（通信与信息系统专业论文）基于pci总线的图像辅助测试系统硬件设计与实现.pdf

哈尔滨1 ：程大学硕士学何论文 摘要 图像辅助测试技术随着电子技术、图像处理技术和计算机技术的进步得 到了迅速发展，并广泛应用在空间技术、遥感技术、医学诊断、工业生产等 国民经济的众多领域。本论文研究的图像辅助测试系统是将图像辅助测试技 术应用于玻璃制品在线检测的系统，在对玻璃瓶的检测中利用图像处理的方 法测试其垂直度偏差。本课题的研究对于将图像辅助测试技术应用于玻璃制 品等工业产品的在线检测具有较大的推动作用。 在本论文中，首先介绍了图像辅助测试系统的发展状况、系统组成，并 指出图像数据的正确获取、图像处理能力和数据传输速度是实现图像辅助测 试系统的关键技术点。分析了高速数字信号处理器和p c i 总线的发展现状， 在本设计中选用t i 公司生产的d s p 芯片来完成数字图像的实时处理，采用 p c i 总线接口解决数据的高速传输问题。 其次，完成了系统硬件电路的设计与调试。给出了系统硬件电路的总体 设计方案。使用视频a ds a a 7 1 l l a 完成视频信号采集模块的设计；利用 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 ad s p 芯片实现数字图像处理模块的硬件电路设计；选用p c i 总线专用接口芯片p c i 9 0 5 4 完成p c i 总线接口电路开发；设计了由两片大容 量存储器组成的乒乓存储结构，解决了大量视频数据的缓冲问题。构建了系 统视频数据采集、实时图像处理和高速数据传输的硬件平台。 最后，针对硬件电路功能完成各个模块的软件设计。主要包括f p g a 中 的v h d l 逻辑设计和d s p 中软件设计。使用w i n d o w sx pd d k 在v i s u a l c + + 6 0 环境下完成p c i 驱动程序的开发，实现了设备的创建、启动、停止、 删除和数据的读写操作功能。并在v i s u a lc 斗斗6 o 环境下完成了测试应用程序的 编写，对系统的视频数据采集、传输功能进行了验证，实现了数据的高速传输。 测试结果证明，本论文设计的图像辅助测试系统硬件电路工作稳定，开 发的p c i 设备驱动程序运行可靠，图像的处理能力和数据传输速度均达到了 设计要求。 关键词：图像辅助测试；d s p ：p c i 总线；驱动程序模型 a b s t r a c t i m a g ea i d e dt e s t i n gh a sd e v e l o p e dr a p i d l ys i n c eg r e a ta d v a n c e si ne l e c t r o n t e c h n i q u e ，i m a g ep r o c e s s i n g a n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , a n di sw i d e l yu s e di n s p a c et e c h n o l o g y , r e m o t es e n s i n gt e c h n i q u e ，m e d i c a ld i a g n o s i sa n dm a n u f a c t u r i n g p r o d u c t i o na sw e l la sm a n yn m i o n a le c o n o m ya r e a s t h et r e a t i s ed e a l sw i t ht h e i m a g ea i d e dt e s t i n gs y s t e mw h i c ha p p l i e st h ei m a g ea i d e dt e s t i n gt e c h n o l o g yt o g l a s sw a r e so n 1 i n ed e t e c t i n gs y s t e m ，w h e r eat e s t o fp e r p e n d i c u l a r i t yd e v i m i o n f o rag l a s sb o t t l ei sm a d eb ya ni m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d t h ei n v e s t i g a t i o n m e n t i o n e da b o v ew i l lg i v ea l le n o r m o u si m p e t u st ot h eo n l i n gm e a s u r e m e n to f i n d u s t r i a lp r o d u c t ss u c ha sg l a s sw a r e se t c f i r s t l y , t h i st r e a t i s ei n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ft h