（通信与信息系统专业论文）基于tms320dm642的图像采集系统的设计与实现.pdf

中文摘要 随着我国工业化自动化水平的提高，有自动化设备“眼睛”之称的机器视觉系 统越来越广泛的应用于半导体、电子、汽车、造币、包装等行业，由于能大大提 高生产的柔性和自动化程度，机器视觉技术在生产制造领域必将得到大规模的应 用。图像采集单元是机器视觉系统的重要组成部分。获得清晰、高精度的图像数 据可以降低视觉算法的开发难度，同时降低视觉系统对光源的依赖，因此设计与 实现高质量的图像采集模块对整个系统的实现起着至关重要的作用。 本文首先对以1 r i 多媒体芯片1 m s 3 2 0 d m 6 4 2 ( 以下简称“d m 6 4 2 ”) 为处理 器的智能相机视觉系统进行了介绍；然后在充分考虑d m 6 4 2 的高速性能和丰富 的外围接口基础上，着重研究了d m 6 4 2 的) o r t 视频接口、e d m a 传输机制、 c a c h e 结构、1 2 c 控制模块、g p i o 接口以及基于1 r i 的实时操作系统d s p b i o s 的驱动程序设计；同时对目前广泛采用的c c d 、c m o s 两种图像传感器的工作 原理及数据输出方式进行了研究，结合实际需求选定了m i c r o n 的c m o s 图像传 感器m t 9 v 0 2 2 ，完成了该图像传感器的硬件原理图设计和驱动程序开发；最后 研究了采用c c d 图像传感器的实现方案，选用t i 的解码器t v p 5 15 0 ，用摄像 机作为输入源实现图像采集，经过实际测试这种方案符合应用要求，为进一步产 品化开发奠定了基础。 在最后，本论文对系统平台的进一步完善提出了一些建议，并且对基于 d m 6 4 2 的图像采集处理系统的发展及应用前景进行了展望。 关键词：机器视觉c m o s 图像传感器c c d 图像传感器d m 6 4 2d s p b i o s a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya u t o m a t i z a t i o ni no u rc o u n t r y ，m a c h i n e v i s i o ns y s t e ma s ”t h ee y e ”o ft h ea u t o m a t e de q u i p m e n th a sb e e nm o r ea n dm o r e a p p l i e dt ot h es e m i c o n d u c t o r , t h ee l e c t r o n , t h ea u t o m o b i l e ，c o i n a g e ，p a c k i n ga n ds oo n b e c a u s ei tc a ng r e a t l ye n h a n c et h ef l e x i b i l i t ya n dt h ea u t o m a t i c i t yo fm a n u f a c t u r e ，t h e m a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g yw i l lc e r t a i n l yb eu s e di nl a r g es c a l e t h ep i c t u r ec a p t u r i n g u n i ti st h ei m p o r t a n tp a no ft h em a c h i n ev i s i o ns y s t e m ，a so b t a i n i n gc l e a ra n dh i g h p r e c i s i o ni m a g ed a t am a yr e d u c e t h ed i f f i c u l t yi nt h ed e v e l o p m e n to fi m a g e a l g o r i t h m ，a n ds i m u l t a n e o u s l yr e d u c et h es y s t e m sd e p e n d e n c et ot h ep h o t o s o u r c e ， t h e r e f o r ed e s i g n i n gh i g hp e r f o r m a n c ep i c t u r ec a p t u r i n gm o d u l ei sv e r yi m p o r t a n tt o t h ev i s i o ns y s t e m t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dt h es m a r tc a m e r as y s t e mw h i c ha d o p t st im u l t i m e d i a c h i pt m s 3 2 0 d m 6 4 2a sm a i np r