（电路与系统专业论文）基于dsp的无线图像传输系统的设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 视频技术的飞速发展及数字技术的同益成熟，为许多视频应用提供了基础。本 文硎制的基_ fd s p 的图像无线传输系统，正是基于数字化的思想，以数字信号处理 芯片为系统核心搭建图像处理和无线传输的硬件平台。本躁统分为两大部分，第一 部分为主端机，它完成图像的采集存储以及数字压缩，数字无线传输。第二部分是 终端机，它完成图像的接收和解码显示以及将图象发送到微机，微机将接收到的图 像数据存储为特定格式的图象文件。 i 奉论文基于视频处理技术和d s p 提出了无线图像传输方案，分析了设计的关键 技术，介绍了图像的数字化和存储的具体实现，重点论述了d s p 处理芯片与a d 转 换芯片和存储器的接口问题。基于j p e g 图像压缩标准本论文实现了基于数字信号 处理器的j p e g 压缩。图像数据的无线发送中着重讨论了d s p 芯片与无线模块的 接口问题及实现方法。为了对实时采集的有用图像进行保存，本系统实现了采用d s p 主机接口与微机并口的接1 3 。 通过大量的理论学习和精心设计，完成了系统的设计，并为下阶段的工作积累 了宝贵的经验。但由于时间的紧迫和硬件的限制，实际系统还有许多地方需要继续 完善。、， 7 关键词：数主信呈处理器；j p e g 压缩；视频信号；视频采集 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f v i d e oa n d d i g i t a lt e c h n o l o g ym a k em a n y v i d e oa p p l i c a t i o n s e a s y t o d e s i g n t h ew i r e l e s si m a g et r a n s m i s s i o ns y s t e m b a s e do nd s pc h i pt h a tw e d e v e l o p e di sah a r d w a r ew h i c hi m p l e m e n t sp r o c e s s i n ga n d t r a n s m i s s i o no f d i g i t a li m a g e a n dm a k e su s eo f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s sc h i pa st h ec o r eo f t h es y s t e m t h es y s t e mc o n s i s t s o ft w op a r t s t h ef i r s t p a r t i st h ed e s i g no ft h eh o s tw h i c hh a n d l e st h ea c q u i s i t i o na n d c o m p r e s s i o no f t h ei m a g e ，t h e nt r a n s m i t e st h ei m a g ed a t a t h es e c o n dp a r ti st h ed e s i g n o ft e r m i n a le n dw h i c hi m p l e m e n t s r e c e i v i n g o f i m a g e d a t aa n dc o m m u n i c a t i o nw i t hp c t h i sp a p e rp r o p o s e saw i r e l e s si m a g et r a n s m i s s i o ns c h e m ea n da n a l y z e st h ek e y t e c h n o l o g yo f t h es y s t e mb a s e do nv i d e op r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dd s et h ep a p e ra l s o e l a b o r a t e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f i m a g ea c q u i s i t i o na n di m a g es t o r a g ea n df o c u s e s o nt h ei n t e r f a c eo fd s pc h i pa n da da n d m e m o r yc h i p a c c o r d i n g t ot h ej p e g s t a n d a r d ，j p e gc o m p r e s s i o no ft h ei m a g ei si m p l e m e n t e dw i t