（计算机系统结构专业论文）管道内窥摄像检测系统设计.pdf

摘要 摘要 我国许多油田发生过新管材失效事故，如压裂管柱破裂等。发生事故的重要 原因之一是商检时未进行内壁检查，致使外观质量虽好，内壁却有缺陷的管材通 过验收并下井使用。这些管材由于加工及腐蚀的原因，在使用前后可能会出现裂 纹或孔洞，致使在使用过程中，各种因素造成应力爆裂和泄漏。然而，一般情况 下，管道内部往往是人们不易或不能直接接触的。因此，对于管道的检测，成为 工业生产中一个非常重要的问题。 管道内窥摄像检测系统是目前用于管道检测评估最常用、有效的方法之一， 该系统能迅速地检测管道内部情况并通过高清晰度显示器显示实时图像，同时也 可将图像信息储存在系统硬盘上。 论文在对国内外管道内窥摄像检测系统分析的基础上，针对管道比较长而摄 像检测距离有限的问题以及数据传输速率比较慢不能满足高速实时检测的需求进 行分析研究，提出了一种基于模拟视频传输和双缓存接口的改进方案，并对其的 软硬件设计做了详细的阐述。 硬件设计部分主要完成了基于例0 s 模拟摄像头、u s b 以及c p l d 的采集传输 系统。数据缓存采用双缓存系统，保证了采集、传输的协调工作，实现了接收数 据与发送数据的并行工作。 软件设计部分主要包括固件程序、u s b 驱动程序和应用程序的设计工作。在 固件设计部分，完成了u s b 接口从f i f 0 模式下的固件设计；在驱动程序设计部分， 实现了u s b 同步传输的驱动程序设计；在应用程序设计部分，实现了颜色空间y u v 到r g b 的转换设计。 关键词：管道内窥c p l du s b a b s i f a c t a b s t r a c t t 1 l em 卸yo i l 丘e l de m e r g c st h ca c c i d e n to ft h cn e wp i p e l i n ci n v a l i d c d ，s u c h 弱 c r a c k e dp i p e l i n ep r c s s e d t h eo n eo fi m p o n a n tr e a s o ni st l l ep i p e l i n eu s e dw h i c hi td o e s tc h e c ki 衄e r 鲫m h c c i ti sp o s s i b l ct h a tt h ep i p e h n ee m e 曙龉t h cc m c ko rh o i e ，c a u s e d b ym 柚u f a d u 硎 卸de m d e d nk a d st 0t h e p i p e l j l l e l e a k c d u n d e r g c n e m l 咖m s t 卸c e s ，t h ei n n c fi sn o td j r e c t l ya c e 蹒何n o te 勰y t h u s ，i t i sv i t a l 蕾o rt l l e i n d u s t r i a lp r o d u c t i t h es y s t e mo fp e e p i n ga tt l l ei 加盯s u 血c co f p i p c l i 鹏i sn o wt h c 咖eo ft h e i n s p c c t i 蛐m e 弱u r c s w h i c hj s t l l em o s tu f i l l 锄dv a l i d 1 1 l i ss y s t e m 锄a b l es w m l y c h e c kt h ci 蚰e ro ft h ep i p e l i l l e 柚dd i s p l a yt h es i t u a t i o v c rt h el l i g l lr c s o l u t i o n ，w h i l c i tc a ns t o r et h ed a t eo nt h ed i s k b a s e do nt h e 觚a l y s i so ft h ed o m e s t i c 锄da b r o a ds y s t e mo fp e e p i n ga tt h ei l l n e r s u r f h c eo fp i p e l i n e ，t h i sp a p e rf e s e a r c ht h ep m b l e mo ft l l ei 咖gp i p e l i n ea g a i n s tt h e l i m i t e ds c o p co f t h es y s t e m 柚do ft h es l o wd a t at i 锄s m i s s i o na g a i n s t t h eh i 曲s p e e d i e a lt i m en e c d s ni sp u tf b 聊盯dt h ei m p m v 锄e mw h i c hi sb 勰c d t h c 锄a l o gc a m e m 卸dd o u b l eb u 疵l a n di td e s c