（机械电子工程专业论文）教育机器人视觉处理平台的研制.pdf

中文摘要 教育机器人视觉处理平台的研制 研究生姓名：李凯 导师姓名：史金飞教授 学校名称：东南大学 中文摘要 教育机器人融合了众多领域的先进技术，是一种培养学生综合能力的新型教学工具，已受到国 内外研究人员广泛的关注。但是，目前教育机器人普遍存在着智能化程度不高、功能不够完善的缺 点。针对这一问题，本文通过研制教育机器人视觉处理平台，将机器视觉应用于教育机器人，充分 挖掘教育机器人的教育价值。 本文中教育机器人的机器视觉系统由视觉处理平台、摄像头、图像采集子卡构成。论文首先针 对系统功能需求进行处理器选型、操作系统选择；根据所需系统功能进行硬件模块设计、系统的软 件构架设计。其次，系统采用模块化设计的思想并遵循p c b 设计规则，在深入研船2 位高性能d s p 处理器t m s 3 2 0 c 6 7 1 l 的基础上，在其外围设计了时钟模块、电源及其监控模块、s d r a m ，f l a s h r o m 、 的口、多通道缓冲串口、c p l d 译码模块、h p i c i 通讯模块，并给出原理图和外部接口定义。在设计 过程中对电源模块、通讯模块进行多方案比较，优化系统设计。然后，说明了系统自动引导程序 b o o t l o a d e r 的设计思路，介绍了系统的调试过程，总结了系统调试的方法和经验，分析并解决了系统 调试中所遇到的问题。最后，详细阐述了在图像处理应用过程中，视觉处理平台对黑白和彩色图像 数据管理的两种方式。 在本平台上成功应用了图像处理算法实现视觉功能，系统工作可靠，满足实时性要求。和现有 教育机器人产品相比，带有机器视觉的教育机器人智能化程度更高，它不仅使学生了解了现代高新 技术的发展和应用情况，而且还激发了学生浓厚学习研究兴趣，使学生从中学到先进的知识。带有 机器视觉的教育机器人充分展示了它的教育价值。 关键词：教育机器人机器视觉t m s 3 2 0 c 6 7 1 l d s p a b s t r a c t d e v e l o p m e n t o fv i s i o np r o c e s s i n gp l a t f o r mf o re d u c a t i o n r o b o t b y l i k a l s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rs h ij i n f o i s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s 仃a c t e d u c a t i o n a lr o b o ti san e wk i n do ft e a c h i n gt o o lf o rc u l t i v a t i n gs t u d e n t s c o m p r e h e n s i v eq u a l i l ya n d r o b o te d u c a t i o n i ti sa t t r a c t i n ge x t e n s i v ea t t e n t i o no f r e s e a r c h e r sh o m ea n da b r o a d i nt h i st h e s i s , i ti sp r o p o s e dt h a tm a c h i n ev i s i o ni su s e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fe d u c a t i o n a l r o b o tt ob e c o m ea ni n t e l l i g e n te d u c a t i o n a lr o b o tp l a t f o r mf o rs t u d e n t s m a c h i n ev i s i o nm e n t i o n e di n1 b j st h e s i si sc o m p o s e do f v i s i o np r o c e s s i n gp l a t f o r m , c a n l e r aa n di m a g e p r o c e s s i n gc a r d f i r s t l y , c p ua n do p e r a t i o ns y s t e ms e l e c t i n g , h a r d w a r es t r u c r u ed e s i g n i n ga n ds o f t w a r es t r u c t u r e d e s i g n i n ga r cd o n es t e pb ys t e pb a s e do nt h eb a c k g r o u n da n df _ i l n c t i o n a lr e q u i r e m e n to f t h es y s t e m s e c o n d l y , t h eh a r d w a r es