hd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s c h i p i nt h et r a n s m i s s i o no fi m a g ei n t e r f a c eo f d s p c h i pa n dw i r e l e s sm o d u l ei sd e t a i l e d i no r d e rt os a v et h ei m a g es a m p l e db yt h es y s t e m ，i n t e r f a c eo fd s p c h i pa n dp a r a l l e lp o r t o fp ca r ed e s c r i b e d b yal o t o ft h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a la n a l y s i s ，w e c o m p l e t eo u rd e s i g na n d a c c u m u l a t es o m ee x p e r i e n c e s b u tw i t ht h el i m i to ft i m ea n dh a r d w a r eo u r s y s t e m p e r f o r m a n c em u s t b ei m p r o v e d k e yw o r d s ：d s p ；j p e gc o m p r e s s i o n ；v i d e os i g n a l ；v i d e oa c q u i s i t i o n l i 华中科技大学硕士学位论文 1 1课题来源与国内外概况 1绪论 随着生活的需要，汽车逐渐步入寻常百姓的生活成为日常消费品之一。但不同 于其它消费品的是小汽车不能随身携带且价值不菲，因此汽车的防盗变得非常重要。 人类获取的外界信息约有7 0 来自视觉，如何获取、处理和利用视觉信息是非常重 要的。视频技术的发展历史虽然不长，但应用范围己经非常广泛。随着社会的发展， 视频处理的应用领域也不断扩大。视频图象作为一种重要的信息表达形式，其包含 的信息量是文字、声音等其它媒体所无法比拟的。大规模集成电路、计算机和通信 技术的迅速发展和相互渗透，进一步促进了视频技术的不断进步和广泛应用【6 1 f7 1 。本 文所设计的基于d s p 的图象无线传输系统就是想利用视频处理技术实现汽车的图象 防盗。 随着计算机技术和微电子技术的不断进步，视频处理技术与应用技术有了很大 的发展。而通信网的巨大发展也为视频技术的高速发展带来了机遇。在通信网中无 论是有线技术还是无线技术都在朝着宽带化和l p 化方向发展。同时，图形图象技术是 近年来计算机发展最为迅速、最吸引人的领域之一，其应用设计多媒体通信、医学研 究、工业生产等诸多领域。特别是数字成像技术的发展，使得图象应用更加广泛。 奉课题的思路即是结合视频技术和计算机图象技术的优势，开发套可以实时 监视并具有图象存储功能的远程监控防盗系统。利用先进的科学技术实现对犯罪行 为的早期报警、及时处理，这已成为综合性安全防范技术中的重要组成部分。该系 统利用i ) s p 作为系统核心，利用视频采集和数字图象存储技术，搭建由模拟视频到 数字图象的桥梁，使人们既可充分利用模拟视频的实时性，而且能发挥数字图象便 于保存、传输、共享、处理的优越性。 在很多实际应用场合并不定需要活动图象传输，能在有意义的时刻捕捉静止 图象或在分、秒的数量级内传输幅一幅静止图象就可以了。例如无人职守的仓库、 机房、新闻现场、事故现场等等。这些场合要求图象收发设备轻巧灵活、使用方便、 成本低、图象清晰，基于这种需求研制了适用于汽车防盗报警的无线图象采集系统。 大规模可编程集成电路和数字信号处理芯片的出现，为自动监测与监控系统的智能 化和微小化提供了可能。该产6 l 】接收端具有便携式的特点，集报警、实时监视、 华中科技大学硕士学位论文 图象采集存储、通信控制于一体，体积小，操作简便，适合移动工作，而且功能扩 展容易。以上特点使该产品具有很高的实际应用价值，是一种技术先进的多功能无 线防盗报警系统。 1 2 系统简介 本系统由主控机、手持机两部分组成，主控机大致分为三个部分，即图象信号 的采样，图象编码，无线发送。本系统从简化硬件设计，增加系统的灵活性出发采 用了以d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 为核心的图象处理系统。t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 是1 6 b i t 定 点d s p ，适应远程通信等实时嵌入式应用需要。它有高度的操作灵活性和运行速度， 使用改进的哈佛结构，具有专用的硬件逻辑的c p u 、片内存储器、片内外围设备以 及一个高度专业化的指令集【矾。利用t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 的c p u 内核和片内外围设备可 以方便的完成许多系统的设计。 