（交通信息工程及控制专业论文）网络化交通视频检测器硬件系统研究与实现.pdf

于两要 智能交通系统( i t s ) 是目前世界交通运输领域的前沿研究课题。交通信息视频检 测技术作为智能交通系统中一项关键技术和重要环节，相对于其他交通信息检测技术具 有较大的优势。 论文在分析研究了国内外交通视频检测技术的基础上，针对现有交通视频检测系 统存在的体积较大、处理速度难以提高、可靠性偏低、成本较高、功能扩展和维护不便 等缺点，结合实际应用情况，设计开发了一种以高速图像处理器d s p 芯片为核心的网 络化嵌入式交通视频检测系统。该系统由插卡式视频检测器、交换机、服务器三部分组 成，其中每个检测器可以安装1 6 块检测卡，每块检测卡可独立实时处理1 路标准视频 信号，具有视频解码、视频压缩、视频图像处理、交通事件检测、交通参数统计和向服 务器发送检测结果等功能。交换机负责检测器和服务器之间的高速以太网通信。服务器 负责存储交通事件信息、交通测量参数、事件视频片段等检测数据以及相机初始背景、 车道信息、算法处理阈值等相机初始化参数，同时为客户端访问历史数据提供通信接口。 论文主要完成了系统功能需求分析、系统方案论证、视频检测卡硬件电路设计，系 统电源完整性、信号完整性及电磁兼容性理论分析和研究、系统高速p c b 板卡设计开 发以及系统软硬件的联调与测试等工作。 论文研究开发的网络化交通视频检测器硬件系统已成功在多个实际工程项目中得 到应用，应用结果表明：系统运行稳定、工作可靠、功能完整、能够满足实际应用的需 要，为交通视频检测领域提供了一种良好的解决方案。 关键词：智能交通系统、交通视频检测、d s p 、电源完整性、信号完整性、电磁兼容性 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) h a sb e c o m eo n eo ft h ef r o n t i e rr e s e a r c ht o p i c so ft r a n s p o r t a t i o n f i e l d a sa ni m p o r t a n tp a r to fi t s ，t h et r a f f i cd e t e c t i n gt e c h n i q u eb a s eo nv i d e oa n a l y z i n gh a sb e t t e r p e r f o r m a n c et h a na n yo t h e rd e t e c t i n gt e c h n i q u e s i nt h ep a p e r ，t h et r a f f i cd e t e c t i n gt e c h n i q u eb a s eo nv i d e oa n a l y z i n ga th o m ea n da b r o a di sa n a l y z e di n d e t a i l a n da ne m b e d d e dn e t w o r kt r a f f i cv i d e od e t e c t i o ns y s t e mw i t hah i g h - s p e e di m a g ep r o c e s s i n gd s p c h i pa st h ec o r ei sd e s i g n e d ，w h i c ho v e r c o m e st h es h o f l e o m i n g so fe x i s t i n gv i d e od e t e c t i o ns y s t e ms u c ha s l a r g es i z e ，s l o wp r o c e s s i n gs p e e d ，l o wr e l i a b i l i t y , h i g hc o s t ，i n c o n v e n i e n c eo fe x p a n s i o na n dm a i n t e n a n c e t h es y s t e mc o n s i s t so fv i d e od e t e c t o r , s w i t c ha n ds e r v e le a c hd e t e c t o rc a nb ei n s t a l l e du pt o1 6d e t e c t i o n c a r d s ，w h i c hc a nd e a lw i t has t a n d a r dr e a l - t i m ev i d e os i g n a li n d e p e n d e n f l y t h ec a r dh a sf u n c t i o n so f v i d e o d e c o d i n g ，v i d e oc o m p r e s s i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g ，t r a f f i ci n c i d