（通信与信息系统专业论文）基于高速dsp牌照识别器的设计.pdf

摘要 本文主要讨论了如何使用t i 高 速d s p t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 来设计一个l p r的 硬件 系 统 。 以 及 如 何 在u b ic o m的 为 网 络 优 化 而 设 计 的 嵌 入 式 实 时 操 作 系 统ip 0 5 下 完 成l p r的以太网联接。 首 先在第 1 章里分别介绍了 智能交通系统 ( i t s ) 与牌照识 别 ( l p r ) 系统的 基本概念及其国内外研究现状，接着给出了本文的研究背景与研究意义。 在第2 章中，给出了 本文研制的l p r系统硬件结构及其工作流程。然后详细 论述7 如何设计 l p r中核心器件 d s p ( t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 )的接口电 路，包括 d s p与 s d r a m . f l a s h 以 及d s p 启动 模式配置电 路。 接着是讨论在硬件及软件方面如何设 计网络处理器的以太网接口电 路。在该章的第 4节，讨论了 如何设计逻辑控制电 路把这些片上功能单元联成一个有机的整体。 在第 3 章中首先详细分析了i p 2 0 2 2 所采用的实时网络操作系统 i p o s 及其所 带的t c p / i p协议栈。 接着研究了i p o s 下应用程序的结构，以 及如何在该操作系 统下编写l p r 通讯程序。 在最后一章里，总结了本文研究的成果及其在实际中的应用情况以及进一步 需要解决的问 题。 关键词:牌照识别 数字谊号处理 嵌入式互联网 网络摄作系统 i d o s ab s t r a c t t h i s p a p e r m a i n ly d is c u s s e s t h e d e s i g n o f h a r d w a r e s y s t e m o f l ic e n s e p la t e r e c o g n t i o n ( l p r ) b y u s in g t i s h i g h s p e e d d s p (t ms 3 2 0 c 6 2 0 4 ) , a n d e t h e rn e t c o n n e c t io n o f l p r u n d e r i p o s , w h i c h is u b ic o m s , n e t w o r k o p t i m i z e d , c o n f ig u r a b le , e m b e d d e d re a l - t i m e o p e r a t i n g s y s t e m . i n t h e f is rt c h a p t e r , t h e b a s ic c o n c e p t o f in t e l l ig e n t t r a n s p o rt s y s t e m ( i t s ) a n d l p r s y s t e m a re i n t ro d u c e d re s p e c t iv e ly . s u b s e q u e n t ly , t h e b a c k g r o u n d a n d s i g n i f ic a n c e o f t h e p 即e r i s a l s o g i v e n i n c h a p t e r 2 , t h e h a r d w a r e s t r u c t u r e a n d w o r k in g p r in c i p l e o f l p r s y s t e m a r e g i v e n f is rt . t h e in t e r f a c e c i r c u it s o f d s p s p e r ip h e r a l, in c l u d in g s d r a m , f l a s h a n d t h e c o n f ig u r a t io n c ir c u it o f d s p a re d e s ig n e d . s e c o n d l y , t h e e t h e rn e t i n t e r f a c e c i r c u it o f i n t e rn e t p r o c e s s o r ( i p 2 0 2 2 ) is d e s c r i b e d in d e t a i l, e s p e c ia l ly i n h a r e d w a r e a n d s o ft w a r e r e q u ir e m e n t . i n s e c t io n 4 o f t h e c h a p t e r, lo g i c c i r c u it i s d e s i g n e d t o s h o w h o w t h e s e s f u n t i o n u