（机械电子工程专业论文）基于dsp的分拣机邮件动态识别板的研制.pdf

北京邮电大学硕士论文 基于d s p 的分拣 d l 自b 件动态识别板的研制 摘要 随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理( d s p ) 技术在各领域得 到日益广泛的应用。本设计中，将d s p 技术应用到邮政分拣领域，结合视频捕捉、 c p l d 逻辑控制、u s b 通讯等多项技术，针对y d f 型带式高速分拣机的回包检测 问题，研制了专用的d s p 自b 件动态识别板。本文详细叙述了动态识别板软硬件功 能的设计和实现。该动态识别系统基于t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 平台，通过视频捕 捉技术，将分拣机传送轨道上的邮件图像采集下来，保存n d s p 板的r a m 中， 以供完成后续的图像识别功能，同时通过板上的u s b 接口，将图像传输到上位 p c 主机。设计的软件部分，使用c 语言开发，仿真调试基于t i 公司的d s p 专用集 成开发环境c c s 2 0 。整套系统包括摄像头、d s p 板、d s p 软件和通讯线材，可 以较好的完成视频图像的采集、存储、处理和传输的要求。 关键词回包检测d s p 视频捕捉c p l du s b 韭塞堂皇查竺堡主堡兰 苎旦! ! 堕坌垫垫! ! 竺垫查望型堡! ! 里盟 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e ra n d i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，t h e t e c h n o l o g yo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e p o p u l a r i nm a n yf i e l d s t h i sd e s i g nh a sa p p l i c a t i o no fd s p i nt h ef i e l d so f p o s t d e l i v e r i n gw i t ht h et e c h n o l o g i e so fv i d e oc a p t u r e ，c p l da n du s b f a c i n gt o t h ep r o b l e mo fp a c k a g e sr e t u r ni nt h ep r o c e s so fp o s td e l i v e r i n g ，t h ed s p b o a r do fp o s tv i d e or e c o g n i z i n gw a sd e v e l o p e d t h ed o c u m e n th a sd e 协i l e d d e s c r i b eo nt h ed e s i g na n da c h i e v ep r o c e s s i n go ft h eb o a r d t h es y s t e m b a s e do nt h et m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s pg e t st h e p a c k a g e si m a g e s o nt h e m a c h i n et r a c kb yt h e t e c h n o l o g y o fv i d e oc a p t u r e ，a n ds a v e st h ed a t at or a m o nb o a r df o rt h eh a n d l e sl a t e r a tt h es a m et i m e i tt r a n s p o r t st h ei m a g et o u p p e rp c h o s tb yu s b s o f t w a r eo ft h e p r o j e c tw a s w r i t i e ni nc l a n g u a g e ，a n d e m u l a t e di nt i sd s pi d ec c s 2 0 t h ew h o l es y s t e mi n c l u d e sac a m e r a a d s pb o a r d ，as e to fd s ps o f t w a r ea n dc o m m u n i c a t i o ni i n e s 。f u i f i l l st h et a s ko f t h ep a c k a g e s r e t u r n c h e c k i n gw i t ht h ef e a t u r e s ：d y n a m i cc a p t u r eo fp a c k a g e s i m a g e ，r e a l - t i m ep r o c e s s i n g ，a n dp a c k a g e s i n f oo u t p u t k e y w o r d t h ec h e c ko fp a c k a g e sr e t u r n 、d s p 、v i d e o c a p t u r e 、c p l d 、u s b ! ! 