（通信与信息系统专业论文）纸病检测系统的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 造纸行业中的纸病检测过程目前大多仍然是通过人工检测的方式来完成的， 为了实现该环节的自动化，必须实现对纸张图像的采集。图像处理的特点是处理 的数据量大，处理非常耗时耗系统资源，为了实现数字图像的实时采集和处理， 本文研究了t m s 3 2 0 d m 6 4 2 系统的实现方法，以及c a m e r al i n k 接口相机的工作 模式和特点，并利用m i i l i d r i v e r 驱动v i d e op o r t 实现图像采集，通过硬件实现了 各功能模块，解决了视频图像的采集以及其处理的速度问题。 本文首先对纸病检测系统进行了简单的介绍，给出了系统的总体框架，从数 据传输带宽和运算处理能力两个方面对系统的整体性能进行了简单的估计。 随后，论文对检测系统的硬件平台的设计进行了详细的研究，并介绍了 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 和c a m e r al i n k 接口相机的性能特点。给出了t m s 3 2 0 d m 6 4 2 最 小系统的设计方案，根据纸病检测系统的需要，分别介绍了电源模块、电源监控 模块、时钟模块、以太网模块、存储器模块、u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u s t r a n s c e i v e r ) 模块、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 ) 模块和c a m e r al i n k 相机接口的设计思路和具体原理图。 接着，论文对基于r f 5 ( r e f e r e n c ef r a m e w o r k5 ) 框架的软件系统的设计进 行了研究，介绍了c c s 2 ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o2 1 平台下的d s p b i o s 应用程序 开发流程。详述了系统的框架结构和系统模块组成，简要介绍了各个模块的功能 并详细说明了视频采集模块的开发流程。 最后，论文介绍了系统固化的方法，并对整个系统进行了调试和测试，验证 了测试结果，对系统性能的改善进行了分析。 关键词：纸病检测；图像处理t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，c a m e r al i n k ，r f 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s 仃a c t n o w a d a y s ，i nt h ep a p e r - m a k i n gi n d u s t r y , p a p e rd e f e c t sa rem a i n l yd e t e c t e dt h r o u g ha r t i f i c i a l m e a n s t oo b t a i nt h ea u t o m a t i cc o n t r o lo ft h ed e t e c t i o np r o c e s s ，a c q u i s i t i o no f p a p e ri m a g ei s a l w a y sr e q u i r e d i m a g ep r o c e s sf e a t u r e sr e s o u r c e - a n dt i m e c o n s u m i n gd a t ap r o c e s s i n g t o i m p l e m e n tt h er e a l t i m ec a p t u r ea n dp r o c e s s i n go fd i g i t a li m a g e ，t h et m s 3 2 0 d m 6 4 2s y s t e m a n dc a m e r al i n kl i n e - s c a nd i g i t a lc a m e r aa r eu s e dh e r e ，a l o n gw i t ht h em i n i d r i v e rl i b r a r y f i r s t l y , t h ep a p e rd e f e c td e t e c t i o ns y s t e mi si n t r o d u c e di nt h et h e s i sb r i e f l y , i n c l u d i n gt h e o v e r a l l s y s t e ms t r u c t u r ea n dt h ep e r f o r m a n c ee s t i m a t i o nb a s e do nt h ed a t a t r a n s m i s s i o n b a n d w i d t ha n dc o m p u t a t i o nc a p a b i l i t y s e c o n d l y , t