（光学专业论文）基于dsp图像处理的炉内板带纠偏电视检测系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着现代信息技术的快速发展，图像处理方面的研究与应用，尤其是实时 图像处理引起了更广泛的关注。近年来，d s p 技术的发展不断将数字信号处理领 域的理论研究成果应用到实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展， 对图像处理等领域的技术发展也起到了十分重要的作用。基于d s p 的图像处理 系统也被广泛的利用于各种领域。 本课题设计了一套基于d s p c d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 虱像处理的炉内板带纠 偏电视检测系统。它是基于极低照度环境下的图像采集、板带边缘分析、位置测 量并自动反馈控制板带始终对中运行的全新一代工业电视系统。系统在观察炉内 工况的同时还实现了炉内板带的实时纠偏。该方案图像处理模块采用1 r i 公司的 高性能多媒体数字信号处理器d m 6 4 2 ，利用d s p 计算速度快、可并行处理、性 价比高等优点，以解决实时检测数据处理量大、系统实时性要求高之间的矛盾。 本文首先介绍了课题背景、研究现状及研究内容；然后叙述了1 1 的d s p 功能、 特性及应用技术；接着阐述了基于d s p 的视频图像处理系统硬件和软件设计方 法；接着深入研究了系统的应用环境和图像处理的检测算法，制定系统实现的总 体方案，包括图像采集与处理、板带边缘分析、位置测量和自动反馈控制以及基 于d s p 嵌入式实时操作系统的d s p b i o s 的程序设计方法：论文最后对系统以 及今后基于d s p 的图像处理系统的发展作了总结与展望。 关键宇d s pd m 6 4 2 图像处理边缘检测纠偏 a b s t r a c t a b s t r a c t f o l l o w i n gt h ef a s td e v e l o p m e n to ft h em o d e r ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h e r e s e a r c h e sa n da p p l i c a t i o n so fi m a g ep r o c e s s i n g , e s p e c i a l l yr e a l t i m e i m a g e p r o c e s s i n gc a t c hg r e a ti n t e r e s t sf r o mr e s e a r c h e sa l lo v e rt h ew o r l d i nr e c e n ty e a r s ， t h ed e v e l o p m e n to fd s pt e c h n o l o g yh a sp u tt h et h e o r ya c h i e v e m e n to fd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gf i e l di n t op r a c t i c a la p p l i c a t i o ns y s t e m sa n dp u s h e dt h ep r o g r e s so fn e w t h e o r ya n da p p l i c a t i o n a tt h es a m et i m e ，i tp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do f i m a g ep r o c e s s i n g t h ed s p b a s e di m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mc a nb ea p p l i c a b l ei n m a n y k i n d so f p r a c t i c a lf i e l d s t h i st o p i cd e s i g n e das e to ff u r n a c es t r i pc o r r e c t i o nt vs y s t e mb a s e do ni n t h ed s ei ti san e wg e n e r a t i o no fi n d u s t r i a lt vs y s t e m ，w h i c hh a sf u n c t i o n so f i m a g ea c q u i s i t i o nu n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo fe x t r e m e l yl o wi l l u m i n a t i o n , s t r i pe d g e e x t r a c t i o n , p o s i t i o nm e a s u r e m e n ta n dm a k i n gs t r i pc e n t e r e da u t o m a