（信号与信息处理专业论文）视频交通信息检测卡的硬件研制.pdf

摘要 智能交通系统( i t s ) 是目前世界交通运输领域的前沿研究课题。交通信息 检测是智能交通系统中的重要环节。随着计算机技术、图像处理、人工智能和模 式识别等技术的不断发展，基于视频的检测方法在交通信息检测中得到了越来越 广泛的应用。 本文首先简要介绍了国内外视频交通信息检测系统的发展概况，然后分析了 视频检测系统的解决方案。采用上下位机分离的系统设计使图像处理、交通信息 提取部分与控制中心系统分离，减轻了系统负担，降低了系统成本。交通信息检 测系统的核心部件嵌入式视频信息检测卡，是本文设计的主要内容。检测卡 接收摄像机提供的模拟视频，经过解码芯片转化后输出数字视频，再由板上d s p 进行数字图像和模式识别处理，得到的交通信息数据最后通过板卡的p c i 接口传 送至下位机。完全相同的两路处理通道使得本检测卡能够同时处理两路的交通视 频，提高了系统集成度。论文详细的介绍了检测卡电路板的硬件电路设计，包括 d s p 处理器模块、视音频解码模块、存储器模块和p c i 总线接口模块。 论文的最后部分对信号完整性问题做了深入的分析，并对在高速电路设计中 可能出现问题的情况进行了研究。 关键词：智能交通系统d s pp c i 信号完整性 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) i so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gi t e m sf o r t r a n s p o r t a t i o n t h et r a f f i ed e t e c t i o ns y s t e mr e s e a r c h e di nt h i sp a p e ri st h ei m p o r t a n t p a r to fi t s w i t ht h eg r e a tp r o g r e s si ni m a g ep r o c e s s i n g ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ， c o m p u t e r , a n dp a t t e r nd i s t i n g u i s h e st e c h n o l o g y , t h et f a i 矗ci n f o r m a t i o nd e t e c t i o n s y s t e mb a s e d o nv i d e oa n a l y z i n gh a sb e e nr e c e i v e dm o r ea t t e n t i o n f i r s t l y , t h ep a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e s t h eg e n e r a ld e v e l o p m e n to ft h et r a f f i c d e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nv i d e oa n a l y z i n g i nb o t l ld o m e s t i ca n do v e r s e a s t h e nt h e w h o l es y s t e ms c h e m ei sp r e s e n t e da n da n a l y z e d w h i c hi sd i v i d e di n t ot h el o w - l e v e l a n dh i g h l e v e lp a r t s o n ei su s e df o ri m a g ep r o c e s s i n ga n dt r a f f i ci n f o r m a t i o n e x t r a c t i n g t h eo t h e ri s t h ec e n t e rc o n t r o lo ft h ew h d es y s t e m t h ee m b e d d e d t