o c e s s o r t h e ne a r n e s t l yc o n s i d e r e dd m 6 4 2 sh i 曲 p e r f o r m a n c ea n di t sr i c hp e r i p h e r a lh a r d w a r ei n t e r f a c e ，e m p h a t i c a h y s t u d i e dt h e d m 6 4 2 sv i d e op o r t ，e d m at r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m ，t h ec a c h es t r u c t u r e ，t h e1 2 c m o d u l e ，t h eg p l 0c o n n e c t i o na sw e l la sd r i v e rd e v e l o p m e n tb a s e d o nt h et ir e a l - t i m e o sd s p b i o s m e a n w h i l es t u d i e dt h ew o r kp r i n c i p l ea n dt h ed a t ao u t p u to fc c da n d c m o si m a g es e n s o rw h i c hw e r ew i d e l yu s e da tp r e s e n t t h e nc h o o s e dm i c r o n c m o si m a g es e n s o rm t 9 v 0 2 2 ，r e a l i z e di t sh a r d w a r es c h e m a t i cd i a g r a md e s i g na n d d r i v e rd e v e l o p m e n t f i n a l l ys t u d i e dt h ep l a no fu s i n gv i d e od e c o d e ra n dc c di m a g e s e n s o r , t h e ns e l e c t e dt id e c o d e rt v p 5 15 0a n du s i n gac c dv i d i c o na si n p u ts o u r c e f o rt e s t , a f t e ra c t u a l l yt e s tt h i sp l a nc o n f o r m e dt ot h er e q u i r e m e n t , a n dw a sr e a d yf o r t h ef u r t h e rp r o d u c td e v e l o p m e n t f i n a l l y ，t h ep a p e rp u ts o m ep r o p o s a l sf o r t h ea m e l i o r a t i o no f t h ec a l n g r as y s t e m ， t h e nf o r e c a s t e dt h ed e v e l o p m e n ta n dt h ea p p l i c a t i o np r o s p e c to fi m a g ec a p t u r i n ga n d p r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do nt h ed m 6 4 2 f o r t h ef u t u r e k e yw o r d s ：m a c h i n ev i s i o n , c m o si m a g es e n s o r ，c c di m a g es e n s o r , d m 6 4 2 ， d s p b i o s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：橼耀 签字日期： 可卵 年y 月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 0 砌之西 l 签字日期：舀叼年y 月，1 日 签字同期：多删7 年r 月3 日 第一章绪论 1 1 引言【1 3 】 第一章绪论 ”机器视觉”，即采用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉自2 0 世纪8 0 年代末期起步，作为一种应用系统，其功能特点随着工业自动化的发展而逐渐完 善和发展。随着我国工业化整体水平的提高，有自动化装备“眼睛”之称的机器视 觉产品越来越广泛的应用于半导体、电子制造、汽车、造币、，包装检测等行业， 由于能大大提高生产的质量和自动化程度，机器视觉技术越来越广泛的为人们所 认知，机器视觉产业将进入持续快速增长的阶段。 