h eh a r d w a r ep l a t f o r md e s i g no ft h ed e t e c t i o ns y s t e mi se l a b o r a t e d ，i n v o l v i n gt h e p r o p e r t i e so ft m s 3 2 0 d m 6 4 2a n dc a m e r al i n ki n t e r f a c e t h ed e s i g ns k i l l sa n ds c h e m a t i c d i a g r a m s o ft m s 3 2 0 d m 6 4 2s y s t e ma r ep r e s e n t e d h e r e ，i n v o l v i n gm o d u l e s s u c ha s p o w e r - s u p p l y , p o w e r - s u p e r v i s i n g ，c l o c kc i r c u i le t h e m e tt r a n s m i s s i o n ，m e m o r y , u n i v e r s a l a s y n c h r o n o u st r a n s c e i v e r ( u a r t ) ，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 ( c p l d ) a n d c a m e r al i n k v i d e op o r ti n t e r f a c e t h i r d l y , b a s e do nr e f e r e n c ef r a m e w o r k5 ( r f 5 ) p r o v i d e db yt e x a si n s t r u m e n t si n c ，t h e d s p b i o sa p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n to nc o d ec o m p o s e rs t u d i o2 ( c c s 2 ) i si n t r o d u c e di nt h e t h e s i s t h ei n f r a s t r u c t u r ea n db l o c kc o m p o s i t i o no ft h es y s t e mi sd e s c r i b e di nd e t a i l ，w i t hf o c u s o nt h ed e v e l o p m e n to ft h ev i d e oc a p t u r eb l o c k f i n a l l y , t h ed e b u g gp r o c e s sa n dt e s t i n gr e s u l t sa r ep r o v i d e di nt h et h e s i s ，i n c l u d i n gt h e v a l i d a t i o no f t h et e s t i n gr e s u l ta sw e i la st h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ta n a l y s i s k e yw o r d s ：p a p e rd e f e c td e t e c t i o n ；i m a g ep r o c e s s ；t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，c a m e r al i n k ， r f 5 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密屯雁用本授权书。 ( 请在以上方框内打t ，) 学位论文作者签名：了勺场 日期珂矿7 川少 指导老师签名：椰韵 日期：。) 7 啦2 一 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 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研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 为造纸工业的纸病检测提供了一套可靠的解决方案。 2 实现了t m s 3 2 0 d m 6 4 2 与c a m e r al i n k 相机之间的接口。 3 开发了基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的多媒体网络处理系统。 4 实现了c a m e r al 址接口数字相机的图像采集。 t 伤 o 。二1 。斗j | 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第一章绪论 本章介绍了课题的研究背景及意义，并对国内外发展现状进行了研究，概括 了d s p 系统的优点，阐述了本文课题的研究目的及主要内容，并对论文的组织结 构进行了阐述。 