ei m a g ea i d e d t e s t i n gs y s t e ma n di t sc o m p o s i t i o n ，p o i n t i n go u ti m a g ed a t ac o r r e c ta c q u i s i t i o n , i m a g ep r o c e s s i n ga n dd a t at r a n s m i s s i o nb a u d sa sak e y t or e a l i z a t i o no ft h es y s t e m ， a n a l y z i n gt h es t a t u sq u oo fh i g hs p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ra n dp c i b u s i nt h e d e s i g n ，d s pc h i pp r o d u c e db yt ic o r p o r a t i o nw a s s e l e c t e dt of i n i s ht h ed i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n gi nr e a l t i m e ，u t i l i z i n gp c ib u si n t e r f a c e f o rt h es o l u t i o no fa p r o b l e mo fh i g h - s p e e dd a t at r a n s f e r s e c o n d l y , t h ed e s i g na n dd e b u g g i n go fs y s t e mh a r d w a r ec i r c u i t h a v eb e e n a c c o m p l i s h e d ，a n dt h eo v e r a l ld e s i g ns c h e m eh a sb e e nm a d e ，w h e r ea v i d e oa d s a a 7111aw a su s e dt of i n i s ht h ed e s i g no f v i d e os i g n a lc a p t u r em o d u l e ，u t i l i z i n g ac h i pt m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 ad s pt oc o m p l e t et h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i to f d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gm o d u l e ，s e l e c t i n gp c i b u ss p e c i f i ci n t e r f a c ec h i p p c i 9 0 5 4t oa c h i e v et h ed e v e l o p m e n to fp c ib u si n t e r f a c ec i r c u i t ，d e s i g n i n ga p i n g p o n gm e m o r yw i t ht w ol a r g ec a p a c i t ys t o r a g e u n i t st oh a v es o l v e dn u m e r o u s p r o b l e m so f v i d e od a t ab u f f e r , c r e a t i n gah a r d w a r ep l a t f o r mf o rs y s t e mv i d e od a t a c o l l e c t i o na n di m a g ep r o c e s s i n gi nr e a l - t i m ea sw e l la sh i g h s p e e dd a t at r a n s f e r f i n a l l y , as o f t w a r ed e s i g no fe v e r ym o d u l eh a sb e e nm a d e i nc o n n e c t i o nw i t h s o m ef u n c t i o n so ft h eh a r d w a r ec i r c u i t s ，i n c l u d i n gv h d ll o g i c a ld e s i g ni nf p g a 哈尔滨t 程大学硕十学伉论文 a n ds o t t w a r ed e s i g ni nd s ew i n d o w sx pd d ka tv i s u a lc + + 6 0b a c k g r o u n dw a