（通信与信息系统专业论文）c6x视频卡与pc数据通信与信息交互.pdf

摘要 l f 专门处理卡- - h o s tp c 结构是当前通信与信息工程领域的主要设备形 式之一。这类设备的实现中，p c 与专用卡等外部设备的数据通信、信息交 互技术是技术研究与应用的热点。同时，各类通信与信息技术中，视频信 息采集、通信与综合服务是前言热点技术领域。， 本文研究视频观测、目标识别跟踪信息系统中“c 6 0 0 0 卡一h o s tp c ” 数据通信与信息交互技术。根据系统的任务要求，我们设计了以d s p 高速 处理芯片为核心的视频图像处理卡，处理卡与p c 的接口采用了p c i9 0 5 4 芯片。本文的研究内容包括：整个系统任务、功能与方案研究，“c 6 0 0 0 卡一h o s t p c ”数据通信与信息交互任务、通信方式设计，相关的系统主要 器件、软硬件平台分析，p c i9 0 5 4 驱动程序的设计和开发，系统调试。 p c 仿真和系统实验表明，整个系统很好的完成了任务要求，取得了 好的结果。一vv vv 关键词：数据通信、p c i9 0 5 4 驱动程序、c 6 0 0 0 卡- - p c 视频系统、 d m a 。 l a b s t r a c t s p e c i a lp r o c e s s i n gc a r d - h o s tp ci s o n eo ft h em a i ne q u i p m e n t si nt h e c u r r e n tc o m m u n i c a t i o n a n d i n f o r m a t i o n - e n g i n e e r i n g f i e l d t h ed a t a c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ne x c h a n g e i st h e h o t s p o t o fr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n a tt h es a l n et i m e ，i m a g ec a p t u r e ，c o m m u n i c a t i o na n di n t e g r a t e d s e r v i c ea r et h e h o t s p o t sa m o n g t h ec o m m u n i c a t i o na n di r a f o r m a t i o n t e c h n o l o g y i nt h i st h e s i s ，t h ec o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ne x c h a n g et e c h n o l o g y b e t w e e nt h ec 6 0 0 0c a r da n dh o s tp c a r ed i s c u s s e d b a s e do nt h e r e q u i r e m e n t s o ft h es y s t e m ，i sd e s i g n e dt h ei m a g ep r o c e s s i o n gc a r dw i t h h i g h - s p e e dp r o c e s s i n gc h i pd s p c 6 2 0 2 t h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h ep r o c e s s i n g c a r da n dp ci sp c i9 0 5 4c h i p t h ec o n t e n t so ft h i st h e s i si n c l u d et h er e s e a r c h o ft h es y s t e mt a s k ，f u n c t i o na n di t sb a s i cs t r u c t u r e ，t h ed a t ac o m m u n i c a t i o n a n di n f o r m a t i o ne x c h a n g et e c h n o l o g yb e t w e e nt h ec 6 0 0 0c a r da n dh o s tp c ， t h em a i n c h i p sa n dw o r k i n gp l a t f o r ma n a l y s i s ，t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to f p c i9 0 5 4d r i v e rs o r a r em o d e la n ds y s t e md e b u g g i n g , e r e t h ep cs i m u l a t i o na n dw h o l es y s t e m e x p e r i m e n t ss h o w t h a ta l lt h e d e s i g nm e e t st h es y s t e mr e q u i r e m e n t sa n d t h eg o o dr e s u l t sa r ep r o d u c e d k e yw o r d s ：d a t ac o m m u n i c a t i o n ，p c i9 0 5 4d r i v e rp r o g r a m ，c 6 0 0 0 c a r d - p cv i d e os y s t e m ，d m a 。 