y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do l lt h e3 2 一b i th i g hp e r f o r m a n c ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o rt m s 3 2 0 c 6 7 11 ，w i t hs o m ep e r i p h e r a lc i r c u i t ss u c h 鹞c l o c k , p o w e r ，f l a s h r o m , s d r a m , c p l d ， m c b s pi n t e r f a c ea n dh p ii n t e r f a c e t h ep r o c e s so fd e s i g n i n gt h eh a r d w a r es y s t e mw i t ht h em o d u l a r s t r u c t u r ei sp a r t i c u l a r i z e d t h eo p t i m u mc i r c u i td i a g r a m sa n dt h ed e f i n i t i o n so f h a r d w a r ei n t e r f a c ef o re v e r y m o d u l ea r c 百v e m t h i r d l y , t h eb o o t l o a d e ri sd e s i g n e da c c o r d i n gt os t r u c t u r eo f t h eh a r d w a r ea n dt h ea u t ob o o t i n gf e a t u r e o ft h ed s et h em e t h o d sa n de x p e r i e n c ei nd e b u g g i n gt h e s y s t e ma r cd i s c u s s e d a n dp r o b l e m s i n d e b u g g i n ga r ea l s oa n a l y z e da n ds o i v e d f i n a l l y , t h et w od i f f e r e n tm e t h o d su s e di nd a t am a n a g e m e n to fg r a ya n dc o l o ri m a g ep r o c e s s i n ga r c e x p a t i a t e d a n ds o m ep i c t u r e sa st h er e s u l to f t h eg r a ya n dc o l o ri m a g ep r o c e s s i n ga r eg i v e nt of f n s u r et h e r e l i a b i l i t yo f t h ev i s i o np r o c e s s i n gp l a t f o r m t h ev i s i o np r o c e s s i n gp l a t f o r mc a r lm e e tt h er e a l - t i m er e q u i r e m e n td u r i n gt h ej n l 秽p r o c e s s i n g a d d i t i o n a l l y , c o m p a r e dw i t he x i s t i n gp r o d u c t s ，t h ee d u c a t i o n a lr o b o tw i t hm a c h i n ev i s i o n i sm o r e i n t e l l i g e n t i tn o to n l ym a k e ss t u d e n t sk n o wt h ed e v e l o p m e n to f t h ea d v a n c e dt e c h n o l o g y , b u ta l s oi n s p i r e s s t u d e n t sw i t hi n t e r e s to f l e a r n i n ga n ds t u d y i n g k e y w o r d s ：e d u c a t i o n a lr o b o tm a c h i n e v i s i o nt m s 3 2 0 c 6 7 1 1d s p - i i - 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：型 日 期：兰幽 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：趔导师签名： 日期：翠 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 教育机器人是结合教育学和机器人学原理，以教学为最终目的而制造的机器人【i 】，它融合了三 维建模技术、机械、电子、传感器、计算机软件、硬件和人工智能等先进技术，是培养跨学科、创 新型人才的有效手段，已成为寓教于乐的新型教育模式的重要方面，同时，它也是服务机器人的一 个重要分支，日益引起各国研究人员的关注。 