（通信与信息系统专业论文）基于tms320c5402的客流统计系统的设计与实现.pdf

摘要 城市公共交通是为城市 经济和建设服务， 是市民出行的主要交通工具。 但公 共交通存在着很大的问题， 例如:公交速度慢、 上下班拥挤、公交不准时等。 要 解决这些问题必须要实时地知道各条线路的乘客的人数。为此我们研发了基于 d s p 的公交客流统计系统。 在第一章中， 本文首先叙述了课题的相关背景以及当前国内外客流统计的发 展现状，同时还介绍了数字信号处理与d s p系统的相关知识。 第二章主要介绍了整个系统的硬件方案设计和实现。采用 t i公司的 t ms 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片作为系统核心并利用 c p l d实现主要的逻辑和时序控制， 重点介绍了各模块的软硬件连接 第三章对硬件设计中所应注意的 一 些问题展开了讨论， 重点介绍了电源的设 计。 在第四章中，介绍了整个系统的软件实现。主要介绍了算法思路。 最后一章中指出了 该系统在设计上的不足之处， 以 及 卜 一步工作中需重点解 决的问题 关键词:客流统计系统，数字信号处理器，图像采集，图像传感器 ab s t r a c t b u s e s a r e t h e m a i n t o o l s o f t h e p u b l i c w h i c h s e r v e s t h e e c o n o m y a n d c o n s t r u c t i o n o f ai n t h e b u s t r a n s p o rt a t i o n t r a n s p o rt a t i o n a r e a l o t o f s u c h a s t o o s l o w , t o o c i t y . b u t c r o wd e dd u r i n g r u s h h o u r s a n d n o t p u n c t u a l . t h e s e p r o b l e m s p r o b l e m s w i l l b e s o lv e d i f w e k n o w t h e n u m b e r o f t h e p a s s a n g e r s o f e v e r y l i n e i n r e a l t im e . s o w e d e v e l o p e d t h e p a s s e n g e r s fl o w s t a t i s t i c a l s y s t e m o n b u s e s b a s e d o n d s p . f i r s t l y , t h e d e v e lo p m e n t o f p a s s e n g e r s fl o w s t a t i s t i c a l s y s t e m , t h e o f o u r p r o j e c t a n d c h a p t e r o n e . s o m e k n o w l e a b o u t d i g i t a l s i g n a le s s i n g b a c k g r o u n d i n t r o d u c e di n t w o d e s c r i b e d t h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n t h e w h o l e s y s t e m. a t i tm s 3 2 0 vc5 4 0 2 wa s s e l e c t e d a s t h e h e a r to f t h a t s y s t e m a n d m o s t o f t h e i ma g e a c q u i s i t i o n l o g i c , c o n t r o l l o g i c a l a n d a n 1 2 c p r o t o c o li m p l e m e n t e d i n a c p l d c h i p . t h e c o n n e c t i o n o f c h i p s d e s c r i b e d i n d e t a i c h a p t e r t h r e e d i s c u s s e d s o m e t i p s a b o u t h a r d w a r e d e s i g n , e s p e c i a l l y a b o u t d e s i g n . i n t h e c h a p t e r f o u r , t h e a l g o r i t h m o f t h e s o ft w a r e w a s i n t r o d u c e d . l a s t c h a p t e r d r e w a c o n c l u s i o n t o t h i s d s p s y s t e m a n d t h e n m a d e s o m e s u g g e s t i o n t o t h e n e x t b o a r d k e y w o r d s : p a s s e n g e r s fl o w s t a t i s t i c a l s y s t e m , d s p , i m a g e c o l le c t i o n , i m a g e s ens or s 第一章 绪论 1 . 