n i t s a r e c o m b i n e d i n t o o n e o r g a n i c w h o l e . i n c h a p t e r 3 , a t h o ro u g h a n a ly s is o f i p o s , a n d it s t c p / i p p ro t o c o l s t a c k i s m a d e . t h e n t h e s t r u c t u r e o f a p p l i c a t i o n p r o g r a m o f l p r i s a l s o s t u d ie d in d e t a i l . a t la s t , c o m m u n i c a t i o n s o ft w a re o f l p r i s d e s ig n e d u n d e r i p o s . i n t h e la s t c h a p t e r , t h e a c h ie v e m e n t a n d e ff e c t o f t h e p a p e r i s s u m m a r iz e d . t h e p r o b le m s t o b e r e s o l v e d a r e p o in t e d o u t . k e y w o r d s : l i c e n s e p l a t e r e c o g n i t i o n d i g it a l s i g n a l p r o c e s s i n g e m b e d d e d i n t e r n e t t c h n o l o g y n e t w o r k o p e r a t i n g s y s t e m i p o s r 5 3 6 0 .9 1 独创性 ( 或创新性)声明 本人声明所呈交的论文是我个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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人己 经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技大学或 其它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做了明确的说明并表示了谢意。 申 请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 本人笼名: 日 期 _ i w 立丰一 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印 件，允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全 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论文。 ( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名: 导师签名: 日 期 产 ， . 日 期 2- - 1 第 1 章 绪论 第1 章绪论 本章首 先分析了当前交通系统中普遍存在的交通问题，提出发展智能交通系 统的必要性。接着给出了智能交通系统中的关键单元牌照识别系统的结构，指出 其着重要解决的关键技术。在这个基础上，提出了 本文的研究内容:牌照识别器 的研制。 1 . 1 智能交通系统与牌照识别 1 . 1 . 1 什么是智能交通系统 智能交通系统，简称 i t s ( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t s y s t e m )， 是将先进的信 息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术及计算机处理技术等 有效的集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥 作用的，实时、 准确、高效的综合交通运输管理系统。 1 . 1 . 2 为什么提出智能交通系统 当 今世界各国的 大城市 无不存在着交通拥挤问 题。以美国 为例，1 9 7 6 - 1 9 9 7 年 期间，年车辆公里数以 7 7 %的速度上升，可是同期道路建设里程的增长数却仅为 2 %，在城市交通中的高峰时期，5 4 %的车处于拥挤状态。由于交通拥挤，人们每 天消耗在上下班的时间比 平时平均多了 1 . 5小时。同时导致商业车辆在交通运输 中延误，增加了 运输成本。然而有限的土地和经济制约等使得道路建设不可能达 到相对满意的里程数，所以 就需要在不扩张路网规模的前提下，提高交通路网的 通行能力。 这就需要综合运用现代信息与通讯技术等手段来提高交通运输的效率. 中国是一个经济持续发展的发展中国家，改革开放以来，城市化与汽车化发 展一卜 分迅猛。