机器视觉系统是指通过机器视觉产品( 即光电转化设备，主要分为c m o s 和c c d 两种图像传感器) 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。智能相机是一个嵌入式的小 型机器视觉系统。 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、建材和化 工、金属加工、电子制造、包装、汽车制造等行业。机器视觉的引入，代替传统 的人工检测方法，极大地提高了投放市场的产品质量，提高了生产效率。 机器视觉系统一般由图像采集单元、图像处理单元、图像处理软件、网络通 信装置等构成，各部分的功能如下： ( 1 ) 图像采集单元 。 ， 在机器视觉系统中，图像采集单元相当于普通意义上的c c d c m o s 相机和 图像采集卡。它将光学图像转换为模拟数字图像，并输出至图像处理单元。 ( 2 ) 图像处理单元 图像处理单元类似于图像采集处理卡。它可对图像采集单元的图像数据进 行实时的存储，并在图像处理软件的支持下进行图像处理。 ( 3 ) 图像处理软件 图像处理软件主要在图像处理单元硬件环境的支持下，完成图像处理功能。 如几何边缘的提取、b l o b 、灰度直方图、o c v o c r 、简单的定位和搜索等。在 智能相机中，以上算法均封装或固定的模块，用户可直接应用而无需编程。 第一章绪论 ( 4 ) 网络通信模块 网络通信装置是智能相机的重要组成部分，主要完成控制信息、图像数据的 通信任务。智能相机一般均内置以太网通信接口，并支持多种标准网络和总线协 议，从而使多台智能相机构成更大的机器视觉系统。 机器视觉系统通常有两种实现方案：基于板卡的视觉系统和基于智能相机的 视觉系统。基于板卡的视觉系统一般通过工业相机或者摄像头采集图像，但板卡 本身往往不具备算法处理功能，必须依赖p c 的软件和硬件来实现处理，最后通 过p c 的控制卡来给出控制信号。而智能相机可以兼具图像采集和处理功能，直 接产生控制信号，提高了系统的便携性和灵活性，降低了系统集成的难度，随着 智能相机技术的不断发展和成本的降低，智能相机必将成为机器视觉系统构成的 主要趋势。 智能相机系统需要对海量的图像数据进行处理，又由于面向不同应用开发的 算法和软件构成也是各不相同的，因此采用通用可编程d s p 作为处理器成为首 选。t i 的多媒体处理芯片t m s 3 2 0 d m 6 4 2 是t i 推出的面向视频处理的3 2 位定 点d s p 芯片，片内集成了视频和网络接口，同时可以利用d m 6 4 2 的g p i o 或者 串口输出控制信号，使开发出的系统具有控制功能，因此本系统的构成采用 d m 6 4 2 作为主c p u 。 为了保证图像处理算法能够顺利完成图像处理，得到理想的处理结果，获取 高质量、符合精度要求的图像是关键，因此研究图像采集部分对整个系统的实现 意义重大。c c d 、c m o s 是目前广泛采用的两种固态图像传感器，研究c c d 和 c m o s 图像传感器与d m 6 4 2 的硬件接口与驱动开发，可以不断推出基于不同图 像传感器的相机产品，完善产品序列，提高产品在行业中的竞争力。 1 2 课题背景 面向机器视觉行业的智能相机是北京汉王机器视觉科技有限公司( 原汉王科 技股份有限公司先进视觉部) 的主要产品，整个系统使用1 i 公司的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 作为c p u 来控制其他功能模块和完成图像处理功能，主要功能模块有s d r a m 存 储单元，图像采集单元，以太网传输模块，f l a s h 模块，电源模块等。 汉王智能相机根据采用图像传感器的不同，最大图像分辨率有所不同，在全 帧模式下的帧速率也各不相同，可以根据不同的应用需求来选择性价比合适的智 能相机。由于智能相机的主板与采集图像的小板是通过柔性电缆连接，智能相机 不同型号区别主要是采集模块的构成不同，可以保证主系统的稳定性和可靠性。 其主要功能和特点有： 2 第章绪论 1 、采用1 r i 嵌入式实时操作系统d s p b i o s ，支持任务静态配置和动态创建， 任务调度效率高，启动代码和主程序可以固化在f l a s h 中的，系统自启动独立运 行，更加稳定可靠； 2 、大容量s d r a m 存储器，可为图像采集和传输一次性分配不同缓冲区，可 最大限度发挥d m 6 4 2 的处理能力； 3 、支持1 0 m 1 0 0 m 的以太网接口，可通过网络实时监控识别检测的结果， 设置相机工作参数，下载训练好的工程信息以及上传相机的工程信息等； 4 、可以通过网络实现软件与算法升级，更新系统主工程，实现远程维护； 5 、i p 地址任意修改，可根据用户的要求更改i p 地址，方便用户对多台智能 相机的集中管理； 6 、相机曝光时间和亮度可调，可以根据不同的环境和光源强弱来调节相机 参数，从而得到高清晰度的图像： 7 、由于采用c m o s 图像传感器，图像分辨率大小多种模式可供选择，并可 进一步实现任意子窗口大小设置，为产品商标识别等特殊应用场合提供了解决方 案； 8 、图像采集模式可以实现单帧图像采集和连续采集模式，并且实现了图像 保存功能，可以让用户将采集到的图像保存n p c 机； 9 、- 1 作模式分为：连采连识、v o 触发、图像触发，根据不同的应用要求选 择工作模式，可以实现相机受控采集识别和自主运行； 1 0 、识别检测的结果可通过d m 6 4 2 的g p i o 产生i o 控制信号，的信号可以选 择电平输出和脉冲输出，并且可以设置输出脉冲的宽度； 1 1 、界面简单友好，可方便用户操作，在不同的工作模式下给出不同的提示 信息，方便用户观察与操作。 