塞堂皇查兰堡主堡苎 苎三旦翌盟坌苎塑堂笪塑查望型堡! ! ! 巡 第一章概述 1 1 邮政自动分拣概述 在邮政物流系统中，邮件处理中心是邮政网的节点，位于邮路的汇接处，负 责邮件的分拣封发任务。我国推行的邮区中心局体制的一个重要内容就是实行邮 件的集中处理，藉以节省成本，提高处理效率。也就是将邮件尽可能集中在大、 中型邮件处理中心，由性能完善的各种机械设备和信息系统完成以分拣为中心的 邮件内部处理作业。因此自动分拣在现代邮政中占有重要地位。 邮件处理的核心内容是按寄达地址进行路向、寄达地名或投递地址分拣。为 此首先对容器( 邮袋、信盒、集装箱) 内的邮件进行开拆、倾倒、分离、整理形成 单个的邮件流，然后逐个阅读邮件寄达地址，由地址信息对邮件实施同步控制， 直到该邮件输送到指定的格口为止。无论何种类型的邮件分拣设备，均包括邮件 供给、输送地址识别、同步控制、入格以及格口等几个基本部分。 按照机械结构的不同，邮件分拣机可分为带式、链式、悬挂式、车载式等几 种类型。带式分拣机利用传输带传送邮件，又可分为平带式、斜带式、u 型带式 3 种。链式分拣机是利用链状传输轨道完成分拣工作的设备，传输轨道由一个个 分拣运载容器链接而成，按照运载容器类型的不同，可以划分为托盘式、斗式和 托板式三种形式的分拣机。悬挂式分拣机是利用牵引链作牵引件的分拣设备，具 有悬挂在空中、利用空间进行作业的特点。车载式分拣机没有牵引链，用自带动 力的车载运邮件完成分拣工作。 我国邮政分拣机的发展：北京、上海邮局分别于1 9 6 4 年使用电机模拟控制 的单席位直线型和环型包裹分拣机，设计效率为每小时1 8 0 0 件，1 9 7 9 年以后， 杭州、上海和邮电部邮政科技研究所又分别研制出了由微机控制的包裹分拣机和 印刷品分拣机，设计有4 个分拣席位，可以自动上包并具有设备自检、统计、打 印及数据处理等功能，整机效率在3 6 0 0 5 4 0 0 件，小时，分拣格口1 0 0 2 0 0 个， 显著提高了设备处理能力。上述设备经逐步配套，从进袋传送、开拆、分拣入格 到出袋整个生产过程组成了机械化流水作业线。1 9 7 8 年，广州邮政局安装推挂 式邮袋传送分拣机，该机在同步电路的控制下，可将邮袋分拣到1 0 8 个格1 3 ，设 计效率为9 0 0 袋，j 、时，滑轨总存储量为3 0 0 袋。 北京邮电大学硪j ：论文 基于d s p 的分拣o l , m g 件动态识别板的研制 1 2y d f 型带式高速分拣机介绍 y d f 型带式高速分拣机是国内自行研制的邮政分拣设备，属于链式分拣机中 的交叉带式托盘分拣机。载运邮件的容器为托盘式小车，这些小车相互连接在一 起，组成一个环形的传输轨道，整个传输轨道在直线电机的驱动下运行。交叉带 式托盘小车的特点是取消了传统的盘面倾翻、利用重力卸落包裹的结构，而在车 体上设置了一条可以双向运转的短传送带( 称为交叉带) ，用它来承接从上包机 来的包裹，运行到相应的格口的时候，再由交叉带运转，将包裹强制卸落到左侧 或右侧的格口中。 图i - 1 分拣机结构简图 交叉带式托盘小车有下列两个显著优点： 1 ) 能够按照上包包裹的质量、尺寸、位置等参数来确定托盘带承接包裹的 启动时间、运转速度的大小和变化规律，从而摆脱了包裹质量、尺寸、摩擦系数 的影响，能准确地将各种规格的包裹承接到托盘中部位置。这样一来，就扩大了 上机邮件的规格范围，在业务量不大的中、小邮件处理中心，在一台带式托盘分 拣机上，按不同的时间段落，既可以分拣包裹，又可以分拣印刷品、扁平邮件、 从而节省了设备的数量和场地。 2 ) 卸落包裹时，同样可以根据包裹质量、尺寸及在托盘带上的位置来确定 托盘带的启动时间、运转速度、可以快速、准确、可靠地卸落包裹，能够有效地 提供分拣速度、缩小格口宽度、从而缩小机器尺寸，有明显的经济效益。 y d f 型带式高速分拣机主要技术参数如下： 主机运行速度：v = 2 2 5 m s ! ! 室坚皇查兰堡主堡奎 茎! = 旦! ! 箜坌蔓垫些竺垫查望型堡! ! 里型 主机分拣效率：1 0 8 0 0 件小时 供包机效率：大约2 0 0 0 件d , 时 实物分拣差错率：4 0 0 1 ( 排除人为因素) 运行噪音：不大于7 2 d b ( a ) 机器连续无故障工作时间：5 0 0 小时 1 3d s p 概述 数字信号处理器( d s p ) 芯片从8 0 年代开始为人们所使用，它引发了工业设 计的革命。在当今的数字化时代背景下。d s p 已成为通信、计算机和消费类电子 产品等领域的基础器件。现在主要d s p 厂家包括德州仪器( t i ) 、朗讯、摩托罗 拉、模拟器件公司( a d i ) 等。d s p 芯片不同于原来的微处理器，是在模拟信号 变成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器。