（电力系统及其自动化专业论文）嵌入式多cpu视频监控系统硬件设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t t h ee m b e d d e ds y s t e mi sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di ne l e c t r i cp o w e ra r e a b e c a u s eo fi t sf e a t u r eo fh i g hi n t e g r a t i o n ，h i g hp e r f o r m a n c e ，h i g hs p e e d ，l o wc o s t a n ds t a b i l i t y b e i n gt h r o u g ht h es t a g e so ft h el o c a ls i m u l a t i o ns i g n a lm o n i t o r i n g s y s t e m ，p c c a r d b a s e d d i g i t a lm o n i t o r i n g s y s t e m a n dt h en e t w o r k d i g i t a l m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ne m b e d d e dt e c h n i q u e ，v i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi s h e a d i n g t o a t e n d e n c y t h a ta n t e r i o r i n t e g r a t i o n ，v i d e od i g i t a l i z e d ，m o n i t o r n e t w o r k e d ，s y s t e mi n t e g r a t e d u n a t t e n d e ds u b s t a t i o ni sb e c o m i n gt ot h et r e n do f t h ee l e c t r i c p o w e rn e t w o r kd i s p a t c h i n g a u t o m a t i o n s o f a r , t h es u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e mh a sa c h i e v e dt h ef o u r - r e m o t ef u n c t i o no fr e m o t e m e a s u r e ， r e m o t e - c o m m u n i c a t e ，r e m o t e c o n t r o l ，r e m o t e - r e g u l a t e ，b u ti t c a n tf u l l ym e e t t h es a f e t yr e q u i r e m e n t so ft h eu n a t t e n d e ds u b s t a t i o ni fo n l yd e p e n d i n go nt h e f o u r - r e m o t ef u n c t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t st h a te m b c d e dv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m w i l lb eu s e di nt h es u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，t h e r e m o t ev i e w w i l lb e c o m e o fap o w e r f u la d d i t i o n a lo ft h et r a d i t i o n a lf o u r - r e m o t ef u n c t i o na n dan e c e s s a r y f a c i l i t i e so ft h es a f eo p e r a t i n gs u b s t a t i o n s ，a n dr e a l l yr e a c ht h eu n a t t e n d e d s u b s t a t i o no p e r a t i n g i nt h i sp a p e r ，i ts t a t e st h ed e v o l e p m e n ta n dt r e n do fv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m f i r s t l y a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cd e m a n do ft h ea