c c d 与c m o s 图像传感器是目前图像采集常用的两种图像传感器。c c d 一般 输出带制式的模拟信号，需要经过视频解码器得到数字信号才能传入d m 6 4 2 中， 而c m o s 图像传感器直接输出数字信号，可以直接与d m 6 4 2 进行连接。不同的 c m o s 图像传感器有不同的性能，主要表现在图像分辨率大小不同、帧速率不同、 曝光方式不同等，c m o s 图像传感器可直接通过1 2 c 来设置图像分辨率大小，曝 光、增益等参数，而c c d 图像传感器则需要对视频解码器进行设置来控制图像的 曝光、增益等参数信息。对于c c d 的驱动开发可以充分利用t i 提供的针对解码器 的d d k 做少量代码修改就可实现，而c m o s 图像传感器需要采集的是整帧裸数 据，通过自己配置相关寄存器来实现数据通路，其中的难点是c c d 图像传感器按 场输出，需要利用d m 6 4 2 的e d m a 将两场数据合成一帧供识别用，而c m o s 图像 传感器主要是帧同步的调试。研究这两种传感器的采集电路设计和驱动开发，可 3 第一章绪论 以在主板系统不变的情况下，通过采用不同图像传感器设计采集模块，迅速完善 产品系列。 1 3 本文的研究内容与安排 本文主要研究了基于汉王智能相机主系统的图像采集模块的设计与实现，包 括硬件原理图的设计以及在t ic c s 开发平台上驱动程序的开发。具体内容安排如 下： 第一章绪论：简要介绍机器视觉的应用需求以及机器视觉系统的构成，并 且概括性地阐述了课题背景和本文的内容结构。 第二章基于d m 6 4 2 的智能相机系统：介绍了智能相机系统的硬件构成框图， d m 6 4 2 芯片结构以及与硬件平台相对应的软件开发环境c c s 。 第三章图像传感器：主要介绍c c d 和c m o s 图像传感器的工作原理和种类， 并且比较了两种图像传感器的不同之处。 第四章d m 6 4 2 设备驱动程序设计：主要研究基于d s p b i o s 驱动程序开发的 类驱动微驱动模型，研究了该驱动模型的层次结构与实现方式。 第五章基于m t 9 v 0 2 2 图像传感器采集模块的实现：主要研究了m t 9 v 0 2 2 硬件原理图设计和驱动程序设计。 第六章解码器t v p 51 5 0 + c c d 摄像机方案的设计与驱动开发：主要研究采用 t v p 515 0 作解码器芯片的电路原理图设计，并采用c c d 摄像机作视频输入实现了 d m 6 4 2 驱动程序的开发与调试。 第七章总结与展望：总结了全部的研究工作，提出了可能的改进方法，并 对面向机器视觉应用的图像采集处理系统的应用前景进行了展望。 4 第二章基于d m 6 4 2 的智能相机系统 第二章基于d m 6 4 2 的智能相机系统 2 1 智能相机系统构成框图 智能相机的硬件组成框图如图2 1 所示： 图2 1 智能相机硬件功能框图 c m o s 图像传感器或c c d + 解码器t v p 515 0 与数字信号处理器d m 6 4 2 的视 频端口v p o r t 构成系统的图像采集部分，图像采集模块与系统主板采用柔性电缆 连接，在主板稳定后可通过单独设计图像采集模块来开发不同性能的产品。利用 d m 6 4 2 强大的数据处理能力来完成各种算法处理、网络协议栈等功能，其中以 太网媒体访问控制器e m a c 和网络收发器l x t 9 7 1 a 、变压器x f m r 以及以太 网接口r j - 4 5 构成系统的网络传输部分。f l a s h 存储器用于存储系统的 b o o t l o a d e r 代码、主程序代码、相机的配置信息、i p 地址、m a c 地址以及工程 信息等相关参数。s d r a m 作为程序、数据存储器，为海量图像数据的处理提供 足够的内存空间。 该系统的主要特点是： 1 ) 图像采集模块与系统主板分离设计，可以在不改变主板的情况下通过采 用不同图像传感器来设计图像采集模块，推出满足不同应用需求的相机。 2 ) c m o s 图像传感器或t v p 5 1 5 0 输出的图像数据可与d m 6 4 2 的v p 端口直 接链接，不需要单独设计接口时序。 5 第二章基于d m 6 4 2 的智能相机系统 3 ) d m 6 4 2 的v p 口有5 1 2 0 字节的f j , f o ，可以缓存采集到的图像数据，利 用d m 6 4 2 的增强型d m a 控制器r ( e d m a ) ，可以在几乎不占用c p u 的情况下将 采集到的图像数据快速搬移到s d r a m 中供算法处理。 