l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得电子科技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谢意。 签名：本卤丝 日期：豇睨年铲月形日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位 论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以 将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：聱邀造 导师签名：南z 趁 i t 期：畦句2 年乍月，6 日 蔓= 兰型 一 第一章引言 1 1 研究任务与相关技术动态 1 1 1 研究任务 该课题是一个关于视频图像的观测与识别、跟踪的研究课题。从总体 来说它是红外视频飞行器实时检测跟踪信息系统，因为在这个系统中它主 要依赖d s p 和h o s tp c 来运行，所以在后面的讨论中把该系统简称为c 6 0 0 0 - - p c 系统。它涉及图像处理、自动控制、计算机应用等方面。图像与人类 的生活密切相关，图像处理作为现代技术的重要技术，已经应用到了广泛 的领域，如通信、航天航空、遥感遥测、生物医学、军事、信息安全等方 面。图像处理必须在现代计算机技术、数字信号处理与通信技术的支持下 才能更加高速发展与广泛应用。该课题也具备这个特点，也依赖计算机、 信号处理等技术 该课题的研究工作重要包括这么几个方面： ( 1 ) 红外视频飞行器的观测 ( 2 ) 红外视频飞行器目标图像检测与数据分析 ( 3 ) c 6 0 0 0 - - p c 系统与其他系统数据与信息交互 视频图像目标识别跟踪是通过视频图像序列，跟踪其间的图像目标。 为此，它必须完成这样几个方面的工作：搜索、捕获、跟踪和记忆。图像 目标识别跟踪系统可工作在各种波长，比如可见光波段或红外波段。图像 目标识别跟踪的基本任务如下图l - 1 所示。 图1 1 圈像目标识剐跟踪的基本任务 从总体看来整个系统的工作框图可以看成图1 - 2 所示的框图。在这 皇三登垫查兰堡主丝兰一 个图中，c 6 0 0 0 卡代表图像识别跟踪处理卡，h o s tp c 就是主控机算计， p c i9 0 5 4 是两者数据通信和信息交互的桥梁。 图1 - 2 系统的工作框例 该课题从总体上来说分为硬件系统和软件系统两大部分。硬件系统又 分为硬件平台和系统逻辑控制两个部分；软件系统又分为上层应用程序、 d s p 识别跟踪系统和c 6 0 0 0 - - p c 系统的驱动程序三个部分。在整个课题的 研究过程中，我承担了以下的研究任务： ( 1 ) c 6 0 0 0 卡与h o s tp c 数据通信与信息交互的设计与实现 ( 2 ) 参加了c 6 0 0 0 - - p c 系统的总体设计 ( 3 ) 参加了c 6 0 0 0 - - p c 系统的系统联调 1 1 2 国内外研究动态 图像处理早期只局限于对静态图像的处理和分析，当时是因为受到计 算机的速度和容量等方面的限制。其实，动态图像在客观世界中更普遍， 连续的序列图像能提供更丰富的信息。但是，不管是静态还是动态图像， 它的处理都包括图像分割和图像识别这两个过程。这两个过程的图像处理 算法也是目标识别跟踪技术的关键算法。下面我就简单的介绍一下这方面 的动态 一、图像分割技术发展动态 图像分割就是根据场景图像和目标图像的特性，将目标图像区域从场 景中表示出来，进而达到分割图像的目的文献【7 】把图像分割可以采用三 种不同的原理来实现。在利用区域的方法时，把各像素划归到各个物体区 域中。在边界方法中，只需确定存在于区域间的边界。在边缘方法中，则 先确定边缘像素并把它们连接在一起以构成所需的边界。 l 、区域方法( 基于图像灰度门限的图像分割技术) 利用图像灰度门限是一种区域分割技术，它对物体与背景有较强对比 蔓= 苎里童 一 的景物的分割特别有用。它计算简单，而且总能用封闭而且连通的边界定 义不交叠的区域。 当使用门限进行图像分割时，所有灰度值大于或等于某个门限的像素 都被判属于物体，而所有灰度值小于该门限的像素被捧除在物体之外设 图像为凡j ，) ，选择一个合适的灰度门限t ，则用门限进行图像分割后的图 像区域及数学表现形式为： y ，= 器 ，( j ，y ) t e s e 其中：r 为图像灰度门限 选择门限是这种处理算法的关键，它直接影响图像分割的效果。