1 1 课题研究的目的和意义 纸病检测就是需要检测出纸张生产过程中，各个阶段工艺导致的纸张的不规 则性，常见的纸病类型有：直径0 5 m m 以下的孔洞、脏污点、水滴油滴印记、 条纹、破损、边缘裂缝、漏涂、皱折、刮痕、暗斑、亮斑、边缘破损、黑点、尘 埃等。 目前国内造纸工业上还没有多少合适的检测系统，仅有国外少数几家公司有 做这方面的设备，大多数都是通过人工的方式来实现。以人工的手段将有纸病的 位置做一定的标记，然后再做专门的处理，以这种人工检测的方法，效率较低， 成本较高，与当今工业生产过程的逐步自动化相比较，存在一定的缺点。从工业 生产中需要提高生产效率的角度来考虑，迫切需要将图像采集系统应用到造纸业 的纸病检测中去，然后通过图像识别技术来识别出纸张中的纸病，并对其定位和 记录。 图像识别技术的涵义很广，主要指通过计算机或微处理器，采用数学技术方 法，对一个系统前端获取的图像按特定目的进行相应的处理。图像识别包括诸如 条码识别、生物特征识别( 人脸识别、指纹识别等) 技术、智能交通中的动态对 象识别、手写识别等。可以说，图像识别技术就是人类视觉认知的延伸。随着计 算机技术及人工智能技术的发展，图像识别技术越来越成为人工智能的基础技 术。它设计的技术领域也越来越广泛，应用越来越深入。其基本分析方法也随着 数学工具的不断进步而不断发展【1 4 】。 随着各种识别算法的不断完善，对实际的图像处理系统的开发研制也成为一 种迫切的要求。而上述的视频图像识别技术都是以数字信息处理理论为基础，以 数字视频的获取为前提，以计算机技术和微处理器技术为实现手段。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 本设计正是基于对视频图像进行采集和识别的目的而提出的一种图像采集和 处理系统。 d s p ( d i g t i a ls i n g n a lp r o c e s s o r ) 是一种特殊的微处理器，是高性能处理系统 的核心。它实时运行的速度远远超过通用微处理器。其特殊的内部结构，强大的 信息处理能力是其重要的特点。它能实时地对大量数据进行分析处理。这种实时 能力使d s p 在声音处理、图像处理等领域应用的十分理想。所以在本设计中实时 控制和处理主要由d s p 来完成。 系统中的视频源来自一个c a m e r al i n k 接口的线扫描数字相机。c a m e r al i n k 是一种新型的数字差分传输技术，在相机和图像获取设备中传输的是数字差分信 号，提高了传输速率和系统的抗干扰性能。 逻辑控制部分由一片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 ) 芯片来实 现，c p l d 具有高速、搞可靠性、开发周期短的特点，并可根据具体需要进行在 线编程( i s p ) ，可多次擦写，因而具有极大的方便性【3 0 】【3 1 1 。 1 2 国内外研究现状 随着纸机车速的不断提高，纸张面临着出现更多缺陷的风险，靠人工肉眼检 测外观纸病已不现实。 最早的纸病检测系统式a b b 公司的u l m a 产品，在7 0 年代初期，它采用 光电晶体管传感器、红外线光源和附加输出报警信号及驱动颜色打标器和打印 机。该系统的主要局限在于它不能检测到纸边裂口和不能检测连续的纸病和刮 痕。从7 0 年代初到9 0 年代中期有几百套该系统安装在全球的造纸机上，其中的 大部分系统仍在使用中。 8 0 年代初期，新一代的基于c c d 技术的纸病检测系统投放市场，这种系统 采用c c d 元件作为传感器，该系统主要有2 个有点。首先，实现了高速c c d 元 件及高速计算机的结合。另外，系统更加注重对检测到的信息进行最先进的处理， 包括能获得实时纸张图样和纸病剪切的功能。 目前，国外常见的纸病检测设备有：a b b 公司的u l m a 3 d 、m e a s u r e xr o i b o x 公司的m x o p e nw i s 和o m r o n 公司的a u t os p e c ，国内最成熟的要属浙大双 元科技公司的s $ 3 0 0 0 和s y m $ 3 2 0 0 ，该系统能够在线检测纸张表面缺陷、 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 识别并显示纸张错误。系统采用了线扫描c c d 摄像机、成像及数据处理技术， 能够提供实时纸病检测、图像显示、报警、质量报告、纸病剔除和设备故障诊断 等功能。 1 _ 3 本文研究内容及章节安排 本文所属设计采用d s p 设计一个完整的纸病信息检测系统，本系统主要用在 造纸生产线中，对生产线中的纸张进行图像采集并发现其中的纸病。系统通过 v i d e op o r t 从c a m e r al 址线扫描数字相机采集图像数据并将采集的图像数据挂到 e m i f 总线上，通过e m i f 总线将数据写入至u s d r a m 中，最后将数据读出来进行纸 病鉴别，并将纸病信息通过以太网发送到p c 控制端进行记录和报警。同时用v b 编写软件界面对系统功能进行控制，通过按钮发送控制命令来操作系统的工作状 态。 论文主要的研究内容与工作具体如下： 1 实时视频图像采集的设计。 研究d s p 的v i d e op o r t 图像采集机制和特点，以及c a m e r al i n k 相机的工作方 式，并在此基础上确定 v i d e op o r t + 解码芯片”模式的视频采集方式。