r a f f i c - d e t e c t i o nc a r dw h i c hi sp r e s e n t e db yt h i sp a p e ri st h ec e n t e rp a r to ft h e i n f o r m a t i o nd e t e c t i o ns y s t e m t h ei n p u to ft h ec a r di sa n a l o gv e h i c u l a rv i d e o ，w h i c h w i l lb ec o n v e r t e di n t od i g i t a l i z e ds i g n a l t h e nt h ed i g i t a lv i d e oh a sb e e np r o c e s s e db y t h ed s p0 1 1t h ec a r d a r e rt h i s ，t h et r a f f i ci n f o r m a t i o ni nt h ev i d e oh a sb e e no b t a i n e d a l lt h ei n f o r m a t i o nd a t aa n dt h ed i 垂t , a lv i d e oa r et r a n s p o r t e dt ot h el o w - l e v e lp c t o w a b s o l u t e l yi d e n t i c a lc h a n n e l sa r ei n t e g r a t e do nt h eb o a r d ，w h i c hi n s l l r et h es y s t e m p r o c e s s i n gt o w - c h a n n e lv i d e of r o md i f f e r e n td i r e c t i o n t h i sp a p e rf u l l ya n a l y z e st h e h a r d w a r ed e s i g no ft h ec i r c u i tb o a r d ，w h i c hi n c l u d e st h ed s p , a u d i oa n dv i d e o d e c o d e r , m e m o r y , a n dt h ep c ii n t e r f a c ec o m p o n e n t s i g n a li n t e g r i t yi s s u e sa n dp r i n t e dc i r c u i tb o a r dd e s i g nh a v eb e e nd i s c u s s e di n t h el a s tp a r to ft h ep a p e r s o m ec r i t i c a li n s t a n c e sa l s oh a sb e e np r e s e n t e d ，w h i c hm a y a f f e c tt h ew h o l es y s t e m ss t a b i l i t y k e y w o r d s ：i t s ，d s p , p c i ，s i g n a li n t e g r i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘注盘堂或其他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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：宋占坤签字吼矽占年乙月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫连盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼本堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：j 表占坤 导师签名： 签字日期。