f i b c dt h ed e t a i l so ft h eh a f d w 峨蛐d 鲥细眦d e s i 乒 w h a tt h em a j o rp a no ft h el l a r d w a r ed e s i 印f i n i s h c di st h ei n l a g ca c q u i s i t i 傩卸d t 啪s m i s s i s y s t e mw h i c hi sb a s c do nc o m sc a m e 飓u s b 柚dc p l d n ed o u b l e c a c h eo fd a t ar e c c i v i n gs y s t e mi sa c h i e v e d ，锄de n s u r ct h ec 0 0 r d i n a t i 伽o ft h es y s t e m m a k et h ea c q u m n gd a t aa n dt r 孤s m i n i n gd a t ai si nap a r a l l e lw o f k i n g t h e 腑a d e s i 伊i sh l c l u d i n g w a r e ，t h eu s bd f i v c rp m c e d u r c 彻d a p p l i c a t i p r o g r a m h6 i m w a r cd e s i g n ，i tc 0 蝴p l e t e st h e 痂衄【w a 化d e s i g no fs l a v e f 1 f om o d eo fu s b d r i v e fi nt h ed c s i 乳i ta c c o m p l i s h sd e s 硒o ft h ei s o c h r o n o u s t r a n s f c r a n df o rt h e 印p l i c a t i o n ，i ta c h i e v e st h et 瑚s f c rf r o mt h e vc o l o r t or g b k e y w o r d ：p i p ep 神p i n g c p l du s b 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构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 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：二：筮墨垂 日期2 翌z ：z ：墨扩 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于机密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：彳塑垂日期2 翌乙! ：名移 导师签名：；舡日期乒棚l j ， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出 随着我国经济的发展，煤气、输水、油气、通讯、化工以及其他用途管道急 剧增加。由于腐蚀、压力以及其它外力损伤等因素，管道不可避免地会出现各种 破损。如果不及时更换，将可能酿成严重的事故；如果因为无法检测到出现腐蚀、 裂纹和泄漏孔的管道而更换全部的管道将造成资源和经费的严重浪费。一般情况 下，管道所处的环境往往是人们不易或不能直接接触的。因此，对于管道的检测 和维护，成了工业生产中的一道难题。 管道内窥摄像检测系统是目前用于管道检测评估最常用、有效的方法之一， 管道内窥摄像检测系统的应用起源于1 9 5 0 年间1 1 1 ，当时由一组大型电视摄影机放 置在手推车上，推送经过英国伦敦郡一条砖砌的污水下水道，将其现况呈现给该 郡排水委员会的委员参考，以说服该委员会此污水下水道急需修缮，这是电视摄 影机最早应用于检测管线明确纪录之一。1 9 5 8 年一套可以应用但很麻烦的管道内 窥摄像检测系统于德国问世，早期的摄影机采用阴极射线管为组件，对于不当的 操作及不理想环境的适应力很差，而该设备易碎且不坚固。此种现象于1 9 8 0 年代 由于电子产品技术提升及晶体管摄影机的问世而改变。近代摄影机的体积不断缩 小、重量减轻、较先前产品的可靠度更高，而高分辨率的彩色摄影机不但己成为 管道闭路电视检测系统的标准配备，且价格亦极低廉。从而使得管道闭路电视检 视系统的使用变得更加广泛和普及。 但是，电视检视系统的最大问题是现场情况无法保存。随着计算机技术的发 展使得管道内窥摄像检测系统可由计算机控制，从而把管线资料及特征都记录于 文件当中。如此一来，使管道内窥摄像检测系统记录结果的保存更加便捷，使所 有的检查结果都可作为选择最佳修复方法的依据。 1 2 课题的主要研究内容和主要工作 目前虽然国外已有不少管道内窥摄像检测系统产品，但存在检测距离较近、 检测数据无法存储或使用模拟录像存储，虽然有使用数字化信息存储的系统，但 是价格十分昂贵。 论文在对国内外管道内窥摄像检测系统分析的基础上，针对检测距离较近以 及检测数据无法存储等问题进行了分析和研究。