传统 的针对目标与非目标的双峰直方图的分割方法有很多，如文献【8 】中提到 的：最小错误概率法、贝叶斯法等。 2 、边界方法 先前的区域分割方法通过将图像划分为内部点集和外部点集来实现分 割。与此相反，边界方法利用边界具有高梯度值的性质直接把边界找出来。 文献 7 】提到了三种典型的方法。第一种是边界跟踪，选择图像中梯度值最 高的一点来作为边界跟踪过程的起始点，然后在这个边界起始点为中心的 邻域中找出最大灰度级的邻域点作为第2 个边界点。从这一点开始，就启 动了一个在给定当前和前一个边界点的条件下寻找下一个边界点的迭代过 程这样，就描画出最大梯度边界第二种是梯度图像二值化，k i r s c h 的 分割法利用了这种现象【们。第三种是拉普拉斯边缘检测，一个无噪声图像 具有陡峭的边缘，可用拉普拉斯算予将它们找出来对经拉普拉斯算子滤 波后的图像用零灰废值进行二值化会产生闭合的、连通的轮廓并消除了所 有的内部点由于噪声的存在，在运用拉普拉斯算予之前需要先进行低通 滤波 3 、边缘方法 确定图像中物体的边界的另一种方法是先检测每个像素和其直接邻接 域的状态。以决定该像素是否确实处于一个物体的边界上。具有所需特性 的像素被标为边缘点。边缘检测算子检查每个像素的邻域并对灰度变化率 进行量化，通常也包括方向的确定。有若干种方法可以使用，其中大多数 是基于方向导数掩模求卷积的方法例如r o b e r t s 边缘算子，r o b e r t s 边缘 皇王型茎盔兰堡圭望塞 检测算子是一种利用局部差分算子寻找边缘的算子均1 。s o b e l 边缘算子1 ， 图像中的每个点都用这两个核做卷积。一个核对通常的垂直边缘响应最大 而另一个对水平边缘响应最大。两个卷积的最大值作为该点的输出值a 运 算结果是一幅边缘幅度图像。p r e w i t t 边缘算子【1 2 1 与使用s o b e l 算子的方法 一样，图像中每个点都用这两个核进行卷积，取最大值作为输出。p r e w i t t 算子也产生一幅边缘幅度图像。k i r s e h 边沿算予1 9 1 ，也可以通过卷积核组 成k i r s e h 边缘算子，图像中的每个点都用掩模进行卷积，所有8 个方向中 的最大值作为边缘幅度图像的输出构成了对边缘方向的编码。 二、图像识别技术发展动态 图像识别是指依据输入的空域二维图像信息，根据图像识别模型，进 行相关的图像运算，分析并提取图像的识别特征，然后按图像特征对图像 进行分类识别运算，判断分割处理的是否为要跟踪的目标。目标的识别主 要包括：图像特征的描述和图像特征的识别运算。 图像的特征描述就是建立图像特征向量的过程。建立图像特征向量的 方法最常用的方法就是：建立目标特征参数。常用的目标参数有f 8 l ： 1 、 几何参数，如目标周长、面积、占空比、长宽比等； 2 、 统计参数，目标图像的各阶统计矩。 图像特征向量建立好以后，通过定的匹配运算来实现目标的识别。 常见的匹配运算有：匹配运算有【s j ：相关、m a d 、m a e 、m s e 等。 与该课题相关的设备驱动程序的发展也经历了几个发展阶段，现在也 简单讨论一下驱动程序的发展动态。 v x d 3 程序是w i n d o w s9 x 特有的，v x d 的出现是由d o s 引起的。它 在w i n d o w sn t 下不能运行在w i n d o w3 x 的时代，w i n d o w s3 x 必须同 时运行普通的w i n d o w s 程序和d o s 程序，否则，它就会失去市场。于是就 出现了v x d 程序。 w d m 4 】( w i n 3 2d r i v e r m o d e l ) ，郎w i n 3 2 驱动程序模型。是m i c r o s o f t 力推的全新驱动程序模式，旨在通过提供一种灵活的方式来简化驱动程序 的开发，在实现对新硬件支持的基础上减少并降低所必须开发的驱动程序 的数量和复杂性。除了通用的平台服务和扩展外，w d m 还实现了一个模 块化的、分层次类型的微型驱动程序结构。类型驱动程序实现了支持通用 总线、协议或设备类所需的功能性接口w d m 支持u s b 、i e e e1 3 9 4 、 苎= 兰! ! 一 a c p i 等全新的硬件标准 w i n d o w s n t 下的驱动程序”1 1 2 1 是在w i n d o w s n t 的操作系统上的设备 驱动程序，它不支持即插即用功能。w i n d o w s n t 采用了更加灵活的方法， 允许在应用程序和硬件之间存在几个驱动程序层次。 1 2 研究结果与论文安排 一、研究结果 根据实际的情况，我们设计了符合要求的系统总体方案。根据实际的 硬件结构。分析了c 6 0 0 0 卡与h o s tp c 的通信方式。在信息交互的情况下， 采用了p c i9 0 5 4 t a r g e t 方式的单周期读写；在图像数据传送的时候为了满 足每秒5 0 帧图像的实时传送和处理的要求，采用了p c i9 0 5 4 的 s c a t t e r g a t h e rd m a 方式的数据传输。在整个系统的信息交互中，我采用 了一次握手协议，也就是请求一一应答协议。