6 6 年月力日 杨越 签字日期：沙形年，月刁日 天津大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着国民经济的快速发展，社会对交通运输的各种需求明显增长，交通运输 与社会经济生活的联系越来越紧密，使得交通基础设施建设和交通运输成为经济 生活中最活跃的方面之一。但现在我们国家，车与路韵矛盾、交通与环境的矛盾 变得日益尖锐，交通运输问题变得更加严重，道路交通拥挤，交通事故频发，交 通环境恶化，能源紧张，环境污染不断加重。这些己成为社会和经济正常运转的 制约因素之一，在这种背景下，把车辆和道路综合起来考虑，运用各种商新技术， 系统的解决道路交通问题，由此产生了新的研究和应用领域智能交通系统 i t s ( i t s ，i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 。 智能交通系统是交通运输领域研究的前沿课题，是二十一世纪交通的重要发 展方向。它是在当代科学技术充分发展进步的背景下产生的，将先进的计算机处 理技术、信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术等有效地综合应用于整个 交通运输管理系统。i t s 通过对有关交通信息的实时采集、处理和传输，借助各 种科技手段和设备，对各种交通情况进行协调和处理，建立起一种实时、准确、 高效的综合运输管理系统，从而使交通设施得以充分利用，有效提高交通效率和 安全，最终使交通运输服务和管理智能化，实现交通运输的集约式发展，从而促 进经济发展、改善环境质量。i t s 的目标和功能包括以下几个方面；减少交通堵 塞；保持交通通畅：提高交通运输的生产效率和经济效益。与传统提高交通运输 手段相比，i t s 不是单纯的依靠建设更多的基础设旌、消耗大量资源来实现上述 目标和功能，二千在现有或较完善的基础设计上，将先进信息技术、通讯技术、 控制技术有机地结合，综合运用于整个交通运输系统，实现其功能和目标。国外 实践证明，一旦i t s 投入使用，至少可以把城市中的交通堵塞减少一半，交通事 故甚至可以减少8 0 。 交通监视系统是智能交通系统中的一个重要环节，这一子系统主要负责采集 有关道路交通流星的各种参数，铡如车流量，车速。车型，撵队时阊和长度等。 目前，道路参数检测的方法很多，主要有超声波检测，红外检测，感应圈检测和 基于视频的检测等等。超声波检测精度不高，容易受车辆遮挡和行人的影响，检 测的距离短；红外线检测受车辆本身热源的影响，并且抗噪声的能力不强，因而 天津大学硕士学位论文第一章绪论 检测精度不高；虽然地感线圈检测精度相对较高，但要求设置于路面结构中，并 有对路面有损坏，施工和安装相对不便，使用寿命比较短，容易损坏等缺点。近 年来，基于视频检测的方法随着计算机技术，图像处理，人工智能和模式识别等 技术的不断发展，在交通流检测中得到了越来越广泛的应用，相对于其它交通流 量检测技术而言，它具有以下的优势： 1 ) 视频检测范围广，能对视线范围2 0 0 米以内的车辆进行跟踪检测； 2 ) 相对于其它检测方法，投资少，费用低；视频传感器等设备，例如摄像机， 易于安装和调试，且对路面设施不会产生破坏； 3 ) 使用视频检钡8 技术可以采集到更多的交通流量参数，如交通流量、速度、 密度、占有率等，还能监测排队、逆行、停车、拥挤等，这是一般的感应 线圈检测器无法比拟的； 4 ) 能够将实时的图像传给交通管理者； 5 ) 检测可靠性和准确度高，能够全天候工作，不受雨、雪等恶劣天气的影响； 正是由于视频检测技术同其它检测方式相比有许多不可替代的优点，决定了它必 将成为未来车辆检测的主要技术。 1 2 视频智能交通系统( i t s ) 状况【l 】【2 l f 3 j 1 2 。i 国外发展状况 由于i t s 系统具有很好的经济效益和社会效益，它正成为2 1 世纪交通发展 的方向。一些国家和地区纷纷成立各种组织展开研究开发工作。目前国际上i t s 研究形成了美国、日本和欧盟三大阵营。美国的i t s a m e r i c a 、日本的v e r t i s 和 欧洲的e r i t c o 成为国际上推动i t s 的三大组织。 视频检测技术的应用始子二十世纪七十年代末。