（水声工程专业论文）基于dsp与gprs的监控系统硬件设计及其应用.pdf

哈尔滨t 科人学硕十学伊论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sd e s c r i b e san e wd e s i g nt h i n k i n go fm o n i t o r e da n dc o n t r o ls y s t e m b a s e do nv i d e oa c c o r d i n gt ot h ed e f e c t so f t h eo l ds y s t e m 。t h en e ws y s t e mi s b a s e do nv i d e oa n dd i g i t a li m a g et e c h n o l o g y g p r st e c h n o l o g y , u l t r a l o w p o w e r c o n s u m p t i o nf i x e d p o i n t d ig i t a ls ig n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a n du l t r a l o w - p o w e r c o n s u m p t i o nm i x e ds i g n a l m i c r o c o n t r o ll e r ( m c u ) t h es y s t e mh a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha s m o r ee f f i c i e n t ，l o w e rc o s t ，t h em o d eo fm a n a g e m e n ti s i n t e l l i g e n t ，e a s i e r t o o p e r a t ea n dm a i n t a i n ，a n d i tc o u l da d a p tt ov a r i o u s c i r c u m s t a n c e s ，e s p e c i a l l yt h eu n d e r w a t e rc i r c u m s t a n c e sw h e r ep o w e ri ss u p p l i e d b yb a t t e r i e s i ti sr e a s o n a b l et op r e d i c tt h a tt h i ss y s t e mh a sab r i g h tf u t u r e t h i st h e s i s m a i n l yd e s c r i b e st h eh a r d w a r ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h e m o n i t o r e dc o n t r o ls u b s y s t e mo ft h i s s y s t e m ，i n c l u d i n gt h ef o l l o w i n gt h r e e i m p o r t a n tp a r t s i nt h ef i r s tp a r t ，t h ep r o b l e mo ft h en o w a d a y sm o n i t o r e da n dc o n t r o ls y s t e m i sa n a l y z e d ，t h e nt h ew h o l ed e s i g nt h i n k i n go ft h em o n i t o r e da n dc o n t r o ls y s t e mi s p r o p o s e d o nt h e b a s i so ft h i s ，t h et h i n k i n gi su s e dt od e s i g nan e w m o n i t o r e da n d c o n t r o ls y s t e mf o rr o a d s i d ep a r k i n g i nt h es e c o n dp a r t ，t h eh a r d w a r er e q u i r e m e n to ft h es y s t e mi sa n a l y z e d ，a n d t h es p e c i f i c a t i o no ft h eh a r d w a r es y s t e mi sd e t e r m i n e d t h e nt h ew h o l es c h e m eo f t h eh a r d w a r ei s d e s i g n e d w h i l et h es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo ft h e h a r d w a r ec i