（通信与信息系统专业论文）基于dsp的手写数字识别系统.pdf

原创性声明 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：菡港基 日 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 鳖送么 导师签名： 论文作者签名：i 望丛丛 导师签名：日期：迎生：茎：望 山东大学硕士学位论文 中文摘要 随着计算机技术的不断发展，模式识剐技术在最近几年取得了新的发展，改 善了人机之间的信息交互能力，其中手写数字识别是模式识别的一个重要研究领 域。同时d s p 作为可编程数字信号处理专用芯片是微型计算机发展的一个重要 分支，也是数字信号处理理论实现的重要工具。其低功耗、高速度、高精度、编 程灵活等优点使得它在各种领域得到了广泛的应用。本论文将手写数字识别技术 与d s p 结合起来，详细介绍了一个基于d s p 的手写数字识别系统的设计过程。 论文首先对整个系统的基本框架进行了简单介绍。然后按照芯片选择( 分为 图像传感芯片的选择和控制部分硬件的选择) ，硬件设计和软件设计( 分为d s p 部分和c p l d 部分的软件设计) 的顺序对整个系统进行了详细的论述。 在芯片选择部分，首先介绍了c m o s 图像传感器o v 9 1 2 0 的特点、结构、工 作模式以及配置芯片用的s c c b 总线，为后继o v 9 1 2 0 的使用提供预备知识。然 后对系统中的控制芯片d s p 和c p l d 的结构、特点、片内资源分别进行了简单 描述，使读者对两个芯片有初步了解；最后介绍的是控制部分的其他部件：电源、 缓冲器以及存储器等。 在硬件设计部分，以d s p 和c p l d 为主，对系统的硬件配置做了详细介绍。 其中d s p 部分主要包括d s p 的时钟配置、存储空间的配置等内容；c p l d 部分 主要包括其与o v 9 1 2 0 和d s p 的接1 ：3 电路设计。另外对系统复位和缓冲器的配 置也做了相应的介绍。 在软件设计部分，由于d s p 和c p l d 两器件都需要进行编程控制。所以分 成两个模块进行介绍。首先是d s p 模块的软件实现部分，这一部分主要完成的 是d s p 的初始化设置、识别数字功能；然后是c p l d 模块的软件实现部分，主 要包括对o v 9 1 2 0 的配置程序、采集信号的触发程序、地址的产生程序以及d s p 中断触发程序。通过d s p 和c p l d 程序的结台来完成系统的整体软件设计。 总之，笔者通过艰苦的理论研究，提出了一种适合手写体数字识别的算法。 并通过方案论证，电路设计和大量的软件硬件调试，开发了一个基于d s p 的手 写数字识别系统。 关键词：d s pc p l d 图像传感器手写数字识别 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , 、 ，i t l lt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , g r e a tp r o g r e a sh a sb e e n m a d ei nt h ep a r e mr e c o g n i t i o nf i e l d s i g n i f i c a n ta d v a n c e m e n t sh a v eb e e nm a d ei n h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n n 坨r e c o g n i t i o no fh a n d w r i t t e nd i s i ti s a l l i m p o r t a n t f i e l di nt h er e s e a r c h c o n c e r n i n gp a r e mr e c o g n i t i o n i n t h em e a nt i m e ，a sa p r o g r a m m a b l ea p p l i c a t i o n - s p e c i f i cc h i p ，d s p i sa n i m p o r t a n t b r a n c h o ft h e d e v e l o p m e n to fm i c r o c o m p u t e r s i ti s a l s oas i g n i f i c a n tt o o lf o rt h er e a l i z a t i o no f t h e o r y , d i s c u s s i n g i sa b o u t c u s i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g t h ed s p h a sb e e n u s e di nm a n y f i e l d sb e c a u s eo fi t sm e r i t s ：l o w - p o w e r , h i g h - s p e e d , h i g h - p r e c i s i o n ，a n dt h ef l e x i b i l i t y o f p r o g r a m m e i n t h i st h e s i s ，w ew i l li n t e g r a t et h et e c h n o l o g yo fd s pw i t ht h et h e o r y o f r e c o g u i f i o n ，a n db e g i nt h ed e s i g np r o c e s s o fah a n d w r i t t e n d i g i tr e c o g n i t i o ns y s t e m b a s e do nd s pi nd e t a i l a tf i r s lt h et h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i cf r a m e w o r ko ft h es y s t e ms i m p l y , a n dt h e n m a k e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ew h o l es y s t e m ，w h i c hc o n s i s t so ft h r e em o d u l e s ： t h e c h i ps e l e c t i o n ，h a r d w a r ed e s i g n a n ds o r w a r e d e s i g n i nt h e c h i p s e l e c t i o nm o d u l e ，w ef i r s t l yi n t r o d u c et h es t r u c t u r e ，f e a t u r ea n d w o r k i n g - m o d eo fo v 9 1 2 0 ，w h i c h i sac m o s i m a g i n gs e n s o r w ca l s oi n t r o d u c et h e s c c b ，w h i c h i su s e dt oc o n f i g u r et h ei m a g i n gs e n s o lt h ec o n t e n to f t h i sm o d u l ec a n h e l pu su s et h es e n s o rm o r ee a s i l y s e c o n d l y , w ei n t r o d u c et h ec o n t r o lc h i p so f t h e s y s t e m ：d s pa n dc p l d w cg i v e r e a d e r sb a s i ck n o w l e d g ea b o u tt h et w oc h i p s t h r o u g has i m p l ei n t r o d u c t i o nd i s c u s s i n gt h es t r u c t u r e s ，f e a t u r e sa n dr e s o u r c e so f t h e c h i p s ，f i n a l l y , w ei n t r o d u c eo t h e rp a r t so f t h es y s t e m ：p o w e r , b u f f e r a n dm e m o r y i nt h eh a r d w a r ed e s i g nm o d u l e ，w ei n t r o d u c et h ec o n f i g u r a t i o no ft h eh a r d w a r e c o m p o n e n t si nd e t a i l r e g a r d i n gd s p , w em a i n l yi n t r o d u c et h ec o n f i g u r a t i o no f t h e c l o c ka n dm e m o r y ；r e g a r d i n gc p l d ，w em a i n l yi n t r o d u c et w oi n t e r f a c e s ，o n ei s b e t w e e nd s pa n dc p l d ，t h eo t h e ri sb e t w e e no v 9 1 2 0a n dc p l d i nt h i sm o d u l e ，w e a l s oi n t r o d u c et h er e s e ta n db u f f e rc i r c u i t s i nt h es o f t w a r ed e s i g nm o d u l