因为d s p 芯片内包含硬件并 行乘法器，很多在传统微处理器中用代码实现的功能，在d s p 中是基于硬件实现 的，而其运算速度也数十倍甚至数百倍于以往的单片机。随着科学技术的发展， 各种智能化系统的结构和控制算法越来越复杂，以往复杂计算和控制单纯依赖 p c 、简单计算和控制单纯依赖单片机的计算机控制系统结构的设计格局正在逐渐 瓦解，代之以局部高速信息处理和全局p c 控制的复杂计算机控制系统，以及单 纯以高速d s p 为核心的复杂计算和控制的嵌入式控制系统设计思路。 d s p 芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，采 用流水线结构，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算 法。通常具有如下特点：a 程序和数据空间分开，可以同时访问数据空间和程序 空间；b 片内具有快速r a m ，通常可以通过独立的数据总线同时访问两块芯片： c 具有单周期内操作的多个硬件地址产生器；d 可以并行执行多个操作；e 支持 流水线操作，取指、译码和执行等操作可以流水执行。 随着信息技术的数字化和高速发展，d s p 的应用越来越广泛。目前，d s p 的 年增长率已达3 0 以上，是集成电路平均增长速度的两倍。由于它具有很高的 处理速度和可编程特性，很多行业纷纷转而采用d s p 芯片来制造具有更高性能。 体积、耗电更小的产品。近年来，由于半导体技术的进步，d s p 芯片价格也大大 降低，本设计中使用到的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片，与普通单片机价格相当，这就更 进一步推进了d s p 应用的发展。 ! ! 室些皇查兰堡主兰兰 茎三里塑堕坌堡塑坐! 壁堑篁望型望! ! ! ! 塑 1 4 视频识别技术简述 虽然本设计的内容并不包含视频识别的部分，但这个系统的目标是建立一个 略p 视频采集和处理平台最终要求在分拣机运行过程中，实现对邮件的视频捕 捉和识别处理的功能。考虑到整个系统在概念上的完整性和目标板真正的应用， 这里将视频识别技术简要介绍一下。 模式识别主要由三个阶段组成： 第一个阶段为图象分割或物体分离阶段。在该阶段中检测出各个物体，并把 他们的图像和其余景物分离开来。 第二个阶段为特征抽取阶段。在该阶段中对物体进行度量。度量是指 个物体某个可度量性质的度量值，而特征是一个或多个度量的函数。计 算特征是为了对物体的一些重要特征进行定量估计。特征抽取过程产生了 一组特征，把他们结合在起，就形成了特征向量。这种被大大减少了的 信息( 与原始图象相比) 代表了后续分类决策必须依靠的全部知识。 第三个阶段是分类。它的输出仅仅是一种决策，确定每个物体应归属 的类。每个物体被识别为一个特定类型，它是通过一个分类过程加以实现 的。每个物体被识别为预先定义好的组中某一个组。这些组代表了预期存 在于图像中物体的所有可能类别。如果把物体归到一个不正确的类，就产 生一个分类错误。 视频识别的硬件平台，可以大致分成两类：采用p c 平台的视频识别系统和 采用嵌入式平台的视频识别系统。p c 平台的视频识别系统一般采用图像采集卡 进行视频捕捉，通过软件对捕捉的图像或视频片断进行处理，从而得到图像信息， 通常称为软件识别。嵌入式系统的视频识别平台，采用专用或自行设计的视频捕 捉电路，通过嵌入式处理器完成图像识别功能，可看成为一个专用的视频采集识 别模块，直接输出最终的图像信息。对比两种硬件平台；p c 平台具有开发方便、 系统构成灵活等特点，可根据要求调节系统配置，但同时也有系统结构庞大、稳 定性差的缺点。嵌入式平台功能专一，专用性，稳定性要大大高于前者，同时系 统结构简单，对环境要求低，更适用于工业生产环境的使用。本设计采用的d s p 平台属于嵌入式平台。 1 5 课题的任务及论文完成的主要工作 课题任务 ! ! 室坐皇查兰堕堡兰 苎主里! ! 竺坌堡垫型笪垫查堡型堡! ! ! 型 本设计的目的是运用d s p 技术改进邮件分拣机的回包检测功能。在分拣过程 中，邮包经上包台进入到环形的分拣轨道，当邮包运行到对应的格口时，承载邮 包的托盘小车交叉带转动，使邮包落入分拣格口，这个过程完成了邮件的自动分 拣。但在实际运行过程中，可能由于某些因素的影响，如交叉带未转动，使邮包 没有落入对应的格口，而随轨道的运行又转回到上包台，这种情况下，如果系统 不知道邮包的循环返回，就会导致后面的上包故障。所以我们需要在上包台的前 面设置一定的检测机制，当有邮包随轨道转回来的时候，能够及时将回包的信息 通知系统，以便做出相应处理，分拣机的这个功能就是回包检测。回包检测功能 对于保证整个系统的安全运行有着重要作用。 传统的回包检测采用光电开关的方式进行邮件信息获取，即在分拣机的轨道 两侧，安装有一对透过式红外光电开关，称为主同步光电开关，其位置主要根据分 拣机速度、上包机位置及上包速度来确定，一般应放在上包机前方( 在分拣机运行 方向上) 。主同步光电开关用于计数托盘小车，并发出同步脉冲，将得到的信息传 给p l c 。控制同步上包、数据同步跟踪及落包等。这种用光电开关进行回包检测 的方法，不能得到准确的邮包位置，而交叉带式托盘分拣机的优势就在于能够根 据邮件的大小、位置确定托盘带的启动时间和转速，所以需要改进技术，采样新 的方式进行回包检测。 