教育机器人的教育价值主要体现在： 1 、学生通过教育机器人了解信息技术前沿领域的发展和应用状况，了解教育机器人的概念和 工作方式。破除学生对机器人的神秘感，为进一步学习机器人技术的相关知识打下基础。 2 、使学生学会一种教育机器人的使用，学会相关语言的程序设计方法，特别是传感器、驱动 装置的作用，下载程序的方法，体会程序是教育机器人的灵魂。通过为机器人编写程序学到科学而 高效的思维方式，提高逻辑思维能力、规划能力，提高学生的分析问题和解决问题的能力。 3 ，使学生在为教育机器人扩展功能的过程中学习有关电路方面的知识，在组装扩展机器人的 过程中培养学生的动手能力、团队合作能力和创造能力。 但是，现存的大部分教育机器人由积木构件、机构、电机，简单的传感器、单片机等构成，由 于大部分都采用8 位的单片机，受处理器运算能力限制，教育机器人无法安装高智能的传感器，学 生组装实现的机器人智能化程度较低，无法体现知识的先进性。 严格地讲，机器人的智能包括感知、思维和动作。其中感知能力是智能的一个非常重要组成部 分，有人把感知外部环境的能力就视为智能吲。人类具有五种感觉：视觉、听觉、触觉、嗅觉、味 觉，机器人需要通过传感器才能得到这些感觉信息。机器视觉一直是现代机器人领域的关键技术之 一，它就如同人类视觉系统的作用一样，赋予机器人一种高级感觉机构，使得机器人能以“智能”和 灵活的方式对其周围环境作出反应【2 j 。机器视觉已在工业领域广泛应用。 本文将机器视觉应用于教育机器人，使得教育机器人成为一个高智能的机器人教育平台。文中 的机器视觉系统是教育机器人的重要组成部分，它由视觉处理平台，摄像头、图像采集子卡构成。 教育机器人视觉处理平台的研制，有如下意义： l 、教育机器人更加智能 通过教育机器人视觉平台的研制，将机器视觉应用于教育机器人。机器视觉通过摄像头获取大 量的外界信息，进而获取所需目标信息做出相应判断，由于机器视觉可以由不同的算法实现不同的 目的，教育机器人在目标信息获取方面变得更加灵活。这使得教育机器人成为一个具有研究应用价 值的智能机器人平台。 2 、教育机器人的使用对象更广 目前的教育机器人大部分都围绕着基础教育，所面向的使用对象以中小学生为主。中小学生由 于知识的局限性，通过对教育机器人的认知所获得的知识非常有限，并且创新性不强。带有视觉处 理平台的教育机器人由于其本身的难度较高，灵活性较强，面向的主要对象是研究型的高校学生。 而对于知识面相窄的中小学生，可以通过演示教育机器人的方式，使他们在体验现代高新技术的同 时，迸一步激发了他们的学习兴趣。 3 、体现更高的教育价值 机器视觉的应用给教育机器人带来了多系统工作的控制理念。在使用过程中，学生会对算法有 初步的了解，并且还可以对基于d s p 的视觉处理平台和基于a r m 控制系统的协同工作有更加深刻 的认识，同时也会对这两款高性能的处理器有一定了解，为以后进一步的研究打下良好的基础。 东南大学硕士学位论文 1 2 国内外相关领域发展现状 1 2 1 教育机器人发展现状 教育机器入是结合教育学和机器人学原理，以教学为最终目的而制造的机器人i i j 。它不仅用于 辅助讲解机器人的工作原理及机器人学相关学科的基本原理；而且它可以作为学生的认知工具，通 过教育机器人这个特殊的平台，可以培养学生各方面的综合能力，促进学生全面发展。 近l o 年来，国外的数字化智能玩具发展较快，种类也比较多，主要有会与人交谈的智能玩具， 科学拼装智能玩具，教人读书认字的玩具等等。很多公司把注意力转移到具有教育功能的数字化智 能玩具上，即教育机器人。教育机器人的应用，在国外一直是个研究的热点。丹麦西觅亚公司的乐 高的高性能传感器和处理器，德国慧鱼公司的创意结构组合【4 1 都是国外在教育机器人发展过程中的 亮点，并且随着计算机技术的发展，各大公司都为自己的产品配备了模块化编程工具。其中乐高公 司最新推出的控制器支持直接在控制器上编写简单程序，也可通过红外通讯或者蓝牙通讯的方式将 程序下载到控制器中。 此外，国外还开展各种机器人竞赛，如美国三一学院的机器人灭火、韩国的f i r a 、日本的 r o b o c u p ，f l l 挑战赛如火如荼。新加坡国立教育学院( n 正) 和乐高教育部于2 0 0 6 年6 月6 8 日在 新加坡举办第一届亚太r o b o l a b 国际教育研讨会。国外有关e d u t a i n m e n t 形式的研究，无一例外 的都伸向了教育机器人领域。如：g m d w o r k s h o p o n e d u t a i n m e n t r o b o t s 。 在我国，随着国家对机器人教育的重视，国内各个省市举行的机器人比赛把教育机器人的应用 推向了一个高潮。另外，教育机器人产品也在蓬勃发展，国内的教育机器人产商主要包括：上海广 茂达，南京紫光科教有限公司、北京通用依耐特、广州中鸣数码等。这些教育机器人产品各具特色， 在中小学、大学教学实验、项目设计以及机器人竞赛中获得了越来越广泛的应用。 