e n td e t e c t i o n ，t r a f f i cp a r a m e t e rs t a t i s t i c sa n d s e n d i n gr e s u l t st ot h es e r v e r s w i t c hs e r v i c e sf o rt h eh i g h - s p e e de t h e m e tc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd e t e c t o r a n ds e r v e r s e r v e ri sr e s p o n s i b l ef o rs t o r i n gt h ed e t e c t i o nd a t a ，s u c ha st r a f f i ci n c i d e n ti n f o r m a t i o n ，t r a f f i c m e a s u r e m e n tp a r a m e t e r s ，e v e n t sv i d e oc l i p sa n ds oo n a tt h es a m et i m et h es e r v e ri sa l s or e s p o n s i b l ef o r s t o r i n gt h ei n i t i a lb a c k g r o u n d ，l a n ei n f o r m a t i o n ，t h r e s h o l do fp r o c e s s i n ga l g o r i t h ma n di n i t i a lp a r a m e t e r so f c a m e r a s ，a n dp r o v i d i n gac o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ef o rt h ec l i e n tt oa c c e s sh i s t o r i c a ld a t a t h ew o r ka c c o m p l i s h e di nt h i sp a p e ri n c l u d e ：s y s t e mr e q u i r e m e n t sa n a l y s i s ，s y s t e md e m o n s t r a t i o n ， v i d e od e t e c t i o nc a r dh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fs y s t e mp o w e r i n t e g r i t y ( p 1 ) ，s i g n a li n t e g r i t y ( s i ) a n de l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) ，h i g h - s p e e dp c bd e s i g n ，a s w e l la ss y s t e md e b u g g i n ga n dt e s t i n g t h er a f f i cv i d e od e t e c t o rb a s eo nn e t w o r kd e s i g n e di nt h i sp a p e rh a sb e e na p p l i e ds u c c e s s f u l l yi na n u m b e ro fp r o j e c t s ，a n dt h er e s u l ts h o w st h a ti tw o r k ss t a b l ya n dr e l i a b l ya n dp r o v i d e sag o o ds o l u t i o nf o r t h et 船f f i cv i d e od e t e c t i o nf i e l d k e y w o r d s ：i t s ：t r a f f i cv i d e od e t e c t i o n ：d s p ；p i ；s i ：e m c 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：勇黻 枷7 年f 论文知识产权权属声明 钼7 日 | 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：缘匆红边 导师签名磊硎 年月f 日 叩年月2 日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 改革开放以后，我国经济快速发展，社会对交通运输的需求越来越大，交通运输与 社会经济生活的联系日益密切，交通基础设施建设和交通运输管理已经成为经济与社会 生活中最活跃的方面之一。