c t u a ls u b s t a t i o nv i d e om o n i t o r i n g s y s t e m ，i td e s i g n st h eh a r d w a r es y s t e mo fe m b e d d e dv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do nt m s 3 2 0 d m 6 4 2 t h e ni tg i v e st h ed e t a i l e da n a l y s i sf o re v e r yp a r t s f u n c t i o n ，i n t e r f a c ep r i n c i p l e sa n dm o s ti m p o r t a n td e v i c e so ft h eh a r d w a r es y s t e m ， a n di t m a i n l yr e l a t e s t od e v i c es e l e c t i o n ，v e d i oi n p u ti n t e r f a c ed e s i g n ，e t h e r n e t i n t e r f a c ee t c p a r t i c u l a r l y , i te x p l a i n st h et h o u g h to fd u a l - c p us t r u c t u r e ，a n di t a l s og i v e st h ed e t a i l e dm e a n so ft w oc p u sc o m m u n i c a t i o na n dt h eh a r d w a r e i n t e r f a c ed e s i g n t h i sp a p e ra l s ob r i e f l yd e s c r i b e st h er e l a t e dt h e o r yo fh i g h s p e e dp c b d e s i g n ，a n di tc a r r y so ne f f e c t i v ea n a l y s i st ot h es i g n a li n t e g r i t yq u e s t i o ne x i s t i n g i nt h e p a r t o ft h e h i g h - s p e e dp c b t h ed e s i g n t a k e s f u l l y a c c o u n to ft h e a n t i - j a m m i n ga b i l i t yo ft h es y s t e m ，s ot h es io f t h ep c bh a sb e e ne n s u r e da n dt h e p e r f o r m a n c eo ft h eh a r d w a r es y s t e mh a sb e e ne v e n t u a l l yi m p r o v e d f i n a l l y , t h ep a p e rp r o v i d e sab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h er e l a t e ds o f t w a r e ，a n d d o e st h en e t w o r kt e s t i n go ft h ew h o l es y s t e m t h er e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e m c a nw o r kn o r m a l l y , m e e t i n gt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o rd s ：v i d e om o n i t o r i n g ；t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ；m u l t i - c p u ；s i g n a li n t e g r i t y 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。 学位论文作者签名： 日期：譬了 砂7 。删 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 不保密邑使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：f ) 驾丧啤指导老师签名：纫易坳呸 日期：护，了，；j 。白期：刎，r 轧 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 随着科学技术的发展、经济水平的提高，用户对电力系统的供电质量、 可靠性、平稳性、经济性提出越来越高的要求，人们越来越认识到只有采用 先进的技术及科学的管理才能在电力市场竞争中获得一席之地。 