1 . 课题研究的背景和目的 视频监控系统是多媒体技术、计算机网络、工业控制和人工智能等技术的 综合应用。 近些年来数字视频监控系统凭借其高质量的图像和效率， 方便的配置， 快捷的操作， 专有的远程访问能力， 实时主动的监督能力等优越性正逐步取代模 拟监控系统。 作为应用在公交车辆的乘客流量统计监控系统， 正是在传统的模拟 监控摄像机无法进行实时监视， 无法自 动分析图像数据的情况下应运而生， 除了 能够准确、 及时、 方便地获得客流统计数据， 也可减少大量的人力、 物力和财力 的投入。 数字监控系统由图像输入、 压缩及处理模块; 切换控制模块; 网络连接 与远程传输模块构成。 图像处理系统， 作为数字监控系统的重要模块之一， 是本 次项目的研究对象。因此我们利用数字信号处理器 ( d s p )设计了一种基于 t ms 3 2 0 v c 5 4 0 2 的客流统计系统。 1 . 1 . 1研究开发的必要性及意义 城市公共交通是为城市经济和建设服务， 是市民出行的主要交通_ 具。 在城 市经济发展中，公共交通运营状况是科技应用水平和城市现代化程度的重要标 志， 并起着重要的支撑作用，同时也对城市公共交通提出了更高的要求。 作为人 口众多、 基础设施比较落后的中国， 公共交通还存在着很大的问题， 例如: 公交 速度慢、 上下班拥挤、公交不准时等， 如何提高公交运输效率， 将大批的乘客吸 弓 i 到公交车辆上来， 减少其它车辆的使用， 成为摆在当代交通管理者面前的 一个 重要课题。 在目 前的公交营运管理方面， 仍用着几十年来的传统方式: 人上 编制 行车时刻表和接落班表、 人工调度、 人工填路单、 人工统计乘客的数量、 人工输 数据并进行一系列的统计等繁重落后的操作过程， 这一操作过程又造成每天大量 的营运数据的不准确性。同时，由于受人工操作的限制， 大量动态的营运数据无 法为制定新的营运计划提供可靠的依据: 最终形成了工作效率低下、 运营成本过 高、企业面临亏损、不能满足市场客流需要。 浙江人 学硕 学位论文 采集有关的客流数据， 根据分析结果， 制汀营运作业计划， 将大大贴近该线 路的市 场客流的需要，也就是说既可投入相对较少营运成本( 人和车 ) 而获得相对 较多的经济效益，同时又能满足该线路乘客的乘车需求。 1 . 1 . 2自 动客流统计系统的发展和应用情况 通过对国际上现有的己 投入商 用的 a p c ( a u t o p a s s e n g e r c o u n t )系 统进行调查， 发现a p c 系统实现的主要方法主要有以下几种: 入口机械挡叉装置 主动/ 被动红外传感 可见光摄像监测 地板压力传感 光电监测 以卜 对现存的自 动客流统计方法作简要比较分析: ( 一)接触式方法: ( i )采用挡叉装置 挡叉装置严格控制了上下车秩序， 计数准确， 可是不适合于安装在城市公交车上。 ( 2 )踏板压力传感器 通过在 卜 下车门的两极踏板上安装压力传感器， 可以有效的记录并计算经过的人 数， 但是在 卜 下车拥挤的情况下 ， 可能有不止 一 个人踩在同级台阶r ， 这种方法 的精度就会大大降低。 ( 二)非接触式方法 ( 1 )红外线遮挡判断方法 红外遮挡计数是应用很广泛的计数力 一法， 特别是在工业流水线上得到了很好的应 用，可是在公交车客流拥挤的情况下同样无能为力。 ( 2 ) 基于可见光或者红外光的图像模式识别的方法 通过可见光或者红外线摄像， 并通过实时图像处理进行模式识别运算来判断并跟 踪运动人体的方法是自动监控系统中常见的。 基于红外光的监控系统对天气， 光 照的适应能力通常要比基于可见光的监控高不少，但这同时也提高了系统成本。 综上所述， 基于成本与性能的综合考虑， 我们采用基于可见光的摄像技术做图像 浙江大学硕上学位论文 采集，在光线比较暗的夜间情况 ij 一 能进一步使用红外辅助照明的手段 1 . 2 . 数字信号处理技术 n 从2 0 世纪8 0 年代初期第一片数字信号处理器芯片 ( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r s , 简称d s p s ) 问世以 来， d s p s 就以 数字器件特有的稳定性， 可 重复性， 可人规模集成，特别是可编程性和易于实现自 适应处理特点，给数字信号 处理 ( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g ， 简称 d s p ) 的 发 展带 来了巨 大机遇， 并 使得信号 处 理 手段更灵活， 功能更复杂， 应用领域也拓展到国民经济生活的各个方面。 