交通问题的日益突出要求尽快推进智能交通系统的建设，而 交通参数的采集系统则是整个智能交通系统的基础，正是交通参数采集系统所获得的各 项交通流参数，为智能交通系统提供了数据支持和分析基础，从而使得交通秩序得以维 持，交通状况得以改善。交通视频检测技术以其高可靠性、便捷性、低成本和易扩容的 优势正成为未来交通参数采集的主流手段之一。 1 1 课题的来源、研究背景及意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于上海交技发展股份有限公司与长安大学合作的项目“视频事件检测 技术与研究”。 1 1 2 课题研究背景及意义 随着我们国家汽车保有量不断的提高，交通运输问题变得日益严重，道路交通拥 挤，交通事故频繁发生，交通环境不断恶化。这些因素已经严重影响我国社会和经济正 常运转，因此，我们需要把车辆和道路综合起来考虑，运用各种先进技术，系统而全面 的解决道路交通运输问题，由此产生了一个新的研究和应用领域智能交通系统i t s f 1 1 ( i t s ，i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t c m ) 。 i t s 发展在世界范围内受到广泛关注，发达国家都纷纷投入巨资支持相关技术 的研究与应用。我国对这方面的研究与应用也十分的重视。目前，科技部已选定若干个 智能交通试点示范城市，开展智能交通领域关键技术的研究，探索具有中国特色的i t s 发展道路。在i t s 系统中，准确实时地获取各种道路交通信息数据( 包括车流量、车头 距、占有率、车速度、车辆密度等) 是非常重要的一环。i t s 系统中的交通诱导、交通 信号、信息发布、异常事件报警、电子监控以及交通预测都需要建立在交通信息数据基 础上。 在过去，获取车辆数据与交通参数常常采用以下几种方式，它们分别是：超声波检 第一章绪论 测技术、微波多谱勒检测技术、感应线圈检测技术、红外线视频检测技术、视频检测技 术等等。这几种技术各有优缺点，美国交通部委托休斯测试中心对上述几种方法进行了 测试与分析，报告如表1 - 1 1 2 1 。 表1 - 1 美国交通部委托体斯测试中心检测报告 检测技术优点缺点 超声波检测体积小，设备易于安装性能随环境温度和气流影响而降低 微波多谱勒在恶劣气候下仍然能表现出不能检测静止或低速行驶的车辆； 检测 色；直接检测速度 以向前方式用定向天线跟踪单车道 施工质量对系统的可靠性和寿命影 感应线圈检测昼夜可采用同一算法，可以响很大： 解决昼夜转换引起的问题。对系统进行修理或安装时需要封 路，对车辆的通行造成影响； 安装过程中的施工会影响路面寿 命； 埋在路面的传感器容易被大型车 辆、超载车辆和路面修理等破坏 可以提供大量交通管理信需要很好的红外线焦平面检测器， 红外线检测息；不存在昼夜转换带来的需要以提高功率、降低可靠性的代 问题 价来实现灵敏度的提高 可提供可视的图像证据和交车辆遮手当问题不好解决； 视频检测通管理信息；积水与阴影问题会造成检测误差 一台摄像机可检测多个车道 由表1 - 1 可见，视频检测方法比其他方法具有较大的优势。而其他几种检测方式都 存在着工作寿命、使用环境及可靠性等问题。 2 长安大学硕士学位论文 交通视频检测技术作为智能交通系统中一项关键技术，越来越受业界的重视，视频 检测技术为交通系统提供了更为方便而直观的分析手段。 交通视频检测技术具有以下的优势： 1 ) 视频检测范围可达2 0 0 米； 2 ) 摄像机、视频传感器等设备成本低，安装与调试方便快捷，不会对路面产生破坏； 3 ) 在众多的检测技术中，视频检测技术采集到的交通参数最多； 4 ) 可以留下图像作为证据； 5 ) 可靠性和准确度较高，能够2 4 小时不间断工作。 由于视频检测与其它检测方式相比具有上述不可代替的优势，决定了它必将成为今 后交通信息参数采集的主要手段【3 1 。 1 2 智能交通发展状况 1 2 1 国外发展状况 美国加州j e tp r o p u l s i o n 实验室在二十世纪七十年代年开始研究视频检测技术，并 取得了初步的进展。此后，欧美、日本等国家也相继加入了视频检测技术研究的队列， 一批视频检测产品不断推出。其中比较典型的是美国的a u t o s c o p e 视频检测系统。进入 二十一世纪，在学术界、商业界和政府部门的共同努力之下，交通视频检测技术日趋成 熟与完善，并开始逐渐取代感应线圈、红外线等检测技术，成为了获取道路交通参数的 主要手段。在交通视频技术的应用方面，韩国汉城奥林匹克高速公路、纽约g o w a n u s 快速路的成功例子为交通视频检测技术的实际工程应用提供了宝贵的经验和数据。在当 代，视频检测技术受到了越来越广泛的关注f 4 】。 当今国际市场上比较成熟的视频检测系统有美国的a u t o s c o p e 系统和法国的c i t i l o g 系统。其中，a u t o s c o p e 系统是全球进行研发并获得国际专利最早的交通视频检测技术。 a u t o s c o p e 系统经过了多年不断的技术创新与研发，已经发展成熟，并可以满足众多国 际工业标准，在大量的实际工程应用中经过了广泛的考验。