电力工业的发展要求变电站实现真正的无人值守，无人值守变电站已成 为当今电网调度自动化领域的必然趋势。其原因有：第一，它能更好地适应 工业对电能质量的要求。第二，它是电力企业安全运行的要求。统计表明电 力行业的事故中，由人为因素造成的占有一定的比重，实践证明人容易受环 境、情绪、疾病等诸多因素影响，因此本身就存在不可靠因素。无人值守变 电站自动化的提高，断路器的停、送电操作中间环节减少，可减少人为的电 气操作，降低事故发生率，提高电网安全运行。第三，从经济效益的角度看， 无人值守变电站可以实现变电站人员精简，增加效益。 目前我国很多变电站，特别是1i o k v 以下变电站己逐步实现无人值班或 值守。常规意义上的“四遥 系统，是调度自动化的主要内容。目前的“四 遥”即：“遥测、遥信、遥控、遥调”，但是这“四遥”并未涉及变电站环境 的内容( 如防盗、防火、防爆、防渍、防水汽泄漏等) ，所以，那还需要有 被称为第五遥的“遥视” 1 - 2 ，“遥视 系统是对无人值守变电站非常必要的 补充。“遥视”系统相比其它“四遥 其意义主要有：通过变电站安装图像 监控仪、红外探测仪、烟感、温感等各种报警传感器，使得在第一时间内监 视现场情况并作应急处理；事故追忆，可以调出事故当时的录像进行分析， 掌握发生事故的资料；实现远程可视化调度；加强管理，提高效率。 电力系统遥视技术目前正成为当前电力系统自动化发展的一个重要方 向，遥视系统能够对变电站设备运行状态运行环境和安全因素等进行早期预 警以便进行早期发现故障，早期预防对变电站的安全、可靠运行和经济、有 效管理是非常有用的。变电站遥视系统的应用已经进入快速增长期，同时由 于通信技术、多媒体技术和计算机嵌入式相关技术的发展，已经保证了遥视 系统的技术可行性。因此，我们对变电站视频监控技术的设计研究对电力系 统自动化发展有着非常重要的现实意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外研究现状 1 2 1 视频监控系统现状分析 视频监控系统是多媒体技术、计算机网络、工业控制和人工智能等技术 的综合运用，它正朝着视频音频的数字化、系统的网络化和管理的智能化方 向不断发展。我们可以将视频监控系统分为三个阶段：从模拟监控到基于p c 多媒体卡的视频监控再到嵌入式网络的数字监控m 1 。 模拟监控主要应用于小范围内的监控，已经逐渐被淘汰。而目前应用最 为广泛的就是基于p c 机的远程视频监控系统，它由p c 机插视频卡构成，在 监控现场，由若干个摄像机、各种检测、报警探头及数据设备等构成，通过 各自的传输线路，连接到监控终端机上，终端机可以是一台p c 机，也可以 是专用的工控机箱。基于p c 的视频监控系统终端功能较强，便于现场操作， 但稳定性和可靠性不高，而且p c 机需专人管理，系统掉电或死机后不能实 现复位，不便于无人值守的现场使用，特别是在环境或空间不适宜的监控点。 鉴于以上基于p c 机的远程视频监控系统的弊端，今后视频监控系统将逐 渐转向基于嵌入式网络的数字监控系统。嵌入式网络的数字监控系统不需要 p c 机，而是把摄像机输出的模拟视频信号通过嵌入式视频服务器直接转换成 数字信号。嵌入式视频编码器具备视频编码处理、网络通信强大功能，支持 网络视频传输，使得监控范围更广。嵌入式数字监控采用嵌入式实时多任务 操作系统，又将视频压缩功能集中到一个体积很小的设备内，直接连入局域 网或广域网，即插即看，系统的实时性、稳定性、可靠性和性价比大大提高， 也无需专人管理，非常适合于无人值守的环境。 1 2 2 基于d s p 的嵌入式视频监控系统发展分析 随着半导体制造业的飞速发展，d s p 技术能够为用户提供更高的处理速 度，并朝着小型化、集成化和综合控制、智能控制方向发展。d s p 芯片以其 特殊的结构在图像处理等需要大量实时处理数据的场合获得了广泛的应用。 t i 公司于自1 9 8 2 年推出通用可编程d s p 芯片以来，d s p 在计算机外设、 通信、工业控制、航空航大和精密仪器以及家用电器中获得了广泛应用。t i 公司推出的d s p 处理器从2 0 0 0 系列到6 0 0 0 系列再到目前最新的d a v i n c i 系 列，功能越来越强大。在6 0 0 0 系列d s p 中t m s 3 2 0 d m 6 4 2 是一款专业面向视 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 频应用的处理器，是目前嵌入式视频监控系统中所使用的主流d s p 型号，而 t i 最新推出的d a v i n c i 系列处理器，其首批处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 与 t m s 3 2 0 d m 6 4 4 3 堪称名副其实基于创新型d s p 的片上系统( s o c ) ，而且具备专 用于加速数字视频应用的集成式协处理器引擎。达芬奇技术不仅仅包含传统 的开发工具和应用支持套件，其还可以满足开发人员快速、轻松实现数字视 频的基本软件需求。所以未来几年内嵌入式视频监控的主要发展方向将围绕 d a v i n c i 来展并。 