在美国联邦公路管理局的资 助下，加州j e tp r o p u l s i o n 实验室于1 9 7 8 年开始尝试使用视频技术来检测车辆的 运行，并取得了初步的进展。此后，欧美其它国家及日本等国相继展开了对视频 检测技术的研究，一些视频检测系统也应运而生。其中，比较有代表性的是由明 尼苏达大学研制开发并逐渐发展壮大的a u t o s c o p e 视频检测系统。伴随着视频检 测在交通管理控制应用范围的增大，一些针对各种视频检测设备、检测系统的评 价研究也相继展开，为视频检测技术的完善与发展提供了宝贵的实地数据及改进 的策略与方向。进入二十一世纪，在研究界、企业界和交通管理部门的共同努力 下，视频检测技术日趋成熟，并逐渐取代传统的感应线圈、雷达等检测技术，成 为实际交通管理工作中获取交通信息的重要来源与手段。同时，韩国汉城奥林匹 天津大学硕士学位论文第一章绪论 克高速公路、纽约g o w a n u s 快速路、香港机场隧道等诸多的成功应用实例，使 视频检测技术受到了越来越广泛的关注。 1 2 2 国内发展现状 中国政府十分重视i t s 在国内的发展，有关部门从1 9 9 6 年开始组织了i t s 领域的一系列国际交流和合作，支持在国内开展研究和开发。为了便于协调国家 科技部组织了交通部、铁道部、公安部、建设部、国家技术监督局等有关部门， 组建了中国i t s 政府协调指导小组，总体规划包括道路、铁路、水运、民航在内 的中国i t s 发展战略、标准制定和人才培训，组织i t s 关键技术的攻关和示范工 程。在“十五”计划期间，我国启动了智能化交通的示范工程，建立交通系统综 合平台和交通综合控制指挥中心，并在电子警察、一卡通收费、智能化公交系统、 高速公路综合管理系统、停车场管理系统、基于i n t e r n e t 的货运交易系统和物流 系统、车载系统、交通诱导等方面开展技术研究、开发及示范应用。 目前基于视频检测技术的交通智能系统在国内已经开始推广。国内深圳市哈 工大交通电子技术有限公司，浙大电信研究所，北京布鲁顿公司，北京清华紫光 股份有限公司，深圳阿格斯公司，成都深港监控技术公司等十多家企业也进行了 一些视频检测产品的开发研究，如清华大学的v i s a t a r a m 系统通过分析两幅 2 d s t ( s p a t i o - t e m p o r a l ) 来获取车流车速等交通参数，等等。但是相对国外 产品，国内厂商在视频检测技术的研究基础方面比较薄弱，尤其是视频检测技术 的核心一图像处理和模式识别技术的研究之后于国外。为了能够跟上国际的脚步， 研制适合我国国情的视频检测系统，同时推动相关技术领域的发展，当前大力开 展视频交通技术的研究，具有十分重要的现实意义。 我们设计的视频检测系统，借鉴了哈工大交通电子技术有限公司的 b t d 2 0 0 0 e 和a u t o s c o p e 系列产品的功能和结构，提出了自己的系统解决方案。 我们的视频检测系统采用自行设计的车辆检测算法，可同时处理2 路视频信号， 主要用于交通数据的采集。 1 3 本论文的主要任务及内容 本课题是实验室与天津华海计算机技术有限公司合作开发的项目，是天津 市科委自然科学基金项目。课题的主要目的是进行基于数字图像处理技术的交 通信息采集系统的研究与实现，为i t s 系统提供更为先进和精确的交通信息采 集手段。 视频检测系统的结构采用主机客户端的结构，分为上位机和下位机两部 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 分，他们之间通过局域网进行通讯。上位机位于监控中心，可对下位机的工作 参数进行现场地设定，同时接收来自下位机的交通数据，进行集中的处理；而 视频检测的部分主要由下位机完成，下位机由工控机加d s p 视频检测卡的结构 组成。本文的主要任务就是嵌入式视频检测卡部分的硬件设计研究，我主要完 成了以下工作： 1 ) 学习芯片资料，掌握各芯片具体功能和使用方法：学习设计相关基础知 识，如p c i 总线协议，i c 总线原理等； 2 ) 研究视频交通信息检测卡硬件设计方案； 3 ) 学习p r o t e l 9 9 软件，在理解芯片原理基础上设计电路原理图； 4 ) 学习信号完整性分析、电磁兼容原理，学习印制板设计方法，设计电路 板： 5 ) 电路板调试工作； 本论文的主要内容安排如下： 第l 章介绍了智能交通系统的概念，并且着重介绍了视频检测方法在智能 交通系统中的应用。