4 ) d m 6 4 2 集成了e m a c ，t i 还提供了高效率的t c p i p 协议栈n d k ，外接 以太网就可实现网络传输，通过网络实现对相机的运行控制。 2 2 数字信号处理器d m 6 4 2 介绍卜1 2 】 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 是1 i 公司在2 0 0 3 推出的一款专门针对多媒体处理应用的高 速d s p 芯片。对于大型图像处理软件开发而言，除了高速的图像处理能力，还 要求能在众多的任务之间进行合理的调度，否则就可能影响系统整体上的性能。 d m 6 4 2 可以加载t i 自带的嵌入式操作系统d s p b i o s ，方便地实现任务调度、 内存管理、中断管理等功能，从而大大提高系统的总体性能。 2 2 1d m 6 4 2 的特点及内部结构 d m 6 4 2 基于c 6 4 x 内核结构，最高主频达到了6 0 0 m h z ( 指令周期1 6 7 n s ) ， 在体系结构上采用了。唧( v e r yl o n gi n s t r u c t i o nw o r d ) 结构，内核中有8 个独 立的功能单元，6 4 个3 2 - b i t 通用寄存器，程序总线宽度为2 5 6 b i t ，可以每个指令 周期执行8 条3 2 位指令，最大峰值速度为4 8 0 0 m i p s ，这些指令在2 个数据通路 ( a 和b ) 中的功能单元内执行，其中的指令打包技术，减小了代码容量；同时 d m 6 4 2 还集成了丰富的片上外设和接口。 d m 6 4 2 高速的处理能力以及出色的对外接口能力，使得它在雷达声纳、医 用仪器和图像处理等领域具有不可替代的优势。 d m 6 4 2 的主要特点及性能： c 6 4 x 内核，5 4 8 脚b g a 封装，高度集成化； 内核工作电压1 4 v ，i o 工作电压3 3 v ； 外部5 0 m h z 晶振输入经过倍频后内部工作时钟在6 0 0 m h z ，运算能力为 4 8 0 0 m i p s ，外部总线时钟为1 0 0 m h z ； 支持i e e e 1 1 4 9 1 ( j t a g ) 边界扫描接口； 两级c a c h e 结构。一级程序高速缓存l 1 p 及一级数据高速缓存l 1 d ，各 自为1 6 kb y t e s 二级c a c h e 为2 5 6 kb y t e s ，缓存的分段和大小分配有很多种配 置，可以将二级缓存全部作为外部内存的映射，其他配置方式既有直接映射，又 有4 路集合相关法的方式，一般用作视频数据缓存； 增强型d m a 控制器( e d m a ) 。d m 6 4 2 的所有片上外设都是通过该控 第二章基于d m 6 4 2 的智能相机系统 制器与内核或外设之间进行数据传输，对于解码器输入的分场数据，可以在 e d m a 与视频端口结合时，通过配置e d m a 参数表把采集到的隔行扫描的两场 图像数据合并成整帧图像数据，方便后续图像处理。 1 2 c 总线主从模式接口，可以用该总线实现对视频解码器和c m o s 图像 传感器的参数设置。 d m 6 4 2 的内部结构如图2 - 2 所示： g = 令 v i d e op o r t o c ov i d e op o r t l v i d e op o r t 2 l i pc a c h e 1 6 kb y t e s 户 m c a s p i 工 x 参鐾 t m s 3 2 0 d m 6 4 x 量 善 1 0 ，i o o me m a c _ 1 ； 璺 一 、 d s p c o r e 曼 、r _ - 叫 呈3 2 b i t 肿i 按 暑 o 买 8 6 6 m h zp c i田 量 l ) c a c h e 吾 盘 e 脚 1 6 kb y t o s ( ；p 1 01 6 e = 剖瓢m 盯 | 1 2 c 2 2 2d m 6 4 2 视频口 图2 2d m 6 4 2 内部结构 d m 6 4 2 有3 个可配置的视频口( v i d e op o r t o 、v i d e op o r t1 、v i d e op o r t 2 ) ，其 中视频1 2 1 0 和l 也可设置为m c a s p 或s p d i f 接口，视频口可以与c m o s 图像传感器 或视频编解码器无缝链接。每个端口都支持多种分辨率和多种视频模式( 如 8 1 0 1 6 2 0b i tr a w 模式、8 1 0b i ti t u - rb t 6 5 6 、8 1 0b i ty c 输入、t s i 模式) ， 既能工作于视频捕捉，又能工作于视频输出模式，但同一d e op o r t 不能同时配 置为采集与显示模式。捕捉模式时，每个视频口可采集2 路8 1 0 b i t 视频，显示模 式，每个视频口可输出一路8 1 0 1 6 2 0 b i t 视频流。每个视频口有5 1 2 0b y t e s 的f i f o ， 7 第二章基于d m 6 4 2 的智能相机系统 用于缓存采集得到的图像数据，在b t 6 5 6 和y c 模式下，每个通道的视频f i f o 分 成3 个独立区域，分别用于存放y 、c b 、c r 数据。