹嚣c p u 手瑗戆赛速数字嚣像黉辕， 减小系统负荷的同时提高了徽能。通过利用t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的专用1 2 c 接口实 现了对视频解鹞器的控制，去掉了在基予d s p 的视频采集系统中通常需要的 荦赡枧协处理嚣，降甄了成本移硬 牛复杂艘。透过时序分析和计算，选尾葛 恣c p 完成芯片润互联，实糯了系统各部分豹耱调工佟。论支对重点模块豹 工作原理和设计电路进行了详细介绍，并详细讨论了p c b 设计过程中需要注 意的电磁干扰和电磁兼容问题，从而构成了一个完整的视频采集系统。 每蓬葬豹裁炎系统穗瑗：，在整缝耪当豹德嚣下，零系统结孝每更麴薅摹， 哈尔演：【程大学硕士学位论文 成本更低。利用t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 d s p 强大的处理能力，通过开发不同的软件，本 系统可以应蘑予各静嵌入式瓣豫韪理系统中，其有缀强的实蠲往和先送经t 关键词：图象采集；机器视擞：电视信号；电磁兼容；实用性 哈尔滨丁：程大学硕士学位论文 a b s tr a c t i nl a s t2 0y e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g yh a ss t r o n g l y p r o m p t e dt h ea p p l i c a t i o no fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi nt h ea r e a so f i n d u s t f i e s ，c o m m e r c e , m e d i c i n e ，a e r o s p a c e ，s c i e n c e r e s e a r c ha n dc o n s m n e r e l e c t r o n i c s t h ed i f f i c u l t i e sb r o u g h tb ym a c h i n ev i s i o np r o c e s s i n ga r et h eh u g e d a t ac o u n ta n dt h ev e r yh i g h s p e e dp r o c e s s i n gc a p a c i t ya n dv e r yl a r g e - - c a p a c i t y m e m o r i z e rd e m a n d e d s o m eo ft h ec u r r e n td i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m sa r e b a s e do ne m b e d d e dc o m p u t e r , s o m ea r eb a s e do nf p g a , s o m ea r eb a s e do n a p p l i c a t i o ns p e c i f i cc o m p r e s s i n gc h i p ，a n ds o m e a r eb a s e do nd s et h e i m p l e m e n t a t i o n sb a s e do nd s pa l em o r ef l e x i b l e ，c a l lf u l f i l lt h er e q u i r e m e n t so f s p e c i a lv i d e of o r m a t sa n dp r o c e s s i n g ，a n dc a nb ee a s i t ye x t e n d e d ，u p g r a d e da n d m a i n t a i n e d s oi st h ed i r e c t i o no f r e a c ha n dd e v e l o p m e n t t h i st e x th a si n t r o d u c e ds t a n d a r dp a lr o l eb l a c k a n d w h i t et vs i g n a li n d e t a i l ( t h es i g n a lo fv i d e oi sg a t h e r e dt ot h es o u r c e ) ，b a s e do nd s ph i g h s p e e d v i d e os i g n a lg a t h e rs y s t e m a t i ch a r d w a r ep l a no fd e s i g n ，c h o i c eo ft h e c h i p ， i n t r o d u c t i o no fc h i pu s e da n dp e r f o r m a n c ea n a l y s e s i n c l u d ed