e ，w ew i l li n 仃o d u c et h ed s pa n dc p l ds o f t w a r e d e s i g n ss e p a r a t e l y , c o n s i d e r i n gt h ep r o g r a m m a b i l i t yo f t w op a r t s f i r s t l y , i nt h ed s p 4 山东大学硕士学位论文 - _ - - - i _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 p a r t , t h ep r o g r a m m ep e r f o r m st h ef u n c t i o no ft h ei n i t i a l i z a t i o no fd s pa n dt h e r e c o g n i t i o no f h a n d w r i t t e nd i g i ts e c o n d l y , t h ec p l d p r o g r a m m e i su s e dt oc o n f i g u r e o v 9 1 2 0 ，t r i g g e r t h ec o l l e c t i o ns i g n a l ，p r o d u c et h ea d d r e s sa n d i n t e r r u p tt h ed s rs o ， w ec a l lp e r f o r mt h ew h o l e d e s i g no f t h es y s t e ms o f t w a r et h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no f t h et w o p r o g r a m m e s i nc o n c l u s i o n , w ep r o d u c eah a n d w r i t t e nd i g i tr e c o g n i t i o na l g o r i t h mb a s e do i l t h e o r yr e s e a r c h w ea l s op r e s e n to u rf i n d i n g sr e g a r d i n gt h ed e s i g no fc i r c u i t sa n d d e b u g g i n gt h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r e f i n a l l y , w e d e v e l o p ah a n d w r i t t e nd i g i t r e c o g n i t i o ns y s t e m b a s e do nd s p k e yw o r d s ：d s p , c p l d ，i m a g i n gs e n s o r , h a n d w r i t t e nd i i g i tr e c o g n i t i o n 5 山东大学硕士学位论文 6 d s p ： c p l d ： s c c b ： b p ： o c o n ： s r a m ： r i ： q ： 数字信号处理器 复杂可编程逻辑器件 串行相机控制总线 反向传播算法 单输出网络 静态随机存储器 学习步长 动量系数 符号说明 山东大学硕士学位论文 - - _ _ _ _ _ - - - - - - _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ ii _ 刖吾 近年来，模式识别技术随着计算机的迅速发展不断取得新的进展，改善了人 机之间的信息交互能力。数字识别是模式识别的一个重要分支，其任务是研究如 何使计算机能够识别出数字，学科上属于模式识别和人工智能的范畴，是新一代 计算机智能接口的一个重要组成部分。数字识别技术涉及到模式识别、图像处理、 人工智能、形式语言和自动机、模糊数学、数学形态学、信息论、计算机等学科。 是一门综合性的技术。 数字识别。通俗的讲，是指用计算机自动辨识印刷在纸上和人写在纸( 或介 质) 上的数字。一般的数字识别系统通常采用光电转换装置把数字变为电信号， 送入经过训练的计算机，由计算机自动辨认、阅读，一般对于印刷数字来说，由 于其规范性，识别方法比较简单，正确率也较高，但是对于手写数字来说，由于 个体差异较大，如果使用和印刷数字同样的识别方法，则效果不太理想，这就需 要设计新的识别方法，到目旃为止，国内外学者在此领域进行了各种探索，提出 了各种不同的方法，已经取得了非常丰硕的成果。这也主要得益于数字信号处理 算法的研究。 数字信号处理作为数字纯最重要的基础技术之一，无论在其应用的广度还是 深度方面，都正以前所未有的速度向前发展。而实现这些数字信号处理的算法以 往一般都是在工作站或小型机上运行，这就使得识别系统不可避免的具有成本 高，体积大，不易携带的缺点。 