根据具体的通信和信息交互 要求，研究了数据通信的实现方案，设计和实现了p c i9 0 5 4 的设备驱动程 序，完成了通信和信息交互的任务。同时，参加了整机系统的联调，编写 了相应的测试软件来配合硬件系统和软件系统的测试，取得了系统联调的 第一阶段成果。 二、论文章节安捧 第一章：引言，主要介绍课题的研究任务、研究结果和国内外技术发 展动态。 第二章：c 6 0 0 0 p c 红外视频系统方案设计，介绍了系统的方案设计， 介绍了系统的功能、系统的软硬件平台和系统的工作原理和流程。 第三章：c 6 0 0 0 卡与h o s tp c 的数据通信与信息交互设计，讨论c 6 0 0 0 卡与h o s tp c 通信与信息交互这个模块的设计以及采用的数据通信和信息 交互机制 第四章：适于系统的p c i9 0 5 4 驱动程序的设计，详细讨论p c i9 0 5 4 驱动程序的设计在驱动程序的设计中。主要讨论的驱动程序的基本模块， 这些基本模块是实现系统任务的驱动程序的核心部分。 第五章：基于p c i 9 0 5 4 d r i v e r 的系统通信实现，这一章就是描述基于 p c i9 0 5 4 驱动程序的系统的通信的实现 电子科技大学硕士论文 第六章：c 6 0 0 0 - - p c 系统的模块调试和联调。介绍了c 6 0 0 0 - - p c 系统 的硬件调试、软件调试、软硬件联调三个部分。 第二章c 6 0 0 0 p c 红外视频系统方案设计 视频图像观测与目标识别跟踪系统有很重要的实用价值，在军用和民 用方面都取得了广泛的应用。根据课题实际的需要，我们提出了符合课题 要求的视频观测与目标识别跟踪系统的方案。这一章就系统方案设计进行 介绍，同时介绍了系统的功能、系统的软硬件平台和系统的工作原理和流 程。 2 1c 6 0 0 0 p c 红外视频系统的功能 前面的总体介绍中，从总体上介绍了系统的任务，在这里可以进一步 表述为下面几种任务： 1 红外视频场景观测 2 红外视频场景中目标图像识别与跟踪的观测。 3 红外视频场景中目标图像特性数据保存。 4 红外视频场景中目标特性o n o f f l i n e 分析。 5 c 6 0 0 0 p c 红外视频系统与其他相关系统数据和信息交互。 根据总体的任务要求，我们设计的c 6 0 0 0 p c 系统要具备一定的功能， 只有具备了这些功能才能够实现系统的任务。系统要有下面几个功能： 1 系统提供上层应用程序( 主控者) 和c 6 0 0 0 卡的数据通信和信息 交互接口以便由主控者来选择是观溯场景还是识别跟踪目标图 像，同时还簧能够选择模拟通道和数字通道 2 系统具备圈像实时( 5 0 帧，秒) 地在计算机中显示的功能。 3 系统能够把目标图像特性数据送到计算机中保存。 4 系统能够对目标图像进行识别和跟踪( 5 0 帧秒) 。 5 系统在处理目标图像时还要满足精度要求：模拟视频数字化精度要 为8 b i t ，数字视频通道的像素精度为1 4 b i t 。 综上所述，我们所要设计的系统要有一定的自适应性，能够适应场景 的变化和目标图像的变化，例如：图像灰度值的变化，图像大小的变化和 场景背景的变化等。 7 2 2c 6 0 0 0 - - p c 系统总体方案 视频观测与目标识别跟踪系统是运行在计算机平台上的，整个系统的 运行都需要计算机的支持。因此，我们的系统设计成为基于p c i 总线的高 速视频处理卡，我们称为c 6 0 0 0 - - p c 卡。蕊个系统由硬件系统和软件系统 相互配合工作才能正常工作。 2 2 1 系统总体框架设计 根据系统的任务和功能要求，我们把c 6 0 0 0 - - p c 卡分为下面四个部 分： 一、视频信号的数字成像都分它包括视频信号的采集、预处理、 把输入的视频信号转换成系统能够进行图像处理的数字图像 数据，并且按照一定的组织形式放在确定的存储区域。 二、数字图像处理部分。这一部分是通过d s p 来实现目标的识别 与跟踪算法 三、系统逻辑控制部分。 四、c 6 0 0 0 - - p c 卡与计算机的通信部分。这是通过p l x 公司的 9 0 5 4 芯片来实现c 6 0 0 0 - - p c 卡与计算机的数据通信，包括 图像的显示、图像数据的存储、控制命令的实现。 根据图像识别跟踪处理算法的复杂度和处理时问的要求，我们选择了 t i 公司的t m s c 6 0 0 0 系列中c 6 2 0 2 来实现图像识别跟踪算法，x i n l i n x 公 司的f p g a 来实现系统总体的逻辑控制，p l x 公司的p c i9 0 5 4 实现c 6 0 0 0 - p c 卡和h o s t p c 的数据通信和信息交互我们提出了目标识别与跟踪系 统的硬件结构如图2 1 所示。图中的虚线部分是我所要重点讨论的部分。 3 第二章c 6 0 0 0 - p c 红外税顿系统方案设计 圈2 - 1 目标识别与最踩系统的硬件结构 下面，就介绍一下四个主要的硬件模块的设计： 一、视频信号的数字成像模块 该模块主要功能是把摄像机的视频输入信号转化为系统能够处理的数 字图像数据。我们可以把这个模块分为：处理板前端视频接口部分、输入 缓冲f i f o 、数字图像存储嚣( s r a m ) 三部分。 