近年来， 山于半导体制造 l : 艺的发展和计算机体系结构等方面的改进，d s p s 芯片的功能 越来越强大， 这使得信号处理研究的重点在很大程度 l 可以放在软件算法上， 而 不用像过去那样需要过多的考虑硬件实现。而且随着d s p s 运算速度的提高，能 够实时处理的信号带宽也大大增加， 数字信号处理的研究重点也有最初的非实时 应用转向了高速实时应用。 为了快速实时的完成数字信号处理运算，d s p 芯片一般具有这样一些特点: . 快速的运算速度 . 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法运算 .独立的数据空间和程序空间，可以同时访问指令和数据 . 片内具有快速多总线结构的r a m .具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持 .快速的中断处理和硬件1 / o支持 .具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器 .可以并行执行多个操作 .支持流水线操作， 使取码、译码和执行等操作可以重叠执行 目 前单片d s p s 的主频最高已达到1 . 1 g h z ，处理能力高达近9 0 0 0 mi p s( 每秒 百万条指令) 。这使得实时信号处理的应用空间越来越广阔，尤其是在实时图像 处理领域。以往，由于图像处理的数据量以及运算量过于庞大，利用单片d s p s 芯片或m c u ( m i c r o c o n tr o l l e r u n i t ) 是无法实时处理的，往往只能依赖于 多处 理器系统或者功能强大的p c 机。 现在， d s p s 的迅猛发展使得单片d s p s 实现实时 图像处理已成为可能。 浙江大学硕 学位论文 1 . 2 . 1 . d s p处理器与通用处理器 ( g p p )的比较 考虑一个数字信号处理的实例， 比如有限冲击响应滤波器 ( f i r ) 。 用数学语 言 来说，f i r 滤波器是做 一 系列的点积运算。取一个输入量和一个序数向量，在 系数和输入样木的滑动窗日间作乘法， 然后将所有的乘积加起来， 形成一个输出 样本。 类似的运算在数字信号处理过程中大量地重复发生， 使得为此设计的器件必 须提供专门的支持，这促成了d s p 器件与 通用处理器 ( g p p )的分流: 对密集的乘法运算的支持 g p p 不是设计来做密集乘法任务的，即使是一些现代的g p p ,也要求多个指 令周期来做一次乘法。而d s p 处理器使用专门的硬件来实现单周期乘法。d s p 处 理器还增加了累加寄存器来处理多个乘积的和。累加寄存器通常比其他寄存器 宽，增加的位宽用来避免运算溢出。同时，为了充分体现专门的乘法一 累加硬件 的好处，几乎所有的d s p 的指令集都包含有显式的m a c 指令。 存储器结构 传统上，g p p 使用冯 诺依曼结构。 这种结构中，只有一个存储器空间通过 组总线 ( 一个地址总线和一个数据总线) 连接到处理器核。 通常， 做一次乘法 会发生4 次存储器访问，用掉至少四个指令周期。 大多数d s p 采用了哈佛结构或者改进型的哈佛结构， 将存储器空间划分成程 序空间和数据空间。 存储器空间至少有两组独立的总线连接到处理器核， 允许同 时对它们进行访问。 这种安排将处理器存贮器的带宽加倍， 更重要的是处理器核 可同时获取数据与指令。在这种布局下，d s p 得以实现单周期的ma c 指令。 零开销循环 如果了 解到d s p 算法的一个共同的 特点， 即大多 数的处理时i fl 1 是花在执行较 小的循环上，也就容易理解，为什么大多数的d s p 都有专门的硬件，用于零开销 循环。 所谓零开销循环是指处理器在执行循环时， 不用花时间去检查循环计数器 的值、条件转移到循环的顶部、将循环计数器减t o 与此相反，g p p 的循环使用软件来实现。某些高性能的g p p 使用转移预报硬 件，几乎达到与 硬件支持的零开销循环同样的效果。 定点计算 浙江大学硕学位论文 很多d s p 使用定点计算，而不是使用浮点。虽然d s p 的应用必须十分注意数 字的精确， 用浮点运算容易实现得多， 但对d s p 来说， 价格廉价也是非常重要的。 定点处理器对比相应的浮点处理器在结构上要简单， 价格也要便宜一些。 为了不 使用浮点运算而又保证数字的准确， d s p 处理器在指令集和硬件方面都支持饱和 计算、舍入和移位。 专门的寻址方式 d s p 处理器往往都支持专门的寻址模式， 它们对通常的信号处理操作和算法 是很有用的。例如，模块 ( 循环)寻址 ( 对实现数字滤波器延时线很有用) 、位 倒序寻址 ( 对f f t 很有用) 。 这些非常专门的寻址模式在g p p 中是不常使用的， 只 有用软件来实现。 定点d s p 指令集 定点d s p 指令集是按两个目 标来设计的; 使处理器能够在每个指令周期内完 成多个操作， 从而提高每个指令周期的计算效率; 将存贮d s p 程序的存储器空间 减到最小 ( 由于存储器对整个系统的成木影响甚大， 该问题在对成本敏感的d s p 应用中尤为重要) 。 为了实现这些目 标， d s p 处理器的指令集通常都允许程序员在一个指令内实 现若干个并行操作。例如，在一条指令包含了m a c 操作，即同时的一个或两个 数据移动。