t i c a l l ya l la l o n g i tc a no b s e r v ef i l h l a c ew o r kc o n d i t i o na n dc o r r e c tt h es t r i pa tt h em e a n t i m e f i r s t l y , t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n d 、t h ea c t u a l i t ya n dt h ec o n t e n to f t h et a s k ；s e c o n d l y , i tp r e s e n t e dt h et i sd s p sf u n c t i o n s 、c h a r a c t e r sa n da p p l i c a t i o n t e c h n o l o g y ；t h i r d l y , w ee x p o u n d e dt h eh a r d w a r ea n ds e t t w a r ed e s i g nm e t h o d so f t h e r e a l - t i m ei m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do nd s p ；a n dt h e na f t e rm a k i n gad e e p r e s e a r c ht ot h ea p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n ta n di m a g ep r o c e s s i n g , w ed e v e l o p e da i r o v e r a l lp r o g r a ms y s t e m , w h i c hi n c l u d e di m a g ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g , t h e a n a l y s i s o fs t r i p e d g e ，p o s i t i o nm e a s u r e m e n ta n da u t o m a t i cf e e d b a c kc o n t r o l ， p r o g r a md e s i g na n ds oo n f i n a l l y ，t h ed i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h es y s t e ma n d i n t r o d u c e st h ep r o s p e c to f t h es y s t e mi nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：d s p ；d m 6 4 2 ；i m a g ep r o c e s s i n g ；e d g ed e t e c t i o n ；c o r r e c t i o n 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。也不包含为获得笑数六争或其他教育机构 ， wi、y 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 己在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名：塾嵋功己j 签字日期： 够年午月z 厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解宴猫文誊有关保留、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 借阅本人授权耍蒜天封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适用本授权书) 学位论文作者签名：夺目目粕 签字日期： 0 7 年午月z f 日 学位论文作者毕业去向： z - 作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 月巧，日 绪论 绪论 l 课题研究背景 在高速运行的生产线上，由于生产线的延伸和机组运行速度的变化，以及 板带自身因素的影响，运行的板带经常会偏离原先的零偏位置( 工艺要求的运 行位置) 。为保证生产线处于最佳稳定工作状态，各种类型的纠偏检测系统应运 而生。 目前市场上的常见的炉内板带纠偏系统采用的都是电容式对中传感器、单 片机构建的信号采集控制及一体化的液压伺服系统，尽管进口的炉内电容式对 中传感器已在国内处于垄断地位，但也存在以下不足：成本极高、必须采用软 化水水冷却、检修须进行停炉、无法进行驶时检测。本实验室已经完成了基于 c c d 的炉内板带纠偏系统的设计与实现，很好的解决了电容式对中传感器在实 际运用中所出现的问题和不足。这种纠偏检测系统是基于p c 机架构的，在p c 机中安装图像采集卡采集图像并数字化，然后由p c 机中的图像分析、处理软件 系统进行处理。