r c u i ti sc o n f i r m t h es c h e m ei sc o m p o s e do ft h r e em a jo rm o d u l e s ， i n c l u d i n gv i d e os i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l e ，s i g n a ls a v i n ga n dp r o c e s s i n gm o d u l e ， a n dm o n i t o r , c o r n m t m i c a t i o na n dc o n t r o lm o d u l e t h et h e s i ss p e c i f i c a l l ya n a l y z e s t h ek e yt e c h n o l o g yo f e a c hm o d u l ea n dg i v e st h ew a yt of u l f i l lt h er e q u i r e m e n t ， t h e s ek e yt e c h n o l o g i e sa r e ：t h es p e c i f i co fs p e c i a lv i d e os i g n a ls a m p l ea d c ， v h d ll o g i cp r o g r a md e s i g n ，c p l dl o w p o w e rd e s i g n ，l a r g em e m o r ys p a c e e x t e n d i n gt e c h n o l o g yo fd s p , t h ei n t e r f a c et e c h n o l o g yw i t hd s pa st h es l a v eo f t h es p ip r o t o c o l ，u l t r a l o w p o w e rc o n s u m p t i o nd e s i g nt e c h n o l o g yo ft h em c u ，t h e r e a l t i m ed o w e rm o n i t o ra n dk e e p i n g w o r ko ft h em c u ，a n dt h er e a l - t i m e c o m m 叽i c a t i o nt e c h n o l o g yo ft h e m c u t h e s et e c h n o l o g i e sm a k es u r e t h e h a l r d w a u r ed e s i g ns a t i s f i e st h es p e c i f i c a t i o no ft h ep r o j e c t b a s e do nt h e s e ，t h e d r i m e dc i r c u i tb o a r di sf i n i s h e d ，a n dt h ed e b u g g i n go f a l lt h eh a r d w a r em o d u l e 8i s c o m p l e t e d r u r m i n gt h et e s tp r o g r a mo nt h e b o a r df o ral o n gt i m eh a sv e r i f i e dt h a t t h eh a r d w a r es y s t e mi s c o r r e c ta n ds t a b l e ，a n dm e e t st h eh a r d w a r es y s t e m 。s r e q u i r e m e n t a n di nt h el a s tp a r t ，t h es o f t w a r ed e s i g no fe a c hm o d u l ei sa c c o m p l i s h e d ， t h o s es h o u l db ec o o r d i n a t ew i t ht h eh a r d w a r es y s t e m t h et h e s i sa n a l y z e st h ek e y s p e c i f i c a t i o no ft h es o f t w a r ea n dd e b u g g i n gp r o b l e m si nd e t a i l ，a n dp r o v i d e s t h e m e t h o dt os 0 1 v et h ep r o b l e m s t h e s ei n c l u d et h ep r o b l e mo f d s pa d d r e s s i n gl a r g e m e m o d ，u s i n gcl a n g u a g e ，t h ep r o b l e mo fd s p c o n n