s a p p l i e dt of i n i s ht h ed e v e l o p m e n to fp c id r i v e r , r e a l i z i n gd e v i c ec r e a t i o n ，s t a r t ， s t o pa n dd e l e t i o na sw e l la sd a t ar e a d - w r i t eo p e r a t i o n at e s ta p p l i c a t i o np r o g r a m h a sa l s ob e e nw r i r e na tv i s u a lc h 6 0b a c k g r o u n da n ds y s t e mv i d e od a t a c o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o nf u n c t i o nw e r ei n s p e c t e da n dv e r i f i e dt oh a v er e a l i z e d h i g h s p e e dd a t at r a n s f e r t h et e s tr e s u l tp r o v e st h a tt h eh a r d w a r ec i r c u i to fi m a g ea i d e dt e s t i n gs y s t e m d i s c u s s e di nt h et r e a t i s eh a saw o r k i n gs t a b i l i t ya n dt h ed e v e l o p e dd e v i c ed r i v e ra n o p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t y , a n di m a g ep r o c e s s i n gc a p a c i t ya n dd a t at r a n s m i s s i o nb a u d s h a v ea l lr e a c h e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：i m a g ea i d e dt e s t i n g ；d s p ；p c ib u s ；w i n d o w sd r i v e rm o d e l 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。除文中已注明引用的内容外， 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c ：殛訇霹 日期： 伽矿多年月岁日 哈尔滨1 ：程人学硕+ 学 ! 7 ：论文 第1 章绪论 1 1 论文研究的目的和意义 图像辅助测试是一门新兴的技术学科。目前，世界各国己研制出很多图 像辅助测试系统，并开始实际应用于国民经济的各个部门，如空间技术、遥 感技术、医学诊断、工业生产、金相分析和交通运输掣。特别是近些年来， 由于生产自动化程度越来越高，产品数量急剧增加，对生产线的自动监视和 产品质量自动测试要求亦越来越高。在很多情况下，用传统的设备或人工的 方法已不能满足现代化生产的要求。因而图像辅助测试技术在工业中的应用 也迅速发展起来，其发展之迅速，应用之广泛，已引起世界各国的极大关注。 图像辅助检测应用于工业产品的在线检测中，具有测试速度快、精度高、漏 检率及废品率低和测试可靠性高的优点，同时相对于传统的人工测试，减轻 了检验员的劳动强度，改善了劳动条件，且可以在不良环境中完成测试。 本论文研究的图像辅助测试系统是将图像辅助测试技术应用于玻璃制品 在线检测的系统，在玻璃瓶的检测中利用图像处理的方法测试其垂直度偏差。 玻璃瓶生产特点是流水线生产，产品数量大，特别是随着生产技术的提高， 其生产速度越来越快，如何控制最终产品质量，使漏检率趋于零，提供给客 户合格的产品，是国内玻璃瓶生产厂家面临的普遍难题。 目前，对玻璃瓶的垂直度偏差的检测方法归纳为三种。第一种，传统的 人工检测方法。目前国内玻璃瓶生产厂家普遍还是采用这种方法，应用此方 法，检测员劳动强度大，对检测员的经验和熟练度有依赖性，且受人眼分辨 能力和容易疲劳等主客观因素的影响，导致漏检率高、测试可靠性差，无法 保质保量的完成生产任务。第二种，利用机械装置与玻璃制品直接接触进行 检测的方法。这种方法虽然在测试质量上有所提高，但测试速度尚不能满足 生产的需要，同时还存在检测设备造价高、灵活性差的缺点。第三种，基于 图像辅助测试技术的检测方法，亦即使用本文所研究的图像辅助测试系统的 方法。随着图像处理技术、计算机软件、硬件的发展，图像处理速度的提高 以及各种相关理论的完善，使得这一方法变得切实可行，并且按此方法制造 的检测设备具有造价低、灵活性高、易于调试和对工作环境要求低等优点。 哈尔滨丁稃人学硕十学何论文 特别是专用的数字信号处理芯片d s p 的出现，使得这一检测方法的实时处理 能力大大地提高，也加快了产品的市场化。