概括了本论文的主要内容及整体结构； 第2 章介绍视频检测的系统方案，并且着重介绍了嵌入式视频检测卡的硬 件系统组成： 第3 章详细介绍了检测卡d s p 处理器部分的硬件设计，包括d s p 的周边电 路：时钟电路、复位电路、电源电路和j t a g 接口等部分的设计； 第4 章对检测卡的视音频处理模块进行了介绍，详细介绍了视频解码单元 部分的设计； 第5 章对f i f o 和s d r a m 存储器的接口电路设计进行了详细说明，并且对 f i f o 的控制器( c p l d ) 的逻辑设计做了分析； 第6 章详细分析了电路板p c i 接口电路部分的设计，并对p c i 总线协议作 了介绍； 第7 章对高速电路板设计中应该注意的信号完整性问题做了深入的分析。 天律大学硕士学位论文第二章视频检测系统方案设计 第二章视频检测系统方案设计 目前，视频检测系统的实现主要有两种方案：一种是采用通用c p u 作为中 央处理器，例如a u t o s c o p e 系列，就采用了4 8 6 s x 作为系统的核心，处理各种 视频检测算法，这种结构有其本身的优点，如可利用通用计算机内部现有的软硬 件资源，对于算法的开发更加方便，易于升级等，但也有着极大的缺陷，比如由 于既要进行图象处理，还有完成同外设之间的通讯，所以系统c p u 的负担极重， 难以完成复杂的算法，同时由于采用专用的c p u 主板，使得设计及开发周期较 长，成本高；针对这些缺点，本系统采用了上位机和下位机分离的两部份设计， 在下位机中采用嵌入式d s p 作为核心处理器的检测卡负责专门的图象处理工作， 这样减轻了系统负担，增加了运行速度。检测卡集成了两路视频处理通路，可以 同时处理两个不同方向的路面视频信息。下位机系统可以通过网络连接到管理中 心，系统具有极强的扩展能力。 2 1 系统方案设计的原则 该视频检测系统将主要应用于城市交通信息的检测，针对城市交通的特点以 及考虑到系统架设的具体环境，考虑的设计因素如下： 1 ) 确保系统运行的稳定性、可靠性； 2 ) 考虑系统应用的自然环境，如气候、光照条件等； 3 ) 确保安装、使用、维护、过程的无干扰与方便性； 4 】保证系统的可扩展性； 5 ) 确保系统运行的经济性： 6 ) 保证系统的易用性及安全性； 7 ) 提供详尽的用户手册和操作手册； 8 ) 从人机界面设计、应用软件参数变更、系统设备自动检测、系统恢复能 力等方面，保证系统操作的便捷、安全。 2 2 系统总体结构 如图2 1 所示，两台大视野摄像机被架设在路面的上方，每台摄像机分别监 天律大学硕士学位论文第二章视频检测系统方案设计 视一个方向的车道。监视视频图像首先送往下位机中的嵌入式视频检测卡，进行 数据分析处理；提取的交通信息数据和监视图像通过p c i 总线送至下位机，同时 下位机将接受到的数据按预先定义好的时间间隔向位于交通控制中心的上位机 传送交通数据。这个传输可以通过网络进行。在交通控制中心，用户可以监视交 通数据及路面情况，也可以根据需要任意地在上位机上设置监测器。所有以上描 述设定功能都是由用户通过图形交互的方法完成的。 图2 - 1 视频检测系统示图 由系统方案可见，视频检测系统主要有以下设备组成： 1 图像采集设备 对于视频检测系统来说，系统首先应使用图像采集设备将路面信息采样， 等待以后的处理。本系统中的图像采集设备使用的是大区域摄像机，大区域摄 像机用于获取道路全景图像。为保证检测效果，大区域摄像机建议使用a j s 摄 像机，它是专为大范围机器视觉车辆检测而设计的，可以支持n t s c 、p a l 的 视频制式，接口支持连接头b n c ，复合彩色视频输出；同时装有遮阳罩及恒温 加热器，适合于全天候工作。 2 视频检测器 视频检测器包括工控机和相应的软件、视频检测卡。通常，一台工控机内 插一块视频检测卡，每块检测卡能够处理两路由大区域摄像机获取的图像，用 于检测两个不同车流方向的交通流量信息。可根据不同的需要在一台工控机内 插入l 4 块图像捕捉卡。 视频检测卡：视频检测卡是视频交通信息采集系统的核心。它采用数字 图像处理方法和模式识别技术，从输入的视频信号中，提取出所需的交 通流量信息数据。在本系统中，它插在工控机的p c i 插槽上，根据不同 需要可以选择安装若干块检测卡，提高了使用的灵活性。 