分拣机轨道可以按低高两种速度运行，其中高速运行速度为2 2 5 m s ，轨道 由承载小车相互连接成环形，每节小车的长度为7 5 0 r a m 。也就是每秒通过3 节小 车。如果上包无误的话，每节小车上最多装载一件邮包。 论文完成的主要工作 本论文完成的主要工作，就是针对分拣机作业中出现的回包问题，设计一块 基于d s p 的邮件动态识别板，完成回包检测的要求。 首先进行总体的方案设计，根据要求选择了视频捕捉+ d s p 平台处理的方法 来完成邮件识别的工作。对应这个方案，确定了系统使用的d s p 平台、外围电路 和视频采样电路，依次进行硬件设计。然后基于这个硬件平台，用c 语言编写了 i ) s p 程序，完成系统检测、采样控制、f l a s h 烧写和u s b 通讯等功能，通过u s b 接口，将采样得到的图像传送到p c 机进行显示。 第二章d s p 动态识别系统的硬件设计 2 i 方案设计 从上一章的叙述中可以看到，传统的回包检测方法存在着信息不准确、传输 速度慢、没有处理功能、输出结果单一等缺点，对于邮包的大小、位置信息都无 法判断，而且将全部数据处理工作交到了p l c 方面，给系统增加了负担。为了改 善这些不足，本设计中采用视频识别的方法完成回包检测的任务，通过摄像头将 邮件在轨道上的位置拍摄下来，作为一幅图像存储到d s p 检测系统内部，这样不 但可以得到详细的邮件位置图像，而且可以借助d s p 强大的信号处理功能，对图 像进行处理，将所需要的结果输出到主控的上位机。 由上可见，该系统的硬件环境主要包括摄像头、d s p 视频信号捕捉处理板、 图像监控设备及通讯线路等。系统从摄像头得到模拟视频信号，传输至i j d s p 板， 在d s p 板上经过采样、处理等过程，将处理结果输出到主控设备( 本设计的主控 设备是控制分拣机工作的p l c ) ，主控进行对应的响应操作。为了便于同p c 机通讯， 在d s p 板上还设计y u s b 接口，可以将采样结果输出到上位p c 机，通过计算机完成 图像及其处理结果的网络传输功能。同时，模拟视频信号还可以通过监视器直接 进行监控。这个方案如果考虑用p c 平台实现，除摄像头外，还需配置p c 机、图像 采集卡等设备，花费在几千元上下，而使用嵌入式系统完成同样的处理功能，整 套系统( 摄像头、d s p 动态识别板，通讯线等) 的成本将大大降低。 图2 一i 系统整体设计方案 髓视器 ! ! 塞业皇查兰堡兰= 笙奎 苎主旦! 型塑坌蔓塑塑壁垫查望型望! ! ! 型 据上述功能，本设计的主要任务就是基于d s p 的邮件动态识别板的研发a 如 图2 2 所示：摄像头拍摄的模拟信号输入系统板，经过视频采样、图像存储、图 像处理等过程，最终由信号传输模块将处理结果及其他信息传输到上位主控设 备。本设计只是电路板及硬件相关软件的制作，图像处理的软件部分不包括在设 计之中。 图2 2 信号处理流程 由d s p 启动对视频信号的采样，通过c p l d 扩展的通用1 0 口，发信号到c p l d ， 开始采样。同时通过查询或中断方式，监控c p l d 发出的采样完成信号。采样完 成后，c p l d 将采样数据送到r a m 中供d s p 读取，d s p 将r a m 中的采样数据整理后， 得到邮件的图像信息，通过u s b 接口，输出到主控计算机。 根据前面的系统结构设计要求，整个系统应该按照以下步骤进行完成： 1 ) 搭建一个d s p 平台，作为实现整个系统功能的基础。d s p 平台通常包括 下面几个部分：电源模块、复位模块、外部存储空间接口( 数据、程序和1 0 空 间) 、j 1 a g 仿真接口、电平转换电路、可编程逻辑控制等。 2 ) 设计采样电路，将输入的模拟视频信号，进行采样和a d 转换，转换为 静态的图像数据存储在系统中，供d s p 使用。 3 ) 逻辑控制电路( 使用c p l d 器件完成) 。在d s p 平台和采样模块中，都 需要通过可编程逻辑电路完成某些控制功能。如d s p 中的地址译码、扩展1 0 端 口、i o 器件控制等。对采样过程的控制，可以由d s p 或逻辑器件完成，如果用 d s p 来完成这些功能，会占用系统资源，而且接口电路也需要单独设计( 5 4 0 2 芯片的i o 功能不强) ，因为采样逻辑控制并不复杂，所以也设计为通过可编程逻 辑完成。所以在系统中选用一个规模较大的c p l d 芯片，来完成上而这些控制功 能。 燮业壁堕兰堡苎 堑些坠塑业塑型塑型 4 ) 设计u s b 接口电路和软件。为了让系统能够提供一个高速、通用的通讯 接口供后续设计使用，本设计中采用了u s b 接口。 图2 3 系统硬件结构简图 总体看来，系统包括以下几个功能模块，如图2 3 所示：由d s p 电路、c p l d 电路、存储器电路、采样电路等模块组成。由于其中的采样模块为模拟电路，其 他模块都是数字电路，所以分为d s p 相关的数字电路和模拟采样电路两部分进 行介绍。c p l d 和u s b 部分主要工作量在软件设计，所以放在软件部分介绍。 2 2 主要器件介绍 从上面的系统方案中可以看出，系统由主控c p u ( d s p ) 、逻辑控制( c p l d ) 、 视频采样( a d 转换等) 、通讯( u s b ) 等部分构成，下面对设计用到的主要器 件进行简要介绍。 