改革开放前， 城市化水平不足1 9 % ，目 前己 经发展到超过3 0 % ，预测 2 0 1 0 年将接近5 0 % :机动车拥有it目 前已 达6 0 0 0 万辆，并以每年1 0 % 以上的速度 增长，预计2 0 1 0 年达到1 . 3 亿多辆。 中国城市交通的 特点是混合交通，目 前自 行车拥有it超过 1 . 8亿辆，如果公 共交通服务水平不提高， 城市交通结构不改善，自 行车拥有t将会有增无减。 改革开放以 来，中国道路交通设施及管理设施虽然有较大改观，但跟不上机 动 车 增 长 速 度。 总 体 水 平 与 发 达国 家 有 较 大 差 距， 特 别 是 大 多 数 城 市 路 网 结 构 不 合理，道路功能不完善， 道路系统不健全。 交通管理设施缺乏，管理水平不高。即使各地都建立了 交通控制中心，大多 只是实现了 监视功能，而远没有发挥控制功能的效应。 中国城市的大气质量恶化，己 逐步由无烟煤污染转变为机动车尾气污染。其 主要原因是交通拥堵、车速下降以 及车况差、车辆技术性能低等， 致使在世界十 大空气污染最严重的 城市中。我国就据之有七。同时，车辆状况差也直接影响到 城市交通，并己成为制约我国城市交通的重要因素。以车况较好的北京市为例. 平均日 故障次数达5 0 0 次以上。给城市交通带来了巨大压力. i t s 将有效地利用现有交通设施、减少交通负荷和环境污染、 保证交通安全、 提高运输效率、 促进社会经济发展、 提高人民生活质量，并以推动社会信息化以 基于高速d s p 牌照识别器的设i i 及形成新产业。i t s已经受到各国的重视，将是二十一世纪交通系统发展的方向。 1 . 1 . 3 i t s中的关键一牌照识别系统 l p r 定义: l p r ( l i c e n s e p l a t e r e c o g n i t i o n ) ,即牌照识别。也称为a u t o m a t i c v e h i c l e i d e n t i f i c a t i o n ( a v i ) 、 c a r p l a t e r e c o g n i t i o n ( c p r ) 、 a u t o m a t i c n u m b e r p l a t e r e c o g n i t i o n ( a n p r )、 c a r p l a t e r e a d e r ( c p r ) 等。 它是 使 用图 象处 理技 术来识别车辆牌照来确定车辆信息，广泛应用于各种安全与交通系统. l p r 系统组成: 一个典型的l p r 系统主要有触发单元、 抓拍单元 ( 摄像头、 辅 助照明装置) 、处理单元 ( 计算机或专用图象处理单元)以及相应的应用系统 4 部 分组成.如图 1 . 1所示。计算机通过视频采集接口 采集摄像头摄入的视频图象， 经处理和识别得到车牌号。在自 然光较暗影响识别效果时，由辅助照明装置提供 摄像光源。 一-. ( 1 ) 图象预处理:对动态采集到的图象进行涟波、边界增强等处理，以克服 图象千扰，改善识别效果。 第 t 章绪论 ( 2 ) 车牌的定位:在动态采集到的图象中，自 动找到车牌的位置。 ( 3 ) 字符分割:在车牌图象上，自 动提取单个字符的图象。 ( 4 )字符识别:在每个字符图象中识别出字符文字。 1 . 1 . 4工 t s 的研究、 应用介绍 美国、西欧和日 本等发达国家为了 解决共同所面临的交通问题，竞相投入大 量资 金和人力，开始大规模地进行道路交通运输智能化的研究试验。 美国联邦政府从1 9 9 0 年到1 9 9 7 年用于i t s 研究开发的年度预算总计为1 2 . 9 3 5 亿美元;欧盟从 1 9 8 4年到 1 9 9 8年仅用于 i t s 共同研究开发项日的预算就达 2 8 0 亿欧洲货币单位;日 本政府仅 1 9 9 6年和 1 9 9 7 年用于 i t s 研究开发的预算为 1 6 1 亿日 元， 用于工 t s 实用化和基础设施建设的预算为1 , 2 8 5 亿日 元。 在美国，i t s应用发展较快的几个方面分别是，车辆安全系统 ( 占 5 1 % ) ，电 子收费 ( 占3 7 % ) ，公路及车辆管理系统 ( 占2 8 % ) ，实时自 动定位系统 ( 占2 0 % ) , 商业车辆管理系统 ( 占1 4 % ) . 欧洲在 i t s应用方面的进展，介于日 本和美国之间。由于欧洲各国政府的分 散 投资 和各国的工 t s需 求不 一 致， 在整 个欧 洲建立 统一的 交通信息 服务系 统困 难 重重。然而在开发先进的旅行信息系 ( a t i s ) ，先进的车辆控制系统 ( a v c s ) ，先 进的商业车辆运行系统 ( a c v o ) ，先进的电子收费系统方面，前景 于 ， 分诱人。 上述体现的是正在欧洲开展的 d e l t a计划，在汽车出厂之前，车载信标已 经 被集成在车载计算机中，成为车辆识别和同路边设备进行通讯的车辆必选器件， 信标的电源直接由汽车供应。 日本政府在 i t s领域进行了大量的资金、政策等方面的投入，以 期形成 i t s 产业推动日 本经济发展。在过去的 5 - 6 年的时间里，已 经有近 4 0 0 万套车内 导航 系统在市场上应用。日 本的 i t s应用主要是在交通信息提供:电子收费;公共交 通;商业车辆管理以及紧急车辆优先等方面。 