近年来，数字信号处理器( d s p 器件) 作为可编程数字信号处理专用芯片， 是微型计算机发展的一个重要分支，也是数字信号处理理论实用化过程的重要技 术工具。利用它可以快速实现数字信号处理算法。同时由于其具有高速的数据处 理能力、高精度运算能力、灵活的应用方式、低微的电量消耗、方便的编程环境 等特点使得它在通用数字信号处理、声音语音处理、图形图像处理、控制、仪 器仪表、军事、通讯、消费电子、工业、医学等领域得到广泛的应用。也正是这 些特点，使得我们可以将手写数字识别算法使用d s p 来实现。 本文实现的系统旨在将图像采集、数字识别和结果输出集成到一个系统中， 采用t i 公司的定点d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 来实现数字信号处理功能。它是 一种具备价格低、体积小、速度快且易于携带等一系列优点的系统。 山东大学硕士学位论文 第一章系统简介 本系统以o v 9 1 2 0 作为图像采集芯片；在e p m 7 1 2 8 s ( c p l d 芯片) 控制下， 采集并存放图像于r a m 中，t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ( d s p 芯片) 处理r a m 中的数字 图像；处理结果可以通过c c s 在p c 中查看。系统实现框图如图1 1 所示。 图1 1 系统总体框图 o v 9 1 2 0 完成图像的采集工作，可以通过配置片内寄存器来实现它的功能。 相应寄存器的设定可以通过o v 9 1 2 0 的s c c b 总线( 一种类似于，2 c 的总线) 实 现，我们可以利用c p l d 控制s c c b 总线来完成o v 9 1 2 0 寄存器的设置。在本系 统中，通过对相应寄存器的设置，我们使o v 9 1 2 0 工作于单帧采集模式，即一次 只采集一幅图像。采集完成后，o v 9 1 2 0 会通过并行总线将数据送往共享存储器 ( 即图1 1 中所示的r a m ) ，以供d s p 完成后继的处理。 e p m 7 1 2 8 s 即我们所说的c p l d 芯片，我们可以使用v h d l 语言对它进行编 程来实现各种功能，在本系统中它主要完成对o v 9 1 2 0 的初始化以及产生 o v 9 1 2 0 数据送往r a m 时的存储地址，并当一帧图像采集完毕后，负责通知d s p 进行后继操作。 d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 为本系统的处理核心，它负责控制c p l d 、r a m 。 当系统启动时，d s p 通知e p m 7 1 2 8 s 启动o v 9 1 2 0 的初始化程序，然后o v 9 1 2 0 便开始采集，采集完毕后d s p 便可以访问r a m 中的数据，并完成后继的图像 处理工作，处理后的结果通过j t a g 接口在c c s 中即可获得。另外，在本系统 中，d s p 还有一个重要的功能，即负责控制r a m 的访问权。考虑到成本原因， 我们没有采用双口r a m 。而在系统中，o v 9 1 2 0 以及d s p 都需要对r a m 进行 山东大学硕士学位论文 访问，这必然会产生r a m 的访问冲突问题。对于这一问题我们是通过d s p 的 x f 引脚产生控制信号来解决的：当o v 9 1 2 0 采集图像期间，d s p 通过x f 引脚 控制缓冲器，使得采集期间o v 9 1 2 0 与r a m 导通，d s p 与r a m 隔离；同理， 在d s p 访问期间通过而信号使d s p 与r a m 导通， o v 9 1 2 0 与r a m 隔离， 这样便解决了o v 9 1 2 0 、d s p 对r a m 的使用权问题。 本论文将按照器件选择；控制系统硬件设计；控制系统软件设计( 因为d s p ， c p l d 都需进行编程，所以相应的又分为d s p 软件设计及c p l d 软件设计) 顺 序对本系统进行详细介绍。 9 山东大学硕士学位论文 第二章图像传感器0 v 9 1 2 0 2 1 图像传感器简介 0 v 9 1 2 0 是一款高性能的黑白图像传感芯片，可以广泛应用于数字静止图像 和视频图像的采集，它内部集成了一个1 2 8 0 x 1 0 2 4 的图像感应阵列，以及l o 位 的a d 转换器，最高可以每秒采集1 5 帧图像而且芯片内部的控制寄存器使得用 户可以根据自己的需要灵活的改变信号的时序、信号极性以及芯片的工作模式。 