其核心图像处理模块采用p c 机和图像采集卡实现的，视频压 缩与解压缩采用基于p c 机的视频卡，使得视频前端( 如c c d 等视频信号的采集、 压缩与通信) 较为复杂，稳定性、可靠性不高，而且价格比较昂贵。 但随着信息技术的飞速发展，视频检测数据处理量越来越大，系统实时性 要求也随之提高。这种传统系统实现方式已经无法满足实际应用的要求。近年 来，随着数字图像处理技术的发展和d s p 芯片集成度、稳定性、运算速度、数 据吞吐量等性能的不断提高，自动、智能化的数字图像处理系统已经得以实现。 目前国内外基于d s p 的视频图像处理的研究得到越来越多人的关注，无论是在 基于民用的智能化系统还是基于军用的目标分析系统，都有巨大的需求市场。 各大芯片研发巨头推出了多款性能超强的视频处理芯片，特别是1 r i 的c 6 0 0 0 系列d s p 芯片，应用非常广泛，还有各类专用a s i c ，融硬件基础与算法软件 于一体，在专业应用领域也占有席之地：各类a s i c 中针对视频的动目标分 析算法也层出不穷，有视频图像匹配识别技术、图像分割技术、图像差分技术、 运动估计和补偿技术等。此外在基于嵌入式视频图像处理系统的研究中，国内 外各大公司和研究机构分别推出了自己的通用的基于d s p 的数字图像处理的硬 件平台系列，和基于不同应用情况下的应用软件解决方案。 基于d s p 图像处理的炉内板带纠偏l 乜视榆测系统的研究 2 炉内板带纠偏电视检测系统概述 如图1 所示，从炉内板带纠偏电视检测系统工作流程图上看，该检测系统 分现场摄像、后处理及显示和纠偏控制三部分组成。现场摄像部分包括：照明 光源、高温c c d 摄像等；后处理及显示部分可置于控制室，包括：图像采集及 处理、显示输出、记录等；纠偏控制部分主要完成的是偏移量测定及反馈输出。 图1 板带纠偏流程图 照明光源与高温c c d 摄像：该子系统由近红外c c d 图像传感器、高温光 学镜头、高温防护罩、现场配电箱、温度传感器、控制器等组成。高温摄像探 头通过炉壁连接体伸入炉内，安装在退火炉内板带上方，同时由光纤照明探头 输出l e d 辅助照明以提高炉内亮度。炉壁连接体不仅起着将摄像探头和光纤照 明探头与高炉炉壁相连接的作用，而且还起着隔热的作用，采用气源控制箱输 出的氮气冷却。镜头前端有红外滤光片，用来滤除炉内可见光干扰。 图像采集处理：本系统由视频图像处理硬件平台和图像预处理及边缘检测 软件组成。 板带纠偏执行：这里采用的是液压伺服控制式纠偏系统。当图像采集处理 系统输出偏移控制信号时，伺服阀将信号转换为大功率液压能，驱动液压油缸 推动纠偏辊作相应移动，直至板带调整到零偏标定位置。 绪论 3 论文的主要工作与创新之处 最初本研究室推出的炉内板带纠偏电视检测系统是完全基于p c 计算机的， 纠偏电视检测系统所需的图像识别过程完全由p c 机上运行的软件来实现，这样 的系统存在以下缺点： 1 原有的纠偏电视检测系统使用通用的计算机来实现，图像采集与回放、图像 边缘识别、纠偏控制等往往在同一台机子上进行，影响了系统执行的速度，严 重的影响了系统的实时性能。 2 由于实时性的限制使得系统无法采用一些运算量比较大的算法，影响了系统 对各种不同环境下的识别成功率和长期稳定可靠运行，而且系统的可移植性也 大大降低。 3 整个系统都是基于通用计算机的软件，不利于软件知识产权的保护。 针对上述问题，我们提出了基于d s p 图像处理的炉内板带纠偏电视检测系 统的研究设计。该系统是采用t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s p 芯片为核心的视频信号处理设 计方案，以t i 公司的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 为核心处理器的数字图像处理系统取代原有 的纠偏电视检测系统中以p c 机和视频采集卡为主体的图像采集处理子系统。改 进后的图像采集处理子系统将图像识别的图像处理算法集成到d s p 芯片上实 现，并通过p c i 总线完成与p c 机的数据交换。d m 6 4 2 是t i 推出的一款专用于 多媒体领域的d s p 芯片，有比较丰富的外围设备接口，是当今d s p 应用的主流 产品之一，拥有完善的开发与调试环境。利用d s p 易于满足图像处理中运算量 大、数据传输率高的特点，同时在算法设计上做出改进，满足了实际工作环境 下数字图像处理高速与高稳定性的要求。该系统与原有的基于p c 机图像处理系 统相比具有了更高的系统集成度，高速率、高稳定性和低成本特点，充分利用 d s p 芯片在图像处理上的强大性能，使得p c 机能够专注于数据库管理和网络化 传输等功能，一定程度上提高了系统的处理速度即实时性。另一方面，由于软 件算法都存储在p c b 板上的f l a s h 中，在系统运行时从f l a s h 中导入到d s p 芯 片上，有利于软件的知识产权保护。 本系统的主要优点在于： ( 1 ) 本系统是一种适用于炉内高温环境下的非接触实时监测测量装置，通过采 用c c d 检测技术和d s p 图像处理技术，能够实现对炉膛内部工况进行监视、 基于d s p 图像处理的炉内板t 带纠偏电视检测系统的研究 对板带偏移量进行监测等多重功能，大大扩展工业电视的应用范围及功能； ( 2 ) 该纠偏电视检测系统中的图像采集处理核心t m s 3 2 0 d m 6 4 2 有更快的处理 速度，能够更好的提高系统的性能。