（通信与信息系统专业论文）一种基于dsp和cpld的图像采集处理系统的研究.pdf

中文摘要 目前，随着信息化技术的飞速发展，各种便携式电子产品不断涌现，与此 同时，许多消费电子方面的采集处理系统对速度和体积的要求也越来越高，单 片机作为核心处理器难以满足实时性的要求。因此，寻求合适的处理器已成为 目前采集处理系统的当务之急专门为高速数字信息处理而设计的数字信号处 理器( d s p ) 已成为数字化领域的重要角色，d s p 的高速度和良好的运算性能 特别适合于图像处理同时，e d a 技术以其自身的优点在现代电子系统设计中 占有的地位越来越重要，已成为a s i c 技术的一个重要分支本文结合数字信号 处理和e d a 这两种技术，对图像采集处理系统进行了研究并提出了一种解决方 案 本文设计的系统采用以d s p ( 数字信号处理器) 和c p l d ( 复杂可编程逻辑 器件) 为核心的硬件结构和图像采集处理技术，完成了从输入的模拟信号中采 集数字信息，并对其进行快速处理的功能，对于数据量小于1 m x 8 b i t 的图像采 集处理具有通用性 本文分析论证了系统的特点、工作原理以及芯片选择的方法，提出了一种 总体解决方案，在此基础上完成了以d s p 和c p l d 为核心处理器的硬件架构系 统的硬件电路搭建和软件设计是本文的重点。 由于需要处理的图像数据量较大以及处理算法的复杂性，t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 内部存储资源无法满足要求，针对这一问题，本文提出了一种存储器扩展方案， 分别对d s p 的程序存储空间、数据存储空问和i o 空间进行扩展，此方法接口灵 活，便于控制 根据系统功能强、程序大的特点以及软件升级便利的要求，我们以f l a s h 存 储器作为用户代码的存储介质。采用f l a s h 在线编程的方法，使d s p 上电复位对 将用户程序加载到内部r a m 中运行，这种方法具有开发成本低、编程灵活的优 点 另外，给出了系统的主程序流程国，阐述了可编程逻辑功能模块的软件实 现方法，论述了系统的初始化模块；最后，提到了电路调试过程中遇到的一些 问题和解决问题的办法，并为系统的进一步优化提出了建议 本方案采用c p l d 可编程芯片控制图像的采集，d s p 负责图像的处理，从而 发挥了不同类型可编程芯片的优势，降低了系统的成本，缩小了产品的体积， 提高了系统的性能，增强了系统的灵活性本文设计的系统具有体积小、速度 快、操作灵活、便于携带的优点，为采用d s p 和c p l d 构成图像采集处理系统提 供了一些有价值的参考 关键词：d s p ，c p l d ，图像采集。图像处理 a b s t r a c t r e c e n t l y ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , a l lk i n d so f p o r t a b l ee l e c t r o n i c 弘烈h c 协砒m i d gf o r t h o nt h eo t h e rh a n d , t h ec o l l e c t i o na n d p r o c e s s i n gs y s t e mm a k e sm o r ea n dm o r ed e m a n d so ns p e e da n dv o l u m ei nm a n y c o n s u m e de l e c t r o n i cp r o d u c t s , w 1 1 i l et h es i n g l e c h i p 鹳a 勰p f o c 啪d o e s , , ，l s a t i s f yt h en e e d so ft h er e a lt i m e ，t h e r e f o r e ，i ti sa nu r g e n ta f f a i rt os e a r c h 姐 a p p r o p r i a t ep r o c c s s 甜i nt h ec o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m t h ed i g i t a ls i 踮a l p r o c e s s o r ( d s p ) s p e c i a l l yd e s i g n e d f o rh i g h - s p e e d d i g i t a ls i g n a lp r o s s i n si s p l a y i n ga l li m p o r t a n tr o l ei nt h ed i g i t a lf i e l d , a n dd s pw i t hh i 曲p r o c e s s i n gs p e e d a n de x c e l l e n to p e r a t i o np e r f o r m a n c ei sp a r t i c u l a r l ya d a p