到目前为止，超过6 0 0 0 套 的a u t o s c o p e 系统在欧美、亚太等许多国家的智能交通管理系统中运行，并得到全世界 交通专业人士的普遍认可【5 1 ，但是这些系统的价格十分昂贵，以c i t i l o g 为例，处理每 路视频信号的价格是3 万人民币；而且这些系统都是定制的，要进行扩展和维护需要从 3 第一章绪论 外国公司请派专家，十分不便。 1 2 2 国内发展状况 由于传统的线圈检测技术中传感器的安装与维护存在着成本高、影响道路寿命、影 响交通等种种的缺陷，我国的一些高速公路、城市道路和隧道开始探索视频检测技术， 有些公路、隧道的管理部门甚至尝试采用视频检测技术进行对道路和隧道的监控与管 理。杭州新城隧道监控系统就是一个很好的例子。隧道内每隔1 0 0 m 安装一台监控摄 像机，做到全程无死角监控。视频分配器引出视频信号接入视频检测器，视频检测器对视 频信号进行一定的算法处理，得出结果后向监控中心提供相应的事件报警信号与交通 参数。交通视频检测系统能够对各种交通事件进行自动检测，( 包括行人闯入、车辆停 止、交通堵塞、车辆逆行、车速超速、抛落物、车祸等各种事件) 此外还有建通参数统 计功能，另外该系统还可以提供烟雾和火苗报警功能。这些功能为隧道监控人员提供准 确的信息，以便采用有效措施进行应急处理。 目前，国内对该领域的进行研究和产品开发的单位有：北京布鲁顿公司、深圳市哈 工大交通电子技术有限公司、深圳阿格斯公司、成都深港监控技术公司、浙大电信研究 所、北京清华紫光股份有限公司等十多家企。但由于我国在该领域的研究比较晚，目前 我国市场中占主导地位的仍然是欧美 9 8 ； ( 2 ) 检测报警时间： 9 0 ； ( 6 ) 平均车速准确率： 9 5 ； ( 7 ) 存储图像分辨率：3 5 2 x 2 8 8 ； ( 8 ) 事件检测区域： = 1 6 1 ( 9 ) 事件报警区域： = 1 6 1 ( 1 0 ) 报警录像长度：默认事件前后3 分钟，用户可自定义。 2 2 3 系统工作环境要求 1 ) 参照标准 g b 4 7 9 8 3 9 0 电工电子应用环境条件，有气候防护场所固定使用( n e qi e c 7 2 1 - 3 - 3 ：1 9 8 7 ) 的规定。 g b 4 7 9 8 1 0 - 9 1 电工电子应用环境条件，导言( n e qi e c7 2 1 3 0 ：1 9 8 7 ) 的规定。 ( 2 ) 工作环境的温、湿度要求： 视频事件检测设备在以下表2 一l 的温、湿度环境中应能正常工作。 表2 - 1 工作环境温湿度要求 温度( )相对湿度( ) 长期：作条件短期工作环境长期工作条件短期工作条件 1 5 一3 0 o 一4 5 4 0 一6 5 2 0 一9 0 ( 3 ) 视频事件检测设备对机房的防尘的要求： a ) 机房中应无爆炸、导电、导磁性及腐蚀性尘埃。 b ) 灰尘粒子直径大于5um 的浓度应小于等于3 1 04 粒m 3 。 ( 4 ) 对有害气体浓度的要求： 机房中应无腐蚀金属的和破坏绝缘的气体。 ( 5 ) e m c 要求： 视频事件检测系统在设计时要考虑电磁兼容性的问题。外界的电磁干扰不应影响 本系统的正常工作，自身系统的高频辐射不得对其它设备产生干扰，必要时采取屏蔽保 护。e m c 指标性要求参见下面的标准： a ) i e c 8 0 1 1 至6 项规定； 第二章网络化交通视频检测系统方案设计 b ) g b3 9 0 7 8 3 工业无线电干扰基本测量方法； c ) g b6 1 1 3 9 5 无线电干扰和抗扰度测量设备规范； d ) g b t1 3 9 2 6 2 9 2 工业过程测量和控制装置的电磁兼容性：静电放电要求； e ) g b t1 3 9 2 6 4 9 2 工业过程测量和控制装置的电磁兼容性：电快速瞬变脉 冲群要求； f ) g b9 2 5 4 8 8 信息技术设备的无线电干扰限值和测量方法； 曲g b t6 1 1 3 1 9 9 5 无线电干扰和抗扰度测量设备规范。 2 3 视频检测器方案 网络化交通视频检测器由视频检测板、背板、电源及电源监测板构成。一个交通视 频检测器机箱可配置1 6 块视频检测板，每一块视频检测板处理一路视频信号，各单板 之间相互独立，互不影响。 背板主要负责将电源1 和电源2 的输出“1 + 1 热备份，并为各模块之间提供电源 和通讯连接。 电源1 与电源2 构成冗余备份，在任何一个电源故障的情况下系统仍能够继续工作， 不受影响。 交通视频检测器的系统框图如下图2 3 所示： a c 2 2 0 v a c 2 2 0 v 一 电源2 次 电源l i皂 一 8j 环 一， ：f1 1 1 1 r1 1 1 1骨廿骨仆仆1 f： 黠 盟 掣 过 黠 掣 姑掣 黠骣船蜡龆 盟 黠 皿 、 通 视视视视 讯 频频频频频频频频频频频频频频频频 总 事事事事事事事事事事事事事事事事 线 件件件 件件件件件件 件 件件件件件件 榆检检检检检检检检检检检检检检检 测测 测测测测测溯测 测 测 测测 测测 测 l23456 7 89llliili o l23456 w w兀w w w w w w h w w w可 可w 规圳 观圳 况剀 况创 视圳 视圳 现圳 视圳况纠况以况圳 况圳况圳 视易 观圳 现圳 顿a频a颇a频玉频孟频a频奠频a顿a频太顿太 颁杰 顿孟 频鼻频频杰 渝泓输k输暖 渝两 渝瞳 渝畦 输泓输暖 输刚渝网瑜髓输嘲 渝雕 输两 输虹 渝陋 入口入u入入入口 入口 入口入u入u入口 入口入u入【j入f -入u入l 图2 - 3 视频交通事件检测器系统框图 1 2 长安大学硕士学位论文 交通视频检测器的结构图如图2 - 4 ( a ) 及( b ) 所示： 图2 4 ( a ) 视频交通事件检测器结构图( 正面) 视频检测板空面板 视频检测板数量可选择配置，每台机器最多可配置1 6 块视频检测卡，其余位置安 装空面板。 