在典型的例子里，一条指令就包含了计算f i r 滤波器一节所需要的所 有操作。 这种高效率付出的代价是， 其指令集功能既不良 观， 也不容易使用 ( 与 g p p 的指令集相比) ，完成的功能非常有针对性 1 . 2 . 2 . 实时d s p处理系统 1 . 2 . 2 . 1 . 实时d s p系统的构成 由于实时信号处理系统所要处理的信号多为自 然信号， 因此必须通过传感器 将自 然信号转换为电信号，另外要对自然界的信号进行数字处理，就必须通过 a / i 子系统将其转换为数字信号; d s p 子系统对数字信号处理完成后， 有时还需 要通过d / a子系统把处理后的数字信号转换为模拟信号。 图l - 1 是一个完整的实 时d s p系统框架图，在整个系统中，d s p 子系统是核心。下面主要介绍d s p 子 浙江人学硕 七 学位论文 系统的实现和构成。 模拟信号 a / 1) 转换d s p d / a 转换 模拟信 号 图 1 - 1实时d s p系统 1 . 2 . 2 . 2 . d s p子系统 在现有的技术条件下，上面的d s p子系统有六种实现方法: .在通用计算机上用软件实现 .在通用计 一 算机系统中加入专用的加速处理机 .通用单片机( 用于数字控制等不太复杂的数字信号 处理， 如i n t e l 的mc s 5 1 系列) .通用可编程d s p s 芯片 . 专用d s p s 芯片 .基于通用d s p s 核的a s i c :在用量较大的通信、硬盘控制等领域，些 d s p s ) 一 商提供一种基十d s p ， 核心的a s i c设计和生产服务， 即用户可 以 在通用d s p s 的c p u基础上选用所需要的外设接日、 存储器等资源， 并在片内固化所需软件 卜 述方法中，第一种方法的缺点是速度慢，不适合于实时d s p ，一般只用于 d s p 算法的模拟: 第二种不是和于嵌入式应用， 而且和第五种方法一样具有专 用 较强的特点， 应用收到很大限制; 第三种不适合于以乘加运算为主的运算密集型 d s p 算法;第四种通用可编程d s p s 芯片，由于其可编程性和强大的处理能力， 在实时d s p领域居于主导地位。另外在批量应用中，基于通用d s p s 核的a s i c 由于较好的系统性价比也在近几年得到广泛应用。 1 . 3 . 论文的主要内 容 论文在第二章中， 着重叙述了我所设计的d s p实时视频图像处理系统的硬件 方案选择、 设计和实现， 在第三章介绍了在硬件设计中应注意的若千问题。 在第 四章中，则介绍了d s p系统的软件实现。在论文的最后，给出了总结和展望。 第二章 d s p 系统硬件实现 该客流统计系统的图像处理、数据交换和发送功能是由 d s p图像处理系统 完成。可以说 d s p是整个系统最核心的部分。系统的整体流程如图2 - 1 所示， 安装于公交车 r 的摄像头拍摄乘客在仁卜 车时的视频图像， 通过数据交换和d s p 的处理，最后得到乘客的上下车人数通过 d s p的串日传送出去。 c c d + 视 频 解码 / : m o s 数 据交换 镜头 图2 - 1 d s p 系统硬件结构原理框图 在图2 - 1 中， 数据交换通道是实现视频解码芯片与d s p 之间数据传输的缓冲 地带， 数据交换部分设计的好坏对整个d s p 系统的性能、 效率以及实现难易程度 有直接关系。 在本项目中 我们采用的是图2 - 2 这种方式。 即利用f i f o ( f i r s t i n f i r s t o u t ) 或者双h r a m 作为数据交换的缓存设备。 图2 - 2利用f i f o / 双口r a m 交换数据方案图 采用这种方式， 主要优点是 d s p 和解码芯片在各自 读取和存储原始视频图像 数据时，两者不会发生数据总线冲突;硬件设计比较简单;当f i f o 或双w r a m 容量不大， 速度不太高时， 价格成木也很低。 然而， 这种方式也有不足之处:由 于f i f o 和双口r a m 容量远小于 一场视频图像的数据大小，这使得d s p 不得不频 繁的中断正常处理程序来读取 f i f o 或双口r a m 中的数据，从而打断了程序的流 水工作， 降低了d s p 运行性能。 但在本项目中山于对成本要求比较严格， 我们选 用t i 公司的5 4 系列来做处理器， 为了能够增加处理速度， 在该项日中降低了图 浙江大学顿 上 学位论义 像的分辨率。这样采取一帧图像只需一次中断即可。我们使用f i f o 作为数据交 换。 2 . 1 硬件系统器件的选用 2 . 1 . 1 图像传感器技术的发展现状: 如今的图像传感器一般分为采用 c c d技术和采用 c mo s技术这两类。 以下先对这两类技术做简要的分析比较。 般认为 ， . 高分辨率 ，ccd 传感器有以下优点: ( h ig h r e s o l u t io n ) : 像点的 大小为u m级， 可感测及识别精 细物体，提高影像品质。 2 .低噪声 ( l o w n o is e ) 和高敏感度;ccd 具有很低的读出噪声和暗电 流噪声，因此提高了信噪比 ( s n r ) ，同时又具有高敏感度，很低照度的入 射光也能侦测到，其讯号不会被覆盖，使ccd的应用较不受天候拘束。 