t e dt oi m a g ep r o c e s s i n g o w i n gt ot h ea d v a n t a g e so fi t s e l f , e d at e c h n o l o g yi sm o r ea n dm o l ei m p o r t a n ti n t h em o d e me l e c t r o n i cs y s t e md e s i g n sa n di th a sb e e nab a s i l i ce m b r a u c h m e n ti n a s i ct e c h n o l o g y m a k i n gu o ft h e s et w ot e c h n o l o g i e s , t h e d i g h a ls i g m a p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n de d at e c h n o l o g y , t h i st h e s i sr e s e a r c h e si n t oa ni m a g e c o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e ma n dt h e np r e s e n t sas y s t e ms o l u t i o no f i t u s i n gd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) a n dc p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ) a sc o r e so ft h eh a r d w a r ec o n s t r u c t i o n , t h es y s t e md e s i g n e di nt h i s t h e s i sf u l f i l l st h er u c t i o no fc o l l e c t i n gt h ed i g i t a li m a g ef t o mt h ei n p u ta n a l o g s i g n a l s ，a sw e l la st h er u c t i o no fp r o c e s s i n gt h ed i g i t a li m a g er a p i d l y i ti sc o m m o n t ot h ei m a g ec o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mw h i c hd a mi sl e s st h a n1 m x8b i t t h et h e s i sa n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c s , t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h em e a n so f t h ec h i ps e l e c t i o n , a n df u r t h e rm o r c ，b r i n 笋f o r w a r dac o m p l e t es e to fs c h e m e s ，o n t h i sf o u n d a t i o n , f u l f i l l st h eh a r d w a r ec o n s t r u c t i o nw i t ht h ed s pa n dc p l ds e r v i n g a sc o 他p r o c e s s o r s t h i st h e s i sl a y se m p h a s i so nt h eh a r d w a r ec i r c u i t r yc o n s t r u c t i o n a n dt h es o f t 、黼d e s i g n f o rt h el a r g em o u n to fi m a g ed a t at h a tr e q u i r e st ob ep r o c e s s e da to n et i m ea n d t h ec o m p l e x i t yo ft h ep r o c e s s i n ga r i t h m e t i c ，t h ei n n e rm e m o r yr e s o u r c e so ft h e t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 啪n tm e e tt h ed e m a n d a i m i n ga tt h i sp r o b l e m , as c h e m eo f e x p a n d i n gt h ee x t