除了欧、美、日以 外， 新兴的工业国家和发展中国家也开始 i t s的全面开发 和研究，如韩国由 建设交通部牵头制定了全面的 i t s框架结构和发展计划，新加 坡己 经在全国开始推行不停车电子收费。世界各国纷纷开展 i t s的研究和开发. 除了解决交通问 题的原因之外，另一个重要的出发点则是 工 t s将成为继军事应用 之后高新技术最大的应用市场。这就不难解释为什么发达国家在 工 t s领域投入如 此巨大的人力和财力。 在我国，智能交通系统是近几年发展起来的，由于是新兴的，因此它还没有 被传统的交通行业广泛接受，目 前主要行业和城市在进行规划时还没有将智能交 通系统作为规划的一部分， 相当多的城市和行业只是将其列入科技发展的内容之 总之，我们不应该将智能交通系统看得过于神秘和遥远，但我们也不要将其 看得过于简单。智能交通必将对交通运行的形态和管理模式产生深远的影响，只 有把握好今天， 努力推广智能交通系统的应用，我们才能享受安全、舒适和快捷 的交通。 基于高速 d s p 牌照识别器的设训 1 . 2本文研究的背景 从 2 0 世纪 9 0 年代， 人们就开始了对汽车牌照自 动识别的研究，其主要途径 是采用计 算机图象处理技术对车牌的图象进行分析，自 动提取车牌信息，确定汽 车牌号。在车牌识别过程中，有人使用模糊数学理论判别车牌在图象中的位置和 字符， 也有用神经网络的算法识别车牌中的字符。目 前车牌识别的理论己 经成熟， 离线算法识别率己 经达到很高的水平。数字识别率己) 9 9 %. 国 外的已 成功应用到实际中工程去， 例如: 以 色列z a m i r r e c o g n i t i o n s y s t e m s l t d 公司， l p r 的识别引擎可以自 学习识别不同国家的 汽车牌照， 加拿大4 0 7 高 速公路不停车收费系统。国内的，例如太旧高速公路将逐步实现全自 动不停车收 费方式。 l p r有着广泛的应用。例如: 1 )用于高速公路收费管理: - - e车牌自 动识别技术到了 实用阶段. 它可以首 先推广应用到高速公路收费管理。已 可以使高速公路行驶的车辆不必停车而实现 收费管理。 2 )用于城市交通车辆管理: 车牌自 动识别技术还可以 将该车的外貌、 颜色等 参数结合起来使用， 尤其可以使用于城市机动车辆的档案管理工作、 特殊的交通 管理t作。 基于d s p 的 牌照识别器， 由 于体积小， 功耗低， 速度快， 很容易嵌入到i t s 系 统中。在客户服务，不停车缴费，交通数据统计。交通安全，投资回报等方面都 有很大的受益。 1 . 3本文研究的内容 本文研究的内 容分为2 部分。 第一， 采用t i 公司的高速定点d s p t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 设计 一个实时嵌入式专用的l p r 硬件系统 ( 见图1 . 1 阴影部分) .在此基础上，我 们采用嵌入式互联网技术， 使用u b i c o m 公司的嵌入式网络处理器完成了l p r 的以 太网连接。 1 . 3 . 1 汽车牌照识别技术的硬件研究 月 前，国内外汽车牌照识别技术主要采用软件方式及软硬结合方式两种技术 方案。 所谓软件方式，就是识别软件对普通的车辆图象进行牌照进行牌丽识别，它 的最大特点就是成本低，通用性好。 所谓软硬结合方式，就是通过专用的图象抓拍设备获取一幅适合计算机识别 的高质量汽车图象，然后用软硬结合的方式对所获取的专用图象进行牌照识别， 它的最大特点就是识别率高， 速度快，能全天候工作。 要想提高牌照识别率， 必须根据牌照识别的独特性， 从3 个方面进行若手: ( 1 ) 图象本身必须清晰，( 2 ) 适合抓拍运动图象的设备，( 3 )合适的环境光线。软硬 结合的牌照识别技术方案就是根据这3 个方面进行确定的。 是一个集成像、光源、 识别二位一体的完整方案。虽然软件方式也能完成牌照识别的功能，但识别率受 成像质量、环境光线影响太大，这就是软件方式的识别串为什么达到一定水平总 第 i 章绪论 是提不高的根本原因 正是这个问题，促使我们要研究新的 l p r专用硬件系统。在分析了牌照识别 算法的复杂性， d s p实现上的可能性后，我们采用了 t i的高速定点 d s p t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 来完成该硬件系统设d。 1 . 3 . 2牌照识别器的以 太网连接 作为一个嵌入式设备， l p r 与i t s 系统的 其他设备连接也是一个关键问 题。 随 着互联网的应用日 益普及， 信息共享的 程度不断提高。 如何通过互联网共亨以m c u 应用系统为中心的小型嵌入式设备的信息，成为当今电子界的热门话题。传统的 互联网应用是以p c为中心， 如今，互联网 应用正在转到以嵌入式设备为中 心。 i a ( i n t e r n e t a p p l i a n c e ) 概念现在较为流行， 这表明 互联网 应用进入嵌入式互联 网的时代己 经来临。 据网 络专家预测， 将来在互联网 上传输的信息中. 有7 0 % 的信 息是来自小型嵌入式系统。 