2 2 o v 9 1 2 0 特性 0 p t i c a lb l a c kl e v e lc a 胁怕t i o n ( b l c ) v i d e oo rs n a p s h o to p e r a t i o n s p r o g r a m m a b l e a u t oe x p o s u r e a n dg a i nc o n t r o l p r o g r a m m a b l e a u t o w h i t eb a l a n c ec o n t r o l h o r i z o n t a l & v e r t i c a ls u b - s a m p l i n g ( 4 ：2 & 4 ：2 ) p r o g r a m m a b l ei m a g ew i n d o w i n g v a r i a b l ef r a m er a t ec o n t r o l i n t e r n a l e x t e m a lf r a m es y n c h r o n i z a t i o n s c c bs l a v ei n t e r f a c e o n c h i p r g bc h a n n e ia n di u m i n a n c ea v e r a g ec o u n t e r p o w e r - o nr e s e ta n dp o w e r - d o w nm o d e 2 3 0 v 9 1 2 0 结构 图2 1 即o v 9 1 2 0 的功能方框图，它主要包括以下几个部分： i m a g c a r r a y = ( 图2 2 ) 即图像传感阵列，它是一个l 2 ”英寸的c m o s 感应器件，传感器包含 1 , 3 5 9 ，2 3 2 个像素。其中1 , 3 1 0 ，7 2 0 个最终输出的，其余主要是用来进行校准和 插值。 g a i nc o n t r o l ： 山东大学硕士学位论文 图2 1 0 v 9 1 2 0 结构 r 吧i 吉 ；：渭殚髑 | i e e 酗 1 i 鼎 - 巨旺喇 * 叵习马 i 一习匪，啊 一匹旺，l 习 图2 2 图像传感阵列 即增益控制，当行抽样保持电路已经抽样一列像素时，这些像素将一个一个 逐次移入到模拟放大器中，这个放大器可以被用户编程控制，或者被内部的 自动增益控制电路( a c , c ) 所控制：增益调整范围为0 - 2 4 d b 。 b a l a n c ec o n t r o l ：均衡控制。 1 0 b i t a d ：1 0 位的a d 转换器。 b l a c kl e v e lc o m p e n s a t i o n s c c bs l a v ei n t e r f a c e ：s c c b 总线接1 ：3 。 d i g i t a l v i d e op o r t ：数字视频接i ：1 。 t i m i n g g e n e r a t o ra n dc o n t r o ll o g i c ：时钟发生器和控制逻辑a 山东大学硕士学位论文 2 4o v g i2 0 的工作模式 o r 9 1 2 0 有两种工作方式：主模式和从模式。 主模式：在这种模式下，o v 9 1 2 0 作为主设备，此时x c l k 来自外部晶振的 输入，经过内部分频后得到p c l k 信号，0 v 9 1 2 0 采集图像后，在p c l k 的下 降沿到来时，依次将像素值输出，此时外部只是被动的接收信号。 从模式：在这种模式下，o v 9 1 2 0 作为从设备，此时x c l k 不与外部晶振相 接，而是受外部器件，也就是主设备的信号控制。由主设备发送一个m c l k 时 钟信号，在此信号的同步下依次发送像素值，参考连接模式如图2 3 所示。相 应的时序信号见图2 4 。 d 曲：加 c h s y n cm h s y n c 一 m 堪y n cv s y n c 一 x c u ( 1m c l k o v 9 1 2 0d e v i c e 图2 3 从模式参考连接图 叫* - - r a ( m c l k n 几几一九几几n 几几n 兀n 肌 图2 4时序信号图 在本系统中，我们使o v 9 1 2 0 工作在主模式下，即由o v 9 1 2 0 自己控制图 像信号的发送，外部c p l d 根据p c l k 时钟，来产生信号的存放地址，以便接 收信号将之存入s r a m 的适当地址空间。可以参考图2 5 来理解。 在此图中，o v 9 1 2 0 根据内部的p c l k 信号依次发送图像信号，c p l d 完成 图中的t i m i n g a d d r e s s g e n e r a t o r 和m i c r o c o n t r o l l e r 功能，在p c l k 控制下， 地址产生器( 由c p l d 编程实现) 产生信号要存储的地址，时序如图2 6 所示： 山东大学硕士学位论文 - _ - _ - - _ - _ - _ i _ l _ _ _ _ _ _ ii ii i - _ _ _ _ _ - _ i - i i _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ 图2 5 主模式参考连接圈 这样我们便得到了图像的数据信息。 s r a m e n 忡曲喇蚴j h r e f m r 几。