3 .动态范围 广( h ig h d y n a m ic r a n g e ) : 同 时 侦测及 分辨强光 和弱光， 提 高系统环境的使用范围。 4 . 良 好的线性特性曲 线( l in e a r it y ) : 入射光源强度和输出 讯号大小成良 好 的正比关系，降低信号 补偿处理成本。 5 .高光子转换效率 ( h ig h q u a n t u m e f f ic ie n c y) :很微弱的入射光照射 都能被记录 卜 来， 若配合影像增强管及投光器，即使在暗夜远处的景物仍然 还可以侦测得到。 6 .光谱响 应 广 ( 日 r o a d s p e c t r a l r e s p o n s e ) : 能 检 测很宽 波长 范围 的 光， 扩大系统应用领域。 7 .低图 像失 真 ( l o w i m a g e d is t o rt io n ) 8 . 体积小、重量轻 9 .低耗电，不受强电磁场影响 1 0 . 电荷传输效率佳:该效率系数影响信噪比、分辨率，若电荷传输效率 不佳，影像将变得较模糊; 1 1 .可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易。 浙江大学硕士学位论文 cm0s图像传感器于8。 年代发明以来，由于当时cmos 工艺制造 的技术不高，以致于传感器在应用中的噪声较大，商品化进程一直较慢。时 至今日，cmos 传感器的应用范围也开始非常的广泛，在低档产品方面， 其丽质质量己接近低档ccd的解析度， 相关业者希望用cmos 器件取代 ccd 的努力正在逐渐明朗。c mos 传感器有可细分为: 被动式像素传感 器c m o s ( p a s s iv e p ix e l s e n s o r c m o s )与主动式像素传感器cmo s ( a c t iv e p ix e l s e n s o r c m o s ) 。与ccd 相t 匕 ，cmos具有体积小， 耗电量不到ccd的1 1 1 0 ,售价也比ccd 便宜 1 1 3 的优点。 cmos 传感器的最大优势，是它具有高度系统整合的条件。理论上， 所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暂存器、时序控制、 c d s , a d c . . . 等， 都可集成在一颗晶片上， 甚至于所有的晶片包括后端晶片 ( b a c k - e n d c h ip ) 、快闪记忆体 ( f la s h r a m)等也可整合成单晶片 ( s 丫 s 下 e m - o n - c h ! 尸 ) ，以达到降低整机生产成本的日的。 2 . 1 . 2 图像传感器的选用: 经过再三比较， 我们决定采用c m o s图像传感器系列， o m n iv is i o n 作为 全球领先的 c m o s传感器厂商，其土要的产品包括:c i f ( 3 5 2 x 2 8 8 ) , v g a ( 6 4 0 x 4 8 0 ) , s v g a ( 8 0 0 x 6 0 0 )和 s x g a ( 1 2 8 0 x 1 0 2 4 ) 。我 们选择了v g a系列的o v 7 6 2 0芯片，主要是基于以下几点考虑: ， .又 寸 于我们的客流统计系统来说，图像的分辨率要求并不高，过高的分辨 率反而造成很大的运算负担， o v 7 6 2 0 的3 0 万像素图 像( 6 4 0 x 4 8 0 ) 已 经 完全能够满足要求。 2 . c m o s芯片高度整合的特点有效的缩短了开发和调试的周期，如果采用 c c d传感器， 势必需要加入a i d等外围配套芯片， 而o v 7 6 2 0内部整合 模数转换 ( a i d ) ， 0 动增益控制( a g c ) ， 使系统前段图像采集部分的设 计和调试方便了许多。 o v 7 6 2 0芯片自身的一些特点也使他很适合于我们的系统性能要求，我 浙江大学硕 i - 位论文 们i 以将 o v 7 6 2 0设置在q v g a方式下 1 _ 作，输出分辨率为 3 2 0 x 2 4 0 ;甚 至还可以自由设定输出的图像窗口大小及位置，相当于可以任意调节视场， 这就带来了很大的方便。 2 . 1 . 3处理模块的选择 对于我们所面临的实时图像数据处理任务， t i 公司的d s p 芯片是最常用 的选择。 t i 公司的d s p 主要有浮点和定点两大类， 其体系结构专为实时信号处理 而设计。通常 t i 公司的 d s p被归纳为二大系列，即主要用于控制系统的 t ms 3 2 0 c 2 0 0 0 系列， 用于低功效处理系统的t ms 3 2 0 c 5 0 0 0 系列和高性能的 t ms 3 2 0 c 6 0 0 0 系列。 t ms 3 2 0 c 5 0 0 0 系列又分5 4 x 和 5 5 x . t ms 3 2 0 c 6 0 0 0 系 列分 6 2 x 6 4 x和 6 7 x 。出于成本和性能的综合考虑，我们选了t i 公司的 t ms 3 2 0 c 5 0 0 0 系列的5 4 0 2 芯片作为图像数据的处理单元。 