e c t i n gw i t h e x t e r n a l 1 2 c d e v i c e ，t l l ep r o b l e mo fc o m m u n i c a t i o np r o g r a mu s i n gs p ip r o t o c o lw i t hd s p a s s l a v e t h eu l t r a 1 0 曲p o w e rc o n s u m p t i o ns o f t w a r e d e s i g nt e c h n o l o g y a n dt h e a r c h i t e c t u r eo fd s p m c u g p r sr e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o np r o g r a m f i n a l l y ，t h e r e s u i t so ft h ep r o g r a ma r es h o w e d ，w h i c hs u g g e s tt h a t t h es y s t e ms a t l s n e st h e d e s i g nr e q u i r e m e n t ， k e vw o r d s ：v i d e oi m a g e ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ；g p r s ；u l t r a 1 0 wp o w e t c o n s u m p t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。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 体己经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：沙。3 年3 月么日 哈尔滨ii 稗人学硕十学何论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 随着电子技术和摄像机技术的快速发展，基于视频的无人监控职守系统 得到了越来越广泛的应用，其中包括陆上安防和水下环境安全监测。据报道， “9 1 1 ”事件以后国际安防市场需求急剧增加，而2 0 0 8 年我国北京即将举办 奥运会，也极大的推动了安防市场尤其是基于视频监控的市场的发展。同时， 随着人们对水下环境的r 益重视，基于水下电视的水下环境监测项目也逐渐 增加1 。相对于传统的人工值守设备，无人监控值守设备具有2 4 小时实时监 控、出错率低、批量装备成本低、环境适应能力强等优点口1 。所以现在基于 视频的无人监控职守系统的前景非常好。 但是现在的基于视频的无人监控职守系统存在着一些技术上的问题限制 其发展。主要有以下几个问题： 1 、应用环境受限制。这主要是由于大多数系统是基于p c 机存储和处理 的，功耗大。 2 、大多数基于视频的监控系统不具备图像处理能力，仅仅是图像采集与 存储设备，智能化有限。 。 3 、大多数基于视频的监控系统采用有线方式传输图像数据，需要专门布 线，建设费用高。 虽然目前有部分监控系统引入了一些数字图像处理及机器视觉技术，但 是这些设备通常价格昂贵，不宜大规模装备。所以研究价格低廉、低功耗， 具备数字图像处理功能并能实现无线传输的监控系统意义非常重大。 1 2c c d 摄像机在监控领域的应用现状 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电耦合器件) 摄像机是目前在视频技术中 使用最为广泛的一种视频图像采集设备。”。c c d 摄像机的特点是分辨率高、 灵敏度高。随着c c d 技术的革命性发展，c c d 摄像机体积更小、重量更轻、 体积更小、价格更低，因而应用范围越来越广泛”1 。 基于c c d 摄像机的视频监控系统按照应用环境分，大体上可以分为供陆 哈尔滨f 。样人导：硕十学伊论文 上使用的摄像机和水下摄像机两大类。目前陆上使用c c d 摄像机的监控系统 使用最为广泛如交通流监测系统1 、楼宇安全监测系统p 。这些系统都是使用 的公共交流电源供电，大多数不具备图像处理能力，主要将采集的图像通过 高速有线网络传输给基于人工管理的终端；目自，j 基于水下c c d 摄像机的监控 系统应用越来越广泛，如水库溢洪道环境监测j 6 1 、入海口水下环境监测、江 河提防安全监控p 1 、水下机器人及其他潜器监测等障“9 1 。这些监测大都是涉及 国计民生的重点领域和特殊产业，以灾害预防为主。 陆上使用的c c d 摄像机和水下使用的c c d 摄像机的工作原理是一样 的，所不同的是水下设备要自带光源( 这是由于水下光线环境较差) 和水密 性要求不同。二者的数据输出格式也是一样的，这使基于视频的陆上监控系 统可以很快地移植到水下系统，所要做的改动工作主要是使用水下摄像机并 将相应的系统作水密处理。 