图1 - 2 1 主机系统框图 图1 - 2 1 是主机系统框图，系统的工作原理是：首先对视频信号进行行场同步分 离，并经单稳电路后用来产生行场同步中断，d s p 中断服务程序控制图象的采样。 采样完后，d s p 对图象数据进行j p e g 压缩，压缩后的图象数据经缓冲串口，再由无 线数传模块发射出去。 手持机作为客户终端，它的任务主要是被动接收报警图象以及保存图象和图象 显示。图1 - 2 2 是手持机的框图。整个系统正是基于传统的客户一服务模式来设计的， 奉系统就是把采样放稚：主端机一方，这样更接近信号源，发送的是数字信号。相比 j 差机只发送模拟信号，而终端负责数据采样有非常明显的优点。 华中科技大学硕士学位论文 幽1 - 2 - 2 终端机系统框图 从图1 2 2 中可以看出手持机的主要设计是各种接口的设计。这些接口包括无线 模块与d s p 的接口，p c 机的并口与d s p 芯片的接口，最后是d s p 与单片机的接口。 系统的设计可以分成两部分。第一部分是主控机的设计。第二部分是手持机的 设计。而主控机的设计又可以分为以下三部分。 i ) 图象数据的采样和存储。这部分是图象的前向通道，对于整个系统非常重要。 这里的关键技术是视频信号的精确采样，这涉及到视频信号的同步信息的精确分离， 以及d s p 的时序控制。另外图象数据的缓存也是设计的难点。由于图象的带宽较宽， 因此要求a d 的采样速率很高，整个系统的数据吞吐量也很高。大量的图象数据信 息如何保存设计到d s p 与存储器的接口。 2 ) 图象数据的压缩算法的实现。这部分的工作是软件编程的工作。难点是 对j p e g 算法的正确掌握以及d s p 实现的正确和高效。 3 ) 图象数据的无线发送。 山于采样了集成的适宜于数字传输的无线模块，所以无线通线的设计不成为本 系统的设计难点。而重点在于d s p 与无线模块的接口。本系统采用的无线模块是异 步传输方式。而d s p 没有异步传输的接口，只是提供了同步串口。因此本系统利用 d s p 的同步串口来实现异步传输。 终端机的设计主要是各种接口的设计。 1 ) 图象数据的无线接收。同样是设计d s p 与无线模块的接口。 2 ) 图象的解码和显示。这部分涉及j p e g 解码，然后将解码数据送l c d 显示。 1 l im t l 训的问题，这部分的设计在第一阶段， f ：没实现。 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 图象数据的微机接收。这部分将j p e g 图象数据发送至微机，然后微机形成 j p e g 交换格式的文件予以显示。这部分的难点是d s p 与微机之间的接1 ：3 。 1 3 视频信号的组成及特点 视频图象按所占空间的维数分为二维、三维视频图象。目前国际上常用的电视 制式是p a l ，n t s c ，s e c a m 制。各制式主要区别在于不同的刷新速度，颜色编码系统 和传送频率3 1 1 2 2 1 。 1 3 1 几个基本概念 一幅图像，根据人眼对细节分辨力有限的视觉特性，总可以看成是由许许多多 的小单元组成。在图像处理系统中，这些组成画面的细小单元称为像素。像素越小， 单位面积上的像素数目就越多，用构成的图像就越清晰。将组成一帧的图像的像素， 按顺序转换成i 乜信号的过程( 或逆过程 称为扫描。 在电视系统- l ，要使传送的图象清晰，并具有活动、连续而又无闪烁感，则要 求传送频率大于临界闪炼频率4 6 8 ，即每秒传送4 6 8 场以上的图像。首先与之相对 的是逐行扫描，对于逐行扫描，要克服闪烁，帧频和场频都为5 0 h z 。则电视图像信 号的最高频率为1 1 m h z ，可见逐行扫描是无法解决带宽与闪烁感及清晰度的矛盾。 隔行扫描就是在每帧扫描约数仍为6 2 5 行不变的情况下，将每帧图象分为两场来传 送，这两场分别称为奇场和偶场。这样，每秒钟将传送5 0 场图象，即场频仍为5 0 h z ， 但此h 寸图象中的最高频率已是隔行扫描的一半，因此将既减小了闪烁感，又使图象 信号的频带仅为逐行扫描的一半，因而世界各国都采用隔行扫描的电子扫描方式。 1 32 黑白全电视信号 电视系统要完成图象信号的传输，不失真的重现原图象，除必须传送图象信号 这一主体信号之外，还必须传送复合同步信号、复合消隐信号、槽脉冲和均衡脉冲 信号，这些属于辅助信号。但它们是为保证收发同步。 1 1 t 体信号一图象信号 图象信号是将明暗不同的景象转变而得的电信号。若图象最亮时，对应的电压 信号幅度最高，此信号为正极性图象信号。如果图象最暗时对应的电压信号幅度最 大，称此为负极性图象信号。图象信号具有如下特征： 华中科技大学硕士学位论文 含直流，即图象信号具有平均直流成分，其数值确定了图象信号的背景亮度。 对于一般活动图象，相邻两行或相邻两帧信号具有较强的相关性。换句话说， 相邻两行或相邻两帧图象信号差别极小，可近似认为是周期信号。 2 ) 复合同步信号 为了收发同步的需要，电视发送端每当扫描完一行时加入一个行同步脉冲；每 当扫描一场时加入一个场同步脉冲，它们分别在行与场逆程期间传送，其宽度分别 小于行场逆程时间。我国电视规定，行同步脉冲宽度为4 7 u s ，场同步脉冲宽度为 1 6 0 u s 。 