因此，本课题的研究对于玻璃瓶 垂直度偏差检测具有重要的经济和技术意义，同时对于将图像辅助测试技术 应用于玻璃制品等工业产品的在线检测具有较大的推动作用。 1 2 图像辅助测试系统的发展和技术分析 图像辅助测试系统从宏观上属于工业视觉检测系统的一种。它是利用视 觉手段获取被测物体图像并与预先已知标准进行比较，从而确定被测物体的 质量状况，实现测试目标。随着电子技术、图像处理技术和计算机技术的发 展，图像辅助测试技术也随之得到了飞速发展，并在电子工业、钢铁工业、 机械工业、纺织工业和譬如玻璃、陶瓷和食品加工业等众多领域得到了广泛 应用。据统计，在美国需要视觉检测的生产系统中，已至少有9 0 被图像辅 助测试系统所取代。 图像辅助测试系统的最初发展，大约始于上个世纪7 0 年代。在美国最初 的图像辅助测试系统，采用了有3 2 k 字节存储器的d e c l i s - - 1 1 计算机和有 1 2 8 x 1 2 8 像素的c c d 摄像机。1 9 7 3 年，美国自然科学基金会( n f s ) n 定了 1 9 7 3 - - 1 9 8 2 期间发展视觉测试系统和机器人的计划，并在斯坦福、普度等大 学率先展开研究。在日本，同期也展开了研究，并成功的将图像辅助测试系 统用于印刷电路板的质量检测。据统计：1 9 8 2 年，在美国共安装6 3 0 1 套辅 助测试系统，在日本则更多。到1 9 9 0 美国安装数超过1 0 万套，而日本超过 了5 5 7 万套。在市场售销金额方面，在美国1 9 8 4 年达6 亿美元，到1 9 9 4 年 达1 2 亿美元。总之，在工业发达国家，图像辅助测试系统得到迅速的发展， 使之成为工业集成制造系统的重要组成部分之一。此类系统在美国许多大公 司处处可见，如：a t s l t 公司，通用汽车公司，德州仪器公司，3 m 公司等b “”。 但在我国该项技术发展相对较晚，所以图像辅助测试系统也相对落后于 工业发达国家。目前国内已有多个单位开展这方面的课题研究，但其研究对 象多为静止图像，而非实时检测的动态图像。因此我国自主研发的图像辅助 测试系统无论在测试精度、测试速度和稳定性等方面与国外同类系统相比还 存在较大的差距。国内使用的图像辅助测试系统尤其是高性能测试系统还是 以进口为主。因此开发图像辅助测试系统对于推动我国工业在线测试技术的 2 哈尔滨丁：稗入学硕十学何论文 发展具有重要的现实意义。 图像辅助测试系统以图像处理理论为基础，但区别于普通的图像处理， 其重点不在于图像处理的理论方法，而在于图像处理实现技术，在于工业应 用环境的特殊要求。对于典型的图像辅助测试系统，在线工作于生产流水线 中；被测物体是运动的，因而图像获取必须与之同步，被测物体处于杂乱背 景中，必须将其提取出来；检测结果必须及时报告或通讯给其它执行系统。 这就决定了图像辅助测试系统包括光源、图像获取、图像处理、图像分析、 主控计算机、与生产线的同步以及检测结果的输出等诸多子系统。 图像辅助测试系统的一个最重要问题是图像的处理能力和速度。在典型 的图像辅助测试系统中，图像处理应当完成抑制无用信号、增强有用信号， 特征的尺寸、位置和形状检测，特征表征的物体、标号或缺陷识别和特征判 别和决策等任务。显然，完成上述任务需要巨大的运算量，对于图像辅助测 试系统的图像处理能力提出了很高的要求。幸运的是，高速数字信号处理器 ( d s p ) 的出现与快速发展为图像的实时处理提供了可能。但基于d s p 开发 的图像采集与处理板一般只能进行数字图像的初级处理，即图像噪声滤波和 特征提取。而算法更为复杂的特征数据的分析、识别和判决通常由主控计算 机来完成。这样主控计算机必须同时完成特征数据分析、识别和判决，图像 辅助测试系统工作流程控制，与生产线同步通讯等任务。为完成被测试目标 的实时检测，实现图像采集与处理板和计算机之间的高速数据传输也成为图 像辅助测试系统的一个重要问题。概言之，数字图像数据的处理能力和数据 传输能力是实现图像辅助测试系统的两个关键技术点。 1 3 高速数字信号处理器发展现状 数字信号处理( d s p ) 是一门涉及许多学科并广泛应用于许多领域的新兴 学科。2 0 世纪6 0 年代以来，随着信息技术的飞速发展，数字信号处理技术 应运而生并得到迅速发展。但是在2 0 世纪8 0 年代以前，由于实现方法的限 制，数字信号处理技术还并未得到广泛应用。直到2 0 世纪8 0 年代初世界上 第一片单片可编程d s p 芯片的诞生，才将理论研究结果广泛应用到实际系统 之中。 世界上第一片单片d s p 芯片是1 9 7 8 年a m i 公司宣布的$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 美国i n t e l 公司宣布诞生的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个里程碑。 这两种芯片内部都没有现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器。1 9 8 0 年， 日本n e c 公司推出的p p d 7 7 2 0 是第一片具有乘法器的商用d s p 芯片。 