2 . 1 . 3 . 1 t ms 3 2 0 c 5 4 x的主要特点 t ms 3 2 0 c 5 4 x的体系结构采用修正的哈佛结构， 程序与数据分开存放， 内部只有 8 条高度并行性的总线。 片上集成有在片的存储器和在片的外设以 及专门用途的硬件逻辑， 并配备有功能强大的指令系统， 使得该芯片具有很 高的处理速度和广泛的应用适应性。 再加上模块化设计以及先进的集成电路 技术，芯片的功耗小，成本低，它的典型结构框图如图2 - 3 所示。 硬件结构基本上可以分为 3 大块: ( i ) c p u :包括算术逻辑单元、乘法器、累加器、移位寄存器、 各种专门用途的寄存器、 地址生成器以及内部总线; ( 2 )存储器系统:包括2 4 位外界存储器接日、 在片的程序r o m, 在片的单访问数据r a m和双访问的r a m ; ( 3 )在片的外设与专用硬件电路:包括在片的定时器、各种类型 的串g 7 、 主机接g 1 , 在片的锁相环 ( p l l ) 时钟发生器以及各 种控制电路。 浙江大学硕士学位论文 图2 - 3 t ms 3 2 0 c 5 4 x的典型结构框图 其主要特点为: ( i ) c p u 一先进的多总线结构，具有 1 条程序存储器总线、3 条数据存储器总线 和 4 条地址总线; - - - 4 0 位算术逻辑单元( a l u) , 包括4 0 位桶形移位寄存器和2 个独立的 4 0 位累加器; - - - 1 7 位乘1 7 位的并行乘法器与一个4 0 位的专用加法器结合在一起， 用 i 5 浙江人学硕 卜 学位论文 于非流水线的单周期乘/ 累加操作; 一比较、选择和存储单兀 ( c s s u) ，用于 v i t e r b e操作 ( 一种通信的编 码方式)中的加/ 比较选择; 一指数编码器用于在单周期内计算4 0 位累加器的指数值; - - - 2 个地址生成器，包括8 个辅助寄存器和2 个辅助寄存器算术单元; ( 2 )存储器系统 一具有1 6 位 1 9 2 k字的可寻址空间: 6 4 k字程序空间， 6 4 k字数据和6 4 k 字的v 0空p j 在t m s 3 2 0 c 5 4 1 ,c 5 4 8 , c 5 4 9 , c 5 4 0 2 , c 5 4 1 0 ,c 5 4 2 0 等芯片上 还具有最多达2 5 6 k - 8 m字的扩展地址空间; 一在片的存储器结构及容量根据芯片的型号有所不同。 ( 3 )在片外设和专用电路 一软件可编程等待状态产生器; 一可编程的存储器体转换逻辑: 一在片的锁相环( p l l ) 时钟发生器，可采用内部振荡器或外部的时钟源; 一外部总线关断控制电路可用来断开外部数据总线、地址总线和控制信 一号; 一数据总线具有数据保持特性; 一可编程的定时器; 一直接存储器访问 ( d ma)控制器: 一直接存储器访问连接的8 位并行主机接口 ( u p i ) 一在片的串日。 ( 4 )在片的引导功能 除t ms 3 2 0 c 5 4 2 0 外， 所有的芯片都具有在片的引 导功能， 能 从片外的存 储器或在片的串口将程序引导转入指定的存储器位置。 ( 5 )指令系统 一单指令重复和块重复操作指令; 一用于程序和数据管理的存储器块传送指令: - - - 3 2 位长 操作数指令; 一同时读入2 个或3 个操作数的指令: 浙江 人学硕 卜 学位论 丈 一并行存储和装入的算术指令; 一条件存储指令; 一快速从中断返回的指令; 一具有延迟转移和调用指令; 一指令的执行采用指令预提取、 指令提取、 指令译码、 访问操作数、 读取 操作数、执行等6 级流水线并行结构，大大提高了指令的执行速度。 2 . 1 . 3 . 2 t ms 3 2 0 c 5 4 0 2芯片介绍 在木系统中，我们选用了t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 这款芯片作为d s p 处理器。 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 是t i 公司t m s 3 2 0 c 5 4 x 定点d s p 系列中的一员。它的主要特点有: i . 算速度快，指令周期为i o n s ，运算能力为l 0 0 mi p s ; 2 . 4 k 的片内r o m i 6 k 的片内双口r a m; 3 .具有低功耗方式。t ms 3 2 0 v c 5 4 0 2内核电压 1 . 8 从i o电源 3 .3 v 。三个低 功耗方式( i d l e i , i d l e 2 , i d l e 3 ) 可以 减少功耗， 特别是对十电 池供电 系 统; 4 .具有符合i e e e 1 1 4 9 . 1 标准的片上仿真接门，方便调试。 虽然c 5 4 0 2 具有以上的种种优点， 但通常而言，这类芯片不太适宜于用 在有较高实时性要求的复杂图像处理中，原因主要有如下两点: i . c 5 4 0 2 最大允许访问的数据空间为6 4 k ( 1 6 位数据) ， 这样的寻址能力对 于分辨率较高的图像处理来说是远远不够的。例如，一幅 6 4 0 x 4 8 0像素的 彩色图 像就需要大约9 0 0 k b y t e 的 存储空间。 