i g i t a ls i g n a ld e a l w i t hc h i p ( d s p ) t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 ，c a np r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) e p m 7 1 2 8 a e t c l 0 0 1 0 ，t h ev i d e os i g n a la b l et op r o g r a m m a b l ei n p u t sp r o c e s s o r s a a 7 1 1 1 a ，d y n a m i cr a n d o m a c c e s sr a m ，c a nc o m m u n i c a t i o nu r g e c h i p s j a l 0 0 0 ，l i n e a rp o w e rc h a n g ec h i pt p s 7 5 7 x xs e r i e s ，b u su r g ea n dt h el e v e l c h a n g ec h i p ，e t c o f f e rt h ec o m p l e t ep r o c e s st od e b u gt h eb o a r d 。 b yu s i n gt h ef u l lf u n c t i o n a lv i d e od e c o d e ra n dc o o p e r a t e dw i t ht h ed s p p r o g r a m ，t h i ss y s t e mc a nb ec o m p l i a n tw i t hv a r i o u sv i d e of o r m a t s b ya n a l y z i n g t h et i m i n ga n dl o g i cc a r e f u l l y , t h i ss y s t e mu s e sh i g h s p e e d a s y n c h r o n o u s f i f oi m p l e m e n t i n gt h ei n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e nt h ev i d e od e c o d e ra n dd s pt o a c h i e v et h eh i 曲s p e e db u f f e r i n go ft h ev i d e od a t a b yu s i n gt h ee d m af u n c t i o n 哈尔滨：。程大学硕士学位论文 o f l m s 3 2 0 c 6 7 1 3 ，t h i ss y s t e mc a r lt r a n s p o r tv i d e od a t aa tv e r yh i 曲s p e e dw i t h o u t c p ui n t e r f e r e n c e ，t h u si m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c ea n dd i m i n i s h i n gt h es y s t e m b u r t h e n t l l i ss y s t e mi m p l e m e n t e dt h e1 2 ci n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e nt h ev i d e o d e c o d e r a n d t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 ，b yu s i n g t m s 3 2 0 c 6 7 l l se x c l u s i v e i n t e r f a c e ，n e e d n tt h em c uc o p r o c e s s o ru s u a l l yu s e di nt h i st y p es y s t e m t h r o u g h p r e c i s et i m i n ga n a l y z i n ga n dc a l c u l a t i o n ，t h i ss y s t e mc h o s eh i 曲一s p e e dc p l dt o i m p l e m e n tt h e c r o s sc o n n e c t i o nb e t w e e nt h ec h i p s ，a c h i e v e dt h eh a r m o n i o u s o p e r a t i o no ft h ed i f f e r e n tp a r t s f i n a l l y , t h i sp a p e rd e e p l yd i s c