并且与原系统相比，该系统配备了容量更 大的存储器，能够高效的运行更加复杂的图像处理程序； ( 3 ) 该纠偏电视检测系统中的图像采集处理子系统将图像触发、图像采集、存 储、处理集成到p e b 单板上，可以根据需要采集单幅或多幅图像，支持输出多 种图像数据格式，不需要另外配备专用图像采集卡。此外，这样也使得系统可 以在采集图像的同时并行进行图像处理，提高了系统的实时性； ( 4 ) 该纠偏电视检测系统中的图像采集处理子系统不仅局限于炉内板带纠偏电 视检测的应用，因为在该子系统设计中已经注意到通用性和可移植性，只要针 对不同的实际应用编写相应的d s p 图像处理程序，就可以满足不同领域的图像 处理需求。 从文献查新的结果来看，国内文献中有相关同类产品的报道，大多数为传 统的基于通用p c 机的图像处理的纠偏系统。本论文提出了一个基于d s p 架构 的适用于视频编解码以及带钢边缘检测分析的硬件和软件设计方法，可实现在 高温环境下对炉内板带自动纠偏检测的同时，对炉内工况进行实时观察，大大 地提高了系统的性能与稳定性，具有一定的通用性和可移植性。 4 第一章d s p 应用基础 第1 章d s p 应用基础 本章首先介绍了d s p 的特点和发展情况，简单介绍了1 r i 公司的 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 系列d s p 特性；接着介绍了d s p 系统设计的一般流程：包括硬 件设计的流程和软件设计的流程；最后介绍为了使d s p 系统有着良好的兼容性 和有利于d s p 开发进程的d s p 的算法标准。 1 1 d s p 的概述 d s p 是一种信号处理技术，一直到上个世纪八十年代初推出第一片数字信 号处理器d s p 芯片，d s p 才逐步成为一种全新高速处理器的名称。自问世以来， d s p 就以数字器件特有的稳定性、可重复性、可大规模集成和可编程性等特点 著称，使得信号处理手段更灵活，功能史强大，应用史广阔。最初的d s p 处理 能力有限，主要应用在于数据通信和语音处理领域，其后d s p 应用逐步扩展到 各种电了产品中，诸如硬盘驱动器、通用调制解调器、数字答录机、无线通信 终端。随着技术的飞速发展，九十年代d s p 在数字g s m 手机应用和无线基站 应用中获得了巨大成功。目前d s p 开始全面拓展应用领域，在宽带通信、数字 控制、数字音频、数字视频等市场上开始占据主角。当前d s p 运算速度的提高， 能够实时处理信号带宽也人人增加，数字信号处理的研究重点由最初的非实时 研究转向高速实时研究；半导体制造工艺的发展和计算机体系结构的改进，d s p 单芯片功能更加强大，人们更加关注于软件算法，而不再需要过多的关注硬件 问题。纵观历史，整个d s p 技术的发展历史可以分为了以下两个阶段： 第一阶段：上世纪六十年代至七十年代，这个阶段是数字信号处理技术提 出和理论研究、完善的阶段。在d s p 技术出现以前，所有的信号处理下作都是 基于模拟技术的。将自然界的真实信号数字化，然后再采用数字技术进行处理 的设想虽然早己存在，但是由于算法复杂、处理器运算速度低而无法步入实用 阶段。直到六十年代末期，f 丌快速算法的提出，标志着数字信号处理技术实 用化的到来。但是这个阶段数字信号处理都是用通用c p u ( x 8 6 ) 来实现的。由 于微处理器的运算速度比较低，所以无法真正实现实时的数字信号处理。而专 用的d s p 处理器的理论和体系结构，虽然也己经在七十年代提出，但是限于当 基于d s p 图像处理的炉内板带纠偏l 乜视十龟测系统的研究 时的硬件水平，基本上还是停留在研究与试验阶段。 第二阶段：上世纪八十年代，硬件与集成电路技术的飞速发展，为d s p 处 理器的实用化提供了条件。1 9 8 3 年，美国t i 公司推出了世界上第一块定点d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 ，第一次使用了哈佛总线结构和硬件乘法器，这是实时数字信 号处理领域的一次重大突破。随后，其它公司也纷纷推出了相应的产品，有 a m d 2 9 0 0 ，n e c 7 7 2 0 等。这类早期的d s p 芯片，一般采用n m o s 技术，相对 于以前的微处理器( m p ，运算速度有了很大的提高。这些第一代芯片的出现， 揭开了d s p 器件在高速、实时信号处理领域广泛应用的序幕。在整个八十年代 中，d s p 芯片经历了第二代( c m o s 技术) 和第三代两次技术的革新与发展，其 应用领域也从最开始的语音处理与合成逐步扩展到图像处理、通信等领域。 数字信号处理任务通常需要完成大量的实时计算，如在d s p 中常用的f i r 滤波和f f t 算法。数字信号处理中的数据操作具有高度重复的特点。d s p 在很 大程度上针对这些运算特点而设计。与通用微处理器相比，d s p 在寻址和计算 能力等方面作了扩充和增强。在相同的时钟频率和芯片集成度下，d s p 完成的 f f t 算法的速度比通用微处理器要快2 3 个数量级。d s p 微处理器相对于通 用微处理器的区别是d s p 有以下主要特点【1 】： l 、总线结构 通用微处理器内部大多采用冯诺依曼结构，其片内程序空间和数据空间 合在一起，取指令和取操作数通过一条总线分时进行。