采用1 1 公司 的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 a 和公司的c a m e r al i n k 视频解码芯片d s 9 0 c r 2 8 8 a 对视频图 像进行实时采集。 2 系统逻辑控制程序的设计 研究t m s 3 2 0 d m 6 4 2 与外部设计之间的逻辑关系，采用a l t e r a 公司的c p l d 器 件e p m 3 1 2 8 对各个外设进行控制。用v e r i l o g 硬件描述语言编写逻辑控制模块，并 在硬件平台上进行实现。 3 系统硬件设计 研究t m s 3 2 0 d m 6 4 2 - 与p f 部器件间的连接关系，用a l t i u md e s i g n e r6 完成系统 的原理图和p c b 版图的设计，并完成调试的测试工作。 论文结构及章节内容： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 本文共分为六章 第一章为绪论，简要的介绍了图像处理和d s p 的发展历程、现状，分析了课 题的研究意义，最后阐明了本文所做的工作和内容安排。 第二章描述了系统的工作原理并对系统架构进行了设计。介绍了系统的功能 特点以及技术指标，并对系统做详细的性能估计。 第三章在介绍了t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的相关知识的基础上，详细的描述了处理系 统硬件平台的设计方法，包括芯片的电源、复位、外部存储器、以太网和异步串 口等模块的具体设计说明。详细阐述 c a m e r al i n k 相机的工作模式和结构特点， 并对t m s 3 2 0 d m 6 4 2 与c a m e r al i n k 相机的图像采集接口做了详细的说明。 第四章简要介绍了利用c c s 2 ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o2 ) 开发系统软件的流程， 并对本系统软件各功能线程以及其之间的结构关系和c p l d 模块功能设计做了详 细的说明。 第五章详细介绍了f l a s h 的烧写方法并给出了系统调试的验证结果。 第六章是对本文的一个总结，概括了论文中所做的工作以及对将来改进工作 的展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第二章系统总体概述 本课题系统主要完成从数字线扫描摄像机获取数字图像信号，采用1 1 公司高 性能的多媒体处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 2 对图像进行处理，d s p 从原始视频信号中提 取、分析和整理纸病样本和纸病信息，并将处理结果通过百兆以太网发往p c 终 端，进行处理结果记录和显示。从而实现对纸样信号的采集、提取、处理和分析 一体化。d s p 系统承担着三种任务：图像采集控制、图像分析和处理、相机控制。 2 1 系统构成 本系统的构成框图如图2 1 系统工作流程：电源上电后，d s p 通过b o o tl o a d e r 从f l a s h 中读取系统程序 到s d r a m ，在可编程时序逻辑电路的控制下，由d s p 启动相机开始采集，d s p 从v i d e op o r t 将图像数据采集到s d r a m 缓存，完成一帧图像采集后，由d s p 分 析所采集到的数据，将分析得到的纸病样本、类别、位置等错误信息通过以太网 发送到p c 终端进行记录和报警。其中f l a s h 用于存储程序和初始化数据，s d r a m 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 用于程序执行和数据的缓存。系统中还集成了串行口，方便p c 机对d s p 和相机 进行控制。 2 1 1 系统功能 1 能采集标准c a m e r al i n k 相机的数字视频信号； 2 可以独立脱机完成从视频采集、图像提取到图像分析的全部工作； 3 可以通过以太网与p c 进行数据通信； 4 可以通过串口与相机或p c 进行数据通信。 2 1 2 系统技术指标 1 具备8 0 m h z 高速视频采集能力： 2 相机扫描速率不低于10 0 0 0 线，处理数据速率不低于2 0 m b s ； 3 可以实现三阈值二值化检测，判断纸病的面积大小和灰度； 4 可以保存图片文件，缺陷类型、面积、宽度、长度、平均灰度值和坐标信息； 2 2 系统整体性能估计 整个系统能否实现，最重要的两个方面是数据传输所需带宽和运算处理能 力。 2 2 1 数据传输带宽 d s p 通过e m i f 从v i d e op o r t 读取c a m e r al i n k 相机的图像数据，我们处理 的图像大小为2 0 4 8 p i x x 5 1 2 p i x ，线扫描速率为1 0 k h z 的8 b i t 灰度图像，最小的带 宽要求2 0 m b s 。d s p 的e m i f 可以工作在1 0 0 1 3 3 m h z ，数据宽度为6 4 b i t ，所以 整个e m i f 口的带宽最低为8 0 0 m b s 。 