提出了基于c m o s 模拟摄像头、 c p l d 以及u s b 的管道内窥摄像检测系统。c m o s 模拟摄像头输出模拟电视信号， 2 管道内窥摄像检测系统设计 增加了传输距离，解决了检测距离较近的问题；c ! p l d 实现了双缓存的控制，解 决了数据传输中断的问题；高速u s b 的使用，提高了数据传输速率。 1 3 论文的内容结构 1 第一章绪论。介绍了课题的来源、研究内容和主要工作，给出了论文的结 构和章节安排。 2 第二章u s b 2 o 的通信协议与v h d l 语言。介绍了u s b 协议、v h d l 等 相关技术。 3 第三章总体设计方案。介绍了系统的总体设计方案。 4 第四章系统硬件设计。阐述了基于c p l d 和u s b 的硬件电路设计。 5 第五章系统软件设计。详细地说明了软件的设计，包括u s b 固件的设计、 u s b 设备的驱动程序开发以及应用程序的设计。 6 第六章结束语。对本文进行了总结。 第二章u s b 2 o 的通信协议与m l 语言 3 第二章u s b 2 o 的通信协议与v h d l 语言 2 1 1u s b 体系概述 2 1u s b 2 0 的通信协议 u s b 【2 1 【3 】体系一般分为三部分：u s b 主机( u s b h o s t ) ，u s b 集线器 ( u s b h u b ) ，u s b 设备( u s b d e v l c e ) 。u s b 是一种层状的星形拓扑，其根部是 主控制器，u s 8 器件直接与根部接口连接实现其功能。若多个器件同时需要连到 主控制器上，只需用集线器( h u b ) 来扩展，如图2 1 所示。 2 1 2u s b 数据流模型 图2 1u s b 体系结构 7 u s b 按照通信服务协议为主机和连接的设备提供通信服务。图2 2 就是一个 u s b 设备和主机相连的示意图。 4 管道内窥摄像检测系统设计 u s b 主机u s b 设备 图2 2u s b 主机设备简单连接图 通信服务的协议按照不同的功能分为功能层、设备层和接口层，这些层之间 的通信模型如图2 3 所示。 主机连接设备 用户斩件阻灿功能 用，。祆仟 k qp爿 切雕 功能层 tt 1 i r1 i r u 8 b 系统软件k 卅卜 u p | u s b 逻辑设备u s b 设备层 tt jj 一 - u s b 主机控制器u s b 总线接口 u s b 总线接口层 f _ _ _ _ 实际通信流 e = = = = = = 今 逻辑通信流 图2 3 u s b 多层次通信模型 模型中的u s b 设备、客户软件、u s b 系统软件和u s b 主控制器是u s b 系统 的四个执行范围，先对其解释如下： u s b 设备：一种位于u s b 电缆末端的硬件，完成一些有用的终端用户的 功能，如打印、扫描等。 客户软件：在主机上执行的u s b 设备相对应的软件，有操作系统供给或 u s b 设备单独提供。 u s b 系统软件：操作系统中支持u s b 的软件由操作系统提供，独立于 u s b 设备或客户软件。 u s b 主控制器( 主机端的总线接口) ：允许u s b 设备连接到主机的硬件和 底层软件。 如图2 3 所示，主机和设备间的连接要求不在一层的实体之间有相互作用。 第二章u s b 2 0 的通信协议与v h d l 语言 5 u s b 总线接口层为主机和设备间提供物理，信号包的连接。u s b 设备层的u s b 系 统软件必须具有完成一般u s b 操作的功能。功能层通过一个特定的与功能模块匹 配的客户软件层来实现u s b 设备的功能。每个u s b 设备层和功能层都没有一个 在层内的逻辑通信流。实际上，u s b 中真正的数据传送是通过u s b 的总线接口 层来完成的。 2 1 2 1u s b 总线的拓扑结构 u s b l 4 】1 5 】总线拓扑是指u s b 设备和主机之间的连接模型，包括u s b 主机、设 备以及他们之间的相互连接。 1 u s b 主机 主机由三部分构成：主机控制器、u s b 系统软件( 包括u s b 驱动程序、主机 控制器驱动程序及主机软件) 和客户软件。 u s b 主机在u s b 系统中占据控制位置。因其特殊的地位，它对与之连接的设 备有着特定的职责，并控制所有u s b 设备的访问。另外，主机还负责u s b 的拓 扑结构。 2 u s b 设备 u s b 物理设备由u s b 总线接口、u s b 逻辑设备和功能模块构成。u s b 设备 为主机提供补充的功能，功能类型范围很广，如打印、视频和音频等。然而，所 有的u s b 设备对主机有着相同的基本接口，这就允许主机以相同的方式管理u s b 设备中与u s b 相关的部分。 为帮助主机识别和配置u s b 设备，每个设备都带有并报告和配置相关的信息。 一些报告信息是所有逻辑设备共有的信息，另外的一些信息是提供给设备特定的 功能。这些信息的具体格式依赖于设备的类型而变化。 3 u s b 主机和设备的连接 如图2 4 所示，u s b 上的设备经由分层星型拓扑结构与主机进行物理连接i u s b 连接点由一个称为集线器的u s b 特殊类提供。