1 2 2 机器视觉在教育机器人领域的应用现状和发展趋势 l 、机器视觉在教育机器人领域的应用现状 机器视觉是研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术，是一个相当新且发展 十分迅速的研究领域，目前已成为计算机科学的重要研究领域之一。机器视觉在机器人领域已经广 泛应用，主要有装配机械人机械手视觉装置和行走机器人视觉装置。机器视觉一直是现代机器人领 域的关键技术之一运用视觉传感器，可以进行与机器人大多数低层控制有关的环境感知，如测距、 避障、目标追踪、局部定位、路标识别等p j 。 在教育机器人领域，国外比较成熟的教育机器人产品主要有丹麦西觅亚公司的乐高产品和德国 的慧鱼。在视觉应用方面，乐高公司采用了类视觉传感器：可以识别颜色的光电传感器、可以检测 障碍物距离的超声波传感器、可以检测运动物体的声音传感器等来代替摄像机实现避障、追踪的功 能。而德国慧鱼公司的产品更注重结构的创意设计1 4 j ，它的产品一般包括马达、齿轮箱、接触开关、 传感器( 光敏、热敏、磁敏、触敏) 、红外线发射接收装置等，在视觉应用方面的产品很少。 国内的教育机器人产品大多是拼接式的，主要有南京紫光机器人和北京未来之星的教育类产品， 这些产品具有的传感器比国外产品更少，一般都是以结构为主，在视觉应用方面的产品也很少。 这些产品都有一个共同的特点：采用的处理器大多是8 位或者1 6 位。处理器能力较弱，无法使 用高端的视觉传感器实现视觉功能。这就是教育机器人智能化程度低的主要原因。 2 、机器视觉在教育机器人领域的发展趋势 由于8 位1 6 位处理器性价比较高，大部分教育机器人厂商为了降低成本都采用这类处理器进行 教育机器人的研制与开发。由于低端的处理器无法配置智能化的传感器，这从根本上制约了教育机 器人智能化的发展。但是，随着计算机技术和制造技术的发展，3 2 位高端处理器的制造成本已大大 - 2 一 第一章绪论 降低，在国内外形成了强大的3 2 位处理器市场，如以a r m ，d s p 代表的3 2 位处理器已经在大量的 电子产品中广泛应用。传统的低性能处理器将会在人们对多媒体技术越来越高的要求下逐渐淘汰。 由此可见，在教育机器人的设计中使用3 2 位高端嵌处理器才能配置智能化的视觉传感器，这是实现 教育机器人机器视觉的关键，也是教育机器人智能化发展的必然趋势。 1 2 3 视觉处理c p u 发展现状 一、视觉处理的特点 本课题中的视觉处理即对摄像头采集到的数字图像进行实时处理。数字图像处理有如下特点【o j ： 1 、图像信息量大 一副图像由图像矩阵的象素组成，每一个象素的灰度至少要用6 b i t 表示，一般采用8 b i t 表示。 在本系统中分辨率为6 4 0 x 4 8 0 ，每个象素用1 6 b f f 表示，则图像大小一般在6 4 0 x 4 8 0 x 1 6 = 6 0 0 k b ，每秒 3 0 帧的速度采集，则每秒钟的数据量为1 7 5 8 m b 。如此大量的数据给存储、传输、实时处理都带来 了巨大的困难。 2 、对算法应用要求较高 由于外界环境的因素，从摄像头采集得到的图像有很多噪声，不能直接被应用，一般会在图像 处理之前先对图像进行预处理，消除图像的噪声，这又增加了图像处理的复杂性。 3 、大部分系统对数字图像处理实时性要求很高 数字图像处理已经在工业、医疗、遥感、勘探、地质等领域广泛应用。在工业场合，图像处理 较多的用在流水线上对产品外观的检测；医疗上用于各种内窥镜的呈象处理；在遥感领域主要对卫 星拍摄到的图像进行处理。无论是应用在哪个方面，对系统实时性的要求都很高。 二、视觉处理方式的选择 1 、p c 机平台图像处理 以p c 机器为平台的图像处理系统成为微型图像处理系统，它在p c 机的平台上配以显卡和显示 设备就组成了一个微型图像处理系统。 2 、专用图像处理板卡 有部分的图像采集板卡生产商，他们将图像处理算法固化在板卡芯片内，当采集卡采集到图像， 就自动运用硬件对其进行处理，这种固定算法的处理方式在一些数字消费产品中比较常见。 3 、嵌入式系统图像处理 由于图像处理的特点，数据吞吐量大，实时性要求高，图像处理算法运算比较复杂，乘加运算 比较多，包含傅立叶变换，卷积等复杂运算，对嵌入式处理器的运算性能要求很高。而嵌入式处理 器d s p 在很大程度上就是针对这样的运算特点设计的。所以，d s p 是嵌入式图像处理器的首选。 三、d s p 发展现状和应用领域” 1 9 8 2 年世界上诞生了首枚d s p 芯片。至上世纪8 0 年代中期，随着c m o s 技术的进步与发展， 第二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处 理、图像硬件处理技术的基础。 上世纪8 0 年代后期，第三代d s p 芯片问世，运算速度进一步提高，其应用于范围逐步扩大到 通信、计算机领域。 上世纪9 0 年代d s p 发展最快，相继出现了第四代和第五代d s p 器件。现在的d s p 属于第五代 产品，它与第四代相比，系统集成度更高，将d s p 核及外围元件综合集成在单一芯片上。 