1 3d s p 和单片机以及低功耗设计技术在监控系统的应用 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 即数字信号处理) 技术是一项目前应用广 泛的技术，应用领域包括图像处理、语音信号处理、各种高精度控制0 1 ，这 是由于数字信号非常适合于计算机处理。而专用于数字信号处理的硬件设备 则称为数字信号处理器。数字信号处理器也是种计算机，只是它采用了独 特的结构使其非常适合于完成各种数字信号处理功能，如f f t 、f i r 等。 但是d s p 技术及d s p 器件目前仅仅在比较高端的视频监控领域有应用， 例如工业生产线的控制等，般的视频监控应用还比较少，主要是由于其价 格相对较高。不过将d s p 技术引入到视频监控的优势是非常明显的，如果在 系统中加入信号处理模块，那么对监控对象的判决和数量统计就可以在监控 部分完成，而不需要后端人工处理，大大减轻了后端处理人员的工作量，同 时可以裁减冗余人员，达到增加效率降低系统维护成本的目的。 随着集成电路技术的飞速发展，d s p 的速度越来越侠，处理能力越来越 强，价格也逐步地下降。同时，各种针对数字图像、数字视频的信号处理算 法也更加完善。另外，随着各种针对低功耗应用环境的d s p 器件的推出，增 加d s p 电路并不会显著增大系统功耗。这些使将d s p 技术应用视频监控系 统成为了可能。 哈尔滨l ：种人学硕十学何论文 单片机是目前在监控领域使用最为广泛的一种电子器件，一般来说，它 在监控系统中完成两大功能：第一、对整个监控自，j 端控制职守：第二、负责 和后端处理中心通信。 由于单片机职守整个系统，所以其控制方式和职守功耗直接决定着整个 监控系统的功耗，因而单片机的合理运用成为监控系统低功耗设计的关键。 1 4g p r s 无线网络在监控领域的应用现状 g p r s ( 通用无线分组业务1 是一种目自订在移动通信中应用广泛采用的技 术，该技术是对g s m 网络的扩展。扩展的含义是指重复使用g s m 的无线基 础设施，只在核心网络内引入两个新的网络节点，以便提供所需要的分组交 换功能。与现有g s m 电路交换相比，g p r s 的主要目的是为互联网提供更好 的服务”。 g p r s 服务确定了包交换网络的结构，这个网络具有对移动台的管理功 能和无线接入功能。g p r s 网络包括了本身用户、移动用户( 如手机用户或 g p r s 数据传输终端) 或者固定用户( 主要指互联网用户) ，可以联向建立在 不同协议上的各种固定数据网，例如：网络i p 、x 2 5 和i t u ( 国际电信联盟) 的定向联接协议。正是g p r s 支持的协议广泛，使其应用非常普遍。 g p r s 与现有的g s m 语音系统最根本的区别是，g s m 是一种电路交换系 统，而g p r s 是一种分组交换系统。因此，g p r s 特别适用于间断的、突发性 的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。这一特点正 适合大多数移动互联的应用。相对原来g s m 的拨号方式的电路交换数据传送 方式，g p r s 是分组交换技术，具有实时在线、按量计费、快捷登录、高速传 输、自如切换的优点，并且若干个g p r s 网可以互联并提供漫游功能服务，使 其可以大规模地推广。 f 是g p r s 具有上述特点，所以其应用范围及其广泛，几乎所有低速率 的数据传输服务都可以应用。下面是g p r s 的应用领域： 1 工业遥信、遥测、遥控。 无人值班机房监控和远程维护( 如移动基站、微波、光纤中继站等) 城市配电网自动化系统数据传输 自来水管道、闸门、泵站与水厂监控 哈尔滨l 料人! 学：硕十学位论文 煤气管道、闸门、与加压站监控 供热系统实时监控 水文监控 环境监控 其他无人值班站点( 如仓库、办公室等) 监控 2 金融、零售业 车载移动银行 p o s 机联网、自动柜元机( a t m ) 3 公安交通行业 公安移动性数据查询 交通监控与城市路口交通信启、发仰 4 移动车辆监控调度系统 公安、1 1 0 、交警车监控调度 银行运钞车、邮政运输车监控调度 出租车、公交车管理调度 基于上面g p r s 的分析，g p r s 不适宜传输大数据量的图像，但是传输压 缩的小数据量图像或者经过d s p i j 决的结果还是足以胜任的。 1 5 论文的研究内容 本文主要研究基于视频技术、d s p 技术和g p r s 技术的监控系统的硬件 平台设计与实现，并以一个基于视频、d s p 和g p r s 的新型路边泊车管理研 究项目为背景，研究了构建基于这个硬件平台的方法和关键技术，并探讨了 将该项技术推广到水下监控的办法。 l 、在充分分析当6 ，j 基于视频的监控系统存在的问题的基础上，给出了改 进的监控方案。并指出该方案可适用于陆上和水下监控，环境适应性强。 2 、在上面整个设计思想的基础上，结合当6 ，j 路边泊车监控管理存在的问 题，给出了基于d s p 和g p r s 技术的新型路边泊车系统的总体方案，并完成 该系统总体方案的论证及设计。 3 、完成硬件系统总体方案的论证及设计，并实现整个硬件电路的总体设 计。 哈尔渡l 。列人学硕+ 学傅论文 4 、完成基于c p l d 和视频专用a d c 的视频信号采集系统的设计，并对 其中的c p l d 低功耗设计和视频专用a d c 的配置和输出信号的多种时序等 关键技术做深入分析，并给出解决方法，使采集系统采集的数字图像证确、 完整。