这个集线器提供的额外连接 点称为端口( p o r d 。主机包含了一个嵌入的集线器，这个集线器我们称之为根集 线器。主机通过根集线器给u s b 设备提供一个或多个连接点。提供额外功能给主 机的u s b 设备叫功能块。多个功能块和一个集线器可被封装在一起，构成一个复 合设备。复合设备只有一个设备地址。从主机来看，一个复合设备是一个连接了 多个功能块的集线器。 6 管道内窥摄像检测系统设计 图2 4u s b 物理总线拓扑结构 集线器在高速系统中扮演着重要的角色。它把全速和低速信号环境从高速信 号环境中分离出来。集线器支持高速的u s b 设备，同时它也允许u s b l 1 的集线 器连接到它的端口上，并让该u s b l 1 的集线器运行在全速低速状态下。这个 u s b 2 o 的主机控制器可直接与全速低速的设备相连。 当设备以分层的星型拓扑结构连接到u s b 上时，主机与每个逻辑设备之间的 连接就像是逻辑设备直接连接到集线器端口上一样。与图2 4 的物理拓扑的逻辑 相对应的如图2 j 所示。 第二章u s b 2 0 的通信协议与v 曲l 语言 7 2 1 2 2u s b 的通信流 图2 5 u s b 逻辑总线拓扑 u s b 为主机上的软件和u s b 的功能模块提供了通信服务。根据不同的客户与 功能模块之间的不同通信要求，u s b 设备对数据流有不同的要求。由于允许不同 的数据流独立地进入一个u s b 设备，u s b 能更好地利用整个总线的资源。每个 通信流利用一些总线访问的方式来完成与功能模块之间的通信。每个通信流终止 于设备上的一个端点。设备的端点是u s b 设备的唯一的可标识部分，用来标识每 个通信流的方向 它是在主机和设备之间的通信流的信息源或终点。对u s b 系统 来说，u s b 逻辑设备像是端点的一个集合。端点组合成实现接口的端点组，接口 是面对此功能块的。系统软件使用与端点o 相关的缺省管道( d e f 卸np i p c ) 来管理 设备。管道( p i 鳓是描述设备上的端点和主机上的软件之间的联系的一个抽象通 道。客户软件要求主机的缓冲器和u s b 设备上的一个端点之间传送。主机控制器 ( 或依赖于传输方向的u s b 设备) 对数据进行打包后往u s b 上传送。 2 1 2 3 设备端点 每个u s b 逻辑设备由各个独立操作的端点的集合构成。但是每个逻辑设备有 一个唯一的地址，它是在设备连接u s b 的时刻由系统分配的地址。软件可经由一 个或几个端点与u s b 设备进行通信。设备上的每个管道端点有一个唯一的标识一 端点号 d p o i l i tn u m b c r ) 。设备地址和端点号的组合可以唯一地确定每个端点。 端点号不为0 的端点在被设置前处于未知状态，不能被主机访问。 8 管道内窥摄像检测系统设计 1 对0 号端点的要求：所有u s b 设备都要求有一个端点号为o 的特殊端点， 主机用该端点来初始化设备和配置逻辑设备。端点0 提供对设备配置信息和一般 的u s b 控制、状态信息的访问。端点0 支持控制传输，一旦设备被连接和加电， 端点o 就被配置。 2 对非o 号端点的要求：设备可以有除o 号端点以外的其他端点，这取决于 设备的实现。低速设备在o 号端点外，只能有2 个额外的端点。而高速设备可具 有的额外端点数，仅受限于协议的定义( 协议中规定，最多1 5 个额外的输入端点 和最多1 5 个额外的输出端点) 。除缺省端点0 外，其他的端点只有在设备被设置 后才可使用，对它们的配置是设备设置过程的一部分。 2 1 2 4 管道 一个u s b 管道是设备上的一个端点和主机上软件之间的联系。体现了主机上 缓存和端点间传输数据的能力。有两种不同的且互斥的管道通信格式。 1 流管道( s t r c 锄p i p c ) ：流管道中的数据是流的形式，也就是说该数据的内 容不具有u s b 要求的结构。数据从流管道的一端流进的顺序与它们从流管道另一 端流出时的顺序是一样的，流管道中的通信流总是单方向的。流管道支持同步传 输、中断传输和块传输类型。 2 消息管道( m e 鼹a g cp “) e ) ：消息管道是用请求数据状态范例传送数据的管 道，通过消息管道的数据是具有某种u s b 定义的格式的数据流。 消息管道与端点的关系同流管道与端点的关系是不同的。首先，主机u s b 设 备发出一个请求：接着，就是数据的传送；最后，是一个状态阶段。为了能够容 纳请求数据状态的变化，消息管道要求数据有一个格式，此格式保证了命令能 够被可靠地传送和确认。消息管道允许双方向的信息流，虽然大多数的通信流是 单方向的。 特别地，缺省控制管道是一个消息管道，用于在主机和u s b 设备的端点o 之 间传送控制和状态信息。系统软件用此管道来确定设备标志和配置要求，以及用 来配置设备。 u s b 系统软件保证多个请求不会同时发给同一个端点。在某一时刻，一个端 点只能为单个信息请求服务。主机上的多个客户软件通过缺省管道能产生请求， 但他们以先进先出的顺序被送到端点上。在响应主机事务的数据和状态阶段，端 点能控制信息的流动。只有当端点上的当前信息处理完成后，端点才会正常地发 送下一个信息。 