3 ) 复合消隐信号 无论是图象的分解还是恢复重现，都需要电子扫描才能完成。电子束在回扫时， 若不采取措施，无论是行或场都将出现回扫线，这将对正程所传的图象起干扰作用。 消除回扫线的方法是在行、场扫描的逆程期间，加入消隐脉冲。在电视系统中，发 送端在发送图像的同时，在逆程期间将消隐信号也发送出去。显然，行、场消隐信 号的电平应等于图象信号的黑色电平；行场消隐信号的周期应分别与行、场扫描周 期相同。行场消隐脉冲的宽度应等于行场扫描的逆程时间。即行消隐脉冲的宽度为 1 2 u s 场消隐脉冲宽度为1 6 1 2 u s 。 4 ) 槽脉冲和均衡脉冲 电视系统中，提取行同步信息的方法，是利用鉴相或微分电路，提取行同步脉 冲的i j i 沿。由于场同步脉冲宽，因而在场同步期间会使行同步信息丢失。这样，在 场例程期间行就可能失步。造成每场开始时的前几行不能立刻同步，因而屏幕显示 图象的最上面几行出现不稳定现象。解决这个问题的方法是在场同步脉冲上加开几 个槽，称槽脉冲且使槽脉冲的后沿恰好对应于应该出现原行同步的前沿位置。加入 槽脉冲之后就可保证在场同步期间可以检测出行同步脉冲。槽脉冲的宽度与行同步 脉冲相同。 1 3 3 全电视信号的频谱 所谓频谱，就是电信号的能量按频谱分布的曲线。全电视信号的频谱，应是它 所包含的主体信号( 图象信号) 与辅助信号的频谱之和。分析表明，图象信号的频 谱在0 6 m h z 的范围内，其频谱是不连续的，属离散形，形状象梳齿，故常称其具 有梳壮频谱，各浩线间有很大的间隙。实际图象信号的分布总是任意的，但它总是 要经过逐行、逐场的扫描形成，这样就使本来明暗变化不规则的图象，产生了周期 一_ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一5 华中科技大学硕士学位论文 性变化的规律，及它不外乎是水平方向和垂直方向变化的不同组合。因而黑白电视 图象信号的频谱硬是由行频及谐波组成的主谱线，在主谱线两侧对称的分布着由场 频及谐波组成的边带。 1 4d s p 系统的组成及特点 d s p 系统的核心当然是d s p 芯片。本系统所用的c 5 4 0 9 的内部结构如图1 4 1 所示。 | 鳘| 1 - 4 - it m $ 3 2 0 v c 5 4 0 9 内部框图 从图1 - 4 1 可以看出，d s p 芯片具有计算，存储，和通信的功能。这恰好与数字 思想是吻合的。只要对数字比特进行运算和存储及传输就能完成任何复杂的功能， 这就是数字化的思想f 】。在此c p u 充当计算功能，而片内存储起数据缓存作用，另 外片内外围电路则是传输通道。除上述结构特征外，d s p 芯片还具有适合于数字信 号处理的特点1 4 1 ： 1 ) 改进的哈佛结构 冯。诺依曼结构，其特点是程序和数据共用一个存储空间。统一编址依靠令计 数器提供的地址进行区分。由于对数据和程序进行分时读写，执行速度慢。 哈佛结构是程序和数据具有独立的存储空间，有着各有的独立总线。由于可同 时对数据和数据进行寻址，它大大地提高了数据处理鳃力。改进型哈佛结构是在数 据总线和程序总线之间建立交叉连接。这样允许数据存放在程序存储器内，另外指 令可存储在c a c h e 中。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 流水线操作 个指令是分为取指令、译码、取操作数、执行。显然是顺序的，但如果有多 条这样的流水同时进行，将会大大减少指令执行时间。 3 ) 采用硬件乘法器。 4 ) 一套专门为数字信号处理而设计的指令系统。 5 ) 快速的指令周期。 6 ) 良好的多机并行运行特性，提供了并行运行的通信接口。 一一个相对完备的d s p 系统框图如图1 - 4 。2 所示i 5 1 。 输前 咂 入 - 向 信通 号道 d s p 芯片呕 输后 出向 信 一 _ 咂 通 号道 幽卜4 2d s p 系统构成框图 d s p 系统具有如下特点： 1 ) 精度高，相比r l c 网络只要提商a d 和d a 的精度将有效提高整体精度。 2 ) 可靠性强。由数字电路的特点所决定。 3 ) 集成度高。 4 ) 接口方便。对于系统集成接口设计是关键。 5 ) 灵活性好。可编程。 6 ) 保密性好。 华中科技大学硕士学位论文 2 1图像信号预处理 2 系统的硬件电路设计 图象信号的预处理主要是指对模拟视频信号的处理，这里包括对模拟视频信号 进行隔离和从其中分离出同步信息。 2 1 1 信号的缓冲 本课题采用c c d 摄像头来获取原始图像信号，因此，有必要了解它的输出信号 的特点。概括起来，它具有如下几个特征。 1 输出的信号是模拟信号，峰峰值为2 v 左右。 2 输出的信号是黑白电视全信号。 3 输出信号是正极性图像信号。 此模拟信号是a d c 的采样转化对象，a d c 器件都要求前级电路的输出电阻极 低，在模拟信号输入前要加一级视频缓冲电路1 1 9 】。另还要能调节图像信号的直流分 量。 