经过2 0 多年的发展，d s p 产品的应用已扩大到人们的学习、工作和生活的各个方面，并逐渐成 为电子产品更新换代的决定因素。d s p 应用广泛，其主要应用市场为3 c ( c o m m u n i c a t i o n 、c o m p u t e r 、 c o n s u m e r - 通信、计算机、消费类) 领域，合占整个市场需求的9 0 。具有代表性的产品：数字蜂窝 电话，m o d e m ，网络电话，个人数字助理等。 一3 一 东南大学硕士学位论文 d s p 是消费类电子产品中的关键器件。用于图像处理的d s p ，目前已形成一个品种不少的产品 群。一种是j p e g 标准的静态图像数据处理d s p ；另一种是用于动态图像数据处理的d s p 。本文便 是将d s p 用于动态图像数据处理。 1 3 论文的主要内容 本文的研究目的是研制出基于d s p 的、高性能的、可扩展性强的数字处理平台，并将之应用于 教育机器人的视觉处理。视觉处理平台将捕捉到的目标信息通过h p i 口通讯至a r m 控制系统，使 a r m 控制系统能够根据目标信息做出相应的判断和产生控制指令。 第一章首先介绍本文研究的背景及意义，接着详细阐述相关技术领域的发展历程、国内外研究 与应用现状，最后给出本文的主要内容。 第二章主要介绍视觉处理平台的总体设计。首先，针对系统功能需求进行处理器的选型；其次， 根据已确定的系统功能，进行硬件模块设计；最后，根据所选用处理器选择操作系统和软件开发环 境的特点，设计系统的软件构架。 第三章详细介绍系统硬件电路的设计与实现。首先概括介绍t m s 3 2 0 c 6 7 1l 处理器特性和各硬件 模块的设计思路：接着，在详细说明每个模块设计原理的过程中，对有多种方案可实现的电源模块、 通讯模块进行方案分析和比较，并在最终设计中选择最优方案；再接着，介绍外围存储器地址映射 的相关信息，定义各个硬件接口的地址；然后介绍p c b 设计流程以及设计规则，并在此基础上自主 设计出系统的硬件电路。最后，详细介绍了硬件调试的过程和所遇到的问题及其解决方法。 第四章主要介绍视觉处理平台的应用。首先，简要介绍图像采集子卡硬件组成，图像显示与图 像采集的硬件原理和图像处理所需的基础知识。其次，介绍在视觉处理平台上进行黑白图像处理和 彩色图像处理时的两种数据管理方式。最后给出图像处理的结果以验证本设计的正确性。 第五章对本文研究工作进行简要的总结，并对视觉处理平台的改进和进一步研究提出展望。 - - 4 - 第二章视觉处理平台的需求分析和整体设计 第二章视觉处理平台的需求分析和整体设计 2 1 教育机器人整体架构 教育机器人平台整体结构如下图2 1 所示。其中，多自由度机械手控制模块可以根据a r m 控制 系统发出的指令控制多自由度机械手；移动平台控制模块可以根据a r m 控制系统发出的指令控制平 台移动；机器视觉模块通过与a r m 控制系统通讯，使得a r m 控制系统获取的目标信息，通过对目 标信息的判断产生以上两个模块的控制指令。 图2 - 1 教育机器人平台整体框架 图中虚线框中的视觉处理模块、摄像头及图像采集子卡构成了教育机器人的机器视觉系统，也 是本文研究的主要内容。 2 2 视觉处理平台的需求分析 如上图2 - l 所示，视觉模块处理模块即视觉处理平台。它和摄像头、图像采集子卡构成教育机 器人的机器视觉系统。图像采集子卡主要负责采集图像，将图像经摄像头以一定的速度采集并转换 为数字格式而后存入存储器等候处理。视觉处理平台则将存储器中等待图像处理的图片运用算法进 行相关处理，然后根据量化图像的关键特征提取目标信息并将信息存储后，送出主机中断给a r m 控制系统获取目标信息。a r m 控制系统获取目标信息后即产生控制信号决定运动方向、速度、是否 需要转向等。 根据上述视觉处理平台的工作过程、图像采集子卡的工作特点、实现运动控制的要求，视觉处 理平台必须具备以下要素： 数字图像的处理必须具备实时性 即要进行实时数字图像处理，实时就是系统必须在有限的时间内对外部输入的信号完成指定的 一5 一 东南大学硕士学位论文 处理，即信号处理的速度必须大于输入的信号的更新速度而且从信号的输入到处理后输出的延时 必须足够的小。然而数字图像处理的数据量大得惊人，对于一个每帧数据长为6 4 0 x 4 8 0 x 1 6 、传输速 率为3 0 帧每秒的数字图像信号，其输入的图像数据率为1 7 5 8 m b s ，因而它对实时处理速度的要求 是大于等于1 7 5 8 m b s ，可见其对图像处理设备运算能力的要求之高。 与运动控制系统通讯具备实时性 当图像处理完成后视觉处理平台通过发送中断的方式和a r m 控制系统进行通讯，从而使控制 系统根据获取的目标信息做出判断并发出运动指令。如果通讯实时性不满足要求，则在控制系统做 出决策之前，机器人的位置已经发生了改变，这就达不到准确控制运动的目的。 体积小，功耗低 由于教育机器人所用的能源是蓄电池。为了保证它能长时间工作，要尽可能降低视觉处理平台 的功耗。在设计方案中拟定将平台放置在一辆玩具小车上，所以要求平台体积比较小。 成本低，高性能 教育机器人服务于教育事业，所以必须在不影响整体性能的情况下严格控制成本。在图像采集 系统中考虑尝试用普通、便宜、简单的摄像头替代昂贵的c c d 摄像头。 