e r l 3 a , m e m o r yh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r d , w h i c he x t e n d st h e m 山东大学硕士毕业论文 p r o g r a mm e m o r y ，t h ed a t am e m o r ya n dt h ei 0s p a c eo fd s ps e p a r a t e l y w i t ht h e a d v a n t a g e so f f l e x i b l ei n t e r f a c e se n dc o n v e n i e n c ef o ro p e r a t i n g a c c o r d i n gt ot h es p e c i a l t yo ft h es t r o n gs y s t e mf u n c t i o na n dt h el a r g ep r o g r a m a n dt h er e q u e s to fu p g r a d ec o n v e n i e n c e 。f l a s hm e m o r yi su s e da sak i n do fs t o r a g e m e d i u m , w h e nd s p i sp o w e r e dl | pa n dr e s e t , t h eu s e rc o d ei sl o a d e df r o mf l a s h m e m o r yi n t or a m t or u nb yp r o g r a m m i n go n l i n e ，t h i sm e t h o dh a st h ev i r t u e so f l i t t l ec o s ta n df l e x i b l ep r o g r a m m e i na d d i t i o n , i tg i v e st h ef l o wc h a r to ft h em a i np r o g r a ma n de x p 砒i a t e so nt h e 矗w 辩i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so ft h ep r o g r a m m a b l el o g i c a lf u n c t i o nm o d u l e t h ei n i t i a l i z a t i o no ft h es y s t e mi sd i s s e r t a t e dh e r e f i n a l l y ，s o m eq u e s t i o n sa n dt h e m e a n ss e t t n n gt h e mi nt h ec i r c u i td e b u g g i n g sa r er e f e r e dt o ，a n ds o m ep r o p o s a l sf o r t h ea d v a n c e do p t m d z e ds y s t e mm - eo f f e r e d 船w e l l i nt h i ss c h e m e , t h ei d l a g ec o l l e c t i o ni sd o m i n a t e db yt h ep r o g r a m m a b l ec h i p c p l da n dt h ei i i l a g ep r o c 麟i , gi si m p l e m e n t e db yd s p ，t h e r e b yt h es u p e r i o r i t i e so f t h ed i f f e r e n tt y p e so ft h ep r o g r a m m a b l ec h i p sa r ee x e r t e d , t h ec o s tp r i c eo ft h e s y s t e mi sr e d u c e d , t h ev o l u m eo ft h ep r o d u c ti sm i n i s h e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e mi se n h a n c e da n dt h ee x p a n s i b i l i t yo f t h es y s t e mi si m p r o v e d w i t ht h ev i r t u e s o fb e i n gs m a l l f a s t , f l e x i b l ea n de a s yt oc a r r y ，t h i st h e s i so f f e r ss o m ev a l u a b l e r e f e r e n c e sf o rj