由于对数据和程序进行 分时读写，执行速度慢，数据吞吐量低。当高速运算时不但不能同时取指令和 操作数，还会造成传输通道上的瓶颈现象。d s p 内部采用程序空间和数据空间 分开的哈佛结构，允许同时取指令和取操作数。而且很多d s p 甚至有两套或者 两套以上内部数据总线，这种总线结构成为修正的哈佛结构。对于乘法或加法 等运算，一条指令从存储器中取两个操作数，多套数据总线就使得两个操作数 可以同时取得，提高了程序效率。 2 、算术单元 a 硬件乘法器 由于d s p 的功能特点，乘法操作是d s p 的一个主要任务。在通用微处理 器内通过微程序实现的乘法操作往往需要1 0 0 多个时钟周期，非常费时。因此， 第一章d s p 戍用基础 在d s p 内部都设有硬件乘法器来完成乘法操作，以提高乘法速度。硬件乘法器 是d s p 区别于通用微处理器的一个重要标志。 b 多功能单元 为进一步提高速度，可以在c p u 内设置多个并行操作的功能单元( a l u 、 乘法器、地址产生器等) 。如t i 公司的t m s 3 o c 6 0 0 0 系列c p u 内部有8 个功 能单元，即两个乘法器和六个a l u ，8 个功能单元最多可以在一个周期内同时 执行八条3 2 位指令。由于多功能单元的并行操作，使d s p 在相同时间内能够 完成更多的操作，提高程序的执行速度。 3 、流水线结构 d s p 的流水线结构是提高程序执行效率的一个重要手段。采用流水线结构， 使得两个或者更多不同的操作可以重叠执行。在处理器内，每条指令的执行分 为取指令、译码、取操作和执行等几个阶段，每个阶段成为一级流水。流水处 理使得若干条指令的不同阶段并行执行，因而能够提高程序执行速度。 4 、指令周期短 早期d s p 的指令周期约4 0 0 m s ，运算速度为s m i p s ( 百万条指令秒) 。随着 集成电路工艺的发展，d s p 广泛采用亚微米c m o s 制造工艺，速度越来越快。 5 、片内存储器 由于d s p 面向的是数据密集型的应用，因此存储器访问速度对处理器的性 能影响很大。d s p 算法的特点是需要大量的简单计算，相应的其程序比较短小， 存放在d s p 片内可以减少指令的传输时间，并有效缓解芯片外部总线接口的压 力。除了片内程序存储器外，d s p 内一般还集成有数据r a m ，用于存放参数和 数据。片内数据存储器不存在外部存储器的总线竞争问题和访问速度不匹配问 题，因此访问速度快，可以缓解d s p 的数据瓶颈，充分利用d s p 强大的处理 能力。d s p 芯片的上述特点，使其在各个领域得到越来越广泛的应用。 1 2 t i 公司t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 介绍 d m 6 4 x 视频处理d s p 属于t i 公司生产的c 6 0 0 0 系列d s p ，t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 是美国t i 公司于1 9 9 7 推出的高端d s p 芯片，它主要包括两大主要系列：以 t m s 3 2 0 c 6 2 x x 为主的定点型d s p 和以t m s 3 2 0 c 6 7 x x 为主的浮点型d s p 。这两 基于d s p 图像处理的炉内板带纠偏i 乜视榆测系统的研究 种d s p 的主要结构和指令集都是基本相同的，区别主要在于c 6 7 x x 系列d s p 增加了浮点运算单元和相应的浮点运算指令。2 0 0 0 年3 月，1 r i 公司又在 c 6 2 x x d s p 的基础上发布了c 6 4 x x 内核，其处理速度是c 6 2 x 系列的1 0 倍。成 为世界上性能最高的d s p 系列芯片【1 】。 1 2 1t m s 3 2 0 c 6 0 d s p 的体系结构 c 6 0 0 0d s p 的体系结构采用超长指令字l i w ) 结构，d s p 的内核有8 个并 行处理单元，分为相同的两组。在c 6 0 0 0d s p 中，单指令字长3 2b i t s ，8 个指令 构成一个指令包，总包长为8x3 2 - 2 5 6b i t s 。在程序执行时，由专门的指令分 配模块将一个2 5 6b i t s 指令包中的8 条指令同时分配到8 个处理器单元中执行。 对于c 6 2 x 和c 6 7 x 系列芯片来说，最高时钟频率可以达到3 0 0 m h z ，当d s p 的 8 个处理单元同时充满指令、同时运行时，d s p 可以达到它的峰值处理能力2 4 0 0 m i p s 。对于c 6 4 x 这种高性能d s p , 其最高时钟频率可以达到1 1 c h z ，最大处 理速度为9 0 0 0 m i p s 。 1 2 2t m $ 3 2 0 c 6 0 0 0d s p 的片内构成 c 6 0 0 0d s p 片内主要由c p u 内核、片内存储器、外设和j t a c 逻辑部分组 成。c p u 内核主要由8 个独立的功能单元组成，这其中有2 个1 6b i t 1 6b i t 乘 法器( 3 2 位输出) 和6 个算术逻辑单元( 3 2b i t 4 0b i o 。它采用加载储存( 1 0 a d s t o r e ) 体系结构，数据在多处理单元之间传输依靠3 2 个3 2 位的通用寄存器。