1 d s p 简介 d s p 采用t i ( 德州仪器) 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 芯片，该芯片是t i 公司1 9 9 6 年推出的第七代数字信号 处理器，为定点1 6 位处理器，工作频率可调，最高主频 1 0 0 m h z ( 对应速度1 0 0 m i p s ) 。其微处理器采用修正的增 强型哈佛结构，片内集成8 条总线，4 0 位算术逻辑单元 a l u ，1 7 1 7 位并行乘法器，同其他常用d s i ，芯片相比，具有价格低廉的优势， 国内价格在4 0 元右，同传统的单片机相比具有很高的性价比，只是内存偏小， ! ! 塞些皇查兰堡主堡苎 苎三里! ! 堕坌堡垫些堡垫查型堡塑! ! 塑 为1 6 k x1 6 b i t r a m 、4 k 1 6 b i tr o m ，同时具有外扩最大1 m x1 6 b i tr o m 、6 4 k 1 6 b i tr a m 、6 4 k x1 6 b i t1 0 空间的能力。 5 4 0 2 的片内设备包括：软件可编程的等待周期生成器和分区转换器、p l l 时钟生成器、两个多通道缓冲串口( m c b s p ) 、增强型8 位主机接口( h p l 8 ) 、两 个1 6 位时钟、六通道d m a 控制器等。芯片工作电压3 3 v ，内核电压1 8 v 。 5 4 0 2 芯片完整的内外结构，为组成最小系统提供了方便的条件。 2 c p l d 介绍 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 是复杂可编程逻辑器件的缩写， 属于f p l d ( 现场可编程逻辑器件) 的范畴，这种器件经过编程，可以实现数字 逻辑功能，将多个门电路完成的功能集成到一块芯片内。具有设计简便、系统结 构简单、成本低、改变灵活性大等优点。同以往的p a l 、g a l 等可编程逻辑器 件相比，c p l d 规模比较大，可以代替几十甚至上百块通用i c 芯片，完成时序 控制、算法和组合逻辑等。 本设计中采用a l t e r a 公司的e p m 7 1 2 8 a e t c l 4 4 芯 片，属于e p l d 中的m a x 7 0 0 0 系列，2 5 0 0 个可用门， 1 2 8 宏单元，最大用户i o 脚数为1 0 0 。核心工作在3 3 v 电压下，而i o 引脚可与5 o v 、3 3 v 、2 5 v 等逻辑电 平兼容，这使c p l d 不但可以完成所需的逻辑功能， 而且可以作为系统中的电平转换接口元件，能与系统 中不同电压设备相连接。设计中c p l d 要完成地址译码、采样控制、扩展存储空 间等功能。 3 u s b 介绍 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 是一种外设连接技术。u s b 总 线上可以动态插入和拔出u s b 设备，支持多连接，可对多个设备同时操作，可 支持多达1 2 7 个物理设备。u s b i 1 协议下，可以支持1 , 5 m b s 和1 2 m b s 两种通 汛速度，远高于常用的串口和并口通讯速度。尽管u s b 并不仅限于在p c 方面 的应用，但由于p c 9 9 标准规定u s b 是p c 的标准设备所以在设备中采用u s b ! ! 室堕皇查兰堡主堡奎 苎主旦翌竺坌堡塑塑竺垫查望型堑! ! ! ! 塑 接口后，可以为系统提供良好的外部通讯环境。 本设计中采用国家半导体公司( n s ) 的u s b n 9 6 0 4 作为u s b 从设备通讯芯 片，芯片兼容u s b l 0 和u s b l 1 协议，外接2 4 m h z 晶振，同系统的接口为8 位 并行接口，支持增强型d m a ，通过c p l d 扩展的i o 接口与d s p 连接。 4 视频采样 视频采样包括摄像头、信号处理、a d 转换三个部分。 摄像头采用3 0 万像素的民用c m o s 黑白摄像头。输出信号为p a l 制式模拟 信号。所以需要通过采样电路将其转换为数字信号，才能进行后续处理。 信号处理包括信号放大和同步分离两个部分，输入的模拟信号为了便于处 理，首先要经过一定的信号放大，然后通过同步分离电路，将视频信号中的同步 信号分离出来，作为采样的标志。同步分离电路采用l m l 8 8 1 芯片，该器件能接 收p a 乙制、n f s c 制和s e c w i 制的全电视信号，输出复合同步信号、垂直同步信 号、奇偶场信号和色同步旗形脉冲信号。 a d 转换器采用t i 公司的t l c 5 5 1 0 芯片。t l c 5 5 1 0 为5 v 电源、8 b i t 、2 0 m s p s 的高速并行a d 转换器，最大量程为2 v 。通过c p l d 的控制，将输入的模拟视频 信号进行采样，存储到板上的r a m 中。 2 3 d s p 及相关电路的设计 图2 4 是d s p 和系统中的主要设备。d s p 通过总线来操作这些设备。