m a g ec o l l e c t i o na n dp l 仪嚣随n gs y s t e mb a s e do nd s pa n dc p l d k e y w o r d s ：d s p ，c p l d ，i m a g ec o l l e c t i o n , i l n a g ep r o c e s s i n g 符号说明 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ：数字信号处理器 c p l d ( c o m p l e xp r o g r m m a b l el o g i cd e v i c e ) ：复杂可编程逻辑器件 s r a m ( s t a t i cr a n d o m a c c e s sm e m o r y ) ：静态随机存储器 v h d l ( v e r y - s i g h - s p e e dh t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) ： 高速集成电路硬件描述语言 j t a g ( j i o n t t e s t a c t i o ng r o u p ) ：联合测试行动小组，一种国际标准测试协议 ( 正e e1 1 4 9 1 ) p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) ：锁相环 i - i p i ( h o s tp o r ti n t e r f a c e ) ：主机接口 b s p ( b u f f e r e ds e r i a lp o r t ) ：缓冲串口 c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) ：代码设计平台 a s i c ：( a p p l i c a t i o ns p e c i a li n t e g r a t e dc i u c u i t ) ：专用集成电路设计 e d a ：( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) ：电子设计自动化 p m s t ( p r o c e s s o rm o d es t a t u s ) ：处理器模式控制寄存器 s w w s r ：软件等待状态寄存器 c l k m d ：时钟模式寄存器 b s c r ：块切换状态寄存器 s p ：堆栈指针 d p ：数据指针寄存器 v 原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 ， 论文作者签名： 垄盘卤日期：2 丝：垒丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：垄：蠡卤导师签名： 山东大学硕士毕业论文 1 1 课题的提出和意义 第一章绪论 随着信息化技术的飞速发展，各种便携式电子产品和个人助理不断涌现， 但是，许多消费电子的采集处理系统有着自身的不足。采集装置的复杂化，图 像实时处理对处理器的依赖，图像处理系统的造价、速度及体积都成为限制图 像技术应用的瓶颈比如采用p c i 或i s a 总线接口的图像采集卡都必须依赖计算 机才可以实现图像的采集和处理这样的配置使得系统在由于体积导致的额外 成本及系统整体架构复杂度方面的开销大大增加如果采用单片机之类的微处 理器来取代计算机，又难以实现数据实时处理的要求，从而导致系统性能指标 的下降因此，寻求合适的处理器已成为目前图像采集处理系统的当务之急 随着微电子技术、计算机技术和通信技术的迅猛发展，数字化技术已广泛 深入地应用于现代国防、现代科技和国民经济的各个领域，在社会活动和个人 生活中都随处可见其形影数字化技术的基础和核心是通用数字信号处理器 ( d s p ) 及其相应的程序软件这就使得d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 及其应 用程序在国防、科技、国民经济中占有特殊地位因此开发d s p 及其应用程序 是当今科学和社会发展所需 d s p 应用技术作为一门正在兴起的技术，有着广泛的应用前景其应用已 扩展到人们工作、学习和生活的各个方面，在图像处理、语音识别、雷达跟踪、 通信系统、系统控制、电力系统、故障检测等众多领域中占有了一席之地d s p 芯片在高速信号处理方面具有速度快、运算性能好等优点，每秒可以进行上百 万次运算，内部采用改进的哈佛结构，使得微处理器的并行处理能力大大增强 d s p 的出现，为图像的快速处理提供一个有力的保障本课题的提出就是用d s p 取代计算机和单片机来完成图像的处理。 可编程逻辑器件发展到现在，规模越来越大，功能越来越强，价格越来越 低，相配套的e d a 软件也越来越完善，使其在现代电子系统设计中所占的地位 越来越重要c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 以其开发周期短、 成本低、灵活性强的特点，已成为e d a 技术的一个重要组成部分这里我们选 择d s p 和c p l d 作为研究课题，以期能尽快掌握数字信号处理和e d a 这两种技术 山东大学硕士毕业论文 的理论知识，并将其应用在实际工作中，较快地将数字图像采集处理的科研成 果产品化、硬件化，推动科研项目的产业化速度。