如果采用分页的 方式扩展c 5 4 0 2 的外部寻址能力， 则在进行页与页之间大规模数据搬移时， d s p 运行效率会 非常低。不幸的是， 这种搬移工作是图像处理运算中很重要的一部分，所以 利用分页扩展寻址能力的方法不实用。 2 .虽然c 5 4 0 2 的运算能力可以达到 1 0 0 m i p s ， 然而这对于运算量巨大，而 巨 实时性要求很高的图像处理来说，还是显得很不够。 荃于以上两点， 通常设计人员都会采用寻址能力更强， 性能更高的c 6 0 0 0 系列d s p 来对图像数据做实时处理。 浙江大学硕十学位论文 然而，我们还是采用了c 5 4 0 2 来实现，主要是基于以下几点考虑: 1 .我们的客流统计系统所要求的图像分辨率并不高。如果处理的图像为灰 度图像，分辨率控制在较小范围内，那么c 5 4 0 2 利用6 4 k数据空间中可 以实现较简单的处理算法。同时，还能通过适当的丢帧来弥补运算能力 的不足。 2 系统设计相对c 6 0 0 0 简单，设计周期较短。同时成本方面也有大幅度的 降低，由于我们的产品最终将大规模应用在公交车上，系统成木低廉是 一项核心的要求。 3 . t ms c 5 4 0 2价格很低，系统的性价l l 很高， 在低端的图象处理市场中能 有较强的竞争力。 综 卜 所述，我们的系统采用 t ms 3 2 0 c 5 4 0 2 作为处理器。 2 . 1 . 4 数据缓冲器及其接口 o v 7 6 2 0 芯片只要完成配置， 由于 c m o s f i f o ( f i r s t 输出数据和 d s p 就会不断按照固定的帧率输出图像数据，但 读取数据的速度并不一致，我们需要采用 i n - f i r s t o u t ) 器件作为图像数据的缓冲。根据 o v 7 6 2 0 周期为 了 4 n s ，也就是说每 7 4 门 s ，就会有 i个像素输出。我们采用 的时钟 了具有 4 0 9 6 x 9个存贮单元的 i d t 7 2 v o 4芯片作为缓冲器。同时我们选用廉价的 a l t e r a c p l 。 芯片e p m 3 0 6 4 a 来完成d s p , f i f o , c m o s 等芯片之间的逻辑接f l 2 . 1 . 5电源芯片的选择 电 源系统需要提供5 v , 3 .3 v , 1 . 8 v等输出电 压来满足d s p , o v 7 6 2 0 等 器件的要求。 5 v 主要用于o v 7 6 2 0 提供模拟器件电 压。 3 . 3 v 提供大多数的数 字器件的电压。1 . 8 v 仅用用于 c p u内核电源。 设计电源系统选用 t i t p s 7 6 7 d 3 0 1 5 r ti出低压差稳压芯片( l d o ) ,将 浙江人学硕 上 学位论文 5 v 转化成3 . 3 v , 1 . 8 v o t p s 7 6 7 d 3 0 i 是块双输出电源芯片， 可同时产生3 . 3 v 和 15 v 一 5 . 5 v 的可调电压。 2 . 1 .6系统的硬件设计框图 综上所述， 整个硬件系统的框架结构如下图所示， 采用o m n i v i s i o n 公司 的图像传感器芯片 o v 7 6 2 0获得视频图像，并且数字化输出，由于数据产生 的速度和d s p读取处理的速度不匹配，所以要通过 f 工 f o缓冲，再由c 5 4 0 2 读入图像数据。 c 5 4 0 2 对图像进行实时处理， 同时将处理结果通过串口输出。 图2 - 4 描述了 系统的结构框图，包括以卜 几个部分: d a t a f l a s h j t a g 调 试接口 图2 - 4硬件原理框图 1 ) c m o s 传感器为o v 7 6 2 。 芯片，配l 相应的镜头。 优点:单片集成模拟视 频头，a / d变换以及标准化数据输出等多种功能，同时芯片面积小，价 格便宜。 2 ) f i f o 为i d t 7 2 v o 4 ， 容量9 b i t * 4 0 9 6 ， 作为图 像数据的缓冲。 3 ) d s p选用t i 的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ，时钟可达到 1 0 0 m h z ，采用先进的哈佛结 构，其有专用硬件逻辑的 c p u 、片内存储器、在片外围电路，以及一个 高度专业化的指令集。可以胜任本设计中的算法要求。 4 ) c p l d 主要完成d s p 对 f l a s h , s r a m , f i f o 等的读取逻辑控制，以及s c c b 总线的连接。 浙江人学硕十学位论文 串口可以将数据传到总控制模块。 数据存储器选用 6 4 k 字的s r a m ，主要存放图像数据。 程序存储器选用 1 4 1 字的f l a s h ，存放程序并作为d s p自举 1 t a g调试接 ，可以对 d s p 进行仿真和 c p l d 程序的下载。 、.了、.2又.j、广 5吕厅闷 2 . 2 硬件系统模块介绍 2 . 2 . 1 o v 7 6 2 0 简介 a ) 芯片功能简介 o v 7 6 2 0是一块高度集成的 c m o s彩色/ 黑白 摄像芯片，其分辨率为 6 4 0 x 4 8 0 ，可以隔行或者逐行输出图 像数据。