1 3 论文主要工作 ( 1 ) 变电所视频监控系统系统需求分析； ( 2 ) 根据需求分析选定c p u 的型号； ( 3 ) 研究选定外围器件的型号； ( 4 ) c p u 最小系统的设计； ( 5 ) 研究多c p u 之间的通信策略，对各种通信方式进行分析比较，采取 一个最优的通讯方式，能更好发挥各个d s p 性能； ( 6 ) 研究高速硬件电路的布线规则和策略，利用相关的设计软件对系统 进行p c b 布线； ( 7 ) 对p c b 信号完整性进行一系列的仿真分析，使信号完整性问题降到 可以接受的范围，保证整个高速数字系统能够稳定运行； ( 8 ) 系统软硬件的调试工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章系统整体方案设计 2 1 系统需求分析 2 1 1 变电站遥视系统的功能 变电站视频监控系统的功能，主要体现在以下几个方面【6 j ： 1 ) 通过图像监控、安防系统，保护无人值守变电站设备的安全； 2 ) 通过图像监控结合远程和本地人员操作经验的优势，避免误操作； 3 ) 通过图像监控、灯光联动、环境监测监视现场设备的运行状况，起到 预警和保护作用； 4 ) 配合其它系统( 如变电站综合自动化系统等) 的工作。 2 1 2 主要监控对象 1 ) 变电站( 所) 内场区环境； 2 ) 主变压器外观及中性接地刀闸； 3 ) 对变电站( 所) 的户外断路器、隔离开关以及接地刀闸等分合状态进 行监控； 4 ) 对变电站( 所) 内的各主要设备进行监视( 包括大门、控制室、继保 室、通讯室、高压室等) 。 2 1 3 变电站网络传输方式 各变电站到监控中心的信道为2 m 专线，通讯设备仅提供2 m 接口，变电 站的图像数据信号需要通过2 m 以太网桥转化为2 m 接1 3 ，上传到监控中心相 应的2 m 以太网桥转化为网络信号，进入监控中心的网络。监控中心通过2 m 以太网桥将各变电站的上传的图像数据汇集到中心网络交换器上与局域网 上其它机器连接，供其进行处理n 1 。实际相当于用2 m 以太网桥通过2 m 专线 组网。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 1 4 系统设计要求总结 1 ) 整个系统需要带有多路视频摄像头，因为它的监控对象非常多，视频 图像采样速率为2 5 f p s ，输入信号为p a l 制复合视频信号或s 端子输入； 2 ) 因为只有2 m 的专线来传输视频，所以必须要对图像进行快速压缩， 这就必须使用运算速度非常快的专用视频处理器，还需要使用多个c p u 进行 协作； 。 3 ) 要有强大的视频数据吞吐能力与运算能力。一般来说，在实时视频监 控系统中，视频数据的处理速度体现了其数据吞吐能力，图像检测与识别速 度表现其数据运算能力。最新发展的各种图像识别技术，在识别速度和准确 度上都有了显著提高，但其代价就是计算量大，算法复杂度都相当高，如果 没有一个具有强大运算能力的中央处理器是不可能实现这些算法的。 4 ) 要能够对模拟视频信号进行采样并数字化。无论哪种视频信号处理的 算法，都是针对已经采样后的离散数字信号进行的，而大部分视频输出设备 如传统的模拟摄像机的输出信号都是模拟信号，虽然也可以采用数码摄像机 之类高科技产品来代替传统的摄像机，但考虑到通用性，本次设计还是决定 采用模拟视频输入作为平台的输入信号。 5 ) 要有大容量的存储空间。在视频信号处理过程中，需要保存输入图像、 运算中间结果以及处理结果。保存图像所需要的存储空间由具体算法以及图 像尺寸决定。在一般情况下，至少要几兆字节的存储空间才能满足比较复杂 的视频信号处理程序的要求。 2 1 5 系统主要技术指标 通过对相关设计规则和资料的学习参考，本系统的主要技术指标如下阻1 ： 1 ) 视频输入：( 4 路，p a l 制式) ，b n c ( 电平：1 o v p p ，阻抗7 5q ) ； 2 ) 视频帧率：p a l ( 2 5 帧s ) ； 3 ) 实时监控图像分辨率：7 2 0 x 5 7 6 ； 6 ) 网络接口：1 个r j 4 5i o m i o o m 自适应以太网接口： 7 ) 串行接口：1 个r s 2 3 2 ，一个r s 4 8 5 ，均为r j 4 5 型接口； 8 ) 功耗：5 - - 一2 0 w ； 9 ) 工作温度：一1 0 + 5 5 ； 1 0 ) 工作湿度：1 0 9 0 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 2 主要模块芯片的选型 2 2 1 数字信号处理器( o s p ) 的选型 由于本设计主要是做图像处理，而且之前已经具有在d s p 上的设计经 验，因而选择了d s p 。目前，市面上的d s p 很多，具体采取哪家厂商的器件， 要综合考虑各方面的因数。下面就比较一下几种正流行的d s p ： 1 ) p h i l i p s 公司的t r i m e d i a 系列 t r i m e d i a 系列，是p h i l i p s 公司推出的一款3 2 位性能优良的多媒体处 理芯片，p n x l 3 0 0 是一种具有高质量数字视频和音频应用处理能力的媒体处 理器。它拥有强大的超长指令字( v l i w ) 核d s pc p u ，独立于d s pc p u 的d m a 方式工作的音视频输入输出接口，3 2 位高带宽数据总线将所有的片上模块单 元连接，如p c i 、s d r a m 、图像协处理器( i c p ) 等，使数据处理极为快速方 便。