工业控制计算机：在本方案中，工控机作为下位机，是控制中心。根据 天津大学硕士学位论文 第二章视频检测系统方案设计 实际的需要可以在工控机的p c i 扩展槽中插入若干块视频检测卡。它可 以通过以太网( 或其他通信方式) 和交通管理控制中心的通信服务器通 信，实现数据传送，远程管理与监控。此外，还可根据需要由工控机将 视频信号作为实时监控信号通过同轴电缆或者光纤传送到交管中心，以 便直接观察现场的交通状况。本系统使用了研华口c 6 1 0 工控机，主要 配置有：p 42 4 g 奔腾处理器、5 1 2 m b 内存、8 0 g 硬盘、以太网卡、串 口、并口、工业标准1 9 全钢机箱，总线传输速率6 6 m b s 。 3 通信网 可以通过基于t c p i p 的以太网，以光纤或同轴电缆作为传输介质，以服 务器为中心，互联位于不同检测点的工控机，把各个检测点连成一个互联网 络，从而实现信息共享和统一调度。 4 上位机 系统的上位机，是位于交通信息管理和控制中心的一台或是几台主机，负 责网络通信、数据存储、数据库管理。服务器的大容量硬盘，用来存储检测 到的交通视频和流量信息。同时，通过运行上位机的软件u p i t s 可实时设置 检测器工作状态，查询交通信息，监控路面情况。 5 用户终端 用户( 交通管理人员) 可以使用p c 机作为终端通过局域网或i n t e m e t 与服 务器通信，并通过服务器访问位于各个检测点的工控机，从工控机获取检测卡检 测到的交通数据，还可以通过工控机对检测卡实现远程管理和控制。 2 3 系统的技术指标及特点 对系统的工作性能，一般采用以下几个技术指标衡量： 1 以视频信号的帧频速率实时地完成大区域视频检测，即在4 0 m s ( p a l 制) 或3 4 m s ( n t s c 制) 时间间隔内完成交通流量信息检测及存储； 检测内容包括车速、车流量、车型分类( 大、中、小) 、车流密度等。 2 车流量误差 l ；车速误差 9 9 。 3 车速测量范围：0 - 1 6 0 k m h 。 4 ，测区域数量：o 3 2 个，可在现场或远程设置。 5 信息输出方式：r s 一2 3 2 ，支持多种网络通讯方式： 6 视频输入：p a l n t s c 制式c v b s 或s - - v i d e o ，7 5q ，l v p p ，b n c 连 接； 7 视频输入信道数：1 2 路大区域视频信号： 天津大学硕士学位论文第二章视频检测系统方案设计 8 系统无人值守，发生系统故障时可自动重新启动； 9 工作环境：- - 2 0 1 2 - i - 7 5 1 2 温度范围，相对温度o 9 5 ； 1 0 工作电压：1 1 5 2 3 0 v a c5 0 ，6 0 h z ； 我们完成的视频交通检测系统有如下特点： 1 基于高速d s p 进行数字图像处理和模式识别技术而设计，提供高精度 交通流量数据检测及事件检测。 2 实时显示和存储交通信息数据，提供的交通信息数据包括： 车流总量：在时间间隔内测得车辆总数。 占有率：按时间百分率测量的车道占有率。 车辆分类：按长度定义的大，中，小型车数量。 车流率：每车道每小时车辆数。 车头时距：车辆间的平均时间间隔。 车速：按k m h 计量的平均车速。 空间占有率：按百分率计量。 车辆密度：用户可选定的时间间隔周期。 3 利用鼠标和相关的路面图像，用户可以直接在现场或是远程通过计算机 设置虚拟的“车辆检测器”。 4 可定义的检测区域类型主要是：速度检测区，事故检测区。 5 系统中的大区域视频摄像机采用a u t o s c o p e 公司的a i s 或者类似的产 品，可通过同轴电缆进行调焦或者设置控制。具有各种照度条件下的自 动增益控制，即对被检测环境的自适应性。 6 视频交通检测系统的通信平台支持大型网络系统设计，组网不受设备台 数限制。既可以用该系统组成大型i t s 网络，同时也适用于那些只需要 1 2 台摄像机的中型道路干线、小型十字路口和高速公路卡口检测站。 7 视频交通检测系统可以通过双绞线传输交通流量数据，从而降低系统的 传输成本。对于远离交通管理中心，难以向交通管理中心传输视频图像 的检测点有更大的应用价值。 8 视频交通检测系统具有上电自检功能。系统正常工作时，用l e d 指示 灯显示电源、有效视频、通讯、数据处理等工作状态。 