u s s e dt h ed e s i g n t h e o r yo fc i r c u i ta n dt h ee m i & e m ce x i s t e di nt h ec i r c u i t s oaw h o l ed i g i t a lv i d e o i m a g es a m p l ea n dp r o c e s s i n gs y s t e mw a sg o t t e n c o m p a r e d t ot h ec u r r e n ts a m e t y p es y s t e m ，t h i ss y s t e mi ss i m p l e ri ns t r u c t u r e a n d c h e a p e r i nc o s t ，p r o f i t t e df r o mt h e p o w e r m lp r o c e s s i n ga b i l i t y o f t m s 3 2 0 c 6 7 1 3d s p , t h r o u g hd e v e l o p i n gd i f f e r e n ts o f t w a r e ，t h i ss y s t e mc a nb e a p p l i e dt oa l lk i n d so f e m b e d d e di n l a g ep r o c e s s i n gs y s t e m s s ot h es y s t e m i sm o r e p r a c t i c a la n da d v a n c e d k e yw o r d s ：i m a g ed a t a a c q u i s i t i o n ：m a c h i n ev i s i o n ；t vs i g r a l ；e m c ； p r a c t i c a b i l i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：型! 日期：2 - 0 0 1 年3 月3 日 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题提出的背景及其意义 随着现代工业的发展，在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工 视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉。机器视觉是指通 过机器视觉产品( 即图像摄取装置，分c m o s 和c c d 两种) 把图像抓取到，然 后将该图像传送至处理单元，通过数字化处理，根据像素分布和亮度、颜色 等信息，来进行尺寸、形状、颜色等的判别，进而根据判别的结果来控制现 场的设备动作“。每一套机器视觉系统都由视频采集和视频处理两部分组成， 二者缺一不可，视频采集部分的好坏直接关系到将来图像处理的精度，视频 采集是视频处理的前提。 机器视觉伴随计算机技术、现场总线技术的发展，技术日臻成熟，已是 现代加工制造业不可或缺的产品，广泛应用于食品和饮料、化妆品、制药、 建材、化工、金属加工、电子制造、包装、汽车制造等行业。利用机器视觉， 可以代替传统的人工检测方法，可以极大提高产品质量，提高生产效率。 同时，在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精 度不高，用机器视觉的检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度， 而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。 1 2 视频采集技术的发展及现状 一般来说，视频采集系统有基于p c 和基于通用d s p 两种。 1 2 1 基于p c 的视频采集系统 该系统主要包括摄像机、视频采集卡和通用p c 机三部分“。视频采集卡 插在通用p c 机的p c i 插槽上，摄像机通过视频电缆线和视频采集卡相连，通 用p c 机是视频采集核心，得到原始的视频图像数据后，转化成我们所需要的 图像格式，最后利用通用p c 机强大的软、硬件资源和高速的处理能力对视频 i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图像进行处理。 通用p c 机强大的资源优势是其它系统所不能比拟的，但是高消耗也是该 系统一大弊病，另外系统体积过于庞大，这两方面就造成这种系统不太适合 工业现场和航空航天应用，多用于视频采集和视频处理的算法研究和仿真阶 段。 1 2 2 基于d s p 的视频采集系统 随着机器视觉的应用越来越普及，必然推动视频采集技术的发展，在某 些场合用基于p c 的视频采集系统的方案已经不实用，必须把视频采集卡和 p c 机合为一体，使其体积变小，比如美国的火星车，微处理器技术的发展， 尤其是d s p 芯片的出现，以使把视频采集卡和p c 机合为一体的想法变为现实。 