利用 m c u 实现嵌入式互联网方案的技术难点是:如何利用 m c u 本身有限的资 源对信息进行 t c p / i p 协议处理，使之变成可以在互联网上传输的 i p数据包。日 前解决这个问题有两种方案: 一种是p c 网关+专用网; 另一种是3 2 位m c u 十r t o s d p c网关十专用网方案是采用专用网 络 ( 如r s 2 3 2 , r s 4 8 5 , c a n b u s 等)把一小批 m c u 连接在一起， 然后再将专用网络接到一台p c 上。 这台p c 起网关的作用， 将专 用网络上的信息转换为t c p / i p 协议数据包，然后发到网上实现信息共亨。 这个方 案可以连接多种 m c u ，但存在以下缺点:它依赖 p c 机作为网关进行协议转换，在 多个m c u 系统分散的情况下， 专用网络布线极为不便:需要在p c 机上安装专门的 协议转换软件， 而这些软件通常是由第三方软件商提供， 费用较高. 3 2 位m c u 十 r t o s 方案是采用3 2 位高档m c u ， 在r t o s( 实时多任务操作系统) 的平台上进行软件开 发，在嵌入式系统中实现t c p / i p 的协议处理。由于采用高档m c u ， 这个方案可以 完成很多复杂的功能。.l 的缺点是:高档 m c u价格较高，开发周期较长;并需要 购买昂贵的r t o s 开发软件，对开发人员的开发能力要求较高。 鉴于上述两种方案的缺点，我们采用了另外一种m c u十虚拟软件包的方案， 它采用u b i c o m 公司的1 6 位超高 速m c u ( i p 2 0 2 2 )实现互联网接入功能， 每秒运 行数据能力达 1 亿次。由于i p 2 0 2 2 的速度极高，能够实现实时多任务操作， 可以 在 m c u执行数据采集和控制功能的同时把数据打包并传送到互联网上.这个方案 的优点是: 用 1 6 位微控制器通过 工 s p 接入互联网，不需要使用p c 机或高档m c u : 外围器件少， 系统成本低; 由 于u b i c o m 公司免费提供用于互联网处理的软件模块， 可以大幅度地缩短开发周期并降低开发成本. i p 2 0 2 2 属r i s c 结构， 芯片上有f l a s h 程序存储器，可以 在安装到系统中后进行编程和调试。由于采用 c p u并行流水作 业的方式， 执行一条指令只需要一个时钟周期，工作在1 0 0 m h z 时执行指令的速度 可以达到 l 0 0 m i p s . 所有 i / 0可以通过编程灵活地配置因此，i p 2 0 2 2可以轻松 地实现虚拟外设的功能。 c p u 通过执行虚拟软件模块直接驱动普通 i / 0口实现硬 件外设 功能 ( 如d a r t , i 2 c , s p i 等) 。 最引人注目 的是。i p 2 0 2 2 可以 运行流行的 互联网协议栈，如 h t t p , s m t p , p o p 3 , t c p , u d p , i c m p , i p 及 p p p i在外接 一个以太网控制芯片的 情况下还可以实现互联网 ( i e e e 8 0 2 . 3 ) 协议处理， 使该m e 系统可以直接通过 r j 4 5 连到以太网上。 第2 章 l p r硬件系统设计7 第2 章l p r 硬件系统设计 本章主要使用t i 公司的高速定点d s p ( t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 ) 实现了 牌照识别器的硬 件系统的设计。 的设1 - i p 2 0 2 2 主要从 3 个方面对该硬件系统进行详细的说明 通讯接口电路的设计以及 l p r 的逻辑控制电路 ，即 d s p外围电路 2 . 1基于d s p 的l p r 硬件系统结构 2 . 1 . 1 硬件框图 八n陀 ， 一 卜 招 滥匕 龙 器于 坟 “. 呀 导 份 ， 兰 . .比t一 以太网接 网络处理翻 i s n 接 i i 鲜 握 ra s h 依州 盼认石_一一 二至云于 iz s 2 x 2 $ t (.心草 粼 二 言.月 .沙缅 1 取 “、 - - 一 .a 二 一 一 少一一花 a s- - - - - 二 不 三石 不. c n h u n c c j v it ro二 或 二: 篇或立 r o u t p - e a wr - _ a s 二 - - - -址二 : 夏 尸 -卜一. 朋 - 仁卜 州 丰 ， 呼 弓 坦 即， .书 一 月 - 臼护 曲 晚 . 一一 令 弓. “ 即组 它 + 一一 崔 竺 言 竿全 位 几 裘薄 二 乙 七韶或 二 仕 欲士二 f p o控附逻粗 荟i一 歹岌二 l 劝 封 二 r 卜山l we es 司 es . 传 弓路 - 侣 义。 肠 十， . _ ， ，. t j， 5 暇 八 且 图2 . 1 牌照识别 器功能 框图 2 . 1 . 2工作流程 牌照识别器功能框图如图2 . 1 所示。 框图中其它的芯片为: d s p 采用t 工 的 定点处理器 t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 ，完全满足实时处理的要求。