促成科学技术研究与产品经 济运作的良好结合 本课题设计的图像采集处理系统具有体积小、成本低、编程灵活、便于携 带的特点，能够很好的解决系统体积、成本在实际应用中带来的问题，对于数 据量小于i m x $ b i t 的图像采集处理具有通用性随着半导体技术的飞速发展， 基于d s p 和大规模集成电路的脱机图像采集处理系统的开发与应用将达到更高 的水平，尤其在消费电子领域将具有显著的社会经济效益和广阔的应用前景， 本课题设计的系统为其提供一个有价值的参考 1 2 课题的研究内容 本课题研究如何以d s p ( 数字信号处理器) 和c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 为核心构建硬件系统，完成基于d s p 和c p l d 的便携式图像采集处理系统的核心 组件设计这些核心组件包括d s p 、c p l d 、a d 转换芯片、存储器( s r a m ， f l a s h ) 等，研究的主要内容在于实现上述核心组件的接口设计大致概括如下： 模拟图像的数字化、数字化图像的存储以及图像数据的处理本文的研究主要 集中在以下几个方面： ( 1 ) 在a l t e r a 公司的m a x + p l u s l i 环境下利用原理图和v h d l 语言两种方式完 成c p l d 程序的编写、校验、仿真以及时序分析，使c p l d 能够控制a d 转 换器和其它外围芯片进行正常工作 ( 2 ) 探讨h p i 口和数据端口扩展为通用i o 的实现方法( 因为v c 5 4 0 2 的i o d 只有 2 个，且是单向的) ，提出d s p 程序空间、数据空间和i o 空间的扩展方案 ( 3 ) 提出图像数据存储空间数据线、地址线和控制信号复用的解决方法 ( 4 ) 搭建系统的硬件电路、绘制系统原理图、完成p c b 板的制作，同时熟悉d s p 的c c s 开发环境，在内部进行一些算法调试工作 ( 5 ) 对电路板进行调试包括对c p l d 电路的调试，对d s p 电路的调试，对外围 电路的调试( 存储器、缓冲器等) 另外，对电路调试过程中出现的问题 和解决方法做必要的分析和探讨 硬件系统在前人的基础上进行了改进，改进和创新方案如下： ( 1 ) 在芯片选择上选用了m a x 3 2 5 6 系列的芯片，此芯片管脚和内部逻辑功能 2 山东大学硕士毕业论文 块较多。可以实现更多的逻辑功能，减少了独立功能芯片的个数，增强了 系统的灵活性，有利于系统扩展，并且能够缩小系统体积、降低系统成本 ( 2 ) 根据d s p 软件和硬件的特点和功能，将f l a s h 映射在d s p 的外部数据空间， 实现t d s p 与f l a s h 的接口，采用f l a s h 在线编程的方式，使d s p 上电复位时 将用户程序加载到内部r a m 中运行；新方案可快速实现f l a s h 芯片的编程、 擦除和程序加载功能，有利于代码的在线升级 ( 3 ) 在硬件电路的接口设计中做了进一步的优化处理，如将s r a m 、f l a s h 等存 储器的控制信号在c p l d 中通过逻辑组合实现，这样调试时只需对c p l d 电 路进行调试，使编程和调试工作相对简单可靠 1 3 论文的章节安排 本论文共分六章，各章的内容安排如下： 第一章概括论述了基于d s p 和c p l d 的图像采集处理系统的提出和意义。并 对所要研究的内容进行了总结，指出了该系统的改进创新方案 第二章从全局出发探讨了基于d s p 和c p l d 的图像采集处理系统的总体设 计方案，规划了系统组成，阐述了系统的基本原理，并根据系统的目标要求对 核心处理器及外围器件的选型进行了分析 第三章详细介绍了图像采集处理系统的硬件电路设计，包括a d 转换电路、 c p l d 电路，d s p 电源电路、时钟电路、复位电路以及d s p 与外部扩展存储器的 接口电路等 第四章介绍了系统的软件流程图，并分成c p l d 设计和d s p 设计两大部分对 系统的软件实现方案进行了分析，对f l a s h 的在线编程方法进行了详细的论述 第五章对电路板制作时应遵守的原则及设计中所用的抗干扰措施做了详细 介绍，并对电路调试过程中出现的问题给予分析，提出了具体的解决方法 第六章总结了课题中主要的研究成果，指出了系统今后的改进方向 3 山东大学硕士毕业论文 第二章系统的总体设计方案 本课题的目标是研制一种便携式的图像采集处理系统，该产品要求处理速 度快、功耗低、体积小、成本低本章以此为原则规划了图像采集处理系统的 总体解决方案 2 1 采集处理系统分析 本系统主要由图像采集和图像处理两大部分组成由c p l d 进行逻辑控制， 负责图像的采集，d s p 进行图像处理，将图像数据采集和图像处理集成到一个 系统中，从而发挥了不同类型可编程芯片的优势，提高了系统的性能系统的 