1 、处理板前墙视频接口部分 前面提到过，系统要求视频处理卡对模拟和数字这两种视频信号都能 够进行处理因此，为了给数字图像处理模块( d s p ) 提供必要的视频数据和 视频同步数据，必须对从相机来的视频数据进行预处理。由于视频信号有 模拟和数字之分，因此，可以把视频接1 3 部分分为视频和数字两个方面。 模拟视频接口要完成对模拟视频信号的数字化。它的输入是模拟视频信号， 输出是数字视频信号和视频同步信号数字化精度为8 b i t 。基于以上的要 求，我们选用的视频转换芯片是：s a m s u n g 公司的k s 0 1 2 7 ，它能把模 拟视频信号转化为数字视频信号。同时输出视频同步信号，如：行场同步、 9 皇三型垫查兰璧圭丝兰 奇偶场同步信号。红外摄像机提供的数字视频信号是按r s 4 2 2 数据传输协 议进行数据传输的。根据r s 4 2 2 协议标准，数据是用平衡发送、差分接收 方式进行数据传输。我们选用的是t i 公司的a m 2 6 l s 3 2 a 差分接收器，它 具有4 路差分接收通路。 2 、输入缓冲f i f o 为了使高速器件和低速器件之间的速度匹配，在高速器件和低速器件 之间需要设置一个缓冲区，这就是f i f o 。视频数据速率大约为4 m s ，而 图像处理卡的总线频率高达5 0 m s ，二者差异较大，所以我们采用了一级 输入缓冲f i f o 。我们选用了c y p r e s s 公司生产的容量大、速度快的 c y 7 c 4 2 7 5 。它的容量为3 2 k * 1 8 ，最大存取速度可达到1 5 n s 。选取大容量 芯片，是为了减少在数据传送时总线申请的次数，从而提高了系统的处理 效率。 3 、数字图像存储器s r a m 视频观测和目标识别跟踪系统要处理的图像每帧有7 6 8 k 字，在实际 的图像识别跟踪处理过程中要至少一帧图像，而我们选用的d s p 器件内部 的存储空间不能满足这个要求，所以我们选用了g s i 公司的两片g s 7 4 1 1 6 来辅助存储图像数据。其容量为：2 5 6 k * 1 6 ，存取速度为：1 2 n s 。 二、数字图像处理模块 基于前面的系统处理的要求和p c 仿真的程序大小，决定d s p 采用t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 2 0 2 芯片。其片内存储量( m e m o r y ) 为：d a t a m e m o r y ：1 2 8 k 字节：p r o g r a mm e m o r y ：1 2 8 k 字节：c a c h em e m o r y ：1 2 8 k 字节。 t m s 3 2 0 c 6 2 0 2 芯片在工作主颏为2 0 0 m h z 时，其处理速度可达到 1 6 0 0 m i p s ，片内具有可并行操作的八个功能单元，采用v l i w 结构。这样， 在处理速度和片内的程序存储区上都能满足系统的要求。 三、可编程控制器 这个系统是由前端视频信号的数字成像模块、数字图像处理模块、视 频处理卡与计算机的通信模块三大部分组成的，因此三部分的有机配合工 作是整个系统工作的慕本点，这就需要一个逻辑控制来实现。我们采用了 大容量的f p g a 一一x i l i n x 公司的x c v s o e 来实现这个逻辑控制。通过这 片大容量的f p g a 实现对所有器件的逻辑控制，并设置系统相应的很多状 态控制位。 o 苎三兰曼丝鉴垒竺堡塑墨竺查塞丝笪 四、c 6 0 0 0 - - p c 卡与计算机的通信( p c i 接口电路部分) 本系统与p c 机接1 3 采用的是p c i 接口，p c i 接口芯片采用了p l x 公 司的p c i9 0 5 4 芯片。它是p c i 总线专用接口芯片，具有数据传送快、数据 传送简单的优点。在3 3 m h z 的p c i 总线工作频率下，它的最大数据吞吐 能力为1 3 2 m b s 。 我们选用的d s pc 6 2 0 2 它在外部有两套数据、地址总线，其中它的 e m i f 接口连接了s r a m ，它的扩展总线和p c i9 0 5 4 相连。最后p c i 9 0 5 4 的数据、地址总线和计算机的数据、地址总线相连。这样就实现了c 6 0 0 0 卡和h o s tp c 的电路链接。这一部分的设计除了总线仲裁控制之外，还有 复杂的数据传输以及信息的交互控制。 2 2 2 系统的硬件和软件平台 在前面介绍系统的总体框架的同时，实际上也就把系统的硬件平台做 了介绍。整个系统运行的硬件平台就是前面提到的c 6 0 0 0 卡，它就包含了 前面提到的四个模块，硬件系统要在各部分模块的正常工作和相互配合工 作的前提下才能给软件提供良好的平台。 系统的软件平台是在系统的硬件平台的基础上工作的，软件平台的正 常工作必须有硬件平台的支持。系统的软件平台是由d s p 的识别跟踪算 法、h o s tp c 的主控程序、f p g a 的逻辑控制软件以及界于软件平台和硬件 平台之间的p c i9 0 5 4 的驱动程序构成的。 硬件平台和软件平台是交叉的，相辅相成的。