n r 广 广一 嘲坌 il l s r a 崛几 k 逛墅e 堡d j 叭运叠哩琵殛勿匿 【蠢芴物 2 5 s c c b 总线 图2 6 时序信号图 如前所述，我们使0 v 9 1 2 0 工作于主模式，在p c l k 同步下依次将数据送 往r a m 中( 地址是由c p l d 根据，p c l k 产生，详细过程见第五章) ，在具体实 现时，我们对o v 9 1 2 0 的工作方式是有一定要求的，比如增益的大小选择、内 部p l l 的设置以及主从模式的选择等等，所有这些对o v 9 1 2 0 工作方式的要求 都可以通过设置o v 9 1 2 0 片内寄存器来实现。而s c c b 总线则是实现寄存器设 置的工具，也就是说只有通过0 v 公司独有的s c c b 总线，才可以对o v 9 1 2 0 的工作方式进行设定。 2 5 1s c c b 总线简介 s c c b 是一种类似于1 2 c 的总线。它是s e r i a lc a m e r ac o n t r o lb u s 的简写 利用s c c b 总线可以控制o v 公司的大部分器件。根据器件管脚多少不同，s c c b 山东大学硕士学位论文 可以有三线和两线( 一般2 4 根管脚情况下) 两种工作方式。分别如下图所示： 三线工作模式 两线工作模式 在这两种模式中，主设备( m a s t e rd e v i c e ) 为发出s c c b 控制信号的外部 设备。从设备( s t a v ed e v i c e ) 为接收s c c b 信号的器件，在本系统中也就是 o v 9 1 2 0 。因为我们采用的是4 8 管脚的o v 9 1 2 0 ，所以只对三线工作模式加以 详细介绍。 在三线模式中有s c c b 有三个信号线，分别是s c c b _ e 、s i o _ c 、s i o _ d 。 s c c be 为串行总线使能，禁止信号，它是单向、低电平有效的控制信号。 它主要是用来标志配置数据的开始和结束。也就是说，s c c b e 发生负跳变， 标志配置数据传输的开始，正跳变则代表配置数据传输的结束。在配置过程中， s c c be 需要一直保持为低电平。 s i oc 为单向、高电平有效的时钟信号，主要用来标志每个传输位。当总 线处于空闲时( 即s c c b _ e 为高电平时) ，s i o _ c 为高电平，当s c c b e 有 效期间( 即s c c b _ e 发生负跳变为低电平的过程中) ，s i o _ c 便应产生一系 列的时钟信号。 s i od 用来配置的数据信号，它是根据s l o _ c 来产生的，当s i o _ c 由低 变高时，便标志一个新的数据位。s c c b _ e 、s 1 0 - c 、s 1 0 - - d 三者之间的关系 如图2 7 所示： 1 4 山东大学硕士学位论文 s c c be 8 i oc 朝od j 7 、融一川h 舯蛔h 考婶讲扛硼娟- h ，r： 、厂、几n 厂、nnn n 几一广u 图2 7 三线模式时序图 2 5 2 使用s c c b 总线对o v 9 1 2 0 进行配置 我们在开始启动o v 9 1 2 0 采集图像前，必须使用s c c b 总线对o v 9 1 2 0 的 寄存器进行配置，从而使o v 9 1 2 0 按期望的方式工作。对于o v 9 1 2 0 寄存器值 的修改，本系统采用了三相写周期，时序如图2 8 所示： 图2 8 三相写周期 第一个周期为d 地址，即主设备通过s c c b 总线要访问的从设备的地址， 对于o v 9 1 2 0 来说，资料中已明确指定了确定地址。第二个周期为所要修改的 o v 9 1 2 0 寄存器的地址。第三个周期就是要修改的寄存器的值。利用这三相写周 期，系统就可完成对寄存器值的设定，从而达到设置o v 9 1 2 0 工作方式的目的- 当配置工作完成后。便可利用外部触发信号启动o v 9 1 2 0 采集图像( 如图 2 6 ) ，具体的采集过程将在后面第六章进行详细介绍。 山东大学硕士学位论文 第三章控制系统的器件选择 3 1c p u 的选择 d s p 作为一种先进的可编程处理器，在近几年来应用越来越广泛，与传统的 微控制器相比有着明显的优越性，主要表现在以下几个方面： 速度。在高采样率下，d s p 可以完成复杂的控制计算，可以实现比普通 微控制器快8 0 的采样率。硬件乘力h 器对实现现代控制理论的算法有明 显的优越性。 成本。一块d s p 芯片就可以实现多信道的实时控制，而无须更多的外围 扩展。内置r o m 、r a m 、的d s p 同时降低了成本和硬件设计难度。 字长。d s p 是1 6 位或3 2 位的微处理器，可以提供更高的控制精度和更 高的采样率。对实现复杂算法有明显的优越性。 d s p 芯片分为定点、浮点处理器一般定点d s p 的成本会比浮点d s p 成本 低，速度也较快。要获得低成本的d s p 系统，尽量用定点算法，用定点d s p 。 t i 的t m s 3 2 0 v c 5 4 x 是为实现低功耗、高性能而设计的定点d s p 芯片。其中， t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是一款应用普遍的芯片，有很多硬件资源。由于其高性能价格 比而成为当前语音和静态图像处理的主流产品。