此后，最为成功的d s p 芯片当数美国德州仪器公司( t i ) 的一系列产品。 t i 公司在1 9 8 2 年成功推出其第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品 t m s 3 2 0 1 l 、t m s 3 2 0 c 1 0 c 1 4 c 1 5 c 1 6 等，之后相继推出第二代d s p 芯片 t m s 3 2 0 2 0 、t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 ，第三代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 0 c 3 1 c 3 2 等， 第四代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 ，第五代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x c 5 5 x ， 第二代d s p 芯片的改进型t m s 3 2 0 c 2 x x ，以及高性能的第六代d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x 等。t i 公司主要的d s p 芯片可分为三大系列，即： t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 包括t m s 3 2 0 c z x x c 2 4 x c 2 8 x 等) 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列 ( 包括t m s 3 2 0 c 5 4 x c 5 5 x 等) 、t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系y 0 ( 包括t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 4 x c 6 7 x ) 。t i 系列的d s p 产品已成为世界上最有影响的d s p 芯片。 m o t o r o l a 公司在1 9 8 6 年也推出其定点处理芯片m c 5 6 0 0 1 。1 9 9 0 年，推 出与i e e e 浮点格式兼容的浮点d s p 芯片m c 9 6 0 0 2 。 美国模拟器件公司( a d i ) 在d s p 芯片市场上也占有较大的份额，它相继 推出了一系列具有自己特点的d s p 芯片，其中，定点d s p 芯片有 a d s p 2 1 0 l 2 1 0 3 2 1 0 5 、a d s p 2 1 l1 2 1 1 5 、a d s p 2 1 6 l 2 1 6 2 2 1 6 4 以及a d s p 2 1 7 l 2 1 8 1 等，浮点d s p 芯片有a d s p 2 1 0 0 0 2 1 0 2 0 、a d s p 2 1 0 6 0 2 1 0 6 2 等。 1 4p c i 总线发展现状 p c i 总线的英文全称为：p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c ts p e c i a li n t e r e s t g r o u p ，简称p c i s i g ，即外部设备互连。它是一组公共信号线，是多个模块 之间相互传输信息的公共通路，通过这条公共通路，计算机的各组成部分可 以进行数据和命令的传送。最初的计算机总线是i s a 总线，它的数据宽度是 1 6 位，工作频率也只有8 m h z ，传输率最高为8 m b s 。1 9 8 7 年i b m 公司将 其升级到m a c 总线并运用到了p s 2 机上，该总线是3 2 位总线，传输率达 到4 0 m b s ，并可共享资源及具有多重处理能力。1 9 8 8 年c o m p a q ，a s t ，e p s o n ， h p ，o l i v e t t i 和n e c 等9 家公司又联合推出了e i s a 总线，它不但具有m a c 总线的功能，还与i s a 总线完全兼容，该总线是3 2 位总线，支持多处理器 4 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 结构，具有较强的i o 扩展能力和负载能力，传输率到达了3 3 m b s 。直到1 9 9 1 年下半年，i n t e l 公司首先提出了p c i 局部总线的概念，并与i b m ，c o m p a q ， a s t ，h p ，n e c 等1 0 0 多家公司联合共谋计算机总线发展大业，于1 9 9 3 年 推出了p c i 局部总线标准- p c i 总线。2 0 0 2 年底，称之为第三代i o 总线 技术的p c ie x p r e s s 被正式命名，p c ie x p r e s s 采用目前业内流行的点对点串 行连接，比起p c i 以及早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自 己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到 一个很高的频率，达到p c i 所不能提供的高带宽。