测卡。 视频检测板从最左侧槽位起依次配置，最右侧槽位( 第2 1 槽位) 不可以安装视频检 图2 4 ( b ) 视频交通事件检测器结构图( 背面) 一电源1 电源2 电源1 与电源2 构成1 + 1 冗余热备份，每一个电源上都独立的电源输入接口和电 源开关。 1 3 第一啭h 镕化变通视频榆测系统方案设* 2 4 视频检测卡方案 24 1 设计原理及结构框图 视频检测卡原理框图如下图2 5 所示 图2 - 5 视频检测 原理框田 d s p 是视频检测卡的核心处理器，所有的控制、运算、通信等任务都由它完成； d e c o d e r 负责将模拟视频信号转换成标准的数字视频格式，并传送给d s p ；d d r 2 s d r a m 是d s p 外扩的双通道动态存储器，用来存储程序、数据等；p h y 、以太网变 压器和r j 4 5 构成1 0 1 0 0 b a s e t 以太网的物理层；n o rf l a s h 存储的是d s p 的程序， 即固件：p o w e r 部分为d s p 及其他器件提供电源，井监控电源状态；c o m 是扩展的 通讯接口，用于各单板之间交互数据和调试。 视频检测卡结构图如图2 - 5 ( 0 和( b 1 所示： 圈 蚓 圜2 q s ( a ) 视频检测扳正面结构框图 1 4 * 安 学l 位论文 图2 - 6 ( b ) 视频检测卡面板结构框图 p w r ，电源指示灯 a c t 运行指示灯 l o s ，视频指示灯 一- a im ，告警指示灯 r s t , 复位键 s e t , 设置键 咀太网口 一视频输入口 绿色p w r 指示灯点亮代表电源工作正常； 绿色a c t 指示灯闪烁代表c p u 工作正常； 红色l o s 指示灯常亮代表视频信号丢失； 红色l o s 指示灯闪亮代表有事件发生： 按下r s t 键视频检测板重新复位； 按住s e t 键，再按下r s t 键，视频检测板将会以默认的口地址启动。( 默认i p 地 址为：1 9 2 1 6 812 5 2 ) 第二章网络化交通视频检测系统方案设计 2 4 2 主要芯片的选型 d s p 处理器 d s p 处理器是整个检测系统的最关键部件，它主要完成大量的数据采集，数据处理， 各种算法的实现以及控制和通信任务。所以本设计中要求主控芯片具备以下几个基本条 件： ( 1 ) 高速的处理能力是系统的高度实时性的关键； ( 2 ) 大容量的存储可以满足复杂算法的运行要求； ( 3 ) 高速的数据通道可以有力保证检测器与控制中心的通信； ( 4 ) 专用的视频接口以及丰富的外部设备接口资源可以减少电路设计的复杂度， 同时可以降低成本，减少工作量。 为了满足以上条件，本设计的视频检测板核心处理器采用t l 公司针对多媒体应用 而开发的芯片t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 。d m 6 4 3 7 是t i 公司在2 0 0 7 年新发布的专用多媒体处 理器，采用达芬奇( d a v i n c i ) 技术，专为视频和图像应用量身定制。 在硬件上，由于采用v l i wt m s 3 2 0 c 6 4 x + 内核，t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 的主频达到 6 0 0 m h z ，计算能力达4 8 0 0 m p i s ，使之具有高速处理能力；d m 6 4 3 7 具有1 1 2 kb y t e sl 1 c a c h e 和1 2 8 kb y t e sl 2c a c h e ，同时支持3 2 1 6 b i td d r 2s d r a m 存储器扩展，6 4 c h e d m a ，1 个1 0 1 0 0 m 以太网e m a c 。6 4 通道的e d m a 保证c p u 和外部器件可以高 速并行传输，可通过扩展a t a 接口、p c i 接口进行大容量的本地存储，也可以通过以 太网接i = 1 完成远程存储；d m 6 4 3 7 上还集成了v p s s ( v i d e op r o c e s s i n gs u b s y s t e m ) ，v p s s 包含一个兼容b t 6 0 1 b t 6 5 6 y u v 4 2 2 格式的视频输入口、一个视频输出口和多个专用 的视频处理引擎。 在软件上，d m 6 4 3 7 增加了许多特有指令，这些指令可以大大提高视频和图像处理 的处理速度，适合复杂的视频和图像处理算法的需要。