图2 - 1 、1 视频缓冲隔离电路 图中元件参数如表2 - 1 1 所示： 一一 8 华中科技大学硕士学位论文 表2 - 1 1 视频缓冲隔离电路元件参数 c 11 0 0 u r l2 2 k r 26 2 k r 38 2 r 4 6 2 0 r 52 0 0 k v r 61 0 0 k c 30 0 1 u c 41 0 u 2 1 2 同步信号分离 本课题采用c c d 输出的是黑白电视信号，即电视全信号。从前面的介绍可知， 电视全信号可看作由图像主体信号和辅助信号组成。图像主体信号才是数字化的对 象。但是为了从电视全信号中正确识别扫描行及扫描场，有必要从辅助信号中分离 出行同步脉冲和场同步脉冲【1 8 1 。这过程就需要同步分离电路来完成。图2 - 1 2 就是 一个采用l m l 8 8 1 的视频同步分离电路1 2 7 】【4 9 l 。 悄 图2 - 1 - 2 同步信号分离电路 图中元件参数如表2 - 1 2 所示： v so u t h so u t 华中科技大学硕士学位论文 表2 - 1 2 同步信号分离电路元件参数表 r 15 6 0 r 26 8 0 k c 1 5 6 0 p c 20 1 u c 30 1 u c 40 1 u i _ m 1 8 8 1 视频同步分离芯片用于正极性视频信号的同步分离。它的内部自带钳位 电路，所以输入视频信号范围宽，可从0 5 的峰峰值到2 v 峰峰值。l m l 8 8 1 提供复 合同步，场同步、奇偶场指示等多种定时信号。图2 - 1 3 是l m l 8 8 1 各点的波形图。 l l u l n li o i 卜_ ， 硝。搿 l6 i $ 0k n 守 5 n可- - i- 7i 1 l ll ll f 1 r h巾一1- 7l ill fi l 厂 广广1 广一厂r _ 1 r 一 厂_ 1l 厂_ 1l 广_ 1r 1 幽2 - i 一3l m l 8 8 1 同步提取时各点对应的波形 山于l m l 8 8 1 采用的是幅度分离，因此它不能产生标准的行同步输出及场同步 输出。因此需对输出同步信号进行波形整形，使之符合标准电视信号的一些参数。 采刷由单片集成单稳态触发器构成的单稳态触发电路来完成这一工作。单稳态触发 器是有”个稳定状态和一个暂稳状态的电路i ”i 。在触发信号没有加入之前，电路 处j 稳定状态，在外加触发脉冲作用下，电路能转换成另个状态，但这个状态只 一-_一 j 0 华中科技大学硕士学位论文 是暂时维持的，经过一段时间后。电路将自动返回到原来的稳定状态。单稳态触发 器在脉冲数字系统中的应用十分广泛，它主要用作脉冲的整形，把波形不规则的脉冲 改造宽度和幅度都一致的脉冲。图2 。1 1 4 就是用来产生标准同步脉冲的整形电路。 削2 l - 4 同步信号波形整形电路 复合同步信号经由7 4 l 2 2 1 的l 脚引入，行同步输出的负脉宽主要由v r i 和c l 控制。暂态时间可用公式t = 0 6 9 r c 计算。调节可变电阻使1 3 脚输出1 0 5 u s 的正脉 冲。正脉宽= 同步头脉宽+ 消隐后肩脉宽。场同步脉冲经由7 4 l 2 2 1 的9 脚引入，场同 步输出的负脉宽主要由v r i 和c l 控制。暂态时间可用公式t = 0 6 9 r c 计算。调节可 变电阻使5 脚输出1 6 m s 的正脉冲。 厂厂 6 3 5 u 5 q 加卜1 8 5 u - 一 图2 - 1 - 5 标准行同步输出信号 n厂 一s 。m l 。 1 6 m s 图2 - 卜6 标准场同步输出信号 华中科技大学硕士学位论文 标准的行同步脉冲和标准的场同步脉冲最终在本系统中用来产生d s p 外部中断， 以控制a d 在行、场正程进行采样。 2 2d s p 与a d c 的接口 d s p 系统的核心部分是d s p 芯片，但是d s p 芯片能处理的信号必须是数字的， 而实际系统中的信号一般都是模拟信号，这就需要前向和后向通道将d s p 芯片和实 际系统连接起来。本系统研究的是图像的数字化及存储，因此就不需要后向通道。 2 2 1a ，d 转换器的选择 采集：薛片是d s p 处理系统前向通道的核心。a j d 采集芯片可以从多种角度按多 种方法进行多种分类。a d 转换器可分为直接d 转换器和间接a d 转换器。直接 a d 转换器主要有并联比较型和反馈比较型。间接a d 转换主要有w r 型和v f 等。 对于使用a d ：芯片的普通用户而言，比较关心的性能主要包括速度、精度、接口类 型、自带采保与否、电源数量等。d 芯片的速度与用户要处理的信号的最高频率 息息相关；a d 芯片的精度与用户要处理的信息的最小误差及其系统要求的最高分 辨率紧密相联；d s p 是采用并行接口，还是采用串联型接口主要取决于d s p 接口类 型和要求的接口速度1 1 9 l 。在选用a d 时应考虑以下几点f 2 0 1 。 1 ) 采样速度。与用户要处理的信号的最高频率息息相关。一般是大于信号的最 高频率的2 倍。 2 ) 精度即a d 所具有的位数。 3 ) 接口类型。一般来说对于高频率的采样，采用并行接口为宜。 综合以上考虑，最终选用了t i 公司的一款a d 芯片t l c 5 5 1 0 ，它是一种性价比 很高的高速a d 转换器，能满足本系统的需要。 