一个设备信息管道在2 个方向( 矾或o u r ) 要求有一个单一的设备端点号。对 于每个方向，u s b 不允许信息管道与不同的端点号相联系。 第二章u s b 2 0 的通信协议与v 肋l 语言 9 2 1 3u s b 数据传输类型 u s b 【q 数据传送类型是从u s b 系统软件的管理角度来描述的。传送( t r 蛐s f e r ) 是指在客户软件和它的功能模块之间的一个或多个信息传输的总线事务( b u s t m n s a d i o m 。传送类型决定于客户软件和它的功能模块之间的数据流的特性。u s b 定义4 种传输类型，以满足在总线上进行不同的数据类型传输的需要。 2 1 3 1 块传输 块传输用于支持突发的大量的数据，全速模式时以8 ，1 6 ，3 2 或6 4 字节( 高 速模式时是5 1 2 字节) 的信息包传送。由于对出错的数据自动地进行重发，块数据 可确保无误发送。当总线上有空闲时，主机安排块数据包。块数据可用于打印机、 扫描仪、调制解调器的数据。块数据流由握手信息包控制。块传输如图2 6 所示。 2 1 3 2 中断传输 图2 6 两种块传输，矾和o u l 中断方式传输主要用于定时查询设备是否有中断数据要传输。实际上是一种 主机定时侦听设备，看看有没有中断的传输方式。设备的端点模式器的结构决定 了它的查询频率，从1 2 5 5 m s 之间。这种传输方式典型的应用在少量的、分散的、 不可预测数据的传输。键盘、操纵杆和鼠标就属于这一类型。中断方式传输是单 向的并且对于主机来说只有输入的方式。中断传输在高速时的数据载荷可达1 0 2 3 字节；在全速时的载荷量小于“字节；在低速时为8 个字节以下。中断数据采用 1 0 管道内窥摄像检测系统设计 流管道进行传输。中断传输如图2 7 所示。 2 1 3 3 同步传输 图2 7 中断传输 用于保证时间优先的数据流，如音频和视频数据流，传输的时间对于数据来 说是非常重要的必要条件，在全速模式时，一个同步包包含1 0 2 3 字节；在高速模 式时，一个同步包包含1 0 2 4 字节。 在每一个u s b 帧中，为同步传输分配了一定u s b 带宽。为了减少内部的事 务操作，同步传输没有握手信号o 姬k ，n a k ，s ，i a i i 小硼，如图2 8 所示，也不 具有重发机制。错误检测受限于1 6 位c r c 。同步传输不使用数据轮换位机制， 在全速模式时，同步数据只使用虹a 0 p i d 标志：在高速模式时，同步数据使用 n j a o 、d 蛆a 1 、d 觚a 2 和m d 蛆a 。 在全速模式时，对于每个端点，一帧中只有一个同步包。在高速模式时，对 于每个端点，一个微帧中就可以包含多个同步包。 2 1 3 4 控制传输 图2 8 同步传输 控制传输是双向的，数据量通常较小。u s b 系统软件主要用来进行状态查询、 配置和发送命令到设备。由于其重要性，它使用了最广泛u s b 错误检测协议。控 制传输由主机以最有效原则进行。主机为控制传输保留了每一个u s b 帧的一部分 时间。 第二章u s b 2 o 的通信协议与l 语言 1 1 控制传输由两个或三个段组成，如图2 9 所示。s e l u p 段包括u s b 控制数据 的8 个字节。如果需要的话，在可选的d 舡a 段中还包含更多的数据。s 1 加，s 段( 或握手段) 用于外设向主机报告控制操作的完成情况。 2 2 1 d l 语言 图2 9 控制传输 2 2 v 】l 语言 s e t u p s t a g e 刃47 刃 s t a g e ( o p t i o n a l ) s 。限t u s s t a g e 1 v h d l i7 l 语言简介 随着c p l d 设计越来越复杂，使用语言设计复杂c p l d 成为一种趋势，目前 最主要的硬件描述语言是v h d l 和v e m o g h d l ov h d l 发展的较早，语法严格， 而v e r i l o 时i d l 是在c 语言基础上发展起来的一种描述语言，语法较自由。 d l 【8 l 语言诞生于1 9 8 2 年，1 9 7 8 年底，d l 被正e e 和美国国防部确认 为标准硬件描述语言。自匝e e 公布了v h d l 的标准版本( m e e 一1 0 7 6 ) 之后，各e d a 公司相继推出了自己的v h d l 设计环境，或宣布自己的设计工具可以和v h d l 接口。此后d l 在电子设计领域得到了广泛的应用，并逐步取代了原有的非标 管道内窥摄像检测系统设计 准的硬件描述语言。1 9 9 3 年，m 髓对d l 进行了修订，从更高的抽象层次和 系统能力上扩展了d l 内容，公布了新版本的v h d l ，即e e 标准的1 0 7 6 - 1 9 9 3 版本。现在，v h d l 和v c r i l o g h d l 作为陋e e 的工业标准硬件描述语言，又得到 众多e d a 公司的支持，在电子工程领域己成为事实上的通用硬件描述语言。有 专家认为，在新世纪中，v h d l 和v c r i l o g h d l 语言将承担起几乎全部的数字系 统设计任务。 