并且系统功耗低。 5 、完成基于定点d s p 的大数扼量图像存储和处理系统设计。由于图像 信号数据量大，所以d s p 存储空f b j 的扩展技术成为设计的关键；同时，由于 定点d s p 存储结构的特点使其访问大数据量数握时存在一些限制，所以对存 储空间访问的软件设计也是本设计的重要研究内容；另外，如何最大限度地 利用d s p 的片上外设资源实现d s p 的控制、通信、加载和外部数据访问是 本系统设计的一个关键研究内容，目标是使系统在满足功能要求的条件下， 工作稳定并且功耗尽量低。 6 、完成基于单片机的监控、控制及通信系统设计。本泊车监控管理系统 的低功耗、实时性和智能化很大程度上取决于本系统采用的超低功耗单片机 部分的设计，所以该部分的设计非常重要。所以本设计部分的电源电压采集 的精确度和稳定性，i 匈应外部命令的实时性，以及整个系统的低功耗控制都 是本系统的关键研究技术。这些技术的实现需要充分利用单片机的超低功耗 设计技术和片上资源以及相应的软件设计。 哈尔滨l ：稗人学硕十学位论文 第2 章监控系统方案设计 2 1 基于d s p 和g p r s 的监控系统方案设计 本章将以当前基于咪表的路边泊车系统存在的问题为背景，介绍如何构 建一个基于d s p 与g p r s 的视频监控及泊车管理系统。 当前基于咪表的路边泊车系统由于采用咪表监控，所以存在的问题较多： 建设费用高，工作效率较低，维护较困难，智能化有限，操作复杂，漫游困 难，影响市容。 为了解决这些问题，本文在对当前无线通信技术、d s p 技术、以及机器 视觉技术进行调研的基础上，针对性地给出了一套基于视频和信号处理及无 线通信技术的新型泊车解决方案。由于这种方案采用了一套完全有别于当前 基于咪表的泊车系统的设计思想，并采用了大量的信启、获耿技术、信号处理 技术以及无线通信技术，从而避免了当前泊车系统的问题，并且操作更智能 化，管理更方便，同时该系统还具有低功耗和低成本的优势。 本泊车系统的设计方案为：在泊车区域安装一部具有一定高度的摄像机， 通过该摄像机获取该停车区域的所有车位上的停车图像( 初步设定为1 0 个车 位) ，采集系统将采集的结果数字化并存储该数字图像，经过d s p 运算得到 各个停车位的停车信息( 车位上有车、无车、违章停车) ，然后将判决结果上 传给上位单片机，单片机将判决结果通过g p r sd t u ( g p r sd a t at r a n s f e r u n i t 数据传输单元) 转发给位于网络上的控制中心。同时单片机可以接收来 自控制中心的命令。单片机同时还是一个监控和控制单元，监控电源电压是 否e 常，控制各个模块工作和空闲状念。同时上传的停车信息可以作为中心 调度分配车位的依据，从而形成一个高效的停车引导系统。 用户在前往停车区域自，j 可以通过拨打电话、发手机短信、登陆停车公司 网站等方式查询和预定停车位，从而大大节省了车位寻找时间，并且提高了 车位的利用率。停车费用结算都是通过手机电子钱包实现，账单可通过短信 通知。由此可见，使用该系统设计，可以避免当前咪表存在的问题。相对当 前基于咪表的泊车系统，其优势非常明显。 1 、工作效率较高，建设成本低。一套监控系统可以监控多达十个车位。 6 哈尔滨一i 程大学硕十学位论文 2 2 硬件系统方案论证 本节主要论证视频采集处理及监控系统的设计方案，并在此基础上完成 对各个子模块器件类型及型号的选择。 从实现的任务看，本系统是一个监控系统，监控系统的特点就是具有职 守功能，这样就需要一个职守电路及职守器件。从采集数据类型看，本系统 是一个图像采集和处理系统，作为图像采集和处理系统，存储容量和处理速 度是设计关键，通常系统需要较大的存储容量，并具有较快的处理速度。 如果从任务上对该系统进一步划分，则可以划分为图像采集模块、数字 图像存储和处理模块以及监控、控制和通信模块三大部分。 综合整个泊车系统的总体设计思想和上述对视频采集处理及监控系统的 需求分析，本节给出具体选型方案。选型方案按照上述三大模块的核心器件 展开。 数字图像存储和处理模块。本系统总体上对命令的响应实时性要求不高， 这是由泊车应用环境决定的。作为一个民用系统，用户对获取控制调度中心 的速度要求可以不必太高。用户可以在申请车位信息后数十秒钟后获得分配 车位确认信息，这数十秒对基于d s p 的信号处理设备来说时间已非常充裕。 由于实时性要求不高，所以本系统选用t i 的c 5 0 0 0 定点系列d s p 作为核心 处理器件，而没有选择大多数图像处理系统采用的c 6 0 0 0 系列浮点d s p 。本 系统选择的d s p 为5 5 系列的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a ，该芯片是t i 的一款高性能 信号处理器，具有超低功耗并且c p u 运算速度较高，最高可达2 0 0 m h z ，完 全满足信号处理需求。针对图像数据量大的特点，5 5 0 9 a 片内的存储容量是 不够的，因为一场数字图像数据量就高达1 4 0 k 字，而片内总共存储容量才 1 9 2 k 字节，所以d s p 必须要通过外接存储器来扩展存储容量。