d s p 共有1 6 位数据总线和2 0 位地址总线，地址和数据总线都是专用的。系统中的总 线型外设可分为数据存储设备、程序存储设备、i o 设备这三种，数据空间、程 序空间和i o 空间三者共用这一组总线，通过不同的片选信号迸行区别。其中数 据和1 0 的地址总线都是1 6 位的。即系统的数据和1 0 空间都只有6 4 k ，高端的 4 根地址线为程序空间专用，所以程序的寻址范围为1 m 。其中的设备在系统结 构部分已经简要说明，下面分别进行具体介绍。 韭塞堕! ! 茎兰堡主丝兰 羔三里墅堕墅婪型型坐竺星堕型塑些! ! ! ! 型 图2 4 d s p 硬件设计图 2 3 i 数据、程序空间的访问 1 d s p 的内存扩展功能设计 5 4 0 2 芯片的数据寻址范围是6 4 k ( 1 6 位) ，其中低1 6 k 为片内d a r a m ( o o o o h - - 3 f f f h ) ，高4 8 k 在片外存储器( 4 0 0 0 h - - f f f f h ) 。为了片外数据区的连续访 问，这里设计为在扩展接口只能寻址高3 2 k 范围，对应于内存表的8 0 0 0 h - - o f f f f h 。所以对于系统的片外存储空间来说，能用的只有高3 2 k 数据地址空间。 为了满足图像处理的需要，让d s p 可以寻址到更多的数据空间，设计中通过 c p l d 为系统增加了一个内存分页寄存器，通过对内存页的设定，可以访问到系 统配置的所有r a m 。 程序的寻址范围是1 m ( 2 0 位) ，通过对d s p 寄存器的设置，低1 6 k 可以映 北京邮电大学硕士论文 基于d s p 的分拣机邮件动态识别板的研制 射在片内的d a r a m ，也可以全部都映射到外部存储器。 系统中共使用3 片1 2 8 k 的r a m ，其中1 2 8 k x8 b i t 的芯片用来保存原始采 样图像。即通过c p l d 控制将a d 转换得到的数据写入这一片r a m 。这片r a m 对于d s p 来说是只读的，只能作为数据空间对待，且在采样阶段不能对其进行 操作。另外2 片r a m 都是1 6 位芯片，可以手动或通过c p l d 寄存器软件配置 为数据空间或程序空间。具体的配置方法见节2 3 6 和节3 3 。 2 数据、程序空间总线读写操作 r 琵鼹 n o t e aa 1 9 ：1 6 | r r ee l w e y sd r n l o w d u r i n g 驰s s 醯t 口e 岫n _ d a t a s 口a 图2 5 内存读操作时序图 如图2 - - 5 所示，对r a m 的读操作由下面几根引脚控制：r 一w 、可雷、m s t r b 。 其q 】读写状念i j r 。根引脚表示，r 霄脚为高表示读状态，为低表示写状态，两为 片外部数据空n j 片选，只要d s p 对片外的数据空间进行操作。该引脚就会持续 韭塞业生查兰堡主堡苎； 苎三2 1 1 堕坌堑塑苎堕壁堑塑墨型垦! ! ! 型 低电平。丽丽丽为片外存储空间选通，只要对外部的存储空间操作，包括数据空 间和程序空间，引脚都会变低。由此可见，必须联合上述三个引脚的逻辑，才能 完成对外部数据空间的读写操作。 这里将r a m 的控制信号分成两部分，一个是r a m 的片选，一个是r a m 的读写信号。只有在r a m 的片选有效的时候，c p l d 产生有效的读写信号，才 能完成操作。所以设计中由r a m 页选择寄存器输出和d 吾联合控制片选，对c p l d 的寄存器进行配置后，当两引脚变低，对应的r a m 片选线才有效。而读写信号 则由丽t 丽和r 厢联合产生。r - 决定当前读写状态，厕作为读写触发信号。 从图中可以看出，瓦吾有效的时候比j i f 丽丽要长，所以选择 j i 丽丽作为读写触 发信号，而百蓉作为片选信号。同样，也可以认为在丽丽有效的范围内，选择 c l o u t 作为读写触发信号，这里考虑到芯片反应速度的问题，因为设计中用到 的是外部r a m 芯片，应该注意芯片的操作速度能否满足d s p 的响应速度。在 芯片速度较慢的情况下，只能通过d s p 的寄存器设置延长外部总线访问周期。 这样丽丽丽的低电平时间就会拉长，以适应速度较慢的芯片，而使用c l k o u t 的方法则无法达到上述时延的效果。 外部数据区的写操作时序与读操作大体相似，主要区别只是操作时r 席信号 为低。这里就不单独列出来了。 3 r a m 的具体电路设计 用于保存采样数据的1 2 8 kr a m ，地址总线的连接通过c p l d 中转，当不进 行采集的时候，将d s p 的地址线通过逻辑直接接到r a m ，数据总线同d s p 数 据总线接通；当进行采集的时候，r a m 的地址总线接c p l d 的地址计数器输出。 数据总线同d s p 数据总线断开，与a d 输出的数据线接通。另外2 片r a m 的 低l 5 位地址线不通过c p l d ，直接与d s p 的地址总线相连，高2 位地址线和控 制信号线由c p l d 控制。 2 3 2i o 空问的访问 鉴业查塑丝苎 羔业业堂堂竖堕型堕型 i o 访问方式如图所示 娟二= 厂弋= 二二二 - _ _ l _ - _ ，。o 。