视频处理器为 p h i l i p s的 s a a 7 1 1 1 a , c p l d 使 用a l t e r a 的e p i k 3 0 0 议， f l a s h 为s s t 的s s t 3 9 l v o 1 6 , s d r a m 为i c s i 的i s 4 2 s 1 6 4 0 0 。 电 源采 用凌特的低压差l d o 芯片， l t 1 0 8 4 ，与l t 1 7 6 4 , 下面简要介绍一下牌照识别器的工作流程.系统上电，i p 2 0 2 2复位井进行网 络操作系 统初 始化工作。 初始化完成后， 工 p 2 0 2 2 取得对f l a s h 操作的总 线控制权， 开始读取f l a s h 中的c p l d 程序配置逻辑电路。 c p l d电 路配置完成后，i p 2 0 2 2向 c p l d中的控制寄存器的 相应控制位写一跳变脉冲来复位d s p ，并释放对f l a s h的 操作控制权。 i p 2 0 2 2 开始等待d s p 启动的完成。 d s p 的启动. d s p 的r e s e t 脚连接到c p l d 中控制寄存器中的对应控制位。d s p 基于高 速d s p 牌照识别器的设计 通过c p l d 控制逻辑以d m a 方式从f l a s h 中读取6 4 k 字节的程序。 这6 4 k 程序中的 引导程序负责把余下的d s p程序调度到s d r a m中。程序调度完成后，d s p释放对 f l a s h 的总线控制权.并通知 i p 2 0 2 2自己启动完成。 d s p进入正常工作状态， 通 过i 2 c 总线设置s a a 7 1 1 1 a ， 然后循环检查c p l d 控制寄存器的 状态位以等待汽车的 到来。 i p 2 0 2 2 等到d s p 启动完成后， 重新取得对f l a s h 的控制 权， 进入轮询状态监 听以 太网和u a r t口。 此时， 远程主机可以 通过以太网口 对系统进行调试， 更新d s p 或c p l d 程序。 当汽车到来时，线圈便会触发，c p l d中的 控制寄存器中的相应状态位发生变 化。 d s p 检测到该变化时便向 摄像机发送抓图命令. 摄像机输出的视频信号通过视 频处理器a / d 变换后， 形成数字视频信号， 通过c p l d 逻辑传输到d s p 的s d r a m 中。 d s p 开始执行牌照识别算法。 所识别的 牌照号可通过串口 或网口 传送到主机， 而抓 拍的图象经过j p e g 压缩后也可通过以太网 传输到远程主机. 2 . 2 t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 电 路设计 2 . 2 . 1 t m s 3 2 0 c 6 2 0 4 介绍 c 6 2 x x系列是美国 t i公司于 1 9 9 7年推出的定点 d s p芯片.该系列目前有 c 6 2 0 1 , c 6 2 0 2 , c 6 2 1 1 , c 6 2 0 3 , c 6 2 0 4.c 6 2 0 5六个片种。下面主要介绍 c 6 2 0 4 的结构特点。 c 6 2 0 4 片内 有8 个并行处 理单元， 分为相同的 两组。 其体系结构采用甚长指令 字( v l 工 w ) 结构。 单指令字长为3 2 b 针， 8 个指令组成一个指令包， 总字长为2 5 6 b i t e 片内 设置了 专门得指令配置模块，可以 将 2 5 6 b i t s 的指令包同时分配到8 个处理 单 元， 并由8 个 单 元同 时 运 行. 通过片内 的p l l 将 输入时 钟 倍频， 芯片 最高时 钟 频率可达到2 0 0 m h z 。 这样，其最大处理能力可达1 6 0 0 m i p s . c 6 2 0 4 的8 个独立的 处理单元中， 包括2 个l 6 b i t 的 乘法器和6 个算术逻辑单 元。 它采用加载/ 存储结构， 数据在多处理单元之间的 传递依靠3 2 个3 2 b i t 的通 用寄存器。 c 6 2 0 4 的指令集可以 进行字节寻址， 获得8 b i t / 1 6 b i t , 3 2 6 i t 数据，因此存储 器可以 得 到充 分的利 用。 指 令 集中 有位操作 指令， 包 括b i t 域抽取、设 里、 清除 以 及b i t 计数、归 一化 等. 所有的 指令都是 条 件执行 指 令， 可以 根 据某种条件决 定是否执行。 c 6 2 0 4 的寻址空间为3 2 b i t ， 其中芯片内部集成了1 2 8 k b y t e s 的s r a m .它分 为2 块: 6 4 k b y t e s 的 程 序 / c a c h e 存 储 器与6 4 k b y t e s 的 数 据存 储器。 3 2 b i t 外部 存 储器 接口( e m i f ) 包 括 直接同 步存储 器接口 ， 可与同 步 动态存 储器 ( s d r a m ) , 同 步 突 发 静 态 存 储 器( s b s r a m ) 连 接 主 要 用 于 大 容 举 ， .% ; 1= 存 储器接口 ， 可与静态存 储器 ( s r a m ) 、只 读存 储器 小容盘数据存储和程序存储;还有直接外部控制器接口， ( f 工 阳) 连接，这是控制接口 线最少的方式. 