d s p 一出现就以低成本、高速的运算处理能力、丰富灵活的系统设计在实 时数字信号处理领域得到了广泛的应用，在视频采集系统中，基于d s p 的方 案也是也是同样适用的，可以利用d s p 强大的处理能力，更好地完成视频处 理。 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 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，可以快速地实现各种 数字信号处理算法”。d s p 最突出的两大特色是强大处理能力和高运行速 度，加上具有可编程性，实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序， 远远超过通用微处理器，d s p 将是未来集成电路中发展最快的电子产品，并 成为电子产品更新换代的决定因素。 经过十多年的飞速发展，d s p 己成为通信、计算机、消费类电子产品等 领域的基础器件，目前d s p 的功能愈来愈强，应用愈来愈广泛，它不但开拓 了许多新的市场，还逐渐占领了其他一些产品的传统领地。伴随着各个领域 日益增长的应用，d s p 在以后的发展中会趋于成熟和完善。 传统的机器视觉系统是基于p c 的视频采集系统，在通用p c 机上主要是 软件实现视频处理，能够提供中等的视频处理能力，但是要占用c p u 几乎全 哈尔滨工程大学硕士学位论文 部的处理能力，况且体积庞大，使用不方便。随着计算机视觉技术和机器人 技术的迅猛发展，机器视觉技术在工业界获得了高度重视，并已在机器人装 配、弧焊检测、尺寸检测、汽车引导等领域中得到了大量应用。 该系统主要有c c 9 摄像头、视频解码器、d s p 、逻辑控制、帧存储器组成。 c c d 摄像头摄取视频图像，输出p a l 制式的模拟视频信号，视频解码器( v i d e o d e c o d e r ) 接收模拟视频信号，并将其转换为标准格式的数字视频数据流，通 过高速缓存暂存视频数据，避免数字视频数据流长时间占用d s p 外部总线， 影响d s p 的其它操作，d s p 通过d m a 方式从高速缓存中读取数字视频数据， 并放入帧存储器中，采集后的视频图像数据经过d s p 图象处理，传送视频图 像数据给p c 机，逻辑模块完成系统各部分的有缝接口的接口逻辑和控制逻 辑，该系统适合于工业现场和航空航天应用。 1 3 本文的主要工作 论文根据系统自身的功能需要和所要求达到的性能指标，对系统进行详 细的分析，给出了系统整体设计方案，对系统进行详细的模块划分，并明确 各模块所要完成的功能，在此基础上进行硬件设计和硬件调试。 本论文主要完成适合于视频处理需要的视频采集部分的硬件设计和硬件 调试两部分，因为在本课题用到的主处理器是d s p ，所以也称作基于d s p 的 视频采集系统设计与实现，并且借助p c 机，把d s p 采集的视频图象数据传送 给p c 机，在p c 机上显示采集的图象数据，借助w i n d o w s 操作系统，把采集 来的视频图象数据转换为b m p 图象格式的文件，可以方便的观察采集图象的 正确与否。 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 第2 章基于d s p 的视频采集系统总体结构 2 1 复合视频信号的基本理论 视频采集系统采集的是复合视频信号，复合视频信号涉及一维时间变量 的电信号f ( t ) ，它是通过对时变图像s 。( x l ，x 2 ，t ) 在时间坐标t 和垂直分量x 2 上采样得到的，周期性地采样过程称之为扫描( s c a n n i n g ) ，而且，如图2 1 所示，信号f ( t ) 仅沿着扫描线获取时变图像密度s 。( x l ，x 2 ，t ) 。 b f ， 图2 1 扫描光栅图 最常用的扫描方法是逐行扫描( p r o g r e s s i v es c a n n i n g ) 和隔行扫描 ( i n t e r l a c e ds c a n n i n g ) ”1 。逐行扫描是在每一个t 时间内对一个完整的 图像进行扫描，它被称之为一帧( f r a m e ) 。电视行业使用2 ：1 隔行扫描，隔 行扫描依次对被称为奇数场和偶数场的奇数行和偶数行进行扫描，图2 1 表 示的是一个2 ：1 的隔行扫描光栅，其中实线和虚线分别表示奇数场和偶数场， 从d 到e 、从f 到a 称之为垂直回扫( v e r t i c a lr e t r a c e ) 。 2 2 复合视频信号的组成 复合视频图像信号通常也被称作全电视信号，它是由图像信号、消隐信 4 哈尔滨f ：程大学硕士学位论文 号以及同步信号共同组成的“1 ，其典型波形如图2 2 所示。 图2 2 电视信号波形 由图2 2 可看出，在发送端每一行都要传送一个行消隐脉冲，其持续时 间与行扫描逆程时间( 1 2u s ) 相同，也为1 2 筇，出现的位置恰好在行逆程 期问，同理，每一场也要传送一个场消隐脉冲，其持续时间与场扫描逆程时 间( 1 6 m s ) 相同，也为1 6 m s ，出现的位置也恰好在场逆程期间，接收机 利用这些脉冲就可以消除行、场逆程期间的回扫线。