一 再 二二 n o t ea = - n 1 9 ：1 6 1 ；i r e 曲糟播d i w o n l o w d u r i 呻a 雎的髀t o i os p 叠c a f i g u r e1 4 p a r a l l e ll i ep o r tr e a d0 o s t r b = 0 l 图2 6 i o 读操作时序图 和r a m 的访问方式类似，1 0 读写操作同样由三根引脚控制：i 砑莉、r w 和丙，其中面吾t 丽和两分别对应与丽奸丽和两的功能，茹丽为1 0 空间选 通，舔为1 0 片选。由于在扩展1 0 和r a m 分页寄存器的操作方式下没有片选 所以就只用到了丽霄咏面和r 厢。用茄醪f f 洹作为i o 读写的触发信号，r - 判断 读写状态。在对u s b 的1 0 操作方式，雨作为u s b 的片选，莉醪矗面和r _ 的 作用与前面叙述的相同。 5 4 0 2i o 空间的寻址范围是6 4 k 。i o 空间的作用是为了让用户能够在总线上 操作存储器以外的设备。在本设计中，c p l d 是唯一的1 0 设备，d s p 以1 0 总线 操作的方式，访问c p l d 中的逻辑寄存器。 d s p 的l o 扩展功能。由于5 4 0 2 芯片几乎没有专用i o 端口( 5 4 0 2 的真j 下专 用i o 只有丽和x f 两根，且都是单向的) ，所以在设计中要求使用c p l d 逻辑 给系统增加一些l o 引脚，通过c p l d 给系统增加了十条单向1 0 线，用来作为 外部控制信号及系统的指示信号。其中包括两根l e d 指示灯控制线和输入输出 韭塞! ! ! ! ! ! ! _ 大堂堡二! ：笙苎 苎主里翌塑鱼里堕塑壁竖堑塑墨型堡! 兰! 型 i o 线各四根。 2 3 3f l a s h 存储芯片的访闯 在系统设计中，f l a s h 属于数据空间的范畴。但由于其作用比较特殊，所 以需要进行不同于其他r a m 的特殊设计。f l a s h 用来在系统掉电时存放程序 和数据，为了b o o f l o a d e r 的需要，上电时要将f l a s h 空间映射为数据区， b o o t l o a d e r 结束后，系统不再需要f l a s h 空间，不能再占用这个内存空间，应 该将其释放。这时f l a s h 只作为存放数据的r o m 使用。根据上面的设计要求， f l a s h 是作为数据空间使用的，所以其操作时序和前面提到的数据、程序空问 总线读写操作是完全一样的，只是响应速度比较慢。所以在设计c p l d 逻辑的时 候，和r a m 器件作同样考虑就可以了。但f l a s h 的要求访问速度较慢，所以 需要在对其操作的对候，通过寄存器设置，软件插入访闯等待周期。在上电和需 要访问f l a s h 的时候，注意外部总线等待状态寄存器的设置。 综上，对f l a s h 空间的设计如下： 通过c p l d 管理f l a s h 的读写和片选，设置c p l d 寄存器默认值，使其上 电时将f l a s h 映射到数据空间，b o o t l o a d e r 完成后，通过程序设置将f l a s h 空 间释放。在需要操作f l a s h 的时候，例如烧写f l a s h 或读取数据等情况，同 样通过设置c p l d 寄存器，将f l a s h 映射到数据空间进行操作。 通过正常的数据总线操作，按照一定的规范，就能完成f l a s h 芯片的烧写， 具体的f l a s h 烧写程序在软件部分介绍。 2 3 4 电源和复位电路： 5 4 0 2 芯片工作在双电压条件下：外围总线和其他i o 接口及系统电压采用 3 t 3 v ，系统内核工作在1 8 v 电压下。同时，因为系统内还有一些需要5 v 工作 的器件，所以设计时需要在板上同时提供5 v 、3 3 v 和1 8 v 三种电压输出。这 晕设计成为以标准5 v 为系统电压输入，利用两个稳压芯片分别提供3 3 v 和1 8 v 电压输出。 复位是一种不可屏蔽的外部中断，它可以在任何时候使c p u 进入一种已知 状态，达到退出错误状态，重新丌始的目的。正常操作是上电后两引脚保持5 北京邮电大学硕 ：论文 基于d s p 的分拣机邮件动态识别板的研制 个时钟周期的低电平，以确保数据、地址和控制线的正确配置。复位后良引脚 变高电平，处理器从f f 8 0 h 地址取指令，并开始执行程序。同时将初始化d s p 内部状态，寄存器回复到复位值。 一般有两种操作可以使系统复位：上电复位和手动复位。上电复位是指系统 上电后，通过复位电路，在复位引脚产生相应信号：而手动复位是通过手工按下 复位开关，在复位引脚上产生复位电平。这两种复位方式的结果都是让系统进入 初始状态。为了得到干净、标准的复位信号，这里使用专用复位芯片i m p 7 0 6 完 成复位功能，如图2 7 所示： 图2 7 复位电路 b u f _ r s t 就是输出到系统的复位信号，连接d s p 和其他芯片的复位引脚。 同时这个芯片还带有看门狗和电平检测的功能，看门狗可以检测系统状态，在需 要的时候进行系统复位：两电平检测功能可以让7 0 6 芯片在发现电压电平低于一 定值时，在p f o 引脚输出信号，使系统提前采取措施( 例如，将这个脚接入d s p 的不可屏蔽中断，在中断程序中保护和存储一些必要数据) ，这些功能进一步保 证了系统工作的安全和稳定。 