c 6 0 0 0 的指令集可以进行字节寻址，获8 b i 们6 b i “3 2 b i t 的数据，以充分利用存储器。 指令集采用类r i s c 指令，以配合整个c 6 0 0 0d s p 的v l i w 体系结构。所有的 指令都是条件执行指令，可以根据某种条件决定是否执行。c 6 0 0 0 的存储器寻 址空间是3 2 b i t ，其中芯片内部集成了l m 7 mb i t 片内s r a m 。片内r a m 被 分为两块：一块是l i p 内部程序c a c h e 存储器，另一块是l i d 内部数据c a c h e 存储器。3 2 b i t 外部存储器接u ( e m i f ) 包括直接同步存储器接日，可用于同步动 态存储器( s d r a m ) 、同步突发静态存储器( s b s r a m ) 连接，主要用于大容量、 高速存储；还包括直接异步存储器接口，可以与静态存储器( s r a m ) 、只读存储 器：( e p r o m ) 连接，主要用于小容量数据存储和程序存储。因此c 6 0 0 0 可以方便 的配置不同速度、不同容量，不同复杂程度的存储器。c 6 0 0 0 中的外设主要包 括：四通道自加载d m a 协处理器，用于数据的d m a 传输；1 6 b i t 主机接口，可 第一章d s p 应用基础 以用于d s p 与上位机的通信：灵活的锁相环电路( p l l ) 用于产生不同的倍频时 钟，还有集成的e e e i1 4 9 1 标准边界扫描仿真器，可用于芯片的自检和调试。 1 2 3t m s 3 2 0 0 6 0 0 0d s p 的并行处理 从并行处理角度分析，1 m s 3 2 0 c 6 0 0 0 的主要的特点是采用了v l i w 的体系 结构。在v l i w 处理机中，多个功能单元是并发工作的，所有的功能单元共享 公用大型寄存器堆。v l i w 的长指令分配模块把长指令中不同字段的操作码分 送给不同的功能单元。通常用短指令( c 6 0 0 0 中是3 2 位的) 编写的程序必须压 缩在一起才能形成v u w 指令，这种代码压缩由编译器完成。在v l i w 结构中， 指令并行性和数据传送完全是在编译时确定的，这与运行时的资源调度和同步 完全不同，因此这种结构中每条指令的等效周期很低，即运行速度很快，但是 缺点则是v l i w 结构处理器的代码效率在很大程度上取决于代码压缩的效率。 v l i w 处理机的另外一个特点是指令获取、指令分配、指令执行、数据存储等 阶段需要进行多级流水，而且不同的指令执行的流水延迟时间不同：为了保证处 理机的运行效率。各种指令的安排要尽量不破坏指令流水的执行。v l i w 结构 的深流水线给编程和编译带来了很大的困难，指令安排稍有不当将破坏流水线， 使性能下降。 1 2 4t m s 3 2 0 c 6 0 0 0d s p 的应用 1 m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p 虽初是为了移动通信基站的信号处理而推出的超 级处理芯片，它比传统的d s p 的处理速度要快一个数量级，因此在民用和军用 领域都有很广阔的应用前景。由于d s p 很大的灵活性，视频处理系统由传统的 a s i c 平台转向d s p 平台，在d s p 平台上进行视频系统开发有以下几方面的优 势： 第一，用户开发自由度更大，支持多种个性化开发，可以满足市场不断提 出的新的要求，在第一时间提升产品性能，增强产品的竞争能力； 第一，d s p 处理能力强，可以在一个d s p 上同时实现多路音视频信号的压 缩处理，同时为了满足应用的需要，还提供了很多视频专用功能，比如视频滤 波、d e i n t e r l a c e 处理、高分辨显示输出、o s d 功能等，甚至像网络接口、i d e 接口都成为了视频d s p 的重要功能，这样就使进一步大幅度降低产品的成本成 为可能： 9 基于d s p 图像处理的炉内板带纠偏电视榆测系统的研究 第三，开发周期短，实现快速技术更新和产品换代； 第四，芯片功耗低，对提高产品的稳定性提供可靠保障。 目前市场上许多款视频处理的d s p 形成主流应用，以它们各自的技术特色 受到市场的广泛应用。 1 3 基于d s p 的图像处理系统概述 一个基本的图像处理系统框图如图卜1 所示。1 2 1 1 虱中各个模块都有特定的 功能，分别是图像输入、图像处理以及图像存储以及其他数据存储、处理结果 输出。 1 、图像的输入模块 图像的输入模块主要由图像输入、图像采集两部分构成。在实际应用中， 图像输入一般采用c c d 摄像头得到现场的待处理图像。由于摄像头输出的信号 多为模拟信号，为了实现摄像头和计算机接口，使得能够利用p c 机进行图像处 理，必须采用图像采集卡。 图卜1 图像处理系统框图 一般图像采集卡的结构如图卜2 所示。 首先对视频信号进行预处理和同步分离。预处理主要是进行放大、亮度、 对比度调节、信号限幅( 保护a d ) 。同步分离电路主要是分离出信号中的行同 步和场同步信号，供采集卡的时序电路使用。然后由高速的a d 转换器把处理 后的视频信号转化为数字信号，在时序电路的控制下写入存储器。但是现在市 面上的图像采集卡往往数据采集和数据读取不能同时进行，这给编程和实时控 制带来很大的麻烦，也影响系统的实时性。 