另外，为了实现收、发 两端扫描的同步，发送端在每一行扫描的逆程期间都传送一个行同步脉冲， 其宽度( 4 7 j s ) 比行消隐脉冲宽度( 1 2 届) 窄得多，同理，在每一场的逆 程期间也传送一个场同步脉冲，其宽度( 1 6 0 j s ) 比场消隐脉冲宽度( 1 6 m s ) 也窄得多。由于它们均是在消隐期间传送来的，因此对电视图像内容的正常 重现是没有影响的。又由于它比消隐脉冲电平高，所以可以采取一定措施把 它们从复合视频图像信号中单独分离出来并送给接收机中的扫描电路，从而 利用它来控制接收机中的扫描与电视台摄像机中的扫描保持同步。 我国电视标准规定：行同步脉冲宽度位4 7 胪，场同步脉冲宽度为1 6 0 鹏 ( 即2 5 h ，其中1 h = 6 4 鹏) ，而且行同步脉冲不是落在行消隐脉冲的中间位 置，而是更接近于消隐脉冲的前沿。通常将从行消隐脉冲前沿到行同步脉冲 前沿之间的一段称为消隐前肩，而将同步脉冲后沿与消隐脉冲的后沿之间的 一段称消隐后肩，前肩占用时间约为1 6 j s ，后肩约为5 7 埔。另外，为了 保证在场扫描逆程期间行扫描仍能保持同步，通常在场逆程期间仍然正常传 哈尔滨工程大学硕士学位论文 送同步脉冲。 前面介绍的仅是各种脉冲的宽度及位置情况，下面我们将介绍复合视频 图像信号的电平分配问题。前面已经指出，图像信号的幅度放映的是图像各 点的明暗程度。如果以同步脉冲的顶端作为1 0 0 电平来进行计算，则幅度为 1 2 5 的电平对应的即为白色，通常称其为白色电平，而幅度位7 5 的电平所 对应的便是黑色，通常称其为黑色电平，在白色电平与黑色电平之问的即为 灰色电平，灰色的深度随信号幅度增加而增强，由此可见，当图像信弓电平 处于1 2 5 附近时，屏幕是最亮的，显然消隐电平应处于7 5 处，因为这是黑 色电平，显像管在此电平的控制下将无任何亮度输出，因而能够达到消隐逆 程回扫线的目的，同步脉冲幅度比消隐脉冲幅度高出2 5 ，由于它们的电平 处于黑色电平之上，所以通常被认为是比黑色电平还黑的电平。 另外需要介绍的是，视频图像信号由j 下极性与负极性之分，所谓负极性 信号是指信号电平越高，图像内容就越暗，反之则成为正极性信号，由于信 号经过放大会被倒相，因此信号的极性在传送过程中是在不断变化的。 2 3 复合视频信号的主要制式 复合视频图像信号格式对在亮度信号的峰值处的色度分量进行编码，使 其作为一种具有和亮度信号带宽相同的单一信号来分布。现在世界各国已使 用各种不同的复合视频信号格式，其中有n t s c ( n a t i o n a lt e l e v i s i o n s y s t e m sc o m m i t t e e ) 制式、p a l ( p h a s ea l t e r n a t i o nl i n e ) 制式和 s e c a m ( s y s t e me l e c t r o n i q u ec o l o rh v e cm e m o i r e ) 制式，以及非标准制式。 2 3 1n t s c 制式 n t s c 复合视频标准主要用于北美和日本。n t s c 信号是一种2 ：l 隔行扫描 的视频信号，其每场2 6 2 5 行( 每帧5 2 5 行) ，每秒6 0 场，因而水平扫描频率 f h 为5 2 5 3 0 = 1 5 7 5 k h z ，这意味着要扫描每条水平线( 行) 需要1 1 5 7 5 0 秒 = 6 3 5 胪，水平回扫( h o r i z o n t a lr e t r a c e ) 需要l o 艏，则每行留给有效的 视频信号为5 3 5 p s ，水平同步脉冲位于水平消隐脉冲( h o r i z o n t a lb l a n k i n g p u l s e ) 的顶部，其持续时间为5 鹏，5 2 5 行中只有4 8 5 行是有效的，每场有 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 0 行用于回扫消隐。 2 3 2p a l 制式和s e c a m 制式 p a l 制式主要用于西欧、中国等地，s e c a m 制式主要用于前苏联和东欧地 区，这两种制式亦是2 ：1 隔行扫描，但与n t s c 相比，它们具有不同的垂直和 瞬时清晰度( v e r t i c a la n dt e m p o r a lr e s o l u t i o n ) ，带宽略高( 8 m h z ) ，处理 彩色信息亦有所不同，p a l 和s e c a m 均为6 2 5 行每帧和5 0 场每秒，与n t s c 相比，它们以较少的瞬时清晰度换取了较高的垂直清晰度，在p a l 和s e c a m 之间的差别之一是如何再现彩色信息，它们均利用色度信息的c r 和c b 分量， 但在p a l 和s e c a m 中用亮度信号来集成彩色分量的方法是不同的，相比于 n t s c 制而言，p a l 和s e c a m 有更好的彩色再现能力。 2 3 3 非标准制式 随着视频采集技术的发展，在某些场合使用n t s c 制式、p a l 制式和s e c a m 制式的摄像头已经不能满足需要，必须使用一些特殊制式的摄像头4 能满足 需要，所以就出现了非标准制式的复合视频信号。 