5 5 0 9 a 片上 集成的e m i f 控制器可以方便地和多种存储器实现无缝连接，这也是选择该 款d s p 的原因。最终选择外接1 6 位宽的容量为4 m 字的s d r a m ，这个容量 完全满足本系统对存储容量的要求。 图像采集模块。确定图像采集模块必须要对图像信号特点有较充分的了 解。本系统摄像机采用通用c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 摄像机，即电耦 合器件摄像机1 。通用c c d 摄像机输出模拟图像信号实际上就是电视信号， 8 哈尔滨r 群人学硕+ 学位论文 电视信号非常复杂，不仅含有电视信号还有用于各种同步的信号，如行同步、 场同步；同时为了正确扫描和同步，这个信号中还包含各种消隐信号以及丌 槽信号；另外模拟图像输出速率非常高。所以对图像信号的采集如果直接采 用通用a d 器件将会非常复杂。综合上面的分析，本系统采用视频采集专用 a d ，这类a d 是一些集成电路厂商为了方便数字视频系统开发而设计的， 其最大的特点是将同步信号、消隐信号分离，从而使采集工作难度降低。本 系统在充分调研后选用p h l i p s 半导体公司的s a a 7 1 11 a 视频a d ，该a d 通 过集成在片内的采集电路分离各种同步及消隐信号，并输出符合c c i r 6 0 1 协 议的数字信号，在数字视频采集领域获得了广泛的应用。另外其基于1 2 c 配 置的模式使其配置非常方便，仃线简单。但是，这个a d 不能和d s p 直接连 接，这主要是因为其控制信号非常多。另外其像素输出速率高达1 3 5 m ，也 不适合实时处理。所以采集系统一定要借助可编程逻辑器件，将采集的图像 存储到一个缓存空间中，存储完一帧或者一场后，再进行处理。比较可编程 逻辑器件c p l d 和f p g a ，c p l d 在中小规模控制领域性能优于f p g a ，而且 有价格优势，最终可编程逻辑器件选择c p l d ，具体为m a x 7 1 2 8 a e ，这主 要是考虑m a x 7 0 0 0 系歹0 的高性能和低功耗。 监控、控制通信模块。这个模块担当三大任务，分别为：实时监控电源 电压，在电压不足时报警，即它有职守的功能，所以低功耗是一个重要的要 求；控制整个模块的工作，主要是下位机的工作和休眠：负责实时接收来自 控制中心的命令，并按照这个命令通知d s p 完成不同的工作，即它是控制中 心和采集模块的通信桥梁，由于是实时接收，所以一定要有接收中断功能。 基于上面的分析，本系统选用t i 的m s p 4 3 0 1 4 9 单片机，该单片机是业界公 认的超低功耗单片机，工作电流为心级，非常适合做监控和职守机。另外， 该单片机片上集成了丰富的外设，包括两个通用同步异步串行通信模块，一 个模数转换模块a d c l 2 ，多个定时器，以及具有中断功能的通用输入输出端 口。这些特点使该单片机非常适合本系统的通信、监控及低功耗设计。 2 3 监控方案在水下视频监控中的推广及应用 随着水密技术的不断提高，基于水下电视的水下监控系统得到了越来越 广泛的应用。水下电视采用的c c d 摄像机和通用的c c d 摄像机工作原理完 9 哈尔滨 。撑人学硕+ 学傅论文 全相同，只是其具有防水功能且其工作需要借助一个主动光源。由于整个硬 件系统采用的电路原理完全相同，我们可以快速地将上面的方案应用于基于 水下视频的监控系统，如水库溢洪遒监控、江河提防水下安全监控。由于本 系统采用了低功耗设计，所以非常适合水下蓄电池供电环境。所要注意的是 关于整个充路的水密结构设计。同辩，该区域定要覆盖g p r s 霹络。 2 4 本章小结 本章给出了基于d s p 和g p r s 的新型泊车系统。该系统由于采用了一套 完全有别于当自订基于眯表的泊车系统的设计思想，并采用了大量的信息荻取 技术、信号处理技术以及无线通信技术，从而完全避免了当前泊车系统的问 题。该系统具有工作效率较高、建设成本低、管理智能化、操作简单、维护 容易、环境适应性好等优点，具有广阔的应雳女 f 景。 在系统总体方案的基础上，本章详细分析了该系统的采集处理及监控部 分的硬件设计需求，给出了出c c d 摄像机、专雳集成视频剐d 、c p l d 、高 速超低功耗定点d s p 、超低功耗单片机组成的视频采集处理及监控系统。该 系统具有采集速度快、信号处理速度适中、功耗低，数据存储量大、通信实 时性能好等优点。另外该系统还可以实时监控电源电压，使其能够完成无人 值守功能。总体上能够满足基于d s p 和g p r s 的新型泊车系统对采集处理及 监控部分硬件的设计要求。 最后，本文特别指出了该系统通用性强、环境适应性好的优点，可以快 速应用予基于水下电视的监控系统中，以解决当女，j i 系统存在的问题。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章系统硬件设计与实现 3 1 硬件系统组成 基于上文对系统设计要求的分析，本节给出了硬件的总体方案。其方案 框图如图3 1 所示。 图3 1 硬件系统框图 系统工作流程为：单片机接收来自g p r sd t u 网络的采集信息命令，通 知系统采集一场图像。单片机通知d s p 开始采集。