相对于传统p c i 总线在单 一时间周期内只能实现单向传输，p c ie x p r e s s 的双单工连接能提高传输速率 和质量，是目前最新一代的总线接口。 p c i 局部总线数据宽度为3 2 位，并可扩展到6 4 位，数据传输率达到 1 3 2 m b 2 6 4 m b s ，支持即插即用功能，完全兼容i s a ，e i s a ，m i c r oc h a n n e l 扩展总线，同时支持多组外围设备。与地址寻址和数据读写控制信号都由微 处理器来完成的i s a 总线不同，p c i 总线是一种独立于处理器的同步总线， 支持猝发传输，可提高数据吞吐量。为支持即插即用功能，p c i 总线规范定 义了2 5 6 字节的配置空间。由于p c i 总线协议的复杂性，其接口电路实现起 来并不容易，但采用通用的p c i 接口芯片却可以较好的解决这个问题。p c i 通用接口芯片对于p c i 协议的良好支持，以及提供给设计者的良好接口都大 大减少了设计者的工作量。尽管p c i 总线有其复杂性的一面，但综合各种因 素，p c i 总线的高性能，高效率以及广阔的发展前景是其它总线难以比拟的。 实际上，p c i 经过很短时间的发展以其优异的性价比和适应性已经取代了 i s a 、m c a 等总线标准，成为当今微机行业事实上的标准，也是业界微机系 统及其产品普遍遵循的工业标准之一，是最有发展前途的局部总线。 1 5 论文的主要工作内容 本论文研究的图像辅助测试系统应用在玻璃瓶的在线检测中，通过图像 处理的方法来测试其垂直度偏差。本论文完成图像辅助测试系统硬件电路的 设计。主要包括视频信号采集、图像处理、图像传输三个部分。并完成p c i 设备驱动程序的编写和部分系统软件的设计。主要工作内容如下： 1 、论述了本论文的研究目的、意义；介绍并分析了图像辅助测试系统的 哈尔滨t 稃大学硕十学佗论文 发展和技术现状，指出图像处理能力和数据传输能力是实现图像辅助测试系 统的两个关键技术点；介绍了高速数字信号处理器d s p 的发展现状和性能优 越的p c i 总线的发展状况；并确定了本文的主要研究内容。 2 、完成了图像辅助测试系统硬件电路的设计。首先给出了系统的整体设 计方案；使用视频a ds a a 7 1 1 1 a 完成视频信号采集模块的设计；利用t i 公司生产的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 ad s p 芯片实现数字图像处理模块的硬件电路设 计；选用美国p l xt e c h n o l o g y 公司的p c i 总线专用接口芯片p c i 9 0 5 4 完成 p c i 总线接口电路开发；设计了由两片大容量存储器组成的乒乓存储结构， 解决了大量视频数据的缓冲问题。构建了系统视频数据采集、实时图像处理 和高速数据传输的硬件平台。 3 、系统的软件设计。主要包括f p g a 中的逻辑和d s p 中软件设计。使 用硬件可编程语言v h d l 完成视频采集逻辑和p c i 接口逻辑程序编写。通过 对s a a 7 1 1 1 a 各配置寄存器的分析及d s p1 2 c 模块的分析，设计完整的配置 软件。对d s p 所要完成的任务进行了规划，设计出d s p 信号处理及控制软 件。 ，4 、p c i 设备驱动程序开发及应用程序设计。首先简要介绍了w d m 设备 驱动程序模型和p c i 总线设备w d m 驱动程序层次结构。使用w i n d o w s x p d d k 在v i s u a lc + + 6 o 环境下完成p c i 驱动程序的开发，实现设备的创建、 启动、停止、删除和数据的读写操作功能。在v i s u a lc + + 6 0 环境下完成测试 应用程序的编写，对驱动程序的数据传输功能进行了验证，实现了数据的高 速传输。 最后的结论部分对整个论文及取得的成果进行了总结。 6 哈尔滨丁稃入学硕十学位论文 第2 章系统硬件电路设计 2 1 系统整体方案 本文的图像辅助测试系统是指通过对被测物的图像进行分析后，得到被 测物特征，据此得出对被测物的各种判断。本课题的主要目标是设计一套完 整的集视频采集、处理和传输的嵌入式系统。因此，本系统主要包括视频信 号采集、图像处理、图像传输三个部分。视频信号的采集需要使用专用的视 频编码器件：对于图像处理功能，人们普遍采用了数字信号处理器代替传统 计算机的方式；大量原始视频数据的上传存储后的再分析则需要高速的p c i 总线传输。图2 1 是本系统的总体框图。 ， 图2 1 系统总体框图 图2 1 中，视频信号的采集通过视频a ds a a 7 111 a 来完成，其数字接 口比较复杂，必须通过f p g a 进行控制。视频信号的数据量相对较大，所以 本系统设计了由两片大容量存储器组成的乒乓存储体对视频数据进行缓冲。 