另外，其强大的面向多媒体应用的指令系统和丰富的库函数使开发者能 快速完成软件编程阻1 。 p n x l 3 0 0 的p c i x i o 接口控制和复用逻辑使其可以用于为p c 机环境设计 的p c i 音视频处理加速卡，也可以用于独立工作的嵌入式系统。在系统设计 中，既可以访问p c i 外设，如p c i 网络接口芯片，又可以访问各种8 位外设， 如r o m 、8 位m c u 、程序存储器等。该系列处理器的核心c p u 内部的多个执行 单元，在一个时钟周期内可以同时执行，不过该系列处理器的主频不高，目 前最新的t m l 5 0 0 系列主频也只有3 0 0 m h z 。 2 ) t i 公司的c 6 4 x 系列和d m 6 4 x 系列 c 6 4 x 系列是t i 公司最高性能的视频信号处理器，其指令集功能强大， 同时内部c p u 的时钟频率比t r i m e d i a 系列d s p 都要快很多，现在已经推出 了1 g h z 版本的c 6 4 1 6 数字信号处理器，而且芯片内部的八个执行单元可以 同时执行，因此其运算能力是目前为止最强的，可达8 0 0 0 m i p s ，非常适合用 于视频信号处理算法的实现。不过作为通用数字信号处理器，c 6 4 系列没有 提供丰富的外设接口，必须f p g a 等可编程逻辑器件来实现与视频编解码芯 片等芯片的接口，而这样做一方面增加了外围电路设计的难度和复杂度，另 一方面也会影响到处理器的运算性能。为此t i 公司专门为视频信号处理设 计了d m 6 4 x 系列。该系列的芯片都使用了c 6 4 x 系列的处理器核，并且在此 基础上提供了许多视频处理所需要的外设接口，这样在保留了c 6 4 系列强大 运算能力的同时，极大地简化了外围电路的设计，非常适合用于视频信号处 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 理这类应用场合n 。除此之外，t i 公司还提供了功能齐全和强大的开发环 境以及实时调试工具。通过综合比较以两种视频信号处理器，可以发现t i 公 司的d m 6 4 x 系列最适合本设计的要求。 2 2 2t m s 3 2 0 d m 6 4 2 特点 s d r a mh l 刮e m i f a 卜 s b s r a mk 6 z b ts r a mh 叶 t i m e r 2k + f i f o k + 爿t i m e r l 卜 l l p c a c h e s r a m | _i l r o m f l a s h k _ 爿t i m e r 0 卜 i o d e v i c e | _ _ i 、r r v c x o i m c r l x ) t a t c d c o n t r o lp e e r ( v i c ) 卜叫篙2 卜 v i d c op o r t0 ( v p o )c 甜xd s p c o r e o r 8 1 0 b i tv p 0 一a n d m c b s p o 佧 o r m c a s p 0 ii c o n t r o i e n h a n c e d d m al 2 c a c l t v i d e op o r ti c o n t r o l l e ro m c m o r y ( v p i ) ( e d m a ) l l d c n e l t o r 8 ，1 0 - b i tv p l 4 - -a n d m c b s p l h i , p l l p o w e r - d o w n o r l o g i c m c a s p 0 d a t a p c l - 6 6 o r h p l 3 2 o r 4 - -ii | h p i l 6 a n d o r e m a c 伽 b o o tc 伽_ 丘昏啊曲n m d l 0 i 叫g p o 卜 1 6 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 i _叫1 2 c 0 卜 图2 1d m 6 4 2 内部结构图n 3 1 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 n 幻( 以下简称d m 6 4 2 ) 是t i 公司推出的一款面向多媒体数 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 据处理的高性能、数字视频定点信号处理器。其核心处理器主频为 6 0 0 7 2 0 m h z 。 c 6 4 x 系列的d s p 采用v e l o c i t i 体系结构。d m 6 4 2 还采用高级超长指令字 结构，以在一个指令周期内能够并行处理多条指令。d m 6 4 2c p u 的组成部分： 1 ) 8 个功能单元( l 1 ，l 2 ，s 1 ，s 2 ，m 1 ，m 2 ，d 1 ，d 2 ) ； 2 ) 两个通用寄存器组( a 和b ，各3 2 个3 2 一b i t 通用寄存器) ； 3 ) 两个从内存读数据的数据通道( l d l 和l d 2 ) ； 4 ) 两个数据地址通道( d a l 和d a 2 ) ； 5 ) 两个写内存的数据通道( s t l 和s t 2 ) ； 6 ) 两个寄存器组数据交叉通道( i x 和2 x ) 。 