下面列出1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的主 要特征： 3 1 1 增强的多总线结构 v c 5 4 0 2 包括8 组1 6 比特宽度的总线( 如图3 1 所示) ，其中： 一组1 6 b i t 程序总线( p b ) ，用于从程序存储区读取指令代码和立即数。 三组1 6 b i t 数据总线( c b 、d b 、e b ) ，数据总线具有总线保持特性，其 中c b 和d b 用来从数据存储区读数据，e b 用来写数据到数据存储区。 四组地址总线( p a b 、c a b 、d a b 、e a b ) ，用来输送指令操作所需的地 址。 由于这种总线结构，v c 5 4 0 2 指令丰富、功能齐全。它支持单指令循环和块 循环；存储块移动指令提供了高效的程序和数据存储器管理；支持3 2 比特长操 6 山东大学硕士学位论文 作数指令，支持两个或三个操作数读指令：支持并行存储和并行装载的算术指令： 支持条件存储指令及中断快速返回。用节电模式的i d l e l 、i d l e 2 及i d l e 3 指 令作功率控制；可禁止c l k o u t 信号。 图3 1t m s 3 2 0 v c 5 4 0 4 总线结构 3 1 。2 c p u 结构( 圈3 2 ) v c 5 4 0 2 的c p u 结构包括： 4 0 比特的a l u ，其输入来自1 6 比特立即数、1 6 比特来自数据存储器的 数据、暂时存储器t 中的1 6 比特数、数据存储器中两个1 6 比特字、数 据存储器中3 2 比特字、累加器中4 0 比特字a 2 个4 0 比特的累加器，分为三个部分，保护位( 3 9 - - 3 2 比特) 、高位字 ( 3 1 1 6 比特) 、低位字( 1 5 一o 比特) 。 桶形移位器，可产生0 到3 1 比特的左移或0 到1 6 比特的右移 1 7 1 7 比特的乘法器。 4 0 比特的乘法器 比较选择和存储单元c s s u 数据地址产生器d a g e n 程序地址产生器p a g e n 1 7 山东大学硕士学位论文 3 1 3 片上外设 图3 2c p u 结构图 v c 5 4 0 2 包括： 通用i o 引脚，x f 和b i t ) 定时器 p l l 时钟发生器 增强型6 比特主机接口，h p i 口 多信道缓冲串口，m c b s p 时分复用串口，t d m 可编程等待状态发生器 可编程b a n k - s w i t c h i n g 模块 外部总线接口 m e e l l 4 9 1 标准j 1 a g 口 i i 山东大学硕士学位论文 3 1 4 片外引脚 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 共有1 4 4 个引脚。其中2 0 根并行地址线a 0 a 1 9 ，1 6 根并 行数据线d o d i s ，四个外部可屏蔽中断引脚7 矿f 0 一丽j 和一个不可屏蔽中断 引脚n i v i i ，剩下的引脚可以分为以下几类：存储器控制引脚，时钟，晶振引脚， 多通道缓冲串口引脚，主机接口通讯引脚，用于测试的引脚，电源引脚，初始化 和复位引脚以及两个通用输入，输出引脚。 3 2 存储器的选择 按存储器能否直接与c p u 交换信息来区分，可分为外部存储器和内部存储器。 由于d s p 芯片的面积和扩展等其他因素，c p u 片上的r o m 和r a m 是有限的，通常 情况下，它不够实际应用的需要，我们研制的这系统也不例外。所以，我们要 外挂外部存储器。 外部存储器的选择主要考虑的因素：存储容量、存储速度、价格和功耗。 存储容量的大小决定了本系统所能容纳的图像信息的多少。本系统采用的 0 v 9 1 2 0 芯片每帧的像素大约为1 3 m ，所以应选择大于单片1 3 m 或通过片选可以 访问的多个小容量r a m 。 存储器的速度是用存储器访问时间来衡量的，访问时间就是指存储器接收到 稳定的地址输入到完成操作的时间，比如，读出时，存储器往数据总线上输出数 据就是操作结束的标志。存储器的存储速度必须要与c p u 的速度匹配起来。首先， 因为5 4 0 2 的速度是i o o m h z ，即要求存储器的访问时间最好小于或等于l o n s 。在 d s p 内部有一种等待状态产生寄存器，利用它，我们可以产生最多1 4 个等待周 期。又由于该系统采用了t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 这样的1 6 位处理器，从系统简单、结构 小型化考虑，我们需要选择1 6 位的存储器。 存储器的价格主要由两个方面决定，一是存储器本身的价格，二是存储器模 块中附加电路的价格，后一类价格也叫固定开销，因为对不同容量的模块，这种 价格几乎是一样的。由此可见，应该使模块的数日尽可能的少，而每个模块的容 量尽可能的大。 考虑到上述因素，本系统中的数据空间( 识别程序运行时所需要的空间) 和 1 9 山东大学硕士学位论文 i o 空间( 用来存放采集到的1 3 m 左右的图像) 分别扩展了6 4 k 和1 5 m 的s r a m 。