此外，1 r i 还提供了视频图像处 理函数库i m g l i b ，这个函数库提供大量的典型视频图像算法专用a p i 函数，正是由于 有了这些a p i 函数，开发人员不需要了解底层算法与细节，便可以进行系统开发，大大 提高了产品研发周期，加速产品的上市。 视频解码器 d m 6 4 3 7 的视频输入口可以与通用的视频解码器连接，在本系统中视频解码器采用 s a a 7 1 1 3 h 。s a a 7 1 1 3 h 是一款极低功耗的n t s c p a i s e c m 多制式兼容的视频解码 1 6 长安大学硕士学位论文 器，支持n t s c p a l 制式的视频解码芯片，片内具有2 个9 b i t 的a d c 采样器，有足够 的解码速度与精度。该芯片具于自动钳位、自动增益控制、白峰控制、抗混频滤波、梳 状滤波等功能。 存储器 d m 6 4 3 7 内集成了d d r 2s d r a m 控制器，支持外扩最大2 5 6 mb y t e s3 2 b i td d r 2 s d r a m ，接口为d d r 2 4 0 0 。该设计中采用m i c r o n 公司1 6 - b i t 宽的3 2 m b 深的d d r 2 s d r a m ，型号为m t 4 7 h 3 2 m 1 6 c c 5 e ，扩展2 片，总存储容量为1 2 8 mb y t e s 。由于 d d r 2 的读写速度很快，d m 6 4 3 7 扩展d d r 2 后，内存容量大大增加，可以显著提高 d s p 芯片的处理能力。 以太网接口 d m 6 4 3 7 内部集成一个1 0 1 0 0 m b s 以太网m a c 控制器，兼容i e e e 8 0 2 3 ，提供m i i 接口与p h y 连接。本设计中采用i n t e l 公司的k s z 8 0 0 1 l 以太网物理层收发器， 1 0 b a s e t 1 0 0 b a s e t x 1 0 0 b a s e f x 兼容。k s z 8 0 0 1 l 是一款低功耗、全双工的以太 网物理层收发芯片。它具有基线漂移自校正能力，支持边界扫描，可通过m d i o 串口 或者硬件控制引脚配置芯片。该芯片还有3 个可编程的l e d 驱动引脚，可以方便的与 r j 4 5 接头的l e d 连接，用于指示网络的连接状况。 1 7 第三章视频检测卡各模块设计 第三章视频检测卡硬件电路研究 视频检测卡硬件电路的设计较为复杂，而且接口众多。其中，d s p 处理器是整个采 集卡的核心，它关系到整个交通视频检测系统运行的可靠性和实时性；d s p 与d d r 2 的接口属于高速接i z l ，其设计时要保证信号完整性和满足电磁兼容性；视频解码器与 d s p 接口电路涉及高速数模混合电路，数模混合电路的设计是难点：以太网通信接1 2 1 电 路关系到检测系统对外通信和数据交换，必须保证检测系统与上层管理系统通信畅通。 所以正确的原理图设计是成功研制视频检测卡的前提。 3 1d s p 芯片选择及外围电路研究 3 1 1t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 芯片结构及内核 3 1 1 1t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 结构 t m s 3 2 0 c 6 4 x + t m 系列d s p ( 包括t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 ) 是t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 r m 系列平 台里定点运算性能最好的一代。d m 6 4 3 7 基于t i 公司开发的第三代高性能、先进 v e l o c i t i r 甚长指令集结构，使得它们成为数字媒体应用的最佳选择。c 6 4 x + r m 系列芯 片可以向下兼容c 6 0 0 0 俐系列平台的代码，甚至可以支持额外功能和扩展指令集。 臣至固 s y s t e bc o n t r o l d s ps u b s y s t e bv i d e op r o c e s ss u b s y s t e s ( v p s s ) i o s c i c “+ 1 md s p c p u b a c k e n d i p l l s c l o c kg e n e r a t o r i 1 2 8 k l 2 r a m r e - i n n c c do n v i d e o 一i i p o w e r s l e e pc o n ”o i l e r l 3 2 k b8 0 k b c o n t r o l e rh i s t a 呻 s c r e a me n c o d e r1 0 b d a c 衄 v i d e om 3 a d i s p l a y( v e n c ) 1 0 b d a c 磁 l ip g md a t a i n t e r