v h d l 主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具 有硬件特征的语句外，d l 的语言形式和描述风格还有句法十分类似于一般的 计算机高级语言。v h d l 的程序结构特点是将一项工程设计，或称实体设计( 可以 是一个元件、一个电路模块或一个系统) 分成外部( 或可视部分及端口) 和内部( 或称 不可视部分) ，既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了 外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这 种设计实体分成内外部分的概念是v h d l 系统设计的基本点。应用v h d l 进行 工程设计的优点是多方面的。 ( 1 ) 与其他的硬件描述语言相比，d l 具有更强的行为描述能力，从而决 定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体 的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。 ( 2 ) d l 丰富的仿真语句和库函数使得在任何大系统的设计早期就能查验 设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。 ( 3 ) d l 语句的行为描述能力和程序结构决定了它具有支持大规模设计的 分解和对己有设计的再利用功能。符合市场需求的大规模系统高效、高速的完成 必须有很多人甚至多个研发小组共同并行工作才能实现。 ( 4 ) 对于用v h d l 完成的一个确定的设计，可以利用e d a 工具进行逻辑综 合和优化，并自动的把d l 描述设计转换成门级网表。 ( 5 ) v h d l 对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也 不必知道最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立设计。 2 采用 d l 设计综合的过程 通常设计过程可以划分为下述的六个步骤： ( 1 ) 设计要求的定义：在从事设计进行编写代码工作之前，必须先对你的设 计目的和要求有一个明确的认识。对所需要的信号建立时间、时钟，输出时间、最 大系统工作频率、关键的路径等这些要求需求，只要有一个明确的定义，这将有 助于你的设计，然后再选择适当的设计方式和相应的器件结构，进行设计的综合。 ( 2 ) 用d l 语言进行设计描述：有了设计要求的定义后，可以尝试去编 写设计代码。但是，建议首先应决定设计方式。只有对如何描述你的设计有了一 个最佳的认识，才能更为有效的使你编写设计代码，然后再通过综合，进行所需 第二章u s b 2 o 的通信协议与m l 语言 要的逻辑实现。通常的设计方式有三种：自顶向下设计、自底向上设计、平坦式 设计。前两种方式包括设计阶层的生成，而后一种是将描述的电路当作单模块来 进行的。决定了设计方式以后，根据具体的语法和语义结构，可以参照己设定的 功能块、数据流状态图等，来进行设计代码的编写。编写一个优化的代码的关键 在于要依照硬件的内在要求去思考，特别是，要能向综合软件运行时的思考方式 那样去体验如何实现你的设计。 ( 3 ) 原代码模拟：对于大型设计采用模拟器进行设计的源代码模拟可以节省 时间。并行工作程序导致电路模拟提前至设计的早期阶段。采用源代码模拟，可 以在设计的早期阶段检测到设计中的错误，从而进行修正，以便尽可能的减少对 设计日程计划的影响。但对于小型设计，则往往不需要先做源代码模拟，即使做 了，意义并不大。因为对于大型设计，其综合、布局、布线往往要花费好几个小 时，在综合之前进行源代码模拟，就可以大大减少设计重复和修正错误的次数和 时间。当然，大型设计往往是阶层结构的子序列设计和模块的组合。 ( 4 ) 设计综合：综合是把设计描述转换到网表或方程生成的过程。这个过程 也可以解释为设计描述作为输入，而设计网表和逻辑方程作为输出。优化处理依 赖于三个因素：布尔表达方式，有效资源类型，以及自动的或用户定义的综合指 引。装配是指把通过综合和优化进程所得到的逻辑，安放到一个逻辑器件之中的 过程。传导延时基本上取决于布线延时。一个优化的布局布线可将电路的关键部 分紧密的配置在一起，以消除布线延时。布局布线工具采用一定的算法，指引用 户约束和性能估价来选择最佳的布局方式，以逐步实现符合性能要求的优化布局 结果。 ( 5 ) 布局、布线后的设计模块模拟：即使你在设计综合之前进行了设计模拟， 在设计被装配之后，还是需要对设计进行模拟。布局后的模拟不仅可使你能够再 一次检测设计的功能，而且还能检查时序功能，诸如信号建立时间、时钟到输出、 寄存器到寄存器的时延。如果实验模拟结果不能满足设计的要求，就需要重新综 合并将设计重新装配于新的器件中，其间不乏反复尝试各种综合过程和装配过程， 或选择不同速度的器件。同时，也可以重新观察和分析v h d l 源代码，以确认描 述是正确有效的。只有这样，取得的综合和装配的结果才会符合设计要求。 ( 6 ) 器件编程：在成功地完成设计描述、综合、优化、装配、和设计模拟之 后，则可以对器件进行编程和继续进行系统设计的其它工作。