d m 6 4 2 片内采用可配置的双级c a c h e 结构，提高了数据的存取速度。c p u 与一级程序高速缓存和一级数据高速缓存直联，两块c a c h e 分别为1 6 k b ，工 作在c p u 全速访问状态。二级缓存有2 5 6 k b ，而且可以由用户编程设置成部 分为普通片内r a m 、其余为二级c a c h e 的结构。因此二级缓存的分段和大小 分配也有很多种情况。d m 6 4 2 的e m d a 能提供超过2 g b s 的外部带宽，e d m a 支 持6 4 路独立触发的事件传输。 t m s 3 2 0 d m 6 4 2n 2 3 与c 6 4 xc p u 有相同的内核架构，隶属于c 6 0 0 0d s p 系列。 d m 6 4 2 集成了丰富的外围设备以满足视频和图像处理需求，其内部结构如图 2 - 1 所示；主要外围设备接口包括： 1 ) 三个可配置的视频接口，支持视频输入、输出和传输流输入无缝连接； 2 ) v c x o 内插控制端口( v i c ) ； 3 ) 1 0 1 0 0m b p s 以太网口( e m a c ) ； 4 ) 数据管理输入输出模块( m d i o ) ； 5 ) 1 2 c 总线模块； 6 ) 多通道音频串行端口( m c a s p ) ； 7 ) 两个多通道缓存串口( m c b s p s ) ： 8 ) 三个3 2 - b i t 通用定时器； 9 ) 通用i o 端口( g p i o ) ： 1 0 ) 1 6 - b i t 主机接口( h p i1 6 h p l 3 2 ) ； 1 1 ) 6 6 m h z3 2 一b i tp c i 接口； 1 2 ) 6 4 - b i t 外部存储器接口( e m i f ) ，支持同步和异步存储器无缝连接； d m 6 4 2 可以和t i 的c 6 4 xd s p 目标代码完全兼容，同时还能提供片上集 成的高精度( h d ) 视频端口、无缝以太网接口等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 3 多c p u 通讯方式的选择 在高速数据采集和处理系统中，随着采样数据量的增大及数据处理任务 的增加，对数据传送的要求也越来越高。在系统或模块间如果没有能够高速 传送数据的接口，则在数据传送时极易造成瓶颈堵塞现象，从而影响整个系 统对数据的处理能力。所以，高速并行数据接口的研制在信息处理系统中占 有非常重要的地位。 作为一个系统，多个处理器必须交换数据，系统才能协同并行工作。处 理器间交换数据可以有两种方法，一种是利用标准总线结构实现板间数据传 输，另一种是利用共享存储体的方法，两个处理器要共同访问一个存储体主 要有这样两种方法n 钔，其一是双口r a m 法、其二是先进先出的f i f o 法。这 里我们分别对它们的特点做相应的分析： ( 1 ) 利用标准总线结构实现 利用标准总线结构实现数据传输，如c o m p a c tp c i 总线，利用这种方法 传输数据要求板上有总线控制器接口电路，还要有卡槽，成本高，系统复杂， 稳定性差，所以我们这里不予采用。 ( 2 ) 双口r a m 法 双口r a m 是一种双端口存储器件，允许两个处理器各访问一个端口，每 一个处理器都可以将双口r a m 看作自己的本地存储器n 副。双口r a m 的每个端 口都有各自的数据、地址、控制总线，允许处理器对存储器的任何地址执行 随机读写操作。当两个处理器同时对同一地址单元操作( 如同时写、或一个 写一个读) ，双口r a m 会自动产生b u s y 信号表示冲突。一般此b u s y 信号接 至处理器的r e a d y 端，使其读或写时序延长，最终读出或写入。 ( 3 ) f i f o 法 实现两个处理器间数据交换的另一种方法是f i f o 结构引。f i f o 是一种 先进先出的结构，较双口r a m ，它有如下特点：第一它无地址线，布线简单； 第二它不能像双口r a m 一样可以对任意地址单元操作，实现随机存取，只能 是顺序存取。f i f o 只能实现块操作，其读出数据的顺序和写入的顺序是一样 的。f i f o 有单向双向之分和同步异步之分。单向f i f o 只能向一个方向传输 数据，双向f i f o 可以向两个方向传输数据。目前f i f o 的内部结构是由双口 r a m 加驱动双口r a m 地址的计数器构成。同步f i f o 是由专用时钟管脚信号来 使计数器翻转，片选和读写是使能信号；异步f i f o 是由读写信号使计数器 翻转。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 根据以上的分析比较，本系统设计决定采用双口r a m 进行c p u 之间的数 据通讯，两个处理器要交换数据则一个处理器将数据写入存储体，而由另一 处理器将数据读出，这种方法可以实现处理器总线的隔离，使两个处理器间 可以有效地交换数据，实现数据共享。利用高性能双口r a m 能够方便地构成 各种工作方式的高速数据传送接口，不管是在并行处理网络中的数据共享， 还是在流水方式中的高速数据传送中，高性能双口r a m 都发挥着重要作用， 从而保证数据通路的畅通。 