2 4 基于d s p 的视频采集系统硬件结构设计 2 4 1 视频采集的一般流程 视频采集由a d 转换、图像存储、图像传输三部分组成，结构框图如图 2 3 所示。 图2 3 视频采集的一般流程图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 视频采集的输入是电视摄象机输出的p a l 制式复合视频图像信号，经同 步分离得到图象信号，通过a d 转换器得到象素数据，将它们存入视频采集 系统的存储器中，此存储器通常称为帧存储器或帧存体，p c 机可以通过传输 通道读取象素数据。 2 4 2 基于d s p 的视频采集系统结构设计 c c d 摄像头摄取视频图像，输出p a l 制式的模拟视频信号，d s p 通过1 2 c 初始化配置视频解码器，视频解码器( v i d e od e c o d e r ) 接收模拟视频信号，并 将其转换为标准格式的数字视频数据流，通过高速缓存暂存视频数据，避免 数字视频数据流长时问占用d s p 外部总线，影响d s p 的其它操作，d s p 通过 d m a 方式从高速缓存中读取数字视频数据，并放入s d r a m 中。采集后的视频 数据经过d s p 图象处理，传送图像数据给p c 机，逻辑模块完成系统各部分的 有缝接口的接口逻辑和控制逻辑，电源模块为系统各部分提供电源，如图 2 4 所示。 捌裂女旨 蜀v d e r ) 警 d s p li 缓存l 数字视 i 频数据 h 图2 4 基于d s p 的数字视频采集结构框图 2 4 3 高速缓冲芯片的选择 高速缓存担负着连接视频解码器和d s p 的重任；设计一种有效的缓冲机 制，可以极大地提高系统性能。目前高速缓冲主要有乒乓切换、双口 r a m ( d u a l p o r ts r a m ) 和f i f o 缓冲等几种方案。 ( 1 ) 乒乓切换缓冲方案 乒乓切换缓冲方案原理如图2 5 所示，它用两片高速、大容量、相对成 本较低的s r a m 交替缓冲来自视频解码器的数据流，当视频解码器向其中一片 哈尔滨1 。程大学硕士学位论文 s r a m 写入数据时，d s p 可以同时从另一片s r a m 读取数据。两片s r a m 的地址 和数据总线通过p l d 在视频解码器和d s p 之间实现复用，但该方案的硬件和 软件设计都比较复杂。 图2 5 乒乓切换缓冲方案图 1 2 ) 双口r a m ( d u a l p o r ts r a m ) 缓冲方案 双口r a m 缓冲方案的原理如图2 6 所示，双口r a m 是一种专门为总线缓 冲设计的特殊的s r a m ，它有两套地址和数据总线，两套地址和数据总线可以 同时进行读写，这样就可以用它来连接视频解码器和d s p 。视频解码器没有 地址总线输出，所以需要用p l d 产生写地址信号，这种方案的优点是硬件和 软件设计都比较简单，d s p 具有与s r a m 的无缝接口能力，直接将地址和数据 总线相连即可。由于双口r a m 允许两套总线同时读写，d s p 的软件设计也不 需要特别的时序考虑，但是双口r a m 的价格非常昂贵，性价比不高，此外， 用p l d 产生写地址信号需要占用p l d 的多个引脚，需要进行有一定复杂度的 p l d 逻辑设计，这是该方法的不利处。 地址地址 ( 3 ) f i f o 缓冲方案 图2 6 双口r a m 缓冲方案图 哈尔滨：r 程大学硕十学位论文 f i f o 缓冲方案如图2 7 所示，f i f o 即先进先出存储器，也是一种专门用 来做总线缓冲的特殊存储器。f i f o 没有地址总线，它由外部通过同步或异步 方式驱动内部写指针和读指针循环进行读写。f i f o 也可以同时进行读写操 作。f i f o 有同步和异步之分，同步f i f o 的读写操作同步到输入时钟信号， 当然也就需要输入读写时钟；异步f i f o 的读写操作不需要同步到时钟信号， 当然也就不需要输入时钟信号。 图2 7f i f o 缓冲方案图 如图2 7 所示，采用f i f o 的缓冲方案硬件结构最为简单，硬件成本也最 低。不过采用f i f o 方案需要仔细设计系统时序和软件流程，以获得最高传输 效率。从降低成本和硬件结构简单化的原则出发，本课题决定采用此种缓冲 方案。 2 4 4 视频解码器控制机制的设计 视频解码器通常有丰富的内部寄存器，由外部处理器根据使用环境和需 要进行配置以适应各种使用需求，能否灵活地对视频解码器进行配置决定了 系统的通用性和兼容性。常用视频解码器的配置接口多为i s c 或s p i 等串行 接口，但t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 大多数都没有专用1 2 c 接口，在目前所见的 系统中，为了通过1 2 c 接口对视频解码器进行配置，通常专门在系统中增加 一片具有1 2 c 接口的单片机，如图2 8 所示，1 2 c 单片机接收到控制信号以后 就对视频解码器进行配置。 