t l c 5 5 1 0 的主要特性如下【3 2 l ： 1 ) 具有8 比特的分辨率 2 ) 最高转换速率为2 0 m h z 3 ) 5 v 单电源供电 4 ) 自带采样保持电路 5 ) 接t - i 简单 6 ) 低功耗，典型值为9 0 m w 华中科技大学硕士学位论文 由于l c 5 5 1 0 具有上述众多优点，它被应用在数字电视，医疗图象，视频会议， 高速采样，正交解调等众多场合。 2 2 2t l c 5 5 1 0 的结构和原理 对于8 位闪电式a d c ，通常都应有2 5 5 个比较器1 2 9 1 ，而在t l c 5 5 1 0 中，却只有 三个4 位并行a d c 模块，即总共只有3 ( 2 41 ) = 4 5 个比较器。可见，它的数据转 换部分与通常的闪电式a d c 不完全相同，它采用的是半闪电式( s e m i f l a s h ) 结构，也称为并一串比较型| 3 0 j ，这是解决a d 转换器的速度、分辨力、集成度等指 标之问矛盾的有效折衷办法。所谓“并一串”，意为一次完整的转换是经过若干次“并” 行比较“串”联而成的。首先在高位比较器模块( 设为a 位) 上实现高a 位a d 转 换，其结果一方面作为高位输出，另一方面加到a 位d a 转换器上，将已变换的高 位数字变成模拟量，再与输入信号相减，并将其差值放大2 8 倍，由低位比较器模块 实现低位转换，最后与高位数字一起输出。在t l c 5 5 1 0 中，有两个低位比较器模块， 它们是轮流进行低位a d 转换的。采用并一串比较型方案，可以大大减少集成的比 较器数量，同时降低功耗，从而以低价格获得了高性能【3 2 1 。 1 l c 5 5 1 0 与外界的接口主要通过c l k ，o e ，d o d 7 九根信号线与外界接口。c l k 是数据采样所需的时钟。o e 是输出信号使能。当o e 为低时，转化的数据向外输出， 否则则为高阻。要彻底搞清t l c 5 5 1 0 的接口方就必须了解t l c 5 5 1 0 的工作时序。 撺t 却m d i - ) l 璺i2 - 2 - 1t l c 5 5 1 0 时序图 从图2 2 1 中可以看出【3 j ： 1 ) 当采样时钟为高电平时，a d 转换器处于跟踪状态；时钟下降沿时，输入信 号被保持，a d 转换器进入转换状态。 2 ) 转换数据延迟2 5 个时钟周期后在时钟上升沿输出。 3 ) 一旦t l c 5 5 1 0 进入工作流程，它将在每个时钟的上升沿输出采样数据。 4 ) 采样时钟的高电平维持时间及低电平维持时间的最小值均为2 3 n s 。 黜 m 渊 华中科技大学硕士学位论文 2 2 3 接口电路 t l c 5 5 1 0 的接口电路如图2 - 2 2 所示。 ! 塑 f i 一一 。，i，j 。j，。j i i 瑞士2 f 辛辩缸器 n d 2 寸0 1 瑚口下v d d d ” f刘”碧 r l i o v d r 日 未。 j r m g n dd g n d j2 l 图2 - 2 2t l c 5 5 1 0 的接口电路 t l c 5 5 1 0 与d s p 的接口信号有如下几个信号： 1 ) 采样时钟输入。由于采样的图象信号的带宽为6 m ，但是图象信号的主要能量是 集中在频率低端。所以这里采用1 0 m 的采样时钟。采用由d s p 来提供输入采样时钟， 并且山d s p 提供采样的地址。整个采样都是由d s p 用软件来控制的，也就是说d s p 不但启动采样并且提供采样时钟和读取采样数据。采样时钟由d s p 的r w 反向后供 给t l c 5 5 1 0 a 对于d s p 如何来产生1 0 m 的时钟，将在采样的软件控制里详细介绍。 2 ) 数据线d o d 7 。 数据线d 0 - d 7 经一个总线驱动器7 4 h c 2 4 5 后直接接到存储器上。驱动器的使能 山系统中的逻辑芯片来控制。 3j 采样数据输出使能。 出于t l c 5 5 1 0 与存储器之间接了总线隔离器。所以t l c 5 5 1 0 的数据输出使能可 以一直使能。 从该接口电路可看出，整个采样过程都是d s p 控制的，不仅d s p 要起接口的作 用，即取采样数据，还涉及到d s p 时序控制问题。如何进行采样和保存数据将在后 面讲述。 浚器件在应用时，还有以下几点需要注意： 1 4 华中科技大学硕士学位论文 1 ) 外部的数字电路和模拟电路要尽可能的隔离，以减少系统干扰； 2 ) 数字地和模拟地须在一点稳固相连； 3 ) 数字电源到数字地和模拟电源到模拟地之间要用l u f 和0 0 1 u f 的电容良好 去耦，连线尽量靠近引脚； 4 ) 连至模拟输入的信号源输出阻抗在测试频率范围内不能高于1 0 q 。尽量挑 选低输出阻抗的运放、减小前置运放和a d 转换器之间的隔离电阻。 2 3 d s p 与存储器的接口 存储器是d s p 系统中最主要的部件之一。从使用功能的角度，存储器可分为断 电后数据会丢失的易失性存储器；断电后数据不会丢失的非易失性存储器。在传统 的概念上，前者叫做r a m ，包括s r a m ( 静态r a m ) 和d r a m ( 动态r a m ) 。后 者叫做r o m ，这种存储器只能脱机写入，使用时只能读不能写。