综合、优化和装配 软件将产生一个器件编程所用的数据文件。 2 2 2q u a r t i l si i 集成开发环境 1 q u a n u si i 【9 1 集成开发软件的特点如下： 1 4 管道内窥摄像检测系统设计 ( 1 ) 开放的界面 t e m 公司的工作与e d a 厂家紧密结合，使q u a n u si i 软件可以与其它工业 标准的设计输入、综合和校验工具相连接。设计者可以使用舢t e n 或标准e d a 输入工具进行设计，使用q i l a n u s 编译器对舢t e m 器件的设计进行编译，并使 用舢t e m 或其它e d a 校验工具进行仿真。目前，q u a n u s 支持与c a d e n c e ，m e n t o r g r a p h i c s ，s y i l 叩s y s ，v i e w l o 酉c 等e d a 工具接口。 ( 2 ) 与结构无关 q u a n u sl i 的编译器支持灿t e m 公司的f i j 系列、m a x 系列、m a xi i 系列 和a a 鹳i c 可编程逻辑器件，提供了一种真正与结构无关的设计环境。编译器还具 有强大的逻辑综合与优化功能，使用户不必十分关心设计的细节，可以把精力放 在逻辑的实现上。 ( 3 ) 完全集成化 q u a n u sl l 的设计输入、处理和校验功能都集中在统一的开发环境下，这样可 以加快动态调试，缩短开发周期。 ( 4 ) 模块化工具 设计者可以选择各种输入、处理和校验选项，从而使设计环境用户化。 ( 5 ) 硬件描述语言 q u a n u si l 软件支持多种硬件描述语言设计输入，包括v h d l 、v e r i l o g h d l 和 触t e m 自己的硬件描述语言a h d k ( 6 ) 丰富的设计库 q u a n 鸺h 软件提供丰富的库单元供设计调用，其中包括7 4 系列的全部器件 和一些基本的逻辑门，多种特殊的逻辑宏功能( m 跏f u n c t i o n ) 以及新型的参数化 的兆功能( m a g c - f u n c t i o n ) 。调用库单元进行设计，可以大大减轻工作量。 ( 7 ) m e g a c o r c 功能 m e g a c o r c 功能是为复杂的系统级功能提供的，经过校验的h d l 网表文件， 可以使可编程逻辑器件实现最优化的设计。 ( 8 ) o p e n 佗特性 q u a n u s n 软件具有开放核的特点，允许设计者填加自己认为有价值的宏函数。 2 q u a n u si i 软件的设计流程 q u a n u si i 的设计流程由设计输入、综合、布局布线、电源分析、调试、工程 更改管理、时序分析、时序逼近、仿真和编程与配置组成，如图2 1 0 所示。 ( 1 ) 设计输入 q u a n u sl i 软件中的工程由所有设计文件和与设计有关的设置组成。可以使用 q u a n u si ib l o c ke d i t o r 、t e x te d i t o r m e g a w i z a r dp l u 争h im 柚a g c r ( 1 b o l 菜单) 和 e d a 设计输入工具建立包括t e m 宏功能模块、参数化模块库( l p m ) 函数和知识 第二章u s b 2 o 的通信协议与、1 胁l 语言 产权( 聊函数在内的设计。可以使s c t t i n 黟对话框( 觚i 鄹哪e n t s 菜单) 和觚i 印m e n t e d i t o r 设定初始设计约束条件。 ( 2 ) 综合 可以使用c o m p i l e r 的q u a n u si ia m l y s i s & s y n t h c s i s 模块分析设计文件和建立 工程数据库。a m l y s i s s ) r l l t h e s i s 使用q u a n i l s i n t e g r a t e ds y n t h c s i s 综合、，i i d l 设计文件( v h d ) 。还可以使用其它e d a 综合工具综合d l 或v c f i l o g 瑚) l 设计 文件，然后再生成可以与q u a n u si i 软件配合使用的e d i f 网表文件( e d f ) 或v q m 文件( v q m ) 。 ( 3 ) 布局布线 q u a n l l s f i t t e f 也称为p o w e r f i tf m e r ，执行布局布线，这在q u a n u s 软件中 也称为“布局布线”。f m c r 使用由a i l a l y s i s s y l l t h e s i s 建立的数据库，将工程的 逻辑和时序要求与器件的可用资源相匹配。它将每个逻辑功能分配给最好的逻辑 单元位置，进行布线和时序，并选择相应的互连路径和引脚分配。 ( 4 ) 电源分析 q i l a n u s p o w e r p l a y 电源分析工具提供一个可以评估静态和动态电源消耗的 接口。 ( 5 ) 调试 q l l a n l l si ls i 印a l t a p 逻辑分析器和s i 印a l p r o b e 功能可以分析内部器件节点 和引脚，同时在系统内以系统速度在运行。s i 印a l t a pn 逻辑分析器使用嵌入 式逻辑分析器将信号数据通过j 1 a g 端口送往s i 印a 1 1 砸l l 逻辑分析器或者外部逻 辑分析器或示波器。s i 印a l p r o b e 功能使用未用器件路由资源上的递增式路由，将 选定信号送往外部逻辑分析器或示波器。 ( 6 ) 工程更改管理 q u a n i i si i 软件允许在全编译之后对设计进行少量修改，通常称为工程更改纪 录( e c 。可以直接在设计数据库上做这些e c o 更改，而不是在源代码或设置和 配置文件上做，这样就无需运行全编译来实施这些更改。 ( 7 ) 时序分析 q u a n l i sl l 啊m i n g a n a l y z c r 允许用户分析设计中所有逻辑的性能，并协助引导 f j n c f 满足设计中的时序分析要求。默认情况下，币m i ”g a n a j y z c r 作为全编译的一 部分自动运行，它观察和报告时序信息，例如，建立时间( t s u ) 、保持时间( t h ) 、 时钟至输出延时( t c o ) 、引脚至引脚延时( t p d ) 、最大时钟频率( f l x ) 、延缓时间 以及设计的其它时序特性。可以使用啊m i n g a m a l y z c r 生成的信息分析、调试和验 证设计的时序性能。还可以使用q u a n 惦l i 伽i n g 胁l y z e f 进行最少的时序分析， 它报告最佳情况时序结果，验证驱动芯片外信号的时钟至管脚延时。 ( 8 ) 时序逼近 1 6 管道内窥摄像检测系统设计 q i i a n l l si i 软件提供完全集成的时序逼近流程，可以通过控制综合和设计的布 局布线来达到时序目标。使用时序逼近流程可以对复杂的设计进行更快的时序逼 近，减少优化迭代次数并自动平衡多个设计约束。时序逼近流程可以执行初始编 译、查看设计结果以及有效地对设计进行进一步优化。在综合之后以及在布局布 线期间，可以在设计上使用网表优化，使用时序逼近布局图分析设计并执行分配， 以及使用l o 西c l o c k 区域分配进一步优化设计。 ( 9 ) 仿真 可以使用e d a 仿真工具或使用q i l a n 砸仿真器进行设计的功能与时序仿真。 ( 1 0 ) 编程与配置 使用q u a n 璐软件成功编译工程之后，就可以对舢t e n 器件进行编程或配置。 q u a n l l s c o m p i l c r 的a s m b l e r 模块生成编程文件，q i l a n i i si ip i o g f a m m c r 可以 用它与a l t e m 编程硬件一起对器件进行编程或配置。还可以使用q u a n 璐 p m g r a 姗c r 的独立版本对器件进行编程和配置。 图2 1 0o l i a f t i i s 的设计流程 第三章总体设计方案 1 7 第三章总体设计方案 3 1 管道内窥摄像检测系统工作原理 管道内窥摄像检测系统由：c m o s 成像探头、传输电缆、操纵杆及微机系统 组成。检修设备时，用操纵杆( 也可用柔性管由微电机) 将成像探头送入设备内 部如图3 1 所示。 成像探头 图3 1 管道内窥摄像检测系统 其工作原理为：发光灯照亮设备内壁一内壁表面状况经反射镜映射到c m o s 芯片上一c m o s 芯片将内壁表面光信号转换为视频信号一该信号经传输电缆输入 计算机。通过计算机处理后，可以直接观测到设备内壁有无损伤和缺陷并把数据 存储到硬盘上。 3 2 系统设计方案 根据用户需求，整个系统的主要技术参数为： 传输电缆长度：2 0 m 分辩力：7 0 0 1 v l ( 相当于放大9 倍一可以看见头发丝大小的缺陷) 成像探头尺寸：由2 0 3 4 0 m m ，长度3 0 0 l i 皿 输入电源：a c 2 2 0 v ，5 0 | 玉z 视场角：6 0 。3 6 0 。 功率：3 0 w 整个系统由硬件部分和软件两大部分组成i “，如图3 2 所示。硬件部分作为 独立的外部设备采集现场图像信息，主要完成图像数据的采集、缓存和传输。并 通过传输线把采集到的数据发送到计算机主机，供运行在计算机主机上的软件进 行处理。软件部分运行在计算机主机上，对硬件部分进行控制，并把硬件传输来 1 8 管道内窥摄像检测系统设计 的数据进行相应处理和存储。 采集传输卡 数 存传 主机 摄 电缆 字 储输电缝 像化 部 - 部 头 部 处理软件 分 分分 3 2 1 硬件系统构成 图3 2 系统整体逻辑图 硬件系统可分为三个部分，即图像采集部分、图像缓存部分和图像传输部分。 系统硬件整体逻辑图如图3 3 所示。输入为标准的模拟视频信掣n 】( c 、，b s ) ，用 可编程视频输入处理器进行视频信号处理，将c m o s 摄像头【1 2 】输入的模拟视频信 号转化为数字信号。用s r a m l 和s 凡气m 2 构成双缓冲存储器，用c p l d 实现对 双缓冲存储器的控制。c p u ) 通过同步信号控制将s a a 7 1 1 1 a h 输出的图像数