利用d m 6 4 2 的e d m a ，可以实 现图像数据的高速搬移。采集模式下，一个v i d e op o r t 可连接2 路视频( b t 6 5 6 ) ， 即d m 6 4 2 最多可连接6 路视频输入。显示模式下，只支持一路输出( 8b i tr a w 模 式可支持2 路同步输出) ，8 位模式输入或输出时高位对齐( 8 位数据从低到高应连 接v p d 2 v p d 9 ) 的。 v i d e op o r t 为视频输入模式时，采样频率可达8 0 m h z ，支持2 路8 1 0b i t 的 b t 6 5 6 模式输入，可支持b t 6 5 6 内同步模式，可支持1 路y c 输入( 16b i t 2 0b i ty 、 c 独立输入) ，可支持2 路8 1 6b i tr a w 模式或者1 路2 0b i tr a w 模式，支持4 ：2 ： 2 的1 2 水平缩放，支持4 ：2 ：2 至1 j 4 ：2 - 0 的色度重采样，具有灵活的f i f o 结构， 以及6 4 - b i t 高速e d m a 传输。 v i d e op o r t 内部结构框图如图2 3 所示： 船由冀n i a a f l l 嘶a m li r e s 图2 。3v i d e op o r t 内部结构图 在本系统中采用d m 6 4 2 的v i d e op o r t o 来采集图像数据。 8 v d o l 疆1 鲫l v d o l i 1 9 - 1 砺 第二章基于d m 6 4 2 的智能相机系统 2 2 3d m 6 4 2e d m a d m 6 4 2 的e d m a 提供超过2 g b i t s 的外部带宽，支持6 4 路独立同步事件的 触发传输，支持e d m a 传输参数连接( l i n k i n g ) 和传输通道的连接( c h a i n i n g ) 其中传输 l i n k i n g ”是将多组参数依次加载到某一e d m a 通道参数寄存器，而传 输“c h a i n i n g ”是在一个e d m a 通道的数据传输完毕时，触发另一个通道的数据传 输，实现e d m a 通道的连续传输。l i n k i n g 和c h a i n i n g 使得在完成c p u 初始配 置后，e d m a 能够实现连续的自动执行。 d m 6 4 2 的6 4 个e d m a 通道，最高时钟达1 2c p uc l k 。e d m a 的状态和 控制寄存器映射在存储区，支持d m a 的传送优先级控制，支持中断报告，支持 外部设备d m a 传输，支持对8b i t 、1 6b i t 和3 2b i t 数据的1 维或2 维传输，可 以根据需要设置为读写同步或帧块同步。 2 2 4d m 6 4 2c a c h e 结构 为了让c p u 能够高速访问存储器中的数据，需要解决c p u 与存储器之问的 带宽问题，因此存储器的结构设计很重要，而存储器体系结构中最重要的问题就 是对存储器容量、速度以及成本要求之间的矛盾。片上存储器速度快，容量小， 但是成本高：片外存储器容量大，成本低，但是访问速度慢。因此，产生了多级 存储器体系结构。这一结构就是把存储器分为若干级别，寄存器离处理器最近， 速度最快，容量最小；高速缓存( c a c h e ) 速度次之，容量较大；主存( m e m o r y ) 离 c p u 最远，速度最慢，但容量可以很大。 在d m 6 4 2 中，c a c h e 分为两级。c p u 和一级程序高速缓存( l i p ) 及一级数据 高速缓存m 1 d ) 直接相连，l 1 p 和l 1 d 两块c a c h e 都是1 6 k 字节，工作在c p u 全速访问状态。二级缓存为2 5 6 k 字节，二级缓存的分段和大小分配可以有很多 种配置，可以配置c a c h e 或s 黜蝴或二者的组合。配置方式既有直接映射，又 有4 路集合相关法，可以通过c a c h e 配置寄存器中的低三位l 2 m o d e 进行配置， 被映射的内存可以用于存储流媒体数据或者中断服务程序等。 本系统中d m 6 4 2 的l 2c a c h e2 5 6 kb y t e s 全部用作高速缓存，以提高d m 6 4 2 对s d r a m 中图像数据的处理速度。 c 6 4 x 刊u 趴m 舳妒曲 l i p ( 1 6 kb y t e s ) - h 、r 一 d s p c o r e 图2 4d m 6 4 2 一级c a c h e 结构 9 第二章基于d m 6 4 2 的智能相机系统 l 2 m o d e0 0 0o o l0 1 00 1 l1 l l 2 2 4 k1 9 2 k1 2 8 k 2 5 6 ks r a ms r a ms r a m2 5 6 k s 】u i 蝴c a c h e 4 3 2 k6 4 k1 2 8 k w a y a l l c a c h e 4c a c h e 4c a c h e 】 w a yw a y 4w a y 2 2 5d m 6 4 21 2 c 模块 图2 5d m 6 4 2l 2c a c h e 及其可选配置 1 2 c 总线( i n t e r i cb u s ) 是p h i l i p s 公司开发的一种用于芯片间通讯的串行传 输总线。