d s p 通过f p g a 读取乒乓存储体中的视频数据进行处理，完成后再将结果存 入乒乓存储体，同时计算机可以通过p c i 总线、p c i 9 0 5 4 以及f p g a 读取乒 乓存储体中的数据。 2 2 视频信号采集模块设计 信号采集模块是本系统重要的组成部分，其采集数据的性能直接关系到 系统最终的判决结果，所以该部分的设计十分重要。本系统采用p h i l i p s 半导 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 体公司的s a a 7 111 a 集成视频a d 作为采集芯片，可以较好地满足系统对 视频数字信号的要求，而且其配置是基于1 2 c 协议的，这可以和 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 ad s p 芯片做到无缝连接。 2 2 1 视频采集芯片s a a 7 11 1 a 简介 计算机多媒体应用领域日益广阔，技术日新月异，各种软件、硬件层出 不穷。而图像作为多媒体不可缺少的重要组成部分，使视频输入处理变得非 常重要。由于视频信号非常复杂，所以设计功能强大的集成视频专用a d 一 直是各大集成电路制造厂商追求的目标h 1 。p h i l i p s 半导体公司的s a a 7 11 1 a 正是为满足这一要求而设计制造的一款性能较好、价格适中的可编程视频输 入处理器，也称视频编码器( e n c o d e r ) 。该器件采用c m o s 工艺，使用1 2 c 总线配置和控制。芯片内部包含两路模拟处理通道，能实现视频源的选择、 抗混叠滤波、模数变换( ，d ) 、自动箝位、自动增益控制( a g c ) 、时钟 产生、多制式( p a lb g h i ，p a lm ，p a l n ，n t s cm 和n t s cnn t s c4 4 3 n t s c j a p a n 以及s e c a m ) 解码及亮度、对比度和饱和度控制p 1 。可为视频 桌面系统、图像多媒体、数字电视、图像处理、视频电话等的应用提供极大 方便。s a a 7 1l1 a 的功能方框图如图2 2 所示。 a o u t a 1 1 1a i l 2 a 1 2 la 1 2 2 s d a s c l 模拟处理电路+ a d 喘踟囵h 销和 五。亮度信号处理冒 1 置j 同步分离电路睁一时钟产生电路 v sv r e f r s t 0r s t ll l cl l c 2c r e f 图2 2s a a 7 1 1 1 a 的功能框图 f e i i ，p o 哈尔滨r r 稃大学硕+ 学位论文 s a a 7 11 1 视频输入处理器有以下主要特点： 1 、可编程选择4 路视频输入中的路或两路组成不同的工作模式，在其 内部有两路模拟视频信号处理通道，可进行静态增益控制或自动增益控制， 两路8 位的，d 。 2 、可对芯片编程进行白电平控制、抗混叠滤波、梳状滤波。 3 、能实现行同步、场同步信号的自动检测、分离，片内产生的时钟通过 数字p l l 锁定行同步。 4 、支持p a l 、n t s c 、s e c m a 三种制式，可对场频5 0h z 或6 0h z 自 动检测，并自动在p a l 和n t s c 之间自动切换，并能对不同输入制式的亮度 信号、色度信号进行处理，并实现亮度、色度和饱和度的片内控制。 5 、可方便使用不同的数字图像数据输出格式和数据宽度。 6 、低功耗( = 6 n s ) 的要求。同时注意采集信号期间 h r e f 一直为高。 u c 广 厂 厂 厂 厂 厂1 广 广 厂 c r e f 弋爪九爪爪1 岣 一乙j l 寸l 一_ 一i s t a r t 芦亟坚型l 牟l - 上一h 孵j li ： 翔( 士互x j 二 誊二烂士列v n ( 丰互x 二 霉二烂丰二x i u v n 一( 互= ( 工互) 扛二二臣二x 卫 ： ： ： ；： i i i il i i i i i i e n 。j a c v e 。，n 。 ii i h 艇r 1 - 丁n ： y 。j 二x j 玉二烂j 互3 c 立正) 二苴d ： 图3 3s a a 7 1 1 1 a 像素输出时序图 图3 4 和图3 5 是s a a 7 1 1 1 a 奇场和偶场的输出时序图。这个图可以和 图3 2 模拟全电视信号对比分析。结果发现，场参考信号v r e f 的物理意义在 于确定场开始和结束时刻。这是因为实际的场同步信号中包括前后均匀信号、 开槽信号等信号，使这一段的同步提取比较复杂，v r e f 则是这一切复杂信号 提取的结果。实际上，s a a 7 1l l a 还有一个v s 信号，它是场同步信号。但 是使用它作为采集的场同步信号是不合适的，因为由图3 4 和图3 5 可以看到， 在其之前是前均匀脉冲，之后则是后均匀脉冲以及消隐脉冲。但是其存在对 于灵活的接口设计还是有意义的，例如使用它的上升沿也可以定义新的一场 开始，其等待采集下一个采集时刻到来的时间要比使用v r e f 的下降沿定义等 待的时间要短。本文采用v r e f 的下降沿。 