基本结构如图2 1 所示 图2 1 系统的基本结构框图 系统采集处理的过程如下：首先，由d s p 启动对数据的采样，通过扩展的 的口，发送控制信号到c p l d ，控制信号主要由开始采集、采集出错、采集完 成等几个状态组成c p l d 一旦接收到开始采集信号，就立刻向a d 转换器发送 采集控制信号，启动i d 转换；为了实现s r a m 中数据地址的同步，将d 转换 的数字信号送往c p l d 进行缓冲，然后送s r a m 供d s p 读取；d s p 通过查询和中 断方式，监控c p l d 发出的中断信号，一旦接收到c p 【，d 发出的中断信号，d s p 读取某路的数值并与初始数据比较，根据比较结果继续向c p l d 发送控制信号， 如果此时的控制信号为采集完成信号，贝i j d s p 在通知c p l d 停止采集的同时，延 时一段时间后再读取s r a m ，然后在内部进行数据处理，将处理结果放在存储 器中；最后根据用户的要求，将结果通过u s b 接口送往p c 机 山东大学硕士毕业论文 本系统主要研究了图像采集和图像处理的硬件搭建，对于后端的数据传输 没有介绍此系统主要由刖d 转换、逻辑控制模块、存储模块、d s p 图像处理 模块等组成各模块功能如下： ( 1 ) a d 转换模块：将接收到的模拟信号转变为d s p 所需的数字信号 ( 2 ) 逻辑控制模块：该部分具有以下几个功能。 控制i d 转换的时序 s k a m 的数据地址总线控制和读写信号控制 d s p 扩展存储器分页信号的产生 译码和数据锁存功能 ( 3 ) 数据存储模块：使用外扩存储器s r a m 暂存c p l d 采集到的图像数据 ( 4 ) d s p 处理电路：该部分包括d s p 与外围存储器的接口设计。它是整个系统 设计的处理核心采集完毕后，d s p 便可访问s r a m 的数据，并完成后继 的二值化，滤波等处理工作 另外，d s p 还有一个重要的功能就是负责s k a m 的访问权在系统中，d s p 和c p l d 都要对s k a m 进行访问，必然会产生s k a m 的访问权冲突问题，针对这 一问题，我们通过d s p 的引脚x f 来解决，当x f 输出为0 时，d s p 访问s k a m ， 否则，c p l d 访问s r a m 原理框图中的缓冲是为了防止地址线、数据线和控制 信号复用所设置的 2 2 系统的器件选型 本系统设计的目的在于开发体积小、成本低的脱机图像采集处理系统所 以在满足系统要求的前提下，在器件选择方面，应尽可能地减少系统资源的冗 余，提高系统的集成度 2 2 1 微处理器的选型 采用数字信号处理的方式必须选择合适的微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) ，目 前的微处理器分为通用处理器、单片机和d s p 三大类d s p 与单片机和传统的 通用微处理器相比具有很大的优越性 与目前普遍采用的单片机相比，d s p 具有较高的集成度并具有更快的运行 ， 山东大学硕士毕业论文 速度。d s p 器件比1 6 位单片机单指令执行时间快8 一l o 倍，在乘法处理上。d s p 的优势更为明显，完成一次乘累加运算快1 6 3 0 倍这一性能决定t d s p 的应 用领域主要集中在较复杂的算法处理中，如：数字图像处理、数字语音编码等 领域，而单片机则主要用于工业控制等对处理速度和处理性能要求较低的环境。 d s p 与通用处理器相比具有很多优点：大多数d s p 采用了哈佛结构，将程 序存储空间和数据存储空间划分开，可同时为处理器核心提供数据与指令，因 此，d s p 能够在单工作周期内完成多个存储器访问指令，而通用处理器则不行： d s p 处理器使用专门的硬件来实现单周期乘法，并增加了累加寄存器来处理多 个乘积的和，所以d s p 在密集乘法计算中具有先天优势；d s p 实现了零开销。 d s p 系统以数字信号处理为基础，具有数字信号处理的全部优点：具有 实时性，d s p 速度远高于一般c p u 。用d s p 组成的数字信号处理系统可以实时 工作：具有灵活性，通过d s p 的软件编程实现处理，故修改、升级、置换都 很灵活，硬件平台一般不需改动；精度高，在模拟电路中元件精度很难达到 1 0 。3 以上，而数字系统可做到lo - 5 的精度；可靠性高，因为是数字器件，又是 软件工作方式，故降低了老化效应和对噪声的敏感度；成本降低。因为d s p 是可编程的、硬件简化、芯片数量少、制作重复性好、开发周期短、具有完整 的开发和调试工具 近年来，各种集成化的d s p 的性能得到很大改善，软件和开发工具也越来 越多、越来越好，价格却大幅度下滑，从而使得d s p 技术更容易广泛使用，越 来越多的用户开始选用d s p 器件来提高产品性能 本系统通过微处理器对采集的图像数据进行比较分析、二值化、滤波等处 理，要求速度快、体积小、易于实现，又由于图像数据的运算量比较大，使用 传统的通用处理器或单片机无法满足要求，而d s p 芯片正好能满足高速运算处 理的需要，它的运算速度直接决定了系统的处理能力，因此选择y d s p 作为硬 件处理电路的核心器件由于各d s p 厂家的开发方式、开发系统价格不尽相同， 综合考虑产品的易于升级和技术支持条件、开发软件的完整性以及价格等方面 的因素，我们选择了1 1 公司的d s p 芯片 t m s 3 2 0 系歹i j d s p 按照所支持的数据类型不同可分为定点和浮点两类，在图 像采集处理系统中，我们所进行的算法操作是相对于像素而言的，一般不涉及 到浮点运算，因此选用定点算法，使用定点d s p 。