这两个平台的配合是系 统运转的必要条件。 2 3c 6 0 0 0 p c 系统的工作原理和流程 前面介绍了系统的整体方寨设计以及系统的硬件和软件平台，在这一 节中，主要介绍系统的工作原理和流程总体上来说整个系统是在f p g a 的逻辑控制和h o s tp c 的主控下来工作的。如图2 2 所示。在f p g a 的控 制下，前端的数字成像模块把红外摄像枫的数据装配后存入s r a m 中，然 后d s p 读取图像数据来进行处理，再把结果存放回s r a m 中指定的空间。 p c i9 0 5 4 通过d s p 来读取图像并送毪h o l tp c 显示。h o t tp c 逶过p c i9 0 5 4 皇三登垫查堂堡主丝塞一 发送控制命令。 圈2 - 2 系统的工作原理和流程示意图 现在，详细讨论系统的工作原理和工作流程。 ( 1 ) 前端数字成像模块能够进行模拟到数字的转换、图像数据的装 配，然后把图像数据存放在处理板上的s r a m 中。具体的f p g a 的控制如 图2 3 所示。 图2 3f p g a 的控制 在系统开始工作的时候，d s p 把命令寄存器中的s t a r t 标志位写为 “1 l ”后，f p g a 启动f i f o 工作，数据开始写入f i f o 然后，f p g a 把 f i f o 中的数据组装成3 2 位的放入s r a m 中，因为系统中使用的f i f o 是 1 6 位的，但数据总线是3 2 位，并且s r a m 是按3 2 位来组织的，所以就 要求f p g a 将从f i f o 读入的1 6 位数据装配成3 2 位后再写入s r a m 中。 这就完成了处理卡的前端部分的工作。 ( 2 ) 图像数据的处理和c 6 0 0 0 卡和h o s tp c 的通信。在完成了前端的处 理后，从红外摄像机进来的图像数据就存放在s r a m 中了，这个时候，d s p 就可以从s r a m 中读取图像数据进行处理d s p 在处理的时候，要接受 1 2 苎三! 垡翌竺! 曼坚丛墨篓墨竺查墨堡盐一 h o s tp c 的控制。h o s tp c 通过p c i9 0 5 4 发送控制命令来控制是图像观测 还是进行目标图像识别跟踪系统的工作流程是：d s p 从s r a m 中读取图 象数据进行处理，然后把图像数据存放s r a m 中；p c i9 0 5 4 通过d s p 的 扩展总线把s r a m 中的图像数据送往计算机实时地显示，传送的图象数据 包括：场景的观测图像，图像目标识别跟踪处理结果显示，图像目标特性 参数的传送；h o s tp c 和处理卡进行信息交互。这一部分的处理流程如图 2 4 所示 图2 - 4h o s tp c 和处理卡的通信和信息交互 从系统的总体方案和工作原理及流程的描述中，我们可以看到h o s tp c 和c 6 0 0 0 卡的数据通信和信息交互是整个系统中至关重要的一部分。没有 这一部分，h o s tp c 就不能和c 6 0 0 0 卡进行信息的交互，不能实现对c 6 0 0 0 卡工作的控制；同时图像目标的处理结果也就不能在计算机中实时的显示， 不能直观的看到处理结果；h o s tp c 得不到图像目标的特性参数，不能对 目标进行o n o f f l i n e 分析。整个系统功能的实现依赖于p c i9 0 5 4 的正常工 作，在后面的章节中，我将讨论怎么操作p c i9 0 5 4 的来实现这部分的功能。 第三章c 6 0 0 0 卡与h o s t p c 的数据通信与信息交互设计 前面一章已经介绍了整个系统的方案设计，在前面的介绍中，我们已 经提到了c 6 0 0 0 卡与h o s tp c 的数据通信与信息交互这个模块，它是整个 系统的有机组成部分。在这一章中，重点讨论c 6 0 0 0 卡与h o s t p c 通信与 信息交互这个模块的设计以及采用的数据通信和信息交互机制。这个模块 涉及到了d s p 、p c i9 0 5 4 、h o s tp c 、f p g a 以及s r a m 等器件的连接以及 操作方式。 3 1c 6 0 0 0 卡与h o s tp c 数据通信与信息交互任务与模块划分 根据系统的总体任务和功能，c 6 0 0 0 卡与h o s tp c 数据通信与信息交 互部分所要完成的任务： 1 场景观测。场景观测就是通过h o s t p c 实时( 5 0 帧秒) 地观测场 景图像观测场景的数据通路为：p c i9 0 5 4 是h o s tp c 和d s p 之 间的桥梁，p c i9 0 5 4 通过d s p 的扩展总线来读取s r a m 中的图像， 然后把图像数据送往h o s tp c 显示。 2 目标图像识别跟踪处理结果显示这个任务就是通过h o s tp c 实时 地观测目标图像识别跟踪处理结果，在这个模式中，d s p 不仅仅 把图像数据进行装配，而是还要对图像目标实时地识别跟踪。p c i 9 0 5 4 要傲的工作和工作流程与场景观测时是一样的。 3 图像目标及特性参数送往h o s tp c ，已各h o s tp c 进行o “o f f l i n e 分析。