图2 8 用12 c 单片机配置视频解码器 用i s c 单片机配置视频解码器的好处是软件编程非常简单。但这种为了 l o 哈尔滨j c 程大学硕士学位论文 完成单一功能而增加芯片，增加硬件成本的方法非常不可取。因为1 2 c 总线 的实现在逻辑上并不复杂，所以在本系统决定用d s p 的g p i o 口模拟1 2 c 接口 实现对视频解码器的配置，如图2 9 所示。 l解码器叫竺：竺l d ” i 图2 9 用g p i o 口模拟1 2 c 接口配罨视频解码器 2 4 5 系统其它模块的设计 ( 1 ) c c d 摄像机 目前我国的c c d 摄像机都是按照p a l 制式视频标准设计制造的，这样的 c c d 摄像机都可以应用于本系统。 ( 2 ) 视频解码器( v i d e od e c o d e r ) 视频解码器的选择原则是；功能全面，可以解码各种标准模拟视频制式 的信号，能够输出标准格式的数字视频信号，技术成熟，可靠性好，成本低。 基于这些原则，本系统采用p h i l i p s 公司的视频解码芯片s a a 7 1 x x 系列，该 类型芯片使用范围广泛，性价比已经得到了充分证明。 ( 3 ) 帧存储器 本系统中帧存储器采用s d r a m ，这是由t m s 3 2 0 c 6 0 0 0d s p 的特性决定的。 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0d s p 具有和s d r a m 的无缝接口能力，而s d r a m 也具备高速、大 容量、成本低的特点，完全适合设计的要求，因此也是设计的首选。 ( 4 ) 电源模块 电源模块的设计是由系统中全部模块的电源要求决定的，因此在系统其 它部分芯片的选型上应该考虑电源的要求，芯片的电压要求应该尽量一致， 以简化电源的设计。 ( 5 ) 逻辑互联模块 本系统中有些芯片的互联需要有缝接口，这些接口的时序要求都比较严 格和苛刻，用分立元件来实现会使系统变得复杂凌乱，因此本系统用一片 c p l d 完成所有的逻辑互联，通过软件编程和优化满足系统的时序要求。 ( 6 ) 通讯模块 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本系统中传输象素数据使用的是c a n 总线协议，c a n 总线协议稳定可靠， 并且传输速率最快可以达到l 1 8 s ，最重要的是其价格便宜。 2 5 本章小结 本章首先阐述了复合视频信号的基本理论、主要制式，这是本系统设计 必须明确的原则，然后通过比较确定了本系统的设计方案，设计了基于d s p 的视频采集系统硬件结构设计框图，明确了系统的架构。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章基于d s p 的视频采集系统的硬件设计 第二章中已经阐明了系统的结构设计，本章详细阐述了d s p 芯片的选型 过程，以系统各部分间的接口设计为中心，依据系统各器件的性能特点、电 路设计和工作原理，其中包括：s a a 7 1 1 1 a 视频解码器的接口设计，i d t 7 4 v 0 4 异步f i f o 的接口设计，m t 4 8 l c 4 m 1 6 a 2s d r 埘的接口设计，s s t 3 9 v f 8 0 0 af l a s h 的接口设计以及c p l d 模块和电源模块的设计。 3 1 d s p 芯片的选择 在设计一个基于d s p 的视频采集系统时，其首要任务就是确定d s p 芯片 的型号，只有选定了d s p 芯片的型号，4 能进一步设计其外围电路，总的来 说，d s p 芯片型号的选择应根据实际的应用系统需要而确定，对于不同的d s p 应用系统由于各自的应用场合，应用目的皆有不同，d s p 芯片的选择也将有 所不同。一般来讲，d s p 芯片的选型主要从以下几个因素考虑： ( 1 ) d s p 芯片的运算速度，运算速度是d s p 芯片的一个很重要的性能指 标，也是d s p 选型所需考虑的一个重要指标； ( 2 ) 运算精度和动态范围； ( 3 ) d s p 芯片的接口功能，主要考虑是否便与和所需外部设备接口，如： 串行通讯接口，各种存储器接口等； ( 4 ) 价格因素，d s p 芯片的价格也是选型的一个重要因素，如果使用价 格很高的d s p 芯片，即使其性能很高，使用该芯片所设计系统的 应用范围和推广程度也将受到一定限制； ( 5 ) d s p 芯片的技术支持，说明文档是否详细、完整； ( 6 ) d s p 芯片的开发工具，在d s p 的开发过程中，开发工具是必不可少 的，一个功能强大的开发工具可以大大缩短系统的开发时间； ( 7 ) 除了以上因素，还应考虑d s p 芯片的供货情况封装形式器件的生 命周期功耗以及是否有工业级或军品级芯片提供等等。 