为了保证系统正常工作，就算e m i f 降低速率，系统的e m i f 接口也完全可 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 以不丢失任何信息的从相机上读取图像数据，在图像数据传输上，e m i f 足以满 足实时性和不失真性的要求。同时，d s p 处理完成后生成的错误样本大小为 2 0 0 x 2 0 0 ，最大错误情况下的帧率为2 0 f p s ，所需带宽为4 0 0 k b s ，所以l o o m 的 以太网完全满足设计上的需求。 2 2 2 运算处理能力 整个t m s 3 2 0 d m 6 4 2 工作在6 0 0 m h z 的主频之上，由于其拥有8 个并行处理 单元，因而可以提供4 8 0 0 m i p s 的每秒峰值处理速度。一般情况下，d s p 的处理 能力是其峰值处理能力的6 0 - 7 0 ，具体取决于程序针对d s p 并行结构优化的 好坏。 另一方面，如果处理完每秒1 0 k 线的2 0 4 8 8 b i t 数据，即要求d s p 每秒处理 2 0 帧2 0 4 8 p i x x 5 1 2 p i x 的图像，就要求d s p 在大约5 0 m s 的时间内处理完一副 2 0 4 8 p i x x 5 1 2 p 议的图像，再考虑一些系统固有的延时以及处理后图像存储和传输 的时间，那么d s p 处理一副图像的时间不能超过4 0 m s 。按照t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的 处理速度，在4 0 m s 内可以处理1 9 2 m 条指令。t m s 3 2 0 d m 6 4 2 完全可以在1 9 2 m 条指令周期内处理完一幅2 0 4 8 p i x x 5 1 2 p i x 的图像数据。 2 3 本章小结 本章主要讨论系统的整体结构，概要的介绍了系统的运行流程，从数据传输 带宽和运算处理能力上分析了系统的可行性和整体性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第三章纸病检测系统硬件平台设计 对于图像技术来说，由于要处理的数据量非常大，计算复杂，计算的中间结 果精度要求高，因此需要选择适合的d s p 芯片。总的来说视频处理系统中要求高 速处理能力，高速的数据传输能力，大容量的数据存储能力和便捷的视频接口。 3 1 硬件平台总体设计 3 1 1d s p 选型及d m 6 4 2 主要特性 由于d s p 在市场上的巨大发展前景和广泛的应用需求，世界上最大的几个半 导体公司都推出了自己的d s p 产品，比如美国的t i 、l u c e n t 、a n a l o gd e v i c e 、 m o t o r o l a 等等。其中1 r i 公司和a n a l o gd e v i c e 公司在d s p 产品的市场上占有主导 地位。 美国的t i 公司占有全世界d s p 市场最大的份额，高达6 0 ，其d s p 产量最 大，品种也最多，从低端低成本低速率到高端大运算量的d s p 都有生产。其中 t m s 3 2 0 系列由定点、浮点和多处理器型信号处理器组成。目前广泛使用的有三 个系列：c 2 0 0 0 、c 5 0 0 0 和c 6 0 0 0 1 1 8 】。同一系列中的不同型号的d s p 一般都具有 相同的d s p 核，相同或兼容的汇编指令系统。他们的差别仅在于片内存储器的大 小，外设资源( 如定时器、串口和并口等等) 的多少。不同系列的d s p 汇编指令 系统不兼容，但是汇编语言的语法非常相似【2 】【3 】【5 】【6 】。 c 2 0 0 0 系列是一个控制器系统，主要应用于机电控制等领域，全部为1 6 位定 点d s p 。 c 5 0 0 0 系列是一个定点低功耗系列，特别适合于手持通信产品，如手机、p d a 、 g p s 等。目前的处理速度一般在8 0 m i p s 4 0 0 m i p s 。c 5 0 0 0 系列主要分为 t m s 3 2 0 c 5 4 x x 和t m s 3 2 0 c 5 5 x x 两个系列。其中c 5 5 x x 提供e m i f 外部存储 器扩展接口，允许用户直接使用s d r a m 、s b s 洲、s 洲和e p r o m 等各种 存储器1 1 1 。而c 5 4 x x 系列没有提供e m i f ，所以只能直接使用静态存储器s r a m 和e p r o m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 c 6 0 0 0 系列是一个3 2 位的高性能的d s p 芯片，包括定点系列和浮点系列。 其中定点系列是t m s 3 2 0 c 6 2 x x ，浮点系列是t m s 3 2 0 c 6 7 x x ，两者相互兼容。2 0 0 0 年3 月新发布的c 6 4 x x 内核，主频1 1 g h z ，处理速度接近9 0 0 0 m i p s ，总体性能 比c 6 2 x x 提高了1 0 1 5 倍【l 】。