f a o t i o s d ) 1 0 b d a c 唿 l p nm u i l i p l e x i n g i b o o t r o m n 薯”i e w _ i 砧d a c 日坛 j 专孑孑 s w i t c h e dc e n t r a lr e s o u r c e ( s c r ) 刍亡 p e r i p h e r a l ss e r i a l i n t e r f a c e s y s t e m ，r 一，r ，一、 ，r 一1 圈画日曰国匿巨旃同 厂 一“ l 删雌ic o n n e c ，t i v i t yp r o g r a - 胁# 8s t o r a 黔 ， 、：= = ：_ = 二= 二 厂羽厂订厂订厂翮 d d r 2 l & v n c e m i f l 倒( 3 3 m h z ) 趋( 3 3 m h z ) 刨( 3 3 m h z ) 幽( 3 3 m h z )闽俺i | |r 爱li “基y 图3 - 1t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 结构框图 1 8 8 b 酊嘲 y c 2 4 b 陆b s r s c p m , 广s v i d e o j 船b y p b p r 长安大学硕士学位论文 如图3 - 1 所示，t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 主要由四大块组成：系统控制部分( 包括时钟管 理、功耗管理、管脚复用管理) ，d s p 子系统( t m s 3 2 0 c 6 4 x + 内核) ，视频处理子系统 ( 包括视频前端，视频后端编码) 和外设接口【8 】o d m 6 4 3 7 在c 6 4 x + 的内核基础上增加了很多实用的外围接口，易于系统扩展。其主 要外设包括： 视频前端 c c d 和c m o s 图像接口 兼容b t 6 0 1 和b t 6 5 6 的数字y u v 4 2 2 接口 视频后端 8 1 6 位的y u v 或者2 4 位r g b 数字输出接口 外部存储器接口 容量可达2 5 6 m b 的3 2 位d d r 2 接口 容量为6 4 m b 的n o rf l a s h 或n a n df l a s h 接口 增强性d m a 接口 2 + u a r t 1 2 c 接口 2 个多通道缓冲串口( m c b s p s ) 一个多通道音频串口 1 6 位的主机端口接口( h p i ) 增强型c a n 接口( h e c c ) 3 3 v 、3 3 m h zp c i 接口 i o i o o m 以太网接口 v l y n q t m 接口 3 1 1 2t m $ 3 2 0 d m 6 4 3 7 内核 t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 是以c 6 4 + 中央处理器为内核。c 6 4 + 拥有8 个功能单元、2 个寄存器文 件和2 个数据通道( 如图3 2 ) 。两个通用寄存器文件各包含3 2 个寄存器，共6 4 个寄存器。 通用寄存器可以存放数据或者地址指针。数据类型支持8 位、1 6 位、3 2 位、4 啦和6 4 位。 大于3 2 位的值，j t l 4 0 位或者6 4 位的数据存放在寄存器组里，低3 2 位存放在偶数地址寄存 器里，高8 位或者3 2 位存放在另一个寄存器随1 ( 通常是奇数地址寄存器) 。 1 9 d a t ap a t h d a t ap a t h 图3 - 2c 6 4 + c p u 数据通道 8 个功能单元( m 1 ，l 1 ，d 1 ，s 1 ，m 2 ，l 2 ，d 2 ，s 2 ) 在每个时钟周期内可以 条指令。其中，m 功能单元执行所有的乘法操作；s 和l 单元分别执行算术、逻辑 转操作；d 单元则负责从内存取数据到寄存器文件或者把结果从寄存器文件存放到 里面。 2 0 执行 、跳 内存 长安大学硕七学位论文 c 6 4 + 1 内核1 ：1 ：, c 6 4i 勾核扩展了一些新功能。在一个时钟周期里，每个c 6 4 + m 单元可以 执行以下操作：一次3 2 位乘3 2 位乘法；一次1 6 位乘3 2 位乘法；2 次1 6 位乘1 6 位乘法；4 次 8 位乘8 位乘法。 c 6 4 + 内核使用2 级缓存机制。一级程序缓存( l i p ) 容量为3 2 k b ，可以配置为内存映 射或者缓存映射。一级数据缓存容量为8 0 k b ，其中4 8 k b 是内存映射，3 2 k b 可以配置为 内存映射或者复用。2 级缓存( l 2 ) 容量为1 2 8 k b ，程序与数据共享，可以配置为内存 映射、高速缓存或者是两者复用。 3 1 2 t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 的启动模式设置及管脚配置 d m 6 4 3 7 的启动模式由启动和配置管脚决定。