根据本系统的要求，查阅了大量的国内和国外的参考文献和参考资料， 最后选定两款应用最广泛的d s p 芯片，分别为t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 和t m s 3 2 0 d m 6 4 2 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 1 1t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的阐述 t m s 3 2 0 d 4 2 是t i 公司2 0 0 3 年推出的一款针对多媒体处理领域应用的 高速d s p 处理器，基于c 6 4 x 核心架构，集成了丰富的外围设备和接口，最高 主频达到了7 2 0 m h z ，并行处理指令的能力最大可达每个指令周期处理8 条3 2 位指令，因此最大指令处理速度为5 7 6 0 m i p s ，该d s p 为5 4 8 脚b g a 封装，高 度集成化。具有如下特征： ( 1 ) 三个可配置的视频接口，可以和视频输入，输出或传输流输入无 缝连接，v c x o 内插控制端口( v i c ) ； ( 2 ) l o l o o m b p s 以太网口( e m a c ) ，8 个发送通道和8 个接收通道； ( 3 ) 数据管理输入输出模块( m d i o ) ； ( 4 ) 多通道音频串行端口( m c a s p ) ； ( 5 ) 1 2 c 总线模块； ( 6 ) 两个多通道有缓存的串口( m c b s p s ) ； ( 7 ) 三个3 2 一b i t 通用定时器； ( 8 ) 用户可配置的1 6 一b i t 或3 2 一b i t 的主端口接口( h p l l 6 h p l 3 2 ) ； ( 9 ) 6 6 姗z3 2 一b i t 的p c i 接口； ( 1 0 ) 1 6 个通用i o 端口( g p i o ) ，部分与中断口或h p i 口复用； ( 1 1 ) 6 4 一b i t 的外部存储单元接口，支持和同步或异步存储单元的连接； ( 1 2 ) 具有极高的性价比； ( 1 3 ) 采用甚长指令字结构( v l i w ) ，片内包含8 个并行处理单元，其中 包括两个乘法器和6 个算术逻辑单元，在6 0 0 删z 时钟时芯片的最 大处理能力为4 8 0 0 m i p s ； ( 1 4 ) 2 级c a c h e 结构，片内集成了1 2 8 k - b i tl 1 p 程序存储器、1 2 8 k - b i t l 1 d 数据存储器、2 m b i t ( 2 5 6 k b y t e ) l 2p d ： ( 1 5 ) 6 4 位外部存储器接口( e m i f ) ，几乎可以和目前所有的存储器直接 接口，1 0 2 4 m 字节的总外部地址寻址空间。 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的一个很重要的外设就是v i d e op o r t ，它可以很方便的读 写外部的视频解码器，还有就是t i 公司已经提供了针对t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的视频 解码器的驱动程序，用户只需开发应用程序即可，为系统的开发带来极大的 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 便利，如图3 1 所示。 蛔 v p 0 0 1 1 l v p o d 2 f c l k x 0 v p o 。 3 妒s x d v p o o 4 f o x o v p 1 5 l c l k s 。 v p o d 目m 嘞 v p 。d 洲f s r 0 v p o d 【掣c l i ( r o 硼q 图3 1v i d e o p o r t 图 3 1 2t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的阐述 蚺。d n m v p 0 0 i i v p o d 1 2 j a c l k r 0 v p o d l l 纠a f s r 0 v p 。i ) 1 4 f a h c l k r o v p 0 0 t 5 l a m u t e i n 0 v p 0 0 【1 6 v a m u t e o v p o d 【1 7 v a c l k x 0 v p o o 1 8 f a f s , x o m d 1 砷t j c h a m e 1 8 l m e s 蚰 m e v p o o f l 9 ：侧 h d m i 女o t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 是t i 公司推出的一款高速浮点型d s p 处理器，基于c 6 7 x 内核架构，集成了丰富的外围设备和接口，最高主频达到了3 0 0 m h z ，高度集 成化，该d s p 封装的类型有两种，一种为p o f p ，另一种为b g a ，对于焊接不 方便的用户可以选择较容易焊接的p q f p 封装。具有如下特征： ( 1 ) 采用甚长指令字结构( v l i w ) ，片内包含8 个并行处理单元，其中 包括两个乘法器和4 个算术逻辑单元，主频在3 0 0 m h z 时钟时芯片 的最大处理能力为2 4 0 0 m i p s ； 哈尔滨工程大学硕士学位论文