其支持多种视频输出格式，包 括: y c r c b 4 :2 : 2 1 6 b i t/ 8 b i t , z v ( z o o m e d v i d e o ) 端日 输出， r g b原始数据 1 6 b i u 8 b i t 输出， 以及c c i r 6 0 1 / 6 5 6 格式。 其采用内建的s c c b ( s e r i a l c a m e r a c o n t r o l b u s )总线结构来对内部功能进行配置。视频 y t 了 v格式和y c r c b 格 式与r g b格式的转换算式如下: y = 0 . 5 9 g+0 3 1 r+0 . 1 1 b ; u=r - y; v二日 一 丫; y=0 . 5 9 g +0 . 3 1 r+0 . 1 1 b c r = 0 . 7 1 3 x ( r一 y ) c b = 0 . 5 6 4 x( b一 y ) o v 7 6 2 0绝大部分的信号处理功能都由内 部的 模拟信号处理模块完成， 包括色彩分离，a g c( 自动增益控制) ，伽马校正，颜色校正，光圈校正， 白平衡，黑电平标定，亮度调节控制和抗混叠滤波等等。芯片有内建的自动 电 子曝光控制机制( a u t o e l e c t r o n i c e x p o s u r e c o n t r o l ) ， 自 动曝光控制算法是基 浙江人学倾士学位论文 于整幅图像的亮度， 假定在相对丁 背景有充足光照的情形做了优化，当光照 条件不同导致不同的背景亮度时，可以山 a e c黑白比率调节寄存器来对曝 光进行自 动控制。a e c所允许的调 竹 范围是 1 : 2 6 0 ，外加内建的最高可以 将信号放大 2 4 d b的自 动增益控制器 ( a g o ， 在绝大部分的光照条件下芯片 都可以较好的完成自 动曝光控制。 经过处理的模拟信号通过芯片内部集成的 o b i t a / d转换器转换为数字信号，灰度信号的输出范围为1 6 到2 4 0 , 0 和 2 5 6 保留用作同步信号。 o v 7 6 2 0 一个很重要的特性就是窗口功能，用户可以在 6 6 4 x 4 9 2图像阵 列数据范围内选择输出一个特定大小的窗日的数据，窗口大小从 4 x 2到 6 6 4 x 4 9 2 可选。 而且这样做并不改变图 像输出 帧率和数据率， 而只是改变了 h r e f ( 水平窗u位置参考信号) 的长度和位置。默认的输出窗q大小为 6 4 o x 4 8 0 。在不需要高分辨率输出图像的场合中， o v 7 6 2 0 提供了q v g a模 式输出，在此模式下像素输出速率减半，每一行只输出一半数据。 在隔行方 式下，输出所有3 2 0 行数据/ 帧，在逐行方式下，只输出一半的图像行数据。 不论何种图像输出 格式， 所有的图像数据都从o v 7 6 2 0 的y / u v口 输出， 在我们的系统中，o v 7 6 2 0只需要输出图像灰度数据，将其配置为黑白摄像 模式( b w= 1 ) ， 亮度数据从y口 输出， 而u v口 保持三态。 o v 7 6 2 0 支持帧曝光模式( f r a m e e x p o s u r e m o d e ) ， 在此模式f 通过外 部的机械快门 保证传感器所有感光阵列曝光时间相同， 此模式在某些高级应 用中被采用。 默认情况下o v 7 6 2 0 使用线曝光 模式( l in e e x p o s u r e m o d e ) , 不需要外部快门， 但在一 行一行读出图像数据的同时曝光同时进行。 我们的 设计采用默认的线曝光模式。 o v 7 6 2 0 由 两种功能配置方式， 其一是由 芯片在上电 ( p o w e r u p ) 或者重启 ( r e s e t ) 时通过 一 次性读入控制脚的电平来对相应的功能进行配置。 其互是通 过s c c b总线配置，两者只能选其一，通过s b b脚来选择。 第一种配置方 式 不能 提 供 对 所有 的 芯 片 功能 特性的 控制， 要 完 全 控 制 芯片 的 所 有 特 性， 必 须通过 s c c b总线方式访问并更改 s c c b寄存器组来进行。 综上 所述， 在我们的系统中o v 7 6 2 0 工作在q v g a逐行方式下， 输出帧 率为3 0 帧/ 秒，仅由y ( 0 : 7 )门输出图像灰度数据，通过s c c b总线来进 浙江人学硕 十 学位论文 行功能配置。 由于d s p的处理速度和存储空间有限， 我们采取丢帧的方式处 理o v 7 6 2 0 输出的数据， 每秒3 0 帧原始数据中只取等间隔的5 - 6 帧来处理。 1 6 b i t 方式输出时序图如一 卜可以看到h r e f 在用户定义的窗f 数据输出 时为高电平: t e l k pcl k href 丫 u v 自 举方式有以下 儿类: . 从8 位或是 16 位的e p r o m中并行加载。 并行的从 串行的从 位或是 位或是 6 位的 i / 0 加载。 6 位的串行日加载。 . h p i c _1 加载。 2 ) 片内r a m 5 4 0 2 内有1 6 k 双字长 的双寻址访问 d a r a m ，其由两块8k