山j 。i m p 7 0 6 是基于5 v 工作的芯片。所以需要通过2 4 4 芯片进行电平转换， j 能将复位信号输出到d s p 的复位端。详细叙述见下节电平转换和隔离保 ! ! 窒业生查堂堡主堡苎 苎王望塑塑坌堡垫坚壁垫查望型堡! ! ! ! 型 护。 2 3 5 电平转换和隔离保护 由于系统中存在不同电压下工作的设备，所以需要考虑这些设备之间的电平 信号如何正常传递。其中1 8 v 只用于提供给d s p 内核工作，并不输出到外部1 0 ， 所以这里只讨论5 v 和3 3 v 器件的兼容性：( 由于系统用到的都是1 v r l 元件，所 以这里只分析r r l 器件的电平转换问题) 1 ) 3 3 v 信号输出到5 v ：两者低电平阈值基本相同，都为o 4 v ，可以识别。 3 3 v 输出的高电平值高于5 v 器件的识别阈值( 2 4 v ) ，5 v 器件可以将其认为1 ， 所以这种情况可以正常工作。 2 ) 5 v 信号输出到3 3 v 器件：同上，低电平可以识别：从高电平阈值的角 度来看，3 3 v 器件可以将5 v 输出的高电平识别为高，但输入电平已超出了3 3 v 器件的电源电压，使器件可能无法承受，这种情况下会无法正常工作，需要进行 电平转换。 电平转换的方法： 1 ) 用c p l d 作为电平转换器件：因为c p l d 可以兼容5 v 和3 3 v 输入，而 1 0 输出工作在3 3 v 标准下，所以已经具有了5 v 一3 3 v 的转换功能，只要是同 c p l d 相连的信号，就不用考虑电平不兼容问题了。 2 ) 对于系统中与c p l d 无关的5 v 信号，则必须将其转成3 3 v ，才能作为 输出信号使用。这里使用1 6 位低电压缓冲器芯片7 4 l v t h 6 2 4 4 作为电平转换。 同c p l d 一样，芯片工作在3 3 v 下，但可以兼容5 v 信号输入。要注意2 4 4 为 单向缓冲，只能作为单向信号的电平转换。 2 3 6 内存空间的手动选择和分配 系统中使用了多片不同容量、宽度的r a m 和r o m ，需要在上电后的 b o o t l o a d c r 过程和d s p 程序运行过程中将这些存储器分配到程序、数据空间，为 了能够更灵活的进行配置，设计了通过软件配置和硬件手动配置两种方法。软件 配置方法就是通过对c p l d 寄存器的设置，定义存储空间，所以只能在d s p 程 序开始运行后使用，具体设计见c p l d 的软件设计部分，这早只叙述用手动跳线 北京邮电大学硕士论文 基于d s p 的分拣机邮件动态识别板的研制 方法配置内存的设计。在系统刚上电，进入b o o t l o a d c r 的时候，无法使用软件配 置方法，所以只能通过手动方法进行存储空间配置。另外，因为软件配置方法使 用到了c p l d 逻辑，所以当系统进行总线读写操作的时候，会因为信号经过了 c p l d 逻辑而产生一定的时延，为了保证存储空间接口速度，有时也需要通过手 动进行配置。为了便于描述，将这些芯片分别定义为： 保存采样结果用的一片1 2 8 k 8 b i t r a m ：r a m 0 两片1 2 8 k x1 6 b i tr a m ：r a m l 、r a m 2 单片2 5 6 k 1 6 b i tf l a s h ：f l a s h 根据本设计中d s p 内存空间的管理原则，片外数据空间只能位于高3 2 k 地 址段，即8 0 0 0 h - - f f f f h ，程序空间的可寻址范围为1 m ，从0 0 0 0 h 开始。所以 对超过3 2 k 的数据空间的访问，只能通过d s p 之外的电路，进行地址的分页选 取，即首先确定所需读取的页号，将寻址范围定义在某个3 2 k 的数据块上，再 在这个范围内进行数据访问。设计中采用c p l d 逻辑实现分页选择功能。 对d s p 来说，r a m 0 是只读空间，且不参与b o o t l o a d e r 过程，所以没有手 动配置的选择，只能通过对c p l d 寄存器的设置，将其映射在数据区，分4 页读 取，通过c p l d 逻辑中的1 0 寄存器选择页号。 根据b o o t l o a d e r 的要求，f l a s h 作为程序存储区，上电时必须映射到数据 空间，所以c p l d 默认配置为上电后f l a s h 占据数据区高3 2 k 的位置，下面的 说明都是以b o o t l o a d e r 已完成、程序开始执行时的系统环境为前提的。f l a s h 也只有在b o o t l o a d e r 完成、程序开始执行后，才能通过对c p l d 寄存器的操作将 其定义为程序或数据空间，没有手动配置的选择。 r a m l 、r a m 2 可以通过跳线手工设置为数据或程序空间。在对r a m l 、2 芯片的操作中，定义了两套使能控制信号：芯片本身的片选豆，定义为信号端 r a m + c s ：高、低8 位的使能控制信号短接到一起，作为另一个控制信号，定 义为信号端r a m + z ，只有这两个使能信号端同时为低的时候，芯片