o 第一章d s p 戍用幕础 图卜2 图像采集卡原理框图 2 、数据存储模块 数据存储可以是系统的图像存储，也可以是图像处理的算法、中间数值等 数据存储。图像包含有大量的信息，因而存储图像也需要大量的空间。在图像 处理系统中，大容量和快速的图像存储器是必不可少的。例如存储1 幅5 1 2 5 1 2 的1 6 b i tr g b 图像需要4 m b i t 的存储器。 3 、数据输出模块 通常的图像处理系统都有图像输出模块，输出图像处理的最终结果。结果 可以是最后处理完的图像，也可以是图像处理的其他形式数据结果。 4 、图像处理模块 对图像的处理和分析一般可用算法的形式描述，而大多数的算法可用软件 实现。当然，为了提高速度或克服p c 的限制下可以引用特制的硬件。尤其是随 着d s p 技术和d s p 芯片的应用的发展，使得图像处理模块的性能越来越高。 最早，通用p c 机为图像处理系统的绝对核心。图像采集卡负责将由c c d 摄 像头所拍摄到的图像数据传送至p c 机中，由p c 机中运行的软件程序对其进行 图像处理等操作，并返回相关结果和信息。传统的基于p c 机的信号处理系统 包括图像采集、d s p 图像处理、p c 机数据管理三个部分。 系统框图如图1 3 所示： 基于d s p 图像处理的炉内板带纠偏i u 视检测系统的研究 图1 - 3 传统的基于p c 机的d s p 图像处理系统框图 图像采集部分采用通用的基于p c i 总线的图像采集卡( 市面上也有基于s a 总线等的其他图像采集卡) ，数据管理部分则通过p c 机完成。图像处理系统中 最费时间，也即影响信号处理系统的实时性的瓶颈是数据的处理部分。如果在 p c 机完成图像数据的处理，由于通用p c 采用冯诺依曼存储器结构并不是特 别适用于数字信号的运算，不仅处理速度慢，而且造成占用c p u 时间过多，影 响了p c 机对数据的管理，尤其是对于图像的数字处理，很难达到实时的要求。 但因为图像处理市场应用需求的不断提高，这样的系统己经无法满足市场 要求。随着d s p 技术的飞速发展和d s p 在实时图像处理领域的广泛地应用，出 现了以d s p 芯片的核心d s p 处理模块分担了p c 机的图像处理工作，提高了系统 的性能刚。因此将信号处理部分从微机软件中分离出来，交给d s p 处理，然后 把d s p 处理好的数据再传给p c 机管理。这样不仅可以做到信号处理和数据管 理并行进行，而且充分利用d s p 对数字信号处理高速，并行的优势，一定程度 上提高了信号处理系统的实时性和稳定性。同时，因为信号的处理程序固化在 d s p 芯片中，加强了系统知识产权保护的能力。 但是该系统存在着一定的局限性。一方面，d s p 处理板的p c i 接口成为 d s p 的h p i 接口和p c 机p c i 总线通信的桥梁。数据的输入输出已经成为该系 统实时性能的瓶颈。另一方面，该系统本身必须配备专用的图像采集卡作为系 统输入的前端数据源，图像采集卡将图像传输到p c 后，再通过p c i 总线以及 p c 机运行的p c i 程序将数据传输到d s p 图像板。d s p 系统完成图像运算后， 将结果再次通过p c i 总线传回p c 机，在p c 机上完成其他附加功能。过多的输 入输出和p c i 数据传输严重影响了系统的处理速度，降低了d s p 的优势。此外 第一章d s p 应用摹础 由于系统的可扩展性较差，必须和专业的图像采集系统配合使用，一定程度上 也影响实际产品的市场推广。 综合考虑以上因素，本文提出了基于1 r i 公司的t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s p 芯片 的图像处理系统，极大的克服了上述的传统基于p c 机的d s p 图像处理系统的 缺点，提高了系统的各项性能。该系统框图如图2 4 所示。 图2 4 基于d s p 的实时图像处理系统框图 1 4d s p 系统的设计及开发的流程 利用d s p 芯片设计一个d s p 系统的大致步骤【6 7 】如图2 - 5 所示： 基于d s p 图像处理的炉内扳带纠偏f u 视检测系统的研究 图2 - 5 ：d s p 系统设计流程图 1 4 1 系统硬件设计流程 硬件设计流程如图2 - 6 所示，它主要包括以下几个部分 图2 - 6 ：硬件系统设计流程图 4 第一章d s p 应用基础 l 、设计硬件的实现方案，并画出硬件系统框图。 2 、进行器件的选型。一般系统常用a d ，d a ，内存，逻辑控制，总线，电 平转换( 总线隔离) ，以及电源等器件。在器件选型时，要考虑到器件之间可 能会有相互影响，还要考虑到器件的供货能力，技术支持等。 3 、进行原理图设计。这其实是系统设计真正的开始。它是d s p 系统集成中 关键的一步。原理图设计的成功与否是d s p 系统能否正常工作的最重要的一个 因素。 4 、p c b 板的设计。这需要一些布线工艺，系统结构设计的知识，以保证信 号的完整性，以及考虑电磁干扰和电磁兼容性。 5 、最后是硬件的调试过程。 1 4 2 系统软件设计流程 d s p 的软件设计流程“1 如图2 7 所示： 图2 7 ：d s p 软件设计流程图 基于d s p 图像处理的炉内板带纠偏l 乜视检测系统的研究 与计算机汇编语言比起来，t i 公司汇编语言的指令系统相对要简单一点， 而且，由于有许多专门为数字信号处理而设计的指令，有利于简化数字信号处 理的编程。 