离速存储;还包括直接 ( r o m ) 连接，主要用于 可与先进先出存储器 c 6 2 0 4 其他的 模块包括: 4 通道自 加载d m a 协处理得. 可用于数据的d m a 传输: 3 2 b i t 的 扩展总线接口， 支持与异步 外设、 异步同 步f i f o , p c i 桥以 及外部主控处 理 器的 接口 : 锁相环路时 钟产生 器 ( x 1 . x 4 ) 可以 对物入时 钟进行不同的 倍频处 第2 章l p r硬件系统设计 理 万 干 。 c 6 2 0 4 内 部还有i e e e 1 1 4 9 . i 标准边界 扫描仿真器， 可用于芯片的自 检和开发。 为了获得好的高频电气性能，芯片采用b g a 封装，使用0 . 1 5 u m 工艺， 使得芯片尺 寸变小，3 4 0 - p i n g l w 的芯片为 1 8 m m x l 8 m m ，而2 8 8 - p i n g h k 的芯片仅为 1 6 m m 见 方 川。 c 6 2 x x 的程序开发也非常方便。 使用c c s 可以 快速方便的开发出d s p 程序。 优 化的c程序效率可达到汇编程序的 8 0 % 。如何使用该集成开发环境开发 d s p 程序 已 超出本文的范围了。详细资料见参考文献 4 , 5 , 6 , 1 2 , 1 3 1 , 2 . 2 . 2 d s p 与s d r 胡接口电路 s d r a m 是同步动态r a m 的缩写。 动态存储器中同 步技术的出现， 使得读写速度 从以往的6 0 n s - 7 0 n s 提升到了目 前fi n s -i n s ，提高了 将近 1 0 倍。在图象处理等 需要大容量存储器的应用场合，s d r a m 可以提供非常高的性价比。c 6 0 0 0系列 d s p 的e m i e 提供了对s d r a m 的直接支持。 c 6 2 0 4 支持的s d r a m 类型， 有完全兼容和强制兼容2 种类型。 完全兼容指的是 p r e c h a r g e 管脚对应为a 1 0的s d r a m .强制兼容指的是 4 m b i t 的s d r a m以 及部分 s g r a m 。 表2 . 1 具体给出7 c 6 0 0 0 系列d s p 所完全兼容的s d r a m 类型。我们在这个 电路中使用了i c s i 的6 4 m b i t , 4 b a n k 的完全兼容型s d r a m i s 4 2 s 1 6 4 0 0 ，可以实现 与c 6 2 0 4 的无缝接口 【 1. 7.4 。图2 . 2 给出了s d r a m 与c 6 2 0 4 的接口示意图。 1 ) s d r a m 的 接口 信号与控制寄存器 在控制寄存器方面，c 6 2 0 4的 e m i f提供了额外的 2个控制寄存器:c o n t r o l r e g i s t e r 和t i m i n g r e g i s t e r 。与s d r a m 有关的 其他控制寄存器为: 全局控制寄 存器和空间控制寄存器2 个。 c o n t r o l r e g i s t e r 控制所有被配置为s d r a m空间的存储器时序参数，如果用 户将多个空间都配置为 s d r a m空间，各个空间所用器件的参数应当一致。 t i m i n g r e g i s t e r 则是用来进行刷新定时控制，在p e r i o d 字段中设置s d r a m 的刷新周期。 表2 . 1 c 6 0 0 0 支持的s d r a m 类型 s d r a m 容量 ( m b i t ) s d r a m b a n k s d r a m 宽度 ( b i t ) 每个c e 空间需要的 片数 每个c e 空间总的存储 量 ( m b y t e s ) 1 621 624 1 62848 6 441 621 6 基于高速d s p 牌照识别器的设计 图2 . 2 s d r a m 与c 6 2 d 4 的接口示愈图 2 ) s d r a m 的控制 表2 . 2 给出了e m i f 支持的s d r a m 控制命令 表2 . 2 s d r a m 控制 命令 命令功能 oc a b d e a c t i v e ， 关闭 存储体，也称为p r e - c h a r g e a c t v 激活所选的存储体 ( h a n k ) ， 井选择存储体的某一行 r e a d 输入 起始的 行 地址， 开 始 读 操作_ w r t 输 入 起 始 的 列 地 址， 开 始 写 操 作 m r s 设 置s d r a m 模式寄 存 器 r e f r r e f r e s h , 使 用内 部 地址自 动 进行 周期 性刷新 初始化s d r a m 当 某一个c e 空间配置为s d r a m 空间后， 必须首先进行初始化。 用户不需 要控 制初始化的每一步骤，只需要向e m i f 的 s d r a m 控制寄存器的 i n i t 位写入 1 ，申 请对s d r a m 做初始化， 然后e m i f 会自 动完成所需要的各部操作。初始化不能在进 行s d r a m 存取的过程中进行。 