它以两根连线( 串行时钟线、串行数据线) 实现了全双工同步数据传送， 可以极方便地构成多机系统和外围器件扩展系统。1 2 c 总线采用了器件地址的硬 件设置方法，通过软件寻址完全避免了器件的片选线寻址方法，从而使硬件系统 具有简单灵活的扩展方法。根据1 2 c 总线规范，总线传输中的所有状态都生成相 对应的状态代码，系统中的主机能够按照这些状态码自动地进行总线管理，用户 只要在程序中装入标准处理模块，根据数据操作要求完成对1 2 c 总线的初始化， 启动1 2 c 总线就能自动完成预先设定的数据传送操作。 d m 6 4 2 集成了1 2 c 模块，可以通过配置寄存器使其工作在7 b i t 地址( 不包 括读写控制位) 标准1 2 c 模式，1 0 b i t 地址高速模式和无格式数据模式，而且可 以自己控制1 2 c 总线时钟频率。 在本系统中就充分利用了d m 6 4 2 片上集成的1 2 c 模块，来实现c m o s 图像 传感器或者t v p 5 1 5 0 解码芯片的参数控制，省去了用g p i o 模拟1 2 c 的工作， 提高了开发的效率。 d m 6 4 2 的1 2 c 模块功能框图如图2 6 所示： l o 第二章基于d m 6 4 2 的智能相机系统 图2 - 6d m 6 4 21 2 c 模块内部结构图 2 2 6 通用i o 端口g p i o d m 6 4 2 提供了1 6 个通用i o 端口支持，其中部分g p i o 管脚与芯片的其他 功能模块复用。如果在g p e n 寄存器将某个g p i o 端口使能，用户可以在g p d i r 寄存器中选择i o 方向，当配置成输出，用户能控制驱动输出状态；当配置成输 入，用户可以读取到输入状态。在g p v a l 寄存器中控制或读取管脚上的电平。 g p i o 内部还集成了一个边沿检测逻辑，可以在g p d h 和g p d l 寄存器中捕获输 入管脚上电平的变换情况。此外，g p i o 外设能够在直通模式和逻辑模式两种中 断事件生成模式下产生c p u 中断及e d m a 事件。 需要注意的是，当g p 0 作为通用输出时，除了要将g p d i r 中的位0 置l 外，还 需要将g p i o 全局寄存器的g p o m 清0 。 本系统中用g p o 输出i o 控制信号，可以将检测的结果输出来驱动l e d 显 示，也可以传输给工控机作集中控制用。 2 2 7 其他外设接口 d m 6 4 2 除了上述片上外设外，还提供了主机接口h p i 、3 2b i tp c i 总线接口 和以太网m a c 接口，这些接口复用相同的管脚。3 2 - b i t 的h p i 提供和多种工业 标准的主处理器或p c i 桥芯片相连。f i p i 能够运行在3 2 - b i t 或1 6 - b i t 模式下。此 第二章基于d m 6 4 2 的智能相机系统 外h p i 能作为从端口，使得主机设备能够通过它访问d s p 。通过h p i 主机设备 能够访问d s p 的整个内存空间，为用户的程序调试与优化提供了监控方法。3 2 b i t 的p c i 和h p i 端口复用管脚，p c i 总线频率6 6 m h z 。 2 3c c sm e 集成开发环境【4 】【1 3 】 本系统在开发时采用了t i 的c c s 集成开发环境，进行嵌入式软件开发，版 本是c c s2 2 0 ，为了支持d m 6 4 2 开发，还须安装2 2 0 1 8 软件升级包，1 1 还提 供了t c p i p 协议栈n d k ，为网络功能开发提供了方便。 构建以d s p 为核心的系统包括硬件系统和软件系统，随着d s p 应用技术 的深入发展，系统变得非常庞大复杂，迫切需要一个高效而且稳定的开发环境来 方便用户的开发，从而降低用户开发的难度，提高开发调试的效率。 c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 是1 r i 开发的一个可视化的d s p 集成开发环境， 它是目前最为广泛的d s p 开发软件之一。目前，所有的t id s p 都可以使用该软 件工具来进行开发，在c c s 环境中，不仅集成了常规的开发工具，如源代码编 辑器、代码生成工具( 编译器、链接器) 及调试环境，还提供了d s p b i o s 开发 工具。c c s 已经成为t id s p 开发过程中非常重要的工具。 c c s 是基于w i n d o w s 的d s p 开发平台，使用c c s 可以大大加快程序员构 建和测试实时嵌入式信号处理系统的开发过程，从而缩短产品上市时间。