d s p 配置启动视频a d ， c p l d 开始采集。c c d 将采集的模拟视频信号传输给视频a ds a a 7 11 1 a ， c p l d 利用视频a d 输出的各种同步信号，将a d 输出的数字视频数据存储 到缓存s r a m 中，同时通知d s p 已经完成一场视频的采集，可以读取。d s p 将a d 输出数据总线置为高阻，然后在d s p 程序和c p l d 逻辑的控制下， 将一场数据转存到s d r a m 中。d s p 通知单片机判决完成，并将判决结果传 输给单片机，单片机通过g p r sd t u 将最终结果上传到网络上的虚拟终端， 从而完成一次监控任务。同时单片机监控电源模块的供电情况，遇到供电电 哈尔滨r 稃大学硕十学位论文 压不足将上传报警信号。 对本系统的存储结构这里做一下说明。图像数据量大，数据输出率高， 故本系统采用了两级缓存结构。即图像采集模块先不把数据直接存储到d s p 中去，而是通过c p l d + a ，d + s r a m 的控制结构，在c p l d 的控制下将采集 的一场数字图像转存到s r a m ( s t a t i cr a m ，即静态随机存储器) 中。完成 一场数字图像存储后，c p l d 做总线切换，将a d 输出总线置为高阻，将三 态门使能。然后在d s p 和c p l d 控制下将s r a m 的图像数据转存到s d r a m 中去。这样就解决了数掘量大，数据输出率高的问题。s r a m 功耗低，速度 快，但是成本比较高，所以本系统采用的是5 1 2 k x l 6 b i t 作帧缓存，1 6 - b i t 的 总线宽度和d ，5 5 0 9 a 总线宽度一样，可以最大限度提高访问效率。系统 用s d r a m 做图像数据的最终存储物理设备是因为5 5 0 9 a 片上存储空间非常 有限，远远满足不了图像处理对存储空间的要求，且s d r a m 存储空间大， 价格相对其他r a m 要低得多。而且5 5 0 9 a 可以和s d r a m 做到无缝连接i 大大保证了系统设计的稳定性。s d r a m 容量为4 m x l 6 b i t ，选择4 m 容量主 要是考虑到数字图像处理对存储容量要求非常大，除了图像数据本身，中间 运算的变量需要的存储容量也很大。同时，采用这种两级缓存结构还可以在 图像采集的同时做图像处理，使系统具有一定的并行性。 3 2 视频信号采集模块设计 信号采集模块是本系统重要的组成部分，其采集数据的性能直接关系到 系统最终的判决结果，所以该部分的设计十分重要。本系统采用p h i l i p s 半导 体公司的s a a 7 11 1a 集成视频a d 作采集芯片，可以较好地满足系统对视 频数字信号的要求，而且其配置是基于1 2 c 协议的，这可以和d s p5 5 0 9 a 做 到无缝连接。 3 2 1 视频采集芯片s 从7 11 1 a 简介 计算机多媒体应用领域日益广阔，技术同新月异，各种软件、硬件层出 不穷。而图像作为多媒体不可缺的重要组成部分，使视频输入处理变得非常 重要。由于视频信号非常复杂，所以设计功能强大的集成视频专用a d 一直 是各大集成电路制造厂商追求的目标”2 1 。p h i l i p s 半导体公司的s a a 7 11 1 a 正 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 暑i ；i ；i ；i 昌i 宣；宣a - *a n：i -i：i - - a 宣i 暑；i i 是为满足这一要求而设计制造的一款性能较好价格适中的可编程视频输入处 理器，也称视频编码器( e n c o d e r ) 。其采用c m o s 工艺，使用1 2 c 总线配置 和控制。芯片内部包含两路模拟处理通道，能实现视频源的选择、抗混叠滤 波、模数变换( a d ) 、自动箝位、自动增益控制( a g c ) 、时钟产生、多制 式( p a lb g h i ，p a lm ，p a ln ，n t s cm 和n t s cnn t s c 4 4 3n t s c - j a p a n 以及s e c a m ) 解码及亮度、对比度和饱和度控制3 1 。可为视频桌面系统、图 像多媒体、数字电视、图像处理、视频电话等的应用提供极大方便。s a a 7 1 1 1 a 的功能方框图如图3 2 所示。 图3 2s a a 7 1 1 1 a 的功能框图 s a a 7 1 1 1 视频输入处理器有以下主要特点： 1 、可编程选择4 路视频输入中的一路或两路组成不同的工作模式，在其 内部有两路模拟视频信号处理通道，可进行静态增益控制或自动增益控制， 两路8 位的a d 。 2 、可对芯片编程进行白电平控制、抗混叠滤波、梳状滤波。 3 、能实现行同步、场同步信号的自动检测、分离，片内产生的时钟通过 数字p l l 锁定行同步。 4 、支持p a l 、n t s c 、s e c m a 三种制式，可对场频5 0h z 或6 0h z 自 哈尔滨r 稗人学硕+ 学位论文 动检测，并自动在p a l 和n t s c 之间自动切换，并能对不同输入制式的亮度 信号、色度信号进行处理，并实现亮度、色度和饱和度的片内控制。 