整个初始化过程分3 个步蕊， 首先， 对所有的s d r a m 空间发出d c a b 命令， 接着执行3 歌r e f r 命令， 最后对所有的.d r a m 空间发出m r s 命令。 s d r a m 页面 边界 控制 s d r a m 属于分页存储器， e m i f s d r a m 控制寄存器会检测访问s d r a m 时行 ( r o w ) 第2章l p r硬件系统设计 地址的情况， 避免访问时发生行越界。为了 完成这一任务，e m i f自 动保存当前打 开的页的地址，然后与以后存取的地址进行比较。这种存储与比较对于每一个 c e 空间都是互相独立的。 进行比 较的地址位数取决于e m i f s d r a m 控制寄存器中s d w i d 位的设置。如果 s d w i d = o ， 即该c e 空间由4 个s b i t 宽度s d r a m 构成， 页面大小为5 1 2 ， 比较的逻 辑地址是b i t 2 5 : 1 1 。 如果s d w i d =1 ， 即该c e 空f , 由2 个 l 6 b i t 宽度s d r a m 构成， 页面大小为2 5 6 ，比较的逻辑地址是b i t 2 5 : 1 0 . 一旦发现存取访问发生了越界， e m i f 会自 动执行d c a b 操作， 然后在开始执行 新的行的访问。 需要说明的是，当前存取操作的结束并不会引 起 s d r a m中己 经激 活的行被立即关闭， e m i f的控制原则是维持当前激活行的打开状态，除非必须要 关闭。这样做的好处是，可以减少d e a c t i v e -r e a c t i v e 间的切换时间，使得接口 在存储器访问的控制过程中，可以充分利用地址信息。 d 刷新s d r a m 由r f e n 位控制是否由e m i f 完成 s d r a m的刷新。如果 r f e n =1 , e m i f 会控制 向所有的s d r a m 空间发出刷新命令 ( r e f r ) o r j r c lo c k t i 一 、i -丫一一 一 j -、 一 一 一 j 一 - 、 一 一 一 j一、 一 一 一 j 翻 万一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ， - - - - - - j es 一 - gm 可 口 目. 目目 目目 目圈目目目曲 e a ( 1 5 2 j 口口口姗.目.口口困口翻觅 .口日 sd ai o 图2 . 3 s d r a m 刷新命令 在r e f r 命令之前，会自 动插入一个d c a b 命令，以 保证刷新过程中所有选通 s d r a m 都处于未激活状态。 d c a b 命令之后， e m i f 会按照p e r i o d 位设置的周期值进 行定时刷新。 刷新前后，页面信息会变为无效，因此刷新周期后的第一次存取访 问 都 会 产 生 页 面 丢 失( p a g e m i s s ) . e m i f s d r a m 控制模块内 部还有一个2 b i t 的计数器， 用来检测提交的刷新申请 的次数。 每提交一次申 请，计数器加 1 ，每次刷新周期之后，计数器减 工 。在复位 时，计数器自 动置为 1 1 ，以保证在存取之前先进行若干次刷新。 计数器的值为 1 1 时，表明紧急刷新状态，此时页信息寄存器将变为无效，迫 使 控制器关闭当 前的s d r a m 页面。 然后e m i r s d r a m 控制器 在d c a b 命令后执行3 次r e f r 命令， 使计 数器的 值减为0 ， 在继续完成 余下的存取操作。上 述操作将会 基于高速d s p 牌照识别器的设计 对所有配置为s d r a m的存储空间同时进行 设置s d r a m 模式寄存器 模式寄存器位于外部的 s d r a m存储器中，控制有关的操作参数。在 d s p正常 读写s d r a m 之前， e m i f 必须先通过初始化s d r a m 来设置该寄存器。 与d c a b 和r e f r 命令一样， m r s 命令会同时发给所有配置为s d r a m的c e 空间。 m r s 命令之后， i n i t 位立即被清零，以免给产生多个m r s 周期。 e m i f 在m r s 命令中自 动送入一个固定 的值0 x 0 0 3 0( 用户不可控制) 。 意义如表2 . 3 所示。 表中同时给出了模式寄存器各 个位与e m i f 管脚、 控制意义的映 射关系。 表2 . 3 s d r a m模式寄存器的值 m o d e r e g i s t e r b i t 1 31 21 11 098 76543210 e m i f管 脚位 e a 1 5 e a 1 4 e a 1 3 e a 1 2 保留 e a i i w r i t e b u r s t l e n g t h 队 1 0 e a 9 保留 e a 8 e a 7 r e a d l a t e n c y e 六 6e 八 5 s / i e m e a 3 e a 2 值 。 。一 。 0 。 0。 1 1 0 。 。 。 c lo