其中c 6 4 1 6 在6 0 0 m h z 主频下，只利用5 0 的运 算能力就可以同时进行单通道m p e g 4 视频编码、单通道m p e g 4 视频解码和单 通道m p e g 2 视频编码的处到1 1 】【1 3 】【2 2 1 。 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 是t i 公司基于c 6 4 x 内核开发的一款专门面向多媒体应用的 专用d s p 。 v i d e o p o r t 0 l l 1 p 田 l c a c h e ov i d e o p o r tl ， i 暑 v i d e o p o r t 2 。 l 2 厶 m c a s p lc 6 4 川x d 。s c a c h e 。 l p内核 m e m o r y 孓 1 0 1 0 0 m 2 5 6 k be t l l e r n e t 。n o l l 1 d 8 p c i h p i lc a c h e = l 2 e m i f 上 s d r a m 图3 1d m 6 4 2 内部结构示意图 本设计是基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ( 以下简称d m 6 4 2 ) 来设计的，d m 6 4 2 的计 算能力可达4 8 0 0 m i p s ，可以做实时的多路视频采集，实现复杂的音频视频压缩 算法，而且自带有m a c 层，可以很方便搭建以太网网络传输系统。 d m 6 4 2 在c 6 4 x 内核基础上增加了很多外围设备和接口，如可配置的视频端 口( v i d e op o r t ，v p o r t ) 、1 0 0 m 以太网存取控制器( e t h e m e tm e d i aa c c e s s c o n t r o l l e r , e m a c ) 和数据输入输出管理模块( m a n a g e m e n td a t ai n p u t o u t p u t ， m d i o ) 。该d s p 为5 4 8 引脚的b g a 封装，高度集成化。拥有5 0 0 m h z 、6 0 0 m h z 和7 2 0 m h z 三种可选主频。工作于6 0 0 m h z 时钟频率下时，每个指令周期可并行 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 8 条3 2 位指令，因此，可达到4 8 0 0 m i p s 的峰值计算速度【1 4 】f 1 5 】【l9 】。其内部结构如 图3 1 所示。 d m 6 4 2 采用两级缓存结构：第一级包括相互独立的l 1 p ( 16 k b l 和 l i d ( 1 6 k b ) ，只能作为高速缓存使用；第二级l 2 ( 2 5 6 k b ) 是一个统一的程序数据 空间，可整体作为s r a m 映射到存储空间，也可以整体作为第二级c a c h e ，或是 两者按比例的一种组合来使用0 1 1 2 7 1 。d m 6 4 2 具有6 4 个独立通道的e d m a ( e n h a n c e dd i r e c tm e m o r ya c c e s s 扩展直接存储器访问) 控制器，负责片内l 2 与其他外设之间的数据传输。容量较大的两级缓存和e d m a 通道是d m 6 4 2 高性 能的体现之一，若能合理使用和管理，将能大幅度提高程序的运行性能。图3 2 是 d m 6 4 2 三层次的存储器系统：l 1 ，l 2 和片外存储器s d r a m t 2 5 】 1 2 i l o 。 l 1 和l 2 组成了d m 6 4 2 的两级缓存。l 1 距离d s p 核最近，数据访问速度最 快，只能作为不能寻址的c a c h e 使用，由相互独立的l 1 p 和l 1 d 组成【1 1 。l 1 pc a c h e 大小1 6 k b ，直接映射，每行大小3 2 b y e t s ；l 1 dc a h c e 大小1 6 k b ，2 路映射，每 行大小6 4 b y t e s 2 6 】【4 1 】。 l 2 是l 1 和外部存储器的中间层，容量较大，有2 5 6 k b ，是统一的存储空间， 即可同时存储程序和数据。l 2 可作为s r a m 映射到存储空间使用，也可整体作 为第二级c a c h e ，或是作为两者按比例的一种组合混合使用。l 2 作为s r a m 使用 时，即是d m 6 4 2 的片内内存，从整个系统地址空间的起始地址0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 开始 编址。当作为c a c h e 使用时，4 路映射，每行大小1 2 8 b y t e s ，容量在3 2 k b 到2 5 6 k b 之间。 c 6 4 xd s p 剖( 3 2 k l ) k l l 2片外存储 内核 七刊陲 j ，l ( 2 5 6 k b ) 、， 器 s d r a m - - - - - - - - - - - - - - - _ - - - - - - - - - - - - - - 一 图3 - 2d m 6 4 2 三层次的存储器系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 3 1 2 系统总体结构 本系统是一个可以脱离p c 机和其他处理系统而独立工作的完整的采集和处 理一体化系统，整个系统功能由一个大小为1 6 0 m m x l 5 0 m m 的4 层p c b 板来实 现，系统主要包括d s p 芯片模块，电源、复位模块，s d r a m 、f l a s h 外部存储 模块，l x t 9 7 1 以太网模块，u a r t 异步串行模块，c a m e r al i n k 接口模块和c p l d 外部逻辑控制模块，其硬件布局结构示意图如图3 3 。 