利 用它们高速存取的优点来达到快速处理的目的。其中数据空间扩展的存储器是： c 、r 7 c 1 0 2 1 。它是6 4 k x1 6 的静态随机存储器，存取速度为1 2 n s ，可以通过插入 一个等待周期来解决访问延时问题；i o 空间扩展的是i s 6 1 l v 5 1 2 8 a l ，它是5 1 2 k x 8 的高速c m o s 静态随机存储器，存取速度为1 2 n s 。 另外，因为脱机是我们所研制的系统最主要特点，故必须要考虑到存放脱机 程序这一问题。静态r a m 虽然读写速度快，但其容量小、掉电数据不保护、价 格高等特点限制了其使用范围，为此我们选用了兼具r o m 、r a m 优点的新型快 闪存储器( s u p e r f l a s hr a m ) s s t 3 9 v f 4 0 0 a 。s s t 3 9 v f 4 0 0 a 具有容量大。掉电 数据不丢失、可在线快速读写、可整片或分页擦除等特点。对于s s t 3 9 v f 4 0 0 a 这一芯片，其最大访闯时间为7 0 n s ，写入电压为3 v ，是固态数据存储器的一种 理想选择。s s t 3 9 v f 4 0 0 a 的读写操作非常简单，因其内部已经固化了相应的程 序，所以只需向特定的地址写入特定的命令字序列即可。最后，我们选用了 f l a s h 2 5 6 k x1 6 的s s t 3 9 v f 4 0 0 a 来存放脱机程序。 3 3 c p l d 的选择 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 ) 是复杂可编程器件，它们是 在p a l 、g a l 等逻辑器件的基础上发展起来的。同以往的p a l 、g a l 等相比较， c p l d 的规模大，比较适合于时序、组合等逻辑电路应用场合，它可以替代几十 甚至上百块通用i c 芯片。这样的c p l d 实际上就是一个子系统部件。这种芯片 具有可编程性和实现方案容易改动的特点。由于芯片内部硬件连接关系的描述可 以存放在磁盘、r o m 、p r o m 或e p r o m 中，因而在可编程门阵列芯片及外围电路保 持不变的情况下，换一块e p r o m 或重新烧写一次就可以实现一种新的功能。 由于a l t e r a 公司高性能、高集成度、价格合理以及开发工具方便的特点， 本系统选择了h l t e r a 公司的m a x 7 0 0 0 系列中的e p m t l 2 8 s 。 3 3 1 m a x 7 0 0 0 系列器件特点 以第二代多阵列矩阵( m a x ) 结构为基础，是一种高性能的c m o se e p r o m 器件。 山东大学硕士学位论文 t i a x t 0 0 0 s 系列器件通过j t a g 接口可实现在线编程。 i 雌x 7 0 0 0 s 系列器件内置j t a gb s t 电路。 逻辑密度为6 0 0 5 0 0 0 个可用门。 引脚到引脚豹逻辑延迟为5 o n s ，计数器工作频率达1 7 8 6 潮z 。 遵守p c i 规定。 m a x 7 0 0 0 s 系列器件有集电极开路选择。 可编程宏单元触发器具有专用清除、置位、时钟和时钟使能控制。 可编程功率节省模式，使每个宏单元的功耗降到5 0 或更低。 3 3 v 或5 0 v 电源。 可编程保密位，全面保护专利设计。 a l t e r am a x + p l u si i 开发系统提供软件设计支持。 可配置的扩展乘积项分配，允许向每个宏单元提供多达3 2 个乘积项。 4 4 到2 0 8 个引脚的各式封装：j 型引线塑料片或载体( p l c c ) 、针栅阵列 ( p g a ) 、四边形引线扁平封装( q f p ) 和i o m m 薄的的四边有引线扁平封 装( t q f p ) 。 a l t e r a 主编程部件( m c u ) 、b i t b l a s t e r 串行口下载电缆、b y t e b l a s t e r 并行口下载电缆或其它厂家的编程硬件支持器件的编程。 3 3 2m a x 7 0 0 0 结构 1 逻辑阵列块( l a b ) _ t a x 7 0 0 0 结构主要是由高性能的、灵活的逻辑阵列模块( 简称为逻辑阵 列块) 以及它们之间的连线构成，如图3 3 所示。l a b 由1 6 个宏单元阵列组 成。多个l a b 通过可编程连线阵( p i a ) 和全局总线连接在一起，全局总线 由所有的专用输入、t o 引脚和宏单元馈绘信号。 1 ，每个l a b 有如下输入信号： 2 ，来自通用逻辑输入的p i a 的3 6 个信号。 3 ，用于寄存器辅助功能的全局控制信号。 从i 0 引脚到寄存器的直接输入通道，用以实现m a x 7 0 0 0 s 器件的快速 建立时间。 2 山东大学硕士学位论文 图3 3i v l a 2 i ( 7 0 0 0 s 结构方块图 2 宏单元( m a c r o c e l l s ) m a x t 0 0 0 宏单元能够单独地配置为时序逻辑和组合逻辑工作方式。宏单 元