哈尔滨丁稃人学硕十学位论文 if 器i 需i5 f 2 ) 2 4 1 1 3 5 2 1 50 ) il 毛i 君) i ；) lf 5 ) i ( ；) if 品 1 i ( 瑟) i ( 1 1 8 ) i 1 9 枷c v b s i 卜r t r 1 m00nn4i r t t l l _ r r 卜1 r 1 r f 愠 l1 - 5 x2 l l c 、，s 盯 ， r t s 0 ( 0 0 0 f 1 ) 厂叶一 图3 4s a a 7 1 11 a 奇场输出的时序图 嚣9 2 6 0 2 6 1 2 6 22 6 3l 搿i2 6 52 6 62 6 72 6 82 6 91 2 7 02 7 1 2 明i2 8 1 ；2 8 2 f 2 6 2 1 ii _ 2 6 3 ) o ( 2 6 4 ) 1 2 6 5 2 6 6 1 。( 2 6 7 ) 脚) 。 2 6 9 j f 2 7 0 j 。f 2 7 1 ) 。1 2 7 2 l 。f 2 7 3 ) 。f 2 7 t 1 。( 2 8 3 ) 。t 2 n ) t 2 8 s 1 叫c v b s f 叶t t l _ r 厂几08860 | 广厂广广广厂 r h r r r 。 限e f v r e f v 醑 uu l 厂u 1u _ l 厂u uulu uu 怀l n = 1 ( 3 ； 卜广 v 刚= 0 1 3 ) - 1， 。1- 8 1x2 | l l c 图3 5s a a 7 111 a 偶场输出的时序图 3 2 1 3v h d l 程序设计 分析s a a 7 111 a 的时序，可以发现，视频信号作为二维信号，其采集必 须严格按照各个同步信号执行，否则会出现相位失真。简单的说，就是要找 到采集的各个“同步头l 包括场同步头、行同步头。场同步头找得不准会 导致显示的图像左上角不是摄像机实时采集的图像的左上角。行同步找得不 准会导致部分行图像丢失。所以设计的关键是如何确定各个“同步头”。 图3 6 是f p g a 视频采集流程图。 哈尔滨丁程大学硕十学传论文 图3 6f p g a 视频采集流程图 图3 7 、图3 8 是本设计的v h d l 程序的仿真波形。 在图3 7 中可以看到v r e f 下降沿到达，检测到r s t 0 为低，当r s t 0 为高 时，在v r e f 的上升沿开始采集，若h r e f 也为l ，则每个c r e f 的下降沿采集 一个数据写入s r a m 中。 图3 8 是数据采集波形，即数据写入s r a m 的波形。注意到w e 端对应 s r a m 的写锁存端，测得地址锁存建立时间为5 3 6 n s ，远大于s r a m 手册要 求的8 n s ，满足设计要求。 哈尔滨 - - 1 1 - 人学硕十学传论文 i - 0 0 c 晷l国i d 士e s s l 学2 0 p 2 1 叫 驴趁 n 吐 p 2 3l t 蚰 t 2 v r f p 2 5 静| f 2 6 姗- c o - l p 2 t 向u 枷 ，b c l r 图3 7 场同步头检测时序 m m n t h e b a t _ 0 m 刿而咻。l n 州一j 5 + 赫一s l 砒 i 口0 谤1国m & e s s l o 2 0 l p 2 l 皤 驴2 2 u 吐 u p 2 3 卧m 睁2 4 v r t f 瞳2 5t f i 2 6 向e m l l 2 t 峨c 枷 一拍血- c l r 1 5 - - 0xlx 2 x3) i 一1 一【一i 一 广广 广 广广广 广- 广_ 广 广 广广- ， 图3 8 数据采集时序 3 2 2p c i 接口芯片逻辑设计 p c i 9 0 5 4 作为专用的p c i 接口芯片，其l o c a l 端接口无法与普通的异步 存储器直接相连，必须使用可编程器件对其进行译码。p c i 9 0 5 4 有三种接口 模式m 、c 和j ，其中c 模式与将要接口的异步存储器较为接近，所以选择 使用c 模式。p c i 9 0 5 4 的数据传输方式也有三种，既p c ii n i t i a t o r 、p c it a r g e t 和d m a ，也就是上文说的d m 、d s 和d m a 。要求主机具有读写数据的主动 权，必须要实现p c it a r g e t 和d m a 两种传输方式l o c a l 端逻辑。 3 2 2 1l o c a l 总线仲裁逻辑 在c 模式下与l o c a l 总线仲裁相关的信号有两个，总线请求输出信号 l h o l d 和应答输入信号l h o l d a 。它们的时序如图3 9 所示： 3 0 哈尔滨i 。干下1 1 人学硕十学位论文 i 帆。l 一。 。 。l 一。 l c l k1 几几几n 几几n 几nn n 广1 几n 几nr 几r 厂 几r 几几【 l h o l d 厂- j 叵匦亘至垂巫巫叵亟巫亘匹亘 l h o l d a l o c a lb u s 图3 9l o c a l 总线仲裁时序 由上图可知，当一次传输开始，。p c i 9 0 5 4 要占用l o c a l 总线时，在时钟 l c l k 的上升沿，p c i 9 0 5 4 将l h o l d 拉高，l o c a l 端逻辑在时钟