它们分别是b o o t m o d e 3 ：0 、p c i e n 、 f a s t b o o t 、a e m 2 ：0 ，p l l m s 2 ：0 。其中，b o o t m o d e 3 ：0 和p c i e n 决定了启动模 式的类型( 1 2 c 启动，h p i 启动，p c i 启动等等) ；f a s t b o o t 决定了在启动过程中p l l 是否有效；在快速启动模式中( f a s t b o o t = 1 ) ，启动代码判断、a e m 2 ：0 矛- i p l l m s 2 ：0 】 的组合来决定启动中p u 。的倍频数【引。 d m 6 4 3 7 的启动模式可以分为三类：非快速启动，固定倍频快速启动，用户自定义 倍频快速启动。 1 ) 非快速启动( f a s t b o o t = 0 ) ：在启动过程中，默认p l l 无效。在非快速启动 下各种启动模式的设置参考表3 1 。 2 ) 固定倍频数快速启动( f a s t b o o t = 1 ，a e m 2 ：0 = 0 0 1 ) ：启动代码根据固定的 倍频数加速启动系统。固定倍频数快速启动下各种启动模式设置参考表3 2 。 3 1 用户自定义倍频数快速启动( f a s t b o o t = 1 ，a e m 2 ：0 = 0 0 0 、0 1 1 、1 0 0 、1 0 1 ) ： 启动代码加速启动系统，倍频数由用户通过p l l m s 2 ：0 设定。用户自定义倍频数快速启 动下各启动模式设置参考表3 3 。倍频数与p l l m s 2 ：0 设置的关系如表3 4 。 2 1 第三章视频检测卡各模块设计 表3 - 1 非快速启动下各种启动模式的设置 设备启动配置管脚 启动模式 d m 6 4 3 7 d启动时p l l c l 时钟设置 ( 主从) 启动地址 b o o t m o d e p c i e n p u 模式 时钟 设备频率 分频 0 0 0 0 o ，l仿真器主旁路 1 外部时钟o x 0 0 1 00 0 0 0 0 0 0 1o 1保留 0 0 l oo h p i 启动从旁路 1 外部时钟 o x 0 0 1 00 0 0 0 1 保留 0 0 1 1o 1保留 0 1 0 0o ，1 r o m 直接启主旁路 1 外部时钟 o x 0 0 1 00 0 0 0 动 0 1 0 1o l1 2 c 启动主旁路 1 外部时钟0 x 0 0 1 00 0 0 0 0 1 1 0o 11 6 位s p i 启动主旁路 ，l 外部时钟0 x 0 0 1 00 0 0 0 0 1 1 1o 1n a 卜r df l a s h 主旁路 1 外部时钟 0 x 0 0 1 00 0 0 0 启动 l o o oo 1 无流控制串主旁路 1 外部时钟 0 x 0 0 1 0 口启动0 i d 0 0 0 1 0 0 1o 1 保留 1 0 1 0o 1 保留 1 0 1 1 o 1 保留 1 1 o 1保留 1 1 0 1o 1 保留 1 1 1 0o 1 流控制串口主旁路 ，1 外部时钟 0 x 0 0 1 0o 0 0 0 启动 1 1 1 1 o 1 保留 长安大学硕士学位论文 表3 2 同定倍频数快速启动下各种启动模式设置 设备启动配置管脚 启动模式 d m 6 4 3 7 启动时p l l c l 时钟设置 ( 主从)启动地址 b 0 0 t m o d ep a e n p u 膜式 时钟 设备频率 分频 0 0 0 00 1仿真器主 旁路 1 外部时钟 o x 0 0 1 00 0 0 0 0 0 0 loh p i 启动从2 7，2 外部时钟2 7 亿 0 x 0 0 1 0o o o o 1保留 0 0 1 0oh p i 启动从2 0 2 外部时钟x 2 0 2 0 x 0 0 1 0o o o o 1保留 0 0 1 1 0 h p i 启动。p l l 从1 5 2 外部时钟1 5 2 o x 0 0 1 0 0 0 0 0 为1 5 倍频 1保留 0 1 0 0 o 1 r o m 快速启动主 2 02 外部时钟2 妣 o x 0 0 1 00 0 0 0 0 1 0 1o 11 2 c 启动主2 0 2 外部时钟2 0 2 0 x 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0o l1 6 位s p i 启动主2 0_ 2外部时钟2 0 20 x 0 0 1 00 0 0 0 0 1 1 lo 1 n a n df l a s h 启 主 2 02 外部时钟x 2 叱 0 】【0 0 1 0o o o o 动 1 0 0 0 o 1 无流控制串口 主2 02 外部时钟2 0 2 0 x 0 0 1 00 0 0 0 启动 1 0 0 lo lr o m 快速启动，主2 0 2 外部时钟2 0 20 剜d 0 1 00 0 0 0 无a i s 1 0 1 0o 1保留 1 0 1 1o 1保留 1 1 0 0o 1保留 1 1 0 1 o 1 保留 1 1 1 0 o 1 流控制串u 启 主2 02外部时钟2 0 尼o x 0 0 1 00 0 0 0 动 1 1 1 1 o 1保留 第三章视频检测卡各模块设计