5 、可方便使用不同的数字图像数据输出格式和数据宽度。 6 、低功耗( 0 5 w ) ，3 3 v 电源，5 v 兼容i o ，方便的1 2 c 总线控制。 3 2 2 可编程逻辑器件c p l d 简介 c p l d 是基于“与一或阵列”结构的可编程逻辑器件。其特点是大量采 用与一或阵列，组合逻辑设计功能强大。同时它有专门的布线区和布线区块， 使得引脚至引脚的信号延时是固定的，刃i 可预测的。这决定了其在组合逻辑 设计、控制逻辑设计方面有着巨大的优势，在控制时序和毛刺消除方面优势 更加明显。同时其具有在系统编程能力，调试完成的程序可以直接下载到片 上的电可擦除存储器中，上电即可运行，方便调试和升级维护4 1 ，并且其价 格较低。 综合上面性能以及价格的分析，本系统采用了c p l d 作为采集控制的核 心器件。具体选用业界著名的p l d 厂商a l t e r a 的m a x 7 1 2 8 a ec p l d 。 m a x 7 0 0 0 a 系列c p l d 是基于a l t e r a 公司第二代m a x ( m u l t i p l ea r r a y m a t r i x 多阵列矩阵) 结构的可编程逻辑器件，a l t e r a 推出该系列的目标就是 高性能和低功耗4 j ，由于性能优异，其在业界得到了广泛的应用。 关于c p l d 的细节知识比较多也比较复杂，本节仅对c p l d 最重要的组成 部分宏单元进行简要的分析，因为这些是c p l d 逻辑程序编写的理论基础，并 直接影响到c p l d 的使用效率和程序实现的效果。对其他部分本文未作进一步 介绍，相关知识见文献 1 4 1 。 m a x 7 0 0 0 a 的宏单元由三个功能模块组成：逻辑阵列、乘积选择阵列和 可编程寄存器，它们可以被单独地配置为时序逻辑和组合逻辑工作方式。其 中逻辑阵列实现组合逻辑，可以给每个宏单元提供5 个乘积项。“乘积项选择 矩阵”分配这些乘积项到“或”门和“异或 门的主要输入，以实现组合逻 辑；或者把这些乘积项作为宏单元中寄存器的辅助输入如清零( c l e a r ) 、置位 ( p r e s e t ) 、时钟( c l o c k ) 以及时钟使能控制( c l o c ke n a b l e ) 。m a x 7 0 0 0 a 的 单个宏单元的结构图如图3 3 所示。 1 4 哈尔滨1 j 程大学硕+ 学位论文 g 岫t s lg 口 l 日l _ a n 封 c , l i 矿0 罄雠 r 、 一 p r j i 矧岍 e x d a 谢e 鸭 ! f 它1 - 3 m r 、 咱越r 0 诤i | s 1 l 门 浑b f 厂 5 r 、 j 岫嵩 i 专 r 、 i 心 。赢与邓 i 一 ， 。 酱匕灿 乞 9 础冉 一、 t e r m 一。， 垂崎f m 锄椎 ：， 她 r - 、 , ：l e a - -。u j 铀k h = i 一一f r ： r 22、 毛一 l o p 怕卜 r _s ，叫l 姊 耵1 图3 3m a x 7 12 8 a e 的宏单元结构图 由图3 3 可见，左边部分主要是可编程的与阵列和固定的或阵列组成的阵 列，它可以实现基于“与一或”的逻辑，即乘积项，由此可以实现各种组合 逻辑。右边部分则主要是一个可配置的触发器，通过编程配置它可以形成各 种触发器女l ：i o 型、j k 型、t 型以及s r 型，可满足多种时序电路要求。 从图3 3 还可以看到每个宏单元还有扩展乘积项，分别来自相邻宏单元 ( 上图左边的上半部分的阴影部分所示) 和来自本宏单元的反馈( 上图左边 的下半部分的阴影部分所示) ，这样使组合逻辑功能更加强大”。但是会发 现，使用扩展乘积项会引入时延，这成为电路竞争一冒险的潜在问题”5 1 ，必 须加以注意。 3 2 3c p l d 与视频解码芯片接口设计 从上一节视频采集芯片的介绍中我们知道，s a a 7 1 1 1 a 的输出信号非常 多，除了数据信号还有非常多的同步信号以及同步参考信号，如何综合使用 这些信号成为采集程序设计的关键。 从图3 2s a a 7 1 1 1 a 的功能框图可以看到，输出的同步信号包括像素时 钟同步信号l l c 2 、像素时钟同步参考信号c r e f 、奇偶场识别信号r t s 0 、 哈尔滨r 平旱火学硕十学位论文 行同步信号h s 、行同步参考信号h r e f 、场同步信号v s 、以及场同步参考 信号v r e f ”引。这样设置的目的是为了适应各种应用的要求。但是由于同步 信号太多，所以要选择合适的组合形式就要求对模拟视频信号非常清楚，尤 其是各种同步信号以及消隐信号的信号形式和时间、频率参数，这样才能做 到有的放矢，否则采集的图像就会不f 确。主要是相位不对，表现在图像上 就是图像呈现出一块一块的，但是全部拼接起来还是能够组成一幅完整图像。 这是由于各个同步间的时延没有控制好，导致相位失真。所以c p l d 和解码 芯片的接口设计关键就在于各个同步信号的设计q ”。 图3 4 是采集部分的电路接口框图。该部分包括视频解码芯片s a a 7 1 11 a 和c p l dm a x 7 1 2 8 a e ，采集的数据存储到容量为5 1 2 k x l 6b i t s 的