操作简单，各模块连接方便 教育机器人面向的对象是学生，他们不具备专业知识，所以要在视觉处理平台上引出相关接口， 使得连接设备更加便捷。 2 3 视觉处理芯片选型 当前，在d s p 领域内，主要供应商有如下3 个，他们的产品也各具特色： l 、德州仪器公司 美国德州仪器( t e x a si n s m 】m e n t s ，t i ) 是世界上最知名的d s p 芯片生产厂商，其产品应用也最 广泛，公司生产的t m s 3 2 0 系列d s p 芯片广泛应用于各个领域。t i 公司在1 9 8 2 年成功推出了其 第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 ，这是d s p 应用历史上的一个里程碑，从此，d s p 芯片开始得到真正的 广泛应用。由于t m s 3 2 0 系列d s p 芯片具有价格低廉、简单易用、功能强大等特点，所以逐渐成为 目前最有影响、最为成功的d s p 系列处理器。 目前，1 1 公司在市场上主要有三大系列产品： 面向数字控制、运动控制的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列，主要包括t m s 3 2 0 c 2 4 x f 2 4 x ， t m s 3 2 0 l c 2 4 0 x l f 2 4 0 x 、t m s 3 2 0 c 2 4 x a l f 2 4 0 x a 、t m s 3 2 0 c 2 8 x x 等。 面向低功耗、手持设备、无线终端应用的t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列，主要包括t m s 3 2 0 c 5 4 x 、 t m s 3 2 0 c 5 4 x x 、1 m s 3 2 0 c 5 5 x 等。 面向高性能、多功能、复杂应用领域的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列，主要包括t m s 3 2 0 c 6 2 x x 、 t m s 3 2 0 c 6 4 x x 、t m s 3 2 0 c 6 7 x x 等 其中第三类高端产品t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列是高速图形处理的首选产品。 2 、美国模拟器件公司 a d i 公司在d s p 芯片市场上也占有一定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的d s p 芯片， 其定点d s p 芯片有a d s p 2 1 0 1 2 1 0 3 2 1 0 5 、a d s p 2 1 1 1 2 1 1 5 、a d s p 2 1 2 6 2 1 6 2 2 1 6 4 、a d s p 2 1 2 7 2 1 8 1 、 a d s p b f 5 3 2 以及b l a e k f i n 系列，浮点d s p 芯片有a d s p 2 1 0 0 0 忆1 0 2 0 、a d s p 2 1 0 6 0 2 1 0 6 2 ，以及虎 鲨t s l 0 1 ，t s 2 0 1 s 。 3 、m o t o r o l a 公司 m o t o r o l a 公司推出的d s p 芯片比较晚。1 9 8 6 年该公司推出了定点d s p 处理器m c 5 6 0 0 1 ；1 9 9 0 年，又推出了与i e e e 浮点格式兼容的的浮点d s p 芯片m c 9 6 0 0 2 。还有d s p 5 3 6 1 l 、1 6 位d s p 5 6 8 0 0 、 2 4 位的d s p 5 6 3 x x 和m s c 8 1 0 1 等产品。 根据应用场合和设计目标的不同，选择d s p 芯片的侧重点也各不相同，其需要考虑的因素主要 一6 一 第二章视觉处理平台的需求分析和整体设计 包括以下几个方面： l 、运算速度，衡量d s p 处理性能的指标一般有嗍： m f l o p s ( m i l l i o nf l o a t i n gp o i n t o p e r a t i o n sp e rs e c o n d ) ，百万次浮点操作，秒，这是衡量浮点 d s p 芯片的重要指标。 ( g ) m i p s ( m i l l i o n so f i n s t r u c t i o n s p e r s e c o n d ) ，百万条指令秒，一般d s p 为2 0 - - 1 0 0 m i p s ，使用 超长指令字的t m s 3 2 0 8 2 x x 为2 4 0 0 m i p s 。必须指出的是这是定点d s p 芯片运算速度的衡量 指标，应注意的是，厂家提供的该指标一般是指峰值指标，因此，系统设计时应留有一定的裕 量。 m o p s ( m i l l i o n so f o p e r a t i o n sp e rs e c o n d ) ，每秒执行百万操作。通常操作包括c p u 操作外， 还包括地址计算、d m a 访问数据传输、i o 操作等。