2 4 远程视频监控系统总体框架 本视频监控系统主要由前端嵌入式监控模块和远程p c 机监控中心组成。 前端系统主要将现场采集的视频数据经过相关压缩处理变成数字信号，然后 通过以太网传输至远程视频监控系统终端，远程中心解码播放接收到的视频 流，远程监控端还可以通过界面控制云台的转动、调整摄像头的参数，以改 变监控区域。其系统框图如图2 2 所示。 前瑞音枕影隙目 嵌入式视频l 监1 蹦网线 控模块 爿 算d 棚 隔 静糟捌弼凛b 嵌入式视频监 砌4 5 网线 绝 1。卜 控模块 图2 - 2 视频监控系统整体框图 2 5 视频采集端硬件结构 本监控系统所监控的对象为变电站各种设备和厂区，它具有地域分布广， 图像质量高，实时性强等特点，因此我们在最初的设计构想中，前端视频采 集系统硬件部分拟采用多c p u 协作的方式来实现。按照需求分析，视频采集 端硬件拟采用5 个处理器，其中四个为视频采集处理器，专门用于视频的采 集和压缩，一个为通讯管理处理器，负责远程终端和每个c p u 的通讯，每个 视频处理器的每路通道独立地将采集到的视频信号进行h 2 6 4 压缩编码，生 成h 2 6 4 码流，送至通讯管理处理器进行的相应的网络发送，系统控制信号 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 也可以通过网络来实现。 由于一下要完成5 个c p u 阵列的设计在技术、资金等方面都存在很大的 困难，而且本设计主要还是要设计一个d e m o 硬件平台，所以本系统的实际 设计将5 个c p u 系统进行了相应的简化，保留了两个c p u 的通讯协作的功能。 我们的前端视频c p u 还是采用t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，而负责通讯的c p u 我们考虑到 如果采用其它的c p u 的话，将需要重新去熟悉它的器件性能和外围器件的选 型还有它的开发平台等软件开发环境，这势必大大影响本设计的进度水平， 所以鉴于以上的原因我们仍然用t m s 3 2 0 d m 6 4 2 作为通讯c p u ，这还考虑到以 后的完整多c p u 系统的通讯c p u 需要一个更为强大的处理器，而t m s 3 2 0 d m 6 4 2 完全能胜任这个工作。该双c p u 总体硬件结构图2 3 所示。 该双c p u 系统是由d m 6 4 2 、s d r a m ( 4 m * 6 4 b i t ) 和f l a s h ( 2 m * 8 b i t ) 等组 成。前端接入c c d 摄像头，视频解码芯片采用t i 公司的t v p 5 1 5 0 ，d m 6 4 2 的 视频端( v p ) 通过视频解码芯片t v p 5 15 0 能方便地实现和c c d 摄像机的无缝 连接，c c d 摄像机输出的模拟视频信号经t v p 5 1 5 0 模数转换后，形成b t 6 5 6 格式的数字视频信号，从d m 6 4 2 的v p 口输入；d m 6 4 2 通过e d m a 方式从v p 口将采集到的y u v 格式的数字信号搬运至系统存储单元中，再对视频数据用 h 2 6 4 压缩算法进行压缩处理编码压缩，生成的h 2 6 4 码流经双口r a m 至通讯 管理c p u ，管理c p u 将数据由e m a c 的m i i 接口送到片外p h y ( l x t 9 7 1 ) 芯片 后，通过以太网传到远程监控中心主机，通过p c 机的监控软件接收播放视 频数据，完成网络视频监控的功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图2 - 3 系统的总体硬件结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第3 章硬件各模块详细设计 3 1d s p 模块基本设置 3 1 1 时钟设置 d m 6 4 2 内部时钟电路如图如3 - 1 所示： ( f o rt h ep l lo p t i o n s ：c l k m o d ep i n ss e t u p ，e n d e c l k o u t e c l k 0 0 t 2 p l lc 1 0 c kf r e q u e n c yr a n g e s ! s e et a b l e 吼l 图3 1d m 6 4 2 内部时钟电路结构刀 为了充分发挥本系统d s p 的性能，我们输入时钟c l k i n 为5 0 m h z ， c l k m o d e 1 ：0 上拉或下拉为1 0 ，片内p l l 设置为x 1 2 ，c p u 内核频率为5 0 x 1 2 = 6 0 0 m h z 。e c l k i n 为1 3 3 m h z ，a e a 2 0 ：1 9 上拉或下为0 q ，即e m i f 时钟 e c l k o u t l 配置为来自e c l k i n ，为1 3 3 m h z 。而片上外设总线、e d m a 传输和l 2 存储器的工作频率为c p u 内核频率的1 2 ，即3 0 0 m h z 。具体配黄模式见表3 1 。 