f c i9 0 5 4 还是通过d s p 的扩展总线来读取d s p 处理完后存 放在s r a m 中的图像目标及特性参数然后把它送往h o s tp c 中保 存，这一部分不需要在h o s tp c 中显示，h o s tp c 对它进行o n o f f l i n e 分析。 4 给h o s tp c 和c 6 0 0 0 卡进行信息交互提供通道。在这里，h o s tp c 能够把控制命令送到c 6 0 0 0 卡来选择c 6 0 0 0 卡的工作模式，c 6 0 0 0 卡也能够在完成相应的操作后通知h o s tp c 。 这一部分的功能框图如图3 1 所示。 1 4 苎兰兰! 塑竺皇坚竺! 曼塑茎塑望堕兰堕墨奎要塞生一 虚线表示好i 中c l9 0 如i t 接 a s r a i 涮e 读取圈像数据 好像h o s t 嗵接和 d s p 之间进行信息交互 图3 - 1c 6 0 0 0 卡与h o s tp c 通信与信息交互功能框图 基于上面的任务和这一部分要完成的功能，我们把c 6 0 0 0 卡与h o s t p c 的数据通信和信息交互分为d s p 与s r a m 的连接和d s p 与p c i9 0 5 4 和 h o s tp c 的连接这两个模块。d s p 与s r a m 的连接模块主要讨论d s p 与 s r a m 的连接，也就是讨论d s p 的e m i f 接口。d s p 与p c i9 0 5 4 和h o s t p c 的连接模块介绍d s p 与p c i9 0 5 4 及h o s tp c 这三者的连接，描述d s p 的 扩展总线和p c i9 0 5 4 的连接以及p c i9 0 5 4 和h o s tp c 的连接。在这两个 模块正确的电路链接的基础上，c 6 0 0 0 卡与h o s tp c 的数据通信和信息交 互才能实现。 3 2 数据通信与信息交互系统 在这一节中，主要介绍d s p 、p c i9 0 5 4 、s r a m 和h o s tp c 之间的电 路链接，在介绍电路链接之前，先介绍了d s p 的e m i f 接口特性和扩展总 线( e x t e n s i o nb u s ) 的特点，最后根据实际情况选出了d s p 和p c i9 0 5 4 的工作方式 3 2 1d s p 与s r a m 的连接 对图像进行识别跟踪算法实现的芯片我们选择t l 公司的t m s c 6 2 0 2 。 c 6 0 0 0 系列的d s p 的片内存储器分为程序区间和数据区间两个部分，各自 单独管理c 6 0 0 0 系统通过片外存储纂接日( e m i f ) 也可以使用片外存储 皇至型茎查兰塑主堡奎一 器。c 6 2 0 2 有2 5 6 k 字节的片内程序存储区，其中1 2 8 k 字节可以作为程序 存储区或直接映射式程序缓存区c a c h e ，另外还有第二块1 2 8 k 字节只作为 程序存储区，这两块程序存储区可以独立存取。c 6 2 0 2 片内数据r a m 有 1 2 8 k 字节的容量。 尽管c 6 2 0 2 有2 5 6 k 字节的片内程序存储区和1 2 8 k 字节的片内数据 存储区，但是为了给用户提供更大的程序，数据空间，c 6 0 0 0 系列d s p 提 供了外存储器接口( e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e ，e m i f ) 来连接外部的存储 器。d s p 内部各个模块与片外的存储器打交道时，都必须经过e m i f 的控 制。在片内存储区不能够满足设计需求的时候，可以通过在e m i f 接口上 外挂一片或多片存储器件来实现程序或数据的存储。e m i f 接口实现了与 多种存储器件无缝连接。c 6 2 0 2 的e m i f 接口结构如图3 2 所示。 通过e m i f 接口d s p 可以访问的存储器类型有： 同步突发静态r a m ( s b s r a m ) 同步动态r a m ( s d r a m ) 异步器件，如：s r a m 、f i f 0 、r o m 、f l a s h 等 艇 o 蕊暮 r 肼 溉 霹焉静蕊 h o l d 币蕊 图3 - 2c 6 2 0 2 的e m i f 结构模块图 e m i f 中存在一组存储器映射寄存器，通过设置这些寄存器来完成对 e m i f 的控制。e m i f 的存储空间是按4 个c e ( c e 0 c e 3 ) 空间来进行管 理的。每个c e 可以外挂片或多片存储器件，可以按8 位、1 6 位或3 2 位来组织存储器。 c 6 0 0 0 - - p c 系统的图像识别跟踪算法要求硬件系统为其提供至少4 帧 数字图像的存储空问。数字髑像的每个象素按1 6 b i t 存储，每帧图像大小 1 6 苎三童! 苎! 竺皇塑监箜鍪塑墨焦兰焦垦奎至堡盐 为3 2 0 * 2 4 0 = 7 6 8 k 象素，所以每帧图像需要约1 6 0 k 字节的存储空间存 储4 帧图像，需要6 4 0 k 字节的存储空间同时，p c 机上显示的图像要按 3 2 b i t 来组织，按照r g b 的格式存储，r 、g 、b 三个分量分别占8 b i t ，剩 余的高8 b i t 可以填任意数据。