m a x 3 2 2 1r s 2 3 2j 1 n c p l ds d r a m 串行芯片9 芯插座 o 口 2 仿 真 f l a s h j 2 | 插 c a m e r al i n km d r 2 6 座d s p 芯片解码芯片组 2 6 芯插座 d s p j t a g 仿真接口 l e dl x t 9 7 1i l i - 4 5 以 j 3 及电源芯片以太网芯片太网插座 g p l o以及外围电源 拍ll j 5 l 3 2d s p 最小系统设计 3 2 1 电源及复位电路设计 电源是电子电路中的一个重要组成部分，为了使电路性能稳定，往往还需要 稳定的电源系统，随着现代电子技术的发展，一个电路系统所需要的电源品种也 越来越多，特别是大量高速的数字芯片要求工作电压变小，以便降低功耗，从早 期的5 v 逐渐降低到3 3 v 、1 8 v 、1 4 v 等等，同时芯片的功能也越来越强大又导 致芯片的功耗越来越大，加之工作电压的降低，使得芯片对电源输出的电流越来 越大。比如本处理系统的d s p ，就同时需要提供两种大电流低电压电源：3 3 v 和 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 1 4 v ，如何能够稳定可靠的提供多路大电流低电压电源，就日益成为现代电子电 路电源系统设计中一个很重要的任务。 根据不同的工作原理可将电源主要分成两类：线性稳压电源、开关稳压电源。 他们各自都有一定的特点及使用范围。线性稳压电源是因其内部调整管工作在线 性范围而得名。其特点是线性稳压电源外围元件最少、输出噪声最小、静态电流 最小，价格也便宜，但是转化率不高，发热量大。开关稳压电源主要指d c d c 变换器。由于器件中有一个工作在开关状态的晶体管，一般是m o s f e t ，故称为 开关电源。开关管工作于饱和导通和截止两种状态，所以开关管管耗小并且与输 入电压大小无关，效率较高，一般可达8 0 一- - 9 5 。d c d c 变换器i c 可以组成升 压式( v o u t 、r m ) 、降压式( v o u t 一l 彳 矿 卜r - , - - , - , - i c i o c 恒 c l o c k ( l d v s ) 奎狎 l j c o 互 o 图3 1 9c h a n n e ll i n k 传输示意图 c a m e r al i n k 标准包括初级配置、中级配置和高级配置三种配置方式【4 8 】【5 l 】。 在初级配置中，一对c h a n n e ll i n k 驱动器接收器随同四对用来控制相机的 l v d s 线缆和两对用来进行相机和图像采集卡之间串行通信的l v d s 线缆一起使 用，此时可以利用的端口为a b ，带宽为2 9 7 m b y t e s s e c 。 由于一对c h a n n e ll i n k 驱动器接收器只能进行2 8 b i t 并行视频数据传输，所 以初级配置就不能满足所有情况要求。 中级配置包括两对c h a n n e ll i n k 驱动器接收器和对应的相机控制、串行通信 l v d s 线对，中级配置最高可传输5 6 b i t s 并行视频数据，此时可以利用的端口为 八b ，c ，d ，e ，f ，带宽为5 9 5 m b y t e s s e c 。 高级配置包括三对c h a n n e ll i n k 驱动器接收器和对应的信号控制、串行通信 l v d s 线对，高级配置最高可传输8 4 b i t s 视频数据，此时可以利用的端口为 a ，b ，c ，d ，e ，f ，g h ，带宽为8 9 2 5 m b y t e s s e c 。 o：p厂1卜卜 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 相机 产2 手璺一1 采羹卡 ，h 率 k j #爿 r k 本= 陟j 一e 血 1 c 匕巨 j | 裂 + 肆 o e 本j r 一 l h 芝# i 二u i q f 一；品d ：j 巫 f j 爵器 _ r h 本 叫 冕 芎 - 器l i 釜 = - f 1 一。 f 1 瞌车 呈= l呈 兰 l = 。 1i 障 吝圻“u 口= 蕾 一 一j 率 王 耸 2 5 n s ，能保证c a p e n 至少2 个时钟 周期无效状态的要求。 帧同步处理对于r a wd a t a 方式的图像采集是一个很关键的因素。由于r a w d a t a 采集方式的数据不包含任何类似于b t 6 5 6 数据流那样的帧启停标识码 ( s a v e a vc o d e ) ，也不提供外部的水平和垂直同步信号，帧同步时无法实现 的，所以d d k 只带的m “d r i v e r 驱动程序无法完成r a wd a t a 方式的图像采集， 系统提供一种软件设置的方式来实现r a wd a t a 采集，通过设置v p o r t 的第一 场采样开始寄存器v c x s t r t l ，并增加采样垂直消隐间隔v c v b l n k p 和开始同 步使能位s s e 来间接的实现帧同步功能。