p l l 控制器的输入电平+ 3 3 v 是模拟信号，需要和d m 6 4 2 的+ 3 3 v i o 电平相隔 离。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 表3 - 1 锁相环倍频系数模式 c l k m o d e1c l k m o d e o m u l t i p l yf a c t o r s o0x 1 o1x 6 10 x 1 2 11 r e s e r v e d ， 3 1 2b o o t m o d e 的选择 d m 6 4 2 支持三种b o o t 模式，分别是h o s tb o o t ，e m i fb o o t 和n ob o o t 。 三种启动模式的选择是通过设置复用e m i f 地址总线的a e a 2 2 ：2 1 引脚来进 行的，具体的配置可以参见表3 - 2 。本系统采用e m i fb o o t 方式，系统上电 或者复位后，d m 6 4 2 将从配置在扩展存储器接口( e m i f ) c e l 空间的f l a s h 存储器中搬移1 k b y t e 的b o o t l o a d 代码到片内或者s d r a m 中进行运行。 表3 2d m 6 4 2 的b o o t 模式埔1 a e a 2 2a e a 2 1m o d es e l e c t i o n 0on o b o o t o1h o s tb o o t l0r e s e r v e d 11e m i fb o o t 3 1 3 外设复用的设置 表3 - 3d m 6 4 2 外设配置情况n 刚 p e r i p h e r a ls e l e c t i o np e r ip i l e r a l ss e l e c t e d p c ie np c ie e a ih d 5m a ce nh p ih p i3 2 一b i te e p r 删e m a ca n d g p o 1 5 ：9 p i n p i n l 5 p i np i nd a t ad a t ap c i( i n t e r n a lm d i o e 2 j y 1 c 5 l o w e r u p p e r t op c i ) 0 o o od i s a b l e dd i s a b l e dd i s a b l e d o0o1d i s a b l e dd i s a b l e d、， 0 0 1 0 、， d i s a b l e dd i s a b l e dd i s a b l e d o o 1 1d is a b l e dd i s a b l e dd i s a b l e d l l d i s a b l e dd i s a b l e dd i s a b l e d 尽管d m 6 4 2 的片上外设和接口很丰富，但是有些片上外设和接口是复用 的，而且是相斥的。当使用了一种外设，复用的另一种外设就会被禁止。比 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 如说g p o 1 5 ：9 和h p i ，p c i 和e m a c 是复用的，这些复用的外设的使用在系 统上电或者复位的时候就要通过相关引脚设置来确定，具体的设置情况请参 见表3 3 。本设计使能e m a c m d l 0 和g p o 1 5 ：9 ，将h p i 和p c i 接口禁止， 也就是将引脚h d 5 ( p i n y 1 ) 和m a c - e n ( p i nc 5 ) 拉高。 3 1 4e mif 外部时钟输入 当d m 6 4 2 的e m i f 总线与s d r a m 存储芯片实现无缝连接的时候，s d r a m 的 刷新时钟可以以三种方式获得：a e c l k i n ，c p u 4c l o c kr a t 和c p u 6 c l o c k r a t e 。三种选择是通过复用e t l f 地址总线的a e a 2 0 ：1 9 引脚来进行 的，具体的配置可以参见表3 - 4 。本系统选择直接从a e c l k i n 引脚获得s d r a m 的工作时钟。 表3 4e m i f 时钟具体的配置n 8 1 a e a 2 0a e a l 9 e m i fc l o c ks e l e c ti o n 00a e c l k i n o1 c p u 4c l o c kr a t e l0c p u 6c l o c kr a t e 1 1r e s e r v e d 3 2 外部存储器模块 3 2 1d m 6 4 2e mif 接口简介 在d m 6 4 2 片上集成了二个6 4 位的外部存储器接口( e m i f ) n9 l ，e m i f 有 四个片使能c e o 一3 扩展了四个外部访问空间，每个空间的寻址范围达到了 2 5 6 m ，能够支持6 4 - b i t ，3 2 - b i t ，1 6 - b i t ，8 一b i t 的外部器件。e m i f 有三个 内存控制器：s o r a m 控制器支持1 6 m b 一2 5 6 m b s d r a m 器件。可编程同步控制器 提供和各种同步存储设备的