所以p c 机上显示的图像每一帧需要3 2 0 k 字节。这两部分加在一起就需要9 6 0 k 字节的存储空间。基于这样的要求， 我们的c 6 0 0 0 卡需要用到d s p 外部的存储空间，因此就需要通过e m i f 来 连接外部的存储器。 在c 6 0 0 0 卡上，我们选用了两片g s i 公司的2 5 6 k * 1 6 b i ts r a m ( 型号 为g s 7 4 1 1 6 ) ，这两片s r a m 并联，得到了1 m 字节的图像存储区。访问 它一次的时间最快只需1 2 n s ，d s p 和f i f o 都是以5 0 m h z 的频率对s r a m 进行读或者写操作，d s p 和f i f o 对s r a m 的读写周期为2 0 n s 。所以，我 们用5 0 m h z 的频率来读写s r a m 对于g s 7 4 1 1 6 来说还有一定的富余。 c 6 0 0 0 的e m i f 第一次对一些存储器提供了无缝接口，因此我们选用 的s r a m 可以实现与d s p 的无缝连接，这给我们的开发提供了很大的方 便，所以使e m i f 接口与g s 7 4 1 1 6 进行连接也变得比较容易了。图3 - 3 是 c 6 2 0 2 的e m i f 接口与g s 7 4 1 1 6 的连线图。 图3 - 3d s p 的e m i f 接口与s r a m 的连接闰 通过设置e m i f 的控制寄存器可以改变e m i f 接口的特性。例如通过 改变c e 空间控制寄存器( e m i f 接口的每个c e 空间都相应个c e 空间 控制寄存器) 的值来控期e m i f 接口的读写访问速度。其读取速度可以通 皇王翌垫查兰堡主丝苎 过调整s e t u p 、s t r o b e 、h o l d 这三个参数来改变。e m i f 接1 3 的访问速度是 有一定限制的，s e t u p 、s t r o b e 、h o l d 这三个参数都有一个最小值，这就对 应了e m i f 接口的最大访闯速度。在后面我们传输图像的时候就要把访问 e m i f 接口的速度调整到最快。 1 、s e t u p l ( 如果把c e 空间控制寄存器中的s e t u p 选项值设定为0 ，这相 当于下面时序图中的s e t u p 值为1 ) 2 、s t r o b e 兰_ l ( 问上，0 当作l 处理) 3 、h o l d _ 0 3 2 2d s p 、p c i9 0 5 4 与h o s tp c 的连接 3 2 2 1d s p 扩展总线介绍 c 6 0 0 0 系列中目前只有c 6 2 0 2 和c 6 2 0 3 具有扩展总线，它是在最初 c 6 2 0 1 c 6 7 0 1 主机口( h p i ) 的基础上发展起来的。扩展总线是一个3 2 b i t 位宽的总线，支持与异步外设、异步同步f i f o 、p c i 桥以及外部主控处 理器等的接口。扩展总线从结构上可以分成两部分：i o 口接口和主机接 口。如图3 - 4 所示。 e x b * 图3 - 4 扩展总线信号分类 3 2 2 2d s p 扩展总线的主机口工作方式 扩展总线在主机口工作状态下可以与外部处理器、p c i 桥芯片或者其 他外围设备接口同步主机口模式可以非常方便地实现与p c i 桥以及许多 通用处理器的接口；异步主机口模式可以实现与一般异步设备的接口。在 苎三兰! 翌! 塑兰堕苎堕箜苎墨兰堡兰堡璺奎皇堡生一 同步主机模式下，d s p 可以作为主控机或者从属机；在异步主机模式下， d s p 只能作为从属机。扩展总线的主机接口如图3 - 5 所示。 图3 - 5 扩展总线的主机接口 由于在c 6 0 0 0 卡和h o s tp c 之间我们采用了p l x 公司的p c i9 0 5 4 这 种p c i 总线芯片所以，我们在设计的时候使d s p 的扩展总线工作在同步 主机口模式下。在这一模式下，主机口的数据与地址信号复用。同步主机 口可以非常方便的与其他一些通用处理器接口，尤其是工作在作为从属处 理器时。c 6 2 0 2 的扩展总线还具有进行突发传输的能力。在同步主机口模 式下，c 6 2 0 2 还有两种工作方式，c 6 2 0 2 作为扩展总线的主控机和c 6 2 0 2 作为扩展总线的从属机。下面分别介绍。 ( 1 ) c 6 2 0 2 作为扩展总线的主控机 c 6 2 0 2 作为主控机时，可以对总线上的外设进行突发读写。在d s p s 控制扩展总线的情况下，数据流与d m a 传输类似。但是，扩展总线真正 她控制数据传输。 ( 2 ) c 6 2 0 2 作为扩展总线的从属机 在这种情况下，外部的主机利用x c n t l 信号选择对扩展总线有关寄 存器的存取，包括x b d 和x b i s a 寄存器外部主机要完成一次传输必须 分两个步骤，首先设置x b i s a 寄存器，然后从，向x b i s a 中地址指向的位 置传输数据。 鱼三翌垫查竺璺主堕壅 3 2 2 3p c