一般说m o p s 越高意味着乘积累加和运 算速度越快。m o p s 可以对d s p 芯片的性能进行综合描述。 m b p s ( m i l l i o nb i tp e rs e c o n d ) ，它是对总线和i o 口数据吞吐率的度量，也就是某个总线或 i o 的带宽。例如对1 m s 3 2 0 c 6 x x x 、2 0 0 m h z 时钟、3 2 b i t 总线时，总线数据吞吐率则为 9 0 0 m b y t e s 或6 4 0 0 m b p s 。 2 、运算精度：一般来说，浮点d s p 芯片的运算精度要高于定点d s p 芯片的运算精度。定点 d s p 的特点是主频高、速度快、成本低、功耗小；浮点d s p 的速度一般比定点d s p 处理速 度低，适合于运算复杂度高，精度要求高的应用场合。 3 ，字长：一般浮点d s p 芯片都用3 2 位的数据字，大多数定点d s p 芯片是1 6 位数据字。 4 、开发调试工具：硬件方面，在线硬件仿真器通常是j t a g 边界扫描接口，可以对设计的硬件 进行在线调试，在硬件系统完全完成之前，可以通过j t a g 接口对系统的各个模块分别进行 调试；软件方面，各大d s p 供应商都会推出与产品配套的开发套件，使开发过程变得非常便 捷、高效。 5 、功耗与电源管理：个人数字产品、便携设备和户外设备等对功耗有特殊要求。它通常包括供 电和电源的管理两部分。供电电压一般有3 3 v 、2 5 v ，1 s v ，o 9 v 等，电源管理，主要用于 对芯片的上电顺序、意外短路等情况的保护，也常用于休眠、等待模式等方式节省功耗。 由于实验室有t ic c s 软件开发包，根据以上因素并综合考虑开发成本与开发工具的情况下， 并要在满足到系统对实时性要求，最终本系统选型芯片为：1 1 公司的t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 ，3 2 位浮点d s p 用于该视觉处平台。该d s p 主频为1 0 0 m h z - 1 5 0 m h z , 处理速度为9 0 0m f l o p s ，采用2 级c a c h e 。 视觉处理平台处理的数据量很大。对于一个每帧数据长为6 4 0 x 4 8 0 x 1 6 、传输速率为3 0 帧每秒的数 字图像信号，其输入的图像数据率为1 7 5 8 m b s ，因而它对实时处理速度的要求是大于等于 1 7 5 8 m b s 。本系统采用的d s p 的e m i f 工作频率为1 0 0 m h z ，总线吞吐量为4 0 0 m b s ，足够满足实 时性要求。软件开发包也支持该芯片。 2 4 硬件系统整体设计 根据教育机器人视觉处理平台所必须具备的要素，在视觉处理平台硬件部分必须包括：数字信 号处理器t m s 3 2 0 c 6 7 1 l 、时钟模块、电源模块、电源监控模块、存储器模块、c p l d 译码模块、外 围接口模块。系统硬件总体框架如图2 - 2 所示： l 、时钟模块是通过对一个2 5 m h z 晶振六倍和四倍的倍频产生1 5 0 m h z 的内核工作频率和 1 0 0 1 v l h z 的e m i f ( 外部存储器接口) 工作频率。 2 、电源模块为5 v 直流输入，通过低压差三端稳压器产生1 8 v 的内核工作电压和3 3 v 的f o 电压。 3 、监控模块是通过一片电源管理芯片分别监控5 v ，3 3 v 1 8 v 三种电压，只要其中任一出现异 常，则系统复位。 4 、存储器模块由1 6 m b 的s d r a m 和5 1 2 k b 的f l a s h r o m 构成。s d r a m 结构为 - 7 - 东南大学硕士学位论文 4 b a n k 1 6 b i t x i m 2 片。f l a s h r o m 结构为：5 1 2 k 8 b i t 。 5 、c p l d 译码模块对整个系统的控制信号逻辑进行译码。对某些信号进行译码以满足一些特殊 的设计需要。例如在c e l 空间内分出部分空间作为f o 口。 6 、外围接1 ：3 模块包括：h p i 模块、y r a g 调试模块、f o 模块、串口模块等；存储器模块包括 s d r a m 和f l a s h r o m 两部分。 图2 - 2 教育机器人系统整体框架图 教育机器人系统整体框图如图2 - 2 所示。图中虚线框部分为本设计硬件系统框图。 2 5 软件系统整体设计 2 5 1c c s 集成开发环境简介 c 6 0 0 0 的集成开发环境是以c o d ec o m p o s e rs t u d i o ( c c s ) 为核心的软件开发平台。c 6 0 0 0 程序 的调试和仿真有两种模式：软件仿真和硬件仿真。软件仿真是指程序的执行完全是靠上位机的仿真 软件模拟，程序单步或运行的结果都是仿真软件“计算”山来的，不和任何硬件平台打文道。而硬件 仿真要用户具备目标板，仿真程序会利用开发系统将代码下载到d s p 芯片中。程序是在芯片上直接 运行的，仿真软件只是把运行的结果读出来显示。目标系统通过x d s 5 1 0 开发系统与主机相连。软 件仿真的优点是无需目标板就可以开始软件编程，缺点是仿真速度慢，而且无法仿真某些外设的功 能。