但目前这种观念正 在逐渐模糊。r o m 和r a m 正在吸收对方的优点，交叉发展f l 】o 2 3 1 存储器的选用 在选择r a m 时，关键要考虑r a m 存储器如下几个因素1 1 2 j 。 1 ) 存储的字长，即进行一次读或写时能存储多少b i t ，现在一般的存储器要么是 8 位字长，要么是1 6 位字长。 2 ) 存储器的容量。一般以字为单位来说明存储器容量。例如对于8 b i t 存储器， 1 2 8 k 的存储容量即是指1 2 8 x 8 的b i t 容量。 3 ) 存储器的最快访问时间。存储器的访问时间是指进行一次数据访问所需的时 间。具体来说，是指从片选选中，地址出现的那一刻起到数据最终呈现在数据线上 为止的这段时间。所谓最快访问时间是指存储器将数据呈现在数据线上所需的最短 时问。 4 ) 存储器的电源电压。一般有两种选择，一是3 3 v 的存储器，一种是5 v 存储 器。 综上考虑，提出本系统对存储器的要求： 1 ) 由f 本系统的a d 的精度只有8 位，所以选用8 b i t 的存储器。 2 ) 至r 存储器的容量，系统的要求是至少能缓存一幅高质量的图象。如果图像 华中科技大学硕士学位论文 的分辨率采用5 1 2 5 1 2 ，每个像素用8 b i t 来表示，则要求的存储空间是2 5 6 k 。在此 选j j5 1 2 k 的存储器，因此，可存储两幅高分辨率的图像 3 ) 对于存储器的访问时间，考虑到本系统中的d s p 访问外部程序空间的无等待 状态时问为5 0 n s ，因此选用最快访问时间为5 5 n s 的存储器。 4 1 所采用的d s p 芯片是3 3 v 的电源电压，但是实际上在本系统中3 3 v 和5 v 器件是共存的。比如选用的a d 器件就是一个5 v 器件。考虑到这种共存性，最终 决定还是选用5 v 的r a m 器件。对于如何解决5 v 和3 3 v 共存系统的一些问题，将 在后面作专门论述。 确定了这些参数之后，就可着手选择实际的存储器芯片。本系统选用了h i t a c h i 公司的h m 6 2 8 5 1 2 芯片，它完全满足上述要求。 2 3 2d s f 与存储器的接口 存储器h m 6 2 8 5 1 2 的接法如图2 - 3 1 所示： u 1 a a 1 6 a 1 5 a 1 8a 1 4 o n da 1 3 v c ca 1 2 a 1 7a 1 l c ea 1 0 w ea 9 o ea 8 日n， d 6a 6 d 5a 5 d 4a 4 d 3a 3 d 2a 2 d 1a 1 d oa 0 图2 - 3 1 存储器的电路 x 4 - j 二存储器，关键是逻辑时序控制和地址线和数据线的接法。下面就逻辑控制 地址译码和数据总线的隔离和电压转换进行介绍。 1 ) 逻辑控制 1 6 华中科技大学硕士学位论文 匾凼畛面二二 x 圜i v c c 卜1 z 0 一 d s p _ r w 一 i ：畜盛 i d s p m s 盟t r b 贮j ) i2 叫匿萤 一巴坚。兰 图2 - 3 - 2 存储器的逻辑 从图2 - 3 2 看出，h m 6 2 8 5 1 2 的片选由d s p 的p s 和m s t r b 相或来选通。 h m 6 2 8 5 1 2 的写信号由d s p 的读写信号r w 直接控制，而读允许信号由d s p 的读 写信号r w 反相后控制。 2 ) 地址译码 对于存储器，要将它映射到d s p 的一定空间再访问。例如本来h m 6 2 8 5 1 2 具有 1 9 根地址线，对应地址范围0 0 0 0 0 7 f f f f 的地址范围。但对于d s p 来说，并不能在 0 0 0 0 0 7 f f f f 内访问它。只有将它映射到d s p 的地址空间7 1 1 能建立d s p 访问存储器 的桥梁。如何来映射昵? 首先看d s p 程序空间的具体映射1 2 3 1 。 1 ) 对于c 5 4 0 9 ，程序空间可以分成1 2 8 页来访问，每页码k 。 2 1 当o v l y = o 时，片内r a m 不被映射到程序空间，此时1 2 8 页的空间都可用 来访问外部存储器。 3 ) 当o v l y = i 时，程序空间所有页的头3 2 k 被映射到片内r a m ，也就是说对 x x 0 0 0 0 一x x 7 f f f 的访问都被认为是对片内3 2 l ( 1 认m 的访问。 4 ) 在本系统中，将o v l y 设置为1 ，也即1 2 8 页的头3 2 k 都指向片内r a m 。 正因为这样，确定按表2 3 1 来映射地址空间。 确定空间映射之后，下面就需要确定地址译码的逻辑关系。按数字电路设计规 范，首先应列出真值表，然后根据卡诺图来化简逻辑1 1 7 l ，最后将得到最简的逻辑关 系式。由于此处对应的逻辑关系比较简单，故省略上述步骤。