1 1 公司的1 m s 3 2 0 c 5 4 x j ( 是为 实现低功耗、高性能而设计的定点d s p 芯片根据本系统的低功耗、低成本、 山东大学硕士毕业论文 微型化的性能要求，考虑到运算速度、存储空间大小、性能价格比、硬件资源、 开发工具，功耗以及芯片订货的难易程度等多个方面，我们选定了 i m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ( 以下简写为v c 5 4 0 2 ) 作为核心处理器v c 5 4 0 2 是1 r i 公司推 出的新一代定点d s p 芯片，它除了继承老产品的优点以外，还增加了更多的硬 件资源，时钟频率高达1 0 0 m i - i z ，性价比较高，从而成为当前静态图像处理的 主流产品下面列出v c 5 4 0 2 的主要特点： ( 1 ) 存储空间可达1 9 2 k 1 6 b i t ，其中6 4 k 字的程序空间、6 4 k 字的数据空间， 6 4 k 字的v o 空间此外，还具有丰富的片上外设 ( 2 ) 流水线结构：一条d s p 指令的执行被分为6 个不同的阶段，这6 个不同的阶段 可以并行执行，即一个指令周期内可以有6 条指令处于执行的不同阶段 ( 3 ) 多处理单元：v c 5 4 0 2 的内部集成多个处理单元，如算术逻辑单元( a l u ) ， 辅助寄存器运算单元( a i 认u ) 、累加器( a c c ) 以及硬件乘法器( m u l ) 单元等，它们可以在一个指令周期同时进行运算 ( 4 ) 外设：2 4 自动缓冲串行b s p ( a u t o - b u f f e r e d s e r i a l p o r t ) 接口和1 个8 位的与 外部处理器通信的h p i ( h o s tp o r ti n t e r f a c e ) 接口，1 个i e e e1 1 4 9 1 标准 ，r a g 接口( 仿真接口) ；2 4 1 8 位计数器和1 个可编程状态产生器 ( 5 ) 特殊指令：d s p 指令集中，设有专门的指令，如累加乘指令m a c d 等 ( 6 ) 功耗低 2 2 20 p t d 的选型 c p l d 是复杂可编程逻辑器件，它是在g a l 、p a l 的基础上发展起来的，规 模大，比较适合时序、逻辑电路应用场合，在信号处理领域的应用也非常活跃 大容量和多i o 弓l 脚的特点更加扩大了其使用范围，它可以代替几十甚至上百块 通用l c 芯片，具有编程灵活和实现方案容易改动等特点即使电路板设计时有 错误，也不必在板上飞线或重新制板，只要在c p l d 软件设计中进行修改就可 以改正，这样有利于使用者将更大规模的电路实现在一块芯片中，给系统集成 带来了方便 为了增加系统的集成度、可扩展性以使其具有更高的性能，从而达到小型 化的目的，我们增加了一片c p l d 来完成整个系统的逻辑控制，如控制数据采 集、存储器片选、地址译码、数据锁存等功能 7 山东大学硕士毕业论文 考虑到系统中需要c p l i ) 控制的输入输出管脚的数量、内部逻辑资源的使 用情况以及a l t e r a 公司c p l d 芯片的高性能，高集成度，价格合理以及开发工具 方便的特点，本系统选用了m a x 3 0 0 0 系列中的e p m 3 2 5 6 a t c l 4 4 - 1 0 它是基于m a x 3 0 0 0 结构体系的高性能e e p r o m 结构的c p l d 芯片，完全符 合i e e e1 1 4 9 1j - t a g 边界扫描标准，具有3 3 vi s p 的功能，可通过j t l a g 接口实 现在线编程引脚可以设置为开漏输出，支持多种电压接口内部有2 5 6 个宏单 元，1 6 个逻辑阵列块和5 0 0 0 个门电路每个宏单元有一个可编程的。与”阵和 固定的“或”阵，以及一个具有独立可编程时钟、时钟使能、清除和置位功能 的可配置触发器为了能构成复杂的逻辑函数，每个宏单元可使用共享扩展乘 积项和高速并联扩展乘积项，向每个宏单元提供多达3 2 个乘积项，这一特点使 它更适合采用e d a 工具进行自动逻辑综合引脚到引脚的延时为4 5 n s ，计数器 工作频率达2 2 7 3 m h z a l 把- r a 的第三代开发工具m a x + p l u s h 系统支持m a x 3 0 0 0 系列的编程开发 和下载该系统是个单一的集成软件包，界面友好、集成度高并且有多种设计 输入方式：通过图形编辑器创建图形设计文件( g d f ) ；通过文本编辑器，有 三种编程语言可供选择用于创建文本设计文件；还可以通过波形编辑器，创建 波形设计文件( w d f ) 等能够执行编译和逻辑综合、仿真、定时分析以及器 件编程等工作，具有强大的逻辑设计功能c p l ，d 有完善的开发平台支持，开 发难度较小，开发出的硬件结构紧凑、性能可靠、保密性好且利于修改，这也 是硬件接口开发的趋势 v h d l 的英文全名是v e r y - h i g h - s p e e dh t e g r a t e d c i r c u i th a r d w a r e d e s c r i p t i o n l a n g u a g e ，于1 9 8 2 年提出。