c c s 主要包含以下几个部分： 集成可视化代码编辑界面； 集成代码生成工具； 断点工具； 探针工具； 分析工具； 数据的图形显示工具； g e l 工具； 支持r t d x ( r e a lt i m ed a t ae x c h a n g e ) 功能； 开放式的p l u g i n 技术和d s p b i o s 工具等。 因此，c c s 具有实时、多任务、可视化的软件开发特点，已经成为t id s p 系列的程序设计、编码、调试和优化的有力工具。 利用c c s 开发d s p 软件，不再是简单地写几行代码，而是一个工程、是一 系列工程文件的集合，包括源代码文件、头文件、例行库、用户库、内存管理文 件( c m d ) 以及更高级的d s p b i o s 配置文件等，因此需要建立软件工程的概念， 1 2 第二章基于d m 6 4 2 的智能相机系统 来加速大型软件的开发进度。对于本系统这样的大型d s p 软件项目，程序代码 量很大，软件结构采用分层设计后会分成多个文件，而且往往需要同时打开多个 工程进行调试。c c s 为这种应用提供了很多有效的工程文件管理功能。c c s 还 提供了很多高级的编辑功能，可以灵活使用这些功能来高效编辑一个工程中的各 种文件。 。 g e l ( g e n e r a le x t e n s i o nl a n g u a g e ) 是c c s 提供的一种解释语言，使用该语 言写出的g e l 函数具有两大功能：一是配置c c s 工作环境，二是直接访问目标 处理器d s p ( 包括d s p 软硬仿真器) 。应用程序设计者可以使用g e l 函数完成 类似于宏操作的自动化批处理任务，如编译、链接并运行程序。但g e l 本身具 有的类c 语法使其比宏操作更方便；另外，g e l 还提供了丰富的内建函数库供 用户调用。 程序的调试过程和优化过程在整个系统的开发中占有很高的比重，一般会占 到整个开发周期的6 0 。调试具有非常多的技巧和手段，但都必须要有良好的工 具才能实现，良好的开发工具可以最大程度的提高开发的效率。针对d s p 的特 殊应用环境，c c s 除了提供大多数通用开发环境都具备的基本调试工具( 如存 储器与寄存器的查看与修改、断点、性能分析) 之外，还提供在嵌入式开发中非 常有用的事件检测、探针等工具，以及在信号处理类应用中非常实用的图形显示 工具，合理有效地使用这些工具可以极大地提高程序调试的效率。 2 4 嵌入式实时操作系统d s p b i o s 4 】 1 3 1 4 】 由于需要完成图像处理、网络等多个任务之间的合理调度，本系统在开发嵌 入式软件时，利用了c c s 提供的d s p b i o s 嵌入式实时操作系统，来提高系统 的工作效率。 d s p b i o s 嵌入式操作系统是一个可抢占式操作系统的内核，本身只占用极 少的c p u 资源。它提供底层的应用函数接口，可用于支持实时分析、任务管理、 调度软件中断、周期函数和i d l e 函数( 后台运行函数) 以及外部硬件中断与各种 外设的管理。使用d s p b i o s 进行软件开发后，c c s 可以提供多种分析和评估代 码工具，如图形化显示各个任务占用的c p u 时间、代码执行时间统计、显示输 出信息等。这时，可以方便直观地了解代码各个部分的开销情况。当然，也可以 不使用d s p b i o s 工具，而只使用汇编语言和c 语言编写d s p 应用程序。但当 熟悉了d s p b i o s 后，就会发现它是一个十分有效的开发工具。在d s p 的程序 开发过程中，d s p b i o s 工具可以帮助应用程序设计者更加容易的控制d s p 的硬 件资源，更加灵活地协调各个软件模块的执行，从而大大加快软件的开发和调试 第二章基于d m 6 4 2 的智能相机系统 进度。 使用d s p b i o s 开发d s p 软件有两个重要特点。第一，所有与硬件有关的 操作都必须借助d s p b i o s 本身提供的函数完成，开发者应避免直接控制硬件资 源，如定时器、d m a 控制器、串口、中断等。开发人员可以通过c c s 提供的 图形化工具在d s p b i o s 的配置文件中完成这些配置，也可以在代码中直接调用 a p i ( 应用编程接口) 完成动态设置。第二，带有d s p b i o s 功能的程序在运行 时与前面的程序有所不同。在未使用d s p b i o s 开发工具的工程中，用户自己的 程序完全控制d s p ，软件按顺序依次执行，而在使用d s p b i o s 后，由d s p b i o s 程序控制d s p ，用户的应用程序建立在d s p b l o s 的基础之上。应用程序也不 再是简单的按编写次序顺序执行，而是在d s p b i o s 的调度下按任务、中断的优 先级排队等待执行。 使用d s p b i o s 嵌入式操作系统开发的应用程序主要是通过调用一系列的 d s p b i o s 实时库中的a p i 函数来实现的。这些a p i 函数是为在硬件目标的嵌入 式程序中工作，包括在实时、i k o 模块、软件中断管理、时钟管理等情况下捕捉 信息所进行的操作。d s p b i o s 的a p l 分成多个