修改后的视频采集结构为： t y p e d e fs t r u c t i n t c m o d e ； 采集模式选择 i n t f l d o p ； f i e l d & f r a m eo p e r m i o n b i t8 1 5 宰 i n t s c a l e ； i n d i c a t ew h e t h e rt oe n a b l e1 2s c a l i n g i n tr e s m p l ； i n d i c a t ew h e t h e rt oe n a b l ec h o r o m as u b s a m p l i n g i n t b p k l0 b i t ；10 - b i tb i t - p a c km o d e 严b i t1 6 2 3 i n th c t r s t ；h o r i z o n t a lc o u n t e rr e s e tm o d e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 3 页 i n tv c t r s t ； i n tf l d d e c t ； i n t e x t c t l ； i n t f i d l n v ； v e r t i c a lc o u n t e rr e s e tm o d e 净e n a b l ew h e t h e rt ot l s cf i di n p u to rf i e l dd e t e c t i o nl o g i cb a s e d o nt h et i m i n gr e l a t i o no fh s y n ca n dv s y n c 幸 e n a b l ee x t e r n a lt i m i n gc o n t r o l e n a b l ei n v e r s i o no ft h ed e t e c t e df i d 净m o d i f ys t r u c t u r et oa c c e p tr a wc a p t u r em o d es p e c i f i cp a r a m e t e r sf o rs s e e n a b l e d i s a b l ea n dv c v b l n k p 幸 严ra wm o d es p e c i f i cp a ra t e r s u i n t l 6s s e ；开始同步使能位 u i n t l6v c v b l n k p ；垂直消隐间隔 u i n t l6f l d x s t r t l ： f i e l d1xs t a r t u i n t l6f l d y s t r t l ：f i e l d1ys t a r t u i n t l6n d x s t r t 2 ； f i e l d2xs t a r t u i n t l6f l d y s t r t 2 ； f i e l d2ys t a r t u i n t l 6n d ) ( s t o p l ：f i e l d1xs t o p u i n t l6f l d y s t o p l ： f i e l d1ys t o p u i n t l6f l d x s t o p 2 ； f i e l d2xs t o p u i n t l6f l d y s t o p 2 ；f i e l d2ys t o p u i n tl6t h r l d ； v i d e of i f ot h r e s h o l d 严f r a m 匝b u f f e rs e 下兀n g s 宰 i n t n u m f r m b u f s ；缓存帧数 i n t a l i g n m e n t ； f r a m eb u f f e ra l i g n m e n t | i n t m e r g e f l d s ；| i n d i c a t et oi n t e r l e a v ed a t ao f t h et w of i e l d si nm e m o r yo r j u s ts t o r et h e ms e p e r a t e d 宰 i n t s e g i d ；产m e m o r ys e g m e n ti d ，u s e db ym e m _ a l l o c o t oa l l o c a t e v i d e of r a i n cb u f f e r | | 嶙e d m a p r i o r i t y | i n t e d m a p r i ； c h a n n e le d m a p r i o r i t y i n t i r q l d ； ) v p o r t c a p _ p a r a m s ；