硬件仿真的优点就是仿真速度快，仿真结果与系统实际一致 8 】。 在c c s 出现之前，软件仿真使用s i m u l a t o r e x e 程序，硬件仿真使用e m u l a t o r e x e 程序，而他们 的界面几乎是一样的。现在，这两种仿真模式都集成在c c s 环境下，根据当前c c s 的配置不同， 软件会选择相应的仿真模式。在c c s 出现之后，上述所有的一切操作都隐藏在c c s 集成环境之下， 一8 一 第二章视觉处理平台的需求分析和整体设计 由c c s 根据源程序的类型自动调用适当的代码产生工具，c c s 提供了一个图像界面来设置代码产生 工具的选项，使用项目文件( m a k 或p j t ) 来跟踪所有的构建( b u i l d ) 程序所需要的信息，项目文件包括 以下内容例： 1 、源文件名、目标库文件名 2 、c 编译器、汇编器、连接器的选项 3 、包含文件的依赖性 c c s 包括这样一些组件： l 、t m $ 3 2 0 c 6 0 0 0 代码产生工具 2 、c o d ec o m p o s e rs t u d i o 集成开发环境 3 、d s p b i o s 实时操作系统 4 、r t d x 插件，主机接口和应用程序接口 一个最小的应用程序项目中至少要包含3 个文件： l 、主程序m a i n c 这个文件必须包含一个m a i n 0 函数作为c 程序的入口点。 2 、连接命令文件c m d 这个文件包含了d s p 和目标板的存储器空间的定义代码段、数据段是 如何分配到这些存储器空间的。 3 、c 运行库文件r s t 6 2 0 0 1 i bc 运行库提供了诸如p r i n t f 等标准c 函数，还提供了c 环境下的初 始化函数cj n t 0 0 0 。 4 、v e c t o r s a s m 这个文件中的代码将作为i s t ( 中断服务表) ，并且必须被连接命令文件( c i n d ) 分配到0 地址。d s p 复位之后，首先跳到0 地址，复位向量对应的代码必须跳转到c 运行 环境的入口点c _ i n t 0 0 0 ，然后在c _ i n t 0 0 0 函数中完成诸如初始化堆栈指针和页指针以及初始 化全局变量等操作，最后调用，m a i n 0 函数，执行用户功能。 2 5 2 操作系统的选择 视觉处理平台，是一个基于d s p 的嵌入式系统，而嵌入式系统的核心是操作系统。它的适当选 择对系统是否能够完美的实现功能起决定性的作用。 小型的嵌入式开发针对的问题比较简单，通常是几个应用主程序之间的切换，因此不需要任务 管理。但是随着嵌入式处理器的发展，系统的复杂程度越来越高，需要处理的任务数量也逐渐增多， 如果还是由开发者编写程序进行管理任务，不仅增加了工作量而且也降低了系统的可靠性。因此， 选择嵌入式操作系统进行管理已经成为嵌入式开发的迫切需求。 目前嵌入式操作系统的种类也很繁多，如常见的v x w o r k s ，“c l i n u x ，p c o s 等，其中由于g c l i n u x 的免费、功能性强等优点在民用中使用最为广泛。但以上操作系统大多是针对微处理器而设计的， 并不适合移植到嵌入式d s p 中。1 1 公司c c s 开发平台中的d s p b i o s 正是针对本公司的d s p 设计 的，它采用图形化的配置操作界面，使用非常简单，并且所占用的资源比以上几种操作系统也少很 多。 d s p b i o s 由三部分组成：d s p b i o s 实时内核和a p i 、d s p b 1 0 s 配置工具以及d s p b i o s 实时 分析工具i ，j d s p b i o s 分析工具可以辅助c c s 环境实现程序的实时调试，以可视化的方式观察程 序的性能，而且几乎不影响运用程序的运行。与传统的调试方法不同的是，程序的实时分析要求在 目标机上运行监控代码，使用d s p b i o s 的a p i 和对象，可以自动监控目标处理器，采集实时信息 并通过c c s 分析工具上传到上位机 d s p b i o s 使d s p 的编程更加标准化并提供了强大的程序开发工具，缩短了建立d s p 运用程序 的时间。d s p b i o s 的运用主要体现在 1 0 l “】： ( 1 ) 配置工具可以自动生成用于声明程序所用对象的代码。 ( 2 ) 配置工具可以在生成运用程序之前对对象属性的合法性进行校验。 ( 3 ) 对d s p b i o s 对象的记录和统计在运行时自动有效，无需额外编程，其他的监控可以根据 需要进行编程。 一9 一 东南大学硕士学位论文 ( 4 ) d s p b i o s 分析工具提供了程序的实时监控功能。 ( 5 ) d s p b i o s 为每一个对象类型提供了一系列的运用程序编程接口( a p i ) 。 ( 6 ) d s p b i o s 和c c s 集成在一起，无需任何运行许可。 ( 7 ) 芯片支持库( c s l ) 提供了一种方便的设备编程手段来替代传统的寄存器编程方式，c s l 使在拥有等效外围设备的不同d s p 之间的代码移值更加简单，效率更高。 在