1 9 8 7 年底，被i e e e 和美国国防部确认为 标准硬件描述语言v h d l 作为i e e e 的工业标准硬件描述语言，得到众多e d a 公司的支持，在电子设计领域，已成为事实上通用的硬件描述语言。应用v h d l 进行系统设计的优点有：v h d l 具有强大的行为描述能力；具有丰富的仿真语 句和库函数；对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，就 能进行独立的设计v h d l 的特点决定了其成为系统设计领域最佳的硬件描述 语言 本方案在集成开发环境m a x 卜p 下采用d l 语言编写和调试程序，最 后通过j - r a g 接口将程序下载到c p l d 器件中 1 山东大学硕士毕业论文 2 2 3 枷的选型 本课题研究的对象对图像分辨率要求不高，而对速度有相当的要求，考虑 到市场供应情况和价格问题，我们选用了6 位的高速a d 转换芯片c a 3 3 0 6 c a 3 3 0 6 是6 位的a d 转换器，它采用c m o s i 艺和并行连续采样技术，使其能够 高速工作该芯片的技术性能为最大工作频率可达1 5 m h z ，模拟量输入范围 0 v s v ，c a 3 3 0 6 的管脚分布如图2 2 ( a ) 所示b i - - b 6 是6 位a d 数字输出端， o f 是溢出端，e l k 是取样时钟信号，p h ( p h a s e ) 是取样时钟控制输入端，e e l # 、 c e 2 是三态输出使能端。 似瓦! ：用! 三广 - 吣i d 雹蔓d t d 童 一一 n ) 毪毒嘲旺信曩置 吡! ! 网! ： 一_ t l - t 嗖= j 主 叵 “) a b 舶q 甑簟量冲工作式 呱! 风! ：网! - “- m 二= j 互) 叵奎丈互 - t ，一 c | ，瞄嘲双t 冲工f 献z “，“畦曲瑕丘狰工f e 夏孟 图2 2c a 3 3 0 6 的管脚和工作模式 c a 3 3 0 6 的每次刖d 转换过程占一个时钟周期，包括一个“自动平衡( a m o b a l a n c e ) 一阶段由1 和一个“取样未知”( s a m p l eu n k n o w n ) 阶段由2 当取样时 钟控制输入端p h 为低电平时，时钟周期的高电平状态为自动平衡阶段巾l 而 时钟周期的低电平状态为取样未知阶段巾2 ；当p h 为高电平时，则时钟周期的 低电平状态为自动平衡阶段由l ，时钟周期的高电平状态为取样未知阶段巾2 在取样未知阶段巾2 ，内部比较器跟踪输入电压v m 当由取样未知阶段由2 向自 动平衡阶段由l 转换时，比较器的输出被锁存；在自动平衡阶段由l ，锁存器的 数据被送至内部寄存器的输入端；当由自动平衡阶段巾1 向取样未知阶段由2 转 变时，有效数据经过t d 的延时。出现在内部三态驱动器的输出端，至此，一个 尘銮查主霉主兰些丝耋 a 仍转换过程结束 c a 3 3 0 6 可工作在连续时钟驱动工作模式，也可工作在非周期脉冲驱动工 作模式图2 2 ( b ) 为取样时钟控制输入端p h 为低电平时的连续时钟驱动模 式时序图；对于高速非周期性采集瞬时数据，有三种不同的脉冲工作方式，取 样时钟控制输入端p h 为低电平时的三种工作时序如图2 2 ( c ) 。( d ) ，( c ) 所 示 单脉冲工作方式：在整个准备状态，c a 3 3 0 6 保持在取样脉冲未知阶段由2 ， 在自动平衡阶段由l 的上升沿到来时获得模拟信号，在巾l 的下降沿到来后，经 过t d 的延时，d 转换结束，如图( c ) 双脉冲工作方式：双脉冲工作方式有两种，一种是准备状态处于自动平衡 阶段审l ，如图( d ) 所示，这种方式的不足之处是巾1 由2 越大。功耗越高 另一种是应用中要求有不确定的准备状态，又是低功耗的情况，如图( e ) 所示 双脉冲工作方式比单脉冲工作方式转换时间略长，重复率可以任意慢。 2 2 4 存储器的选型 按存储器能否直接与d s p 交换信息来区分，可分为外部存储器和内部存储 器许多d s p 都提供了具备片内r o m 型的产品，片内r o m 可以将定型的程 序代码固化到d s p 片内，从而减少了系统的体积、功耗、电磁辐射干扰，速度 也有所提高，当大批量生产时可以降低成本但这种r o m 几乎都是一次性写 入的，而且需要出产厂家专门制作，因此对普通用户来说，这些r o m 是无用 的，所以d s p 处理系统中除了d s p 芯片以外，另外不可缺少的器件就是存储 器一个独