最后如下得逻辑关系： m sa 1 5 = d s p _ a 1 6 7 m sa 1 6 = d s p _ a 1 7 m s a 1 7 = d s p a 1 8 m sa 1 8 = d s pa 1 9 华中科技大学硕士学位论文 表2 - 3 1t m s c 5 4 0 9 程序地址对应访问的存储器地址范围 d s p 地址空间存储器地址范围 0 0 8 0 0 0 - - o o f f f f0 0 0 0 0 - - 0 7 f f f 0 1 8 ( m ) 0 _ 0 1 f f f f0 8 0 0 f f f f 0 2 8 0 0 0 _ 0 2 f 1 研1 0 0 0 0 _ 一1 7 f f f 0 3 8 0 0 0 _ 0 3 f f f f1 8 0 0 0 _ 一l f f f f 0 4 8 0 0 ( 卜0 4 f f f f2 0 0 0 0 _ 一2 7 h 下 0 5 8 0 ( ) 0 由5 f f f f2 8 0 0 0 _ 一2 f l 礓下 0 6 踟0 缸i f f f 3 0 0 0 0 _ 3 7 f i 下 0 7 8 0 0 咖7 f f f f 3 8 0 0 旷一3 f f f f 0 8 8 0 0 0 - 0 8 f r 下 4 0 0 ( o 一4 7 f f f 0 9 8 0 0 嗍9 f f f f 4 8 0 0 俨一4 f f f f 0 a 8 0 0 0 - - o a f f f f 5 0 0 0 0 5 7 h 下 0 8 8 0 0 0 由b f f f f 5 8 0 0 伊一5 f f f f 0 c 8 0 0 0 - - o c f f f f6 0 0 旷6 7 f f f o d 8 0 0 0 0 d f f f f 6 8 0 0 0 _ 一6 f f f f 0 e 8 0 0 0 _ 0 e f f f f 7 0 0 0 旷一7 7 f f f o f 8 0 0 f f f f f 7 8 0 0 乎一7 f f f f 3 ) 数据总线的隔离和电平转换 由f 采用的是5 v 的r a m ，而d s p 系统是3 3 v 系统。因此这就需要在r a m 和 d s p 数据线之间加电平转换。另外，由于a f d 的数据也要往r a m 要写，因此在r a m 和d s p 数据线之间也要加总线隔离。可以采用。7 4 a c q 2 4 5 由3 2 个主态门组成1 6 路双向驱动。1 d i r ，2 d i r 控制数据流向：1 d i r = 0 擞据由1 b 到1 a ，1 d i r = 1 。数据由 1 a 到1 8 2 d 1 r = o ，数据由2 b 到2 a2 d i r = i ，数据由2 a 到2 8 1 g ，2 g 控制输出使能 1 g = i ，1 a 或1 b 输出为高组态1 g = 0 ，1 a 或1 b 输出允许；2 g = 1 ，2 a 或2 b 输出为高阻： 2 g = o ，2 a 或2 b 输出允许。 一一 1 8 华中科技大学硕士学位论文 3 系统的软件设计及d s p 实现 3 1图象采样的软件实现 上面分别讲了d s p 与t l c 5 5 1 0 的接口，以及d s p 与存储器之间的接口设计。 图3 1 ，l 是三者之间的互联框图。 d ( 卜d 7 t l c 5 5 1 0 c l k 行刷步中断 场同步中断 总线驱动 r 删a 0 a 1 4 d s p ) ( f p s m 盯r b i n t oa 1 5 - a 1 9 i n t l州 控制逻辑 d 0 d 7 h m 临2 8 5 1 2 a 肛a 1 4 a 1 5 - a 1 8 ，晒 0 _ e 岱 豳3 - i 1d s p 与a d 和存储器的接口框图 从图3 - 1 1 可以看出： 1 乙c 5 5 1 0 的数据线并不直接接d s p 。而是接到存储器。 采样数据保存时的地址是由d s p 来产生的。 整个时序是由d s p 来控制的。 系统的图象输入是电视全信号，而采样的只能对电视主体信号进行采样。所以 采样需要行同步和场同步来控制。利用分立出的场同步脉冲的下降沿来产生d s p 场 中断，场中断主要任务是确认一场图象采样的开始，同时允许对图象的每一行进行 采样。行同步脉冲的下降沿用来产生行中断。行中断的服务程序主要对一行时间的 图象信号进行5 1 2 点的采样，然后把它写入到存储器里。所以整个采样过程实际是 在两个中断服务程序里完成的。而核心是行中断服务程序。图3 - 1 - 2 就是行中断服务 程序的流程图。 1 9 华中科技大学硕士学位论文 图3 - 1 2d s p 行中断服务程序流程图 看一行采样的实现。下面就是进行一行5 1 2 点采样的一段程序。 s t m 襻5 1 2 b r c r p t b # e n d _ s a m p l e - 1 ；循环采样 i d a r 2 ，b w r n a 0 a d d 群1 a e n d _ s a m p l e 这段程序实际蕴涵了相当的信息。首先采样时钟就是由该程序控制。来分析如 何由此程序来产生满足要求的i o m 采样时钟。 1 ) 当程序进入循环后，首先执行i d + a t 2 ，b ，这条指令是一条从数据空问读取数 2 0 华中科技大学硕士学位论文 据的指令，不过并不想读任何数据，只是利用它的时序。对于d s p ，当它读取外部 空间的数据时，无等待状态的读需要2 个c