与高级语言比起来，使用d s p 汇编语言的程序员必须熟悉d s p 芯片内部 结构和特有的指令系统。尤其是在一些编程资源空间比较小的场合特别要注意 软件的高效性。随着高级语言开发工具的不断完善，c 语言的编译效率已经有 了很大的提高，在实时性要求比较低的场合，用c 语言开发已经能够满足系统 的需要。但是在实时性要求高的场合，还必须用汇编语言开发，至少是一部分 用汇编语言编程。 1 5d s p 的开发工具 d s p 的开发工具1 8 】包括软件开发工具和硬件系统集成及调试工具。 1 5 1 软件开发工具 1 t m s 3 2 0 系列最佳的a n s ic 编译器( a n s icc o m p i l e r ) 对t m s 3 2 0 系列的d s p 编程可用高级语言来实现。为此，1 r i 公司提供了c 语言编译器，它可将用标准a n s ic 语言编写的源文件转换成高效的t m s 3 2 0 系列的汇编语言源文件。该源文件再经t m s 3 2 0 的编译连接器后即可生成可执 行的目标文件。t i 的c 编译器分为两类，一类是适用于定点的c 2 ) ( ，c s x ， c 5 4 x ，c s s x ，c 6 2 x 以及c 6 4 x ，另一类适用于浮点的c 3 ) ( c 4 x 以及c 6 7 x oc 编译器内分为语法分析器r ( p a r s e r ) ，c 优化器( o p t i m i z e r ) 和代码产生器( c o d e g e n e r a t o r ) = 部分。 2 t m s 3 2 0 宏汇编编译随接器r ( m a c r oa s s e m b l e r l i n k e r ) 汇编语言是用助记符编写的，需要将该语言编写的程序经编译、链接后才 能生成可以执行的机器码，也就是目标文件c o f f 。汇编器产生可重新分配地 址的机器语言目标文件作为输出。链接器的作用是接受可重新分配地址的目标 文件作为输入，生成可执行的目标文件。也就是说，连接器根据用户说明的程 序和数据存放地址，把汇编器产生的浮动地址代码和数据映射到用户系统的实 际地址空间。t i 公司提供两类宏汇编编译链接器，一类用于定点d s p 芯片， 一类用于浮点d s p 芯片。 1 6 第一章d s p 应用基础 3 软件模拟器( s i m u l a t o r ) t m s 3 2 0 系列的软件模拟器是一个软件程序，它运行在用于调试的计算机 上，使用主机的处理器和存储资源对d s p 进行指令级和c 级模拟。软件模拟器 是高性价比的应用程序和程序验证工具，它在p c 机上的模拟速度一般为每秒 几百条指令。其特点是： 1 在主机上非实时地执行用户编写的d s p 程序 2 可检查和改写寄存器的内容； 3 对数据与程序存储器的内容可显示及读写： 4 可跟踪累加器( a c c ) 、程序计数器( p c ) 及辅助寄存器( a r t y 0 a r 7 ) ； 5 可单步执行，可在程序中设置断点，可设置及响应用户的中断： 6 可仿真外围设备及缓冲区 7 可进行代码性能分析( p r o f i l e ) 1 5 2c c s ( c o d e c o m p o s e rs t u d i o ) c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) “1 开发工具是德州仪器公司( 1 1 ) 针对d s p 开 发的集成软件开发环境，1 r i 的每个d s p 系列对应不同的c c sac c s 的功能十 分强大，它集成了代码的编辑，编译，链接和调试等诸多功能，而且支持c c + + 和汇编的混合编程。开放式的结构允许用户扩展自身的模块。它的出现大大简 化了d s p 的开发工作。它的主要功能与特点如下： 将代码的编辑，编译，链接的调试等诸多功能集成到一个软件环境中； 实时分析工具，不需中断目标d s p 就可以监控目标程序的运行： 高效率的c c h 编译器；数据可用多种图形格式显示； 集成了免费可升级的d s p b i o s 嵌入式实时操作系统： 具有剖析功能的编译器可以优化代码长度和效率： 可视化的链接器( v i s u a ll i n k e r ) 可以分配程序和数据空间： 开放的环境可使用各种第三方的插件程序( p l u g i n ) ； 基于r t d x ( r e a l - t i m ed a t ae x c h a n g e ) 技术能实时交互数据； 支持可扩展的t i 算法标准；支持d s ps i m u l a t o r 纯软件模拟仿真； 支持多d s p ，多用户的使用： 通过i e e e l l 4 9 1j t a g 接口对目标d s p 进行调试仿真。 基于d s p 图像处理的炉内扳带纠偏l u 视榆测系统的研究 1 5 3 硬件系统集成及调试工具 l 、d s p 初学者工具包d s k d s p 学科本身有着丰富的理论，因此，要把这些理论及与之相对应的算法 在高度复杂的d s p 芯片上实时实现并将其用于一个特定的设计任务是有一定难 度的。它一方面需要掌握d s p 的理论及d s p 芯片的性能，另一方面需要一套