天津大学硕士学位论文 第二章视频检测系统方案设计 2 4 嵌入式视频检测卡的设计 2 4 1 嵌入式系统简介嗍 嵌入式系统是一种将嵌入了软件的计算机硬件作为其重要的一部分的系统。 它是一种专用于某个应用或者产品的基于计算机的系统。它可以是一个独立的系 统，也可以是更大系统的一部分。由于其软件通常嵌入在r o m ( 只读存储器) 中，因此并不像计算机一样需要辅助存储器。一个嵌入式系统有三个主要部分组 成： 蕊弼 匿鞭 醺鍪接拙溺 雾鬻 ：凑隧塑蚓 戆 鏊国圜 瑟 j 蓉j 圈圜 ；象 鼯。 圈医 f ；二夏习 图2 2 嵌入式系统硬件的组成 1 ) 硬件。图2 2 给出了嵌入式系统硬件中的组成单元。 2 ) 主应用软件。应用软件可以并发地执行任务序列或者多任务。 3 ) 实时操作系统( r t o s ) 来管理应用软件，并提供一种机制，使得处理 器在一次进程调度时运行一个进程，并在各个进程( 任务) 之间进行上下文 切换。r t o s 定义了系统工作的方式。它将对资源的访问组织成为系统的任务 序列。它将按照计划控制延迟( l a t e n c y ) 并满足最后期限，从而调度任务的 执行( 延迟指的是运行一项任务的隔断代码之间，以及任务发生所需要的等 待周期) 。它在执行应用软件的过程中制定规则。 我们可以将嵌入式系统分为以下三种类型： ( 1 ) 小型嵌入式系统。这些系统是采用一个8 位或1 6 位的微控制器设计的； 硬件和软件复杂度很小，需要进行板级设计。它们甚至可以便电池驱 动的。当为这些系统开发嵌入式软件时，主要的编程工具是所使用的 为控制器或处理器专用的编辑器、汇编器( a s s e m b l e r ) 和交叉汇编 器。通常利用c 语言来开发这些系统。c 程序被编译成为汇编程序， 然后将可执行代码存放到系统存储器的适当位置上。为了满足系统设 天津大学硕士学位论文第二章视频检测系统方案设计 计的功耗限制，软件必须放置在存储器中。 ( 2 ) 中型嵌入式系统。这些系统是采用一个1 6 位或者3 2 位的微控制器、 d s p 或者精简指令及计算机( r i s c ) 设计的；硬件和软件复杂度都比 较大。对于复杂的软件设计，可以使用如下的编程工具：r t o s 、代码 设计工具、模拟器、调试器和集成开发环境( i d e ) 。软件工具还提供 了硬件复杂性的解决方法。这些系统还可以运用以有的a s s p 和口来 完成各种功能，例如，总线接口、加密、解密、离散余弦变换和逆变 换、t c p i p 协议栈和网络连接功能( a s s p 和i p 可能必须用系统软件 进行适当的配置，才能集成到系统总线上) 。 ( 3 ) 复杂嵌入式系统。复杂嵌入式系统的软件和硬件都非常复杂，需要可 升级的处理器或者可配置的处理器和可编程逻辑阵列。它们用于边缘 应用，在这些应用中，需要硬件和软件协同设计，并且都集成到最终 的系统中；然而它们却受到硬件单元所提供的处理速度的限制。为了 节约时间并提高运行速度，可以在硬件中实现一定的软件功能，例如 加密和解密算法、离散余弦变换和逆变换算法、t c p i p 协议栈和网络 驱动程序功能。系统中某些硬件资源的功能也可以用软件来实现。这 些系统的开发工具要么十分昂贵，要么根本不存在。有时候，必须为 这些系统开发便一起或者可重定目标的编译器( 可重定目标的编译器， 就是一种可以根据系统中给定的目标配置进行配置的编译器) 。 我们开发的嵌入式视频检测卡，需要处理大量实时的视频数据，所以最终选 择了以通用d s p 为嵌入式处理器的中型嵌入式系统。通用可编程d s p 芯片与通 用计算机和专用a s i c 芯片相比，具有强大的数据处理能力和可编程性等优点， 在多种数据处理场合得到广泛应用。 2 4 2 视频检测卡设计 视频检测卡是采集交通流量信息的关键的部件，它接收摄像机提供的 p a i ，n t s c 制式的标准模拟视频信号，经过模数转换后，再采用数字图象处理算法 和模式识别算法对数字图像数据进行处理，得到所需的交通信息数据，最后通过 p c i 总线传送给工控机，使得交通管理人员可以使用终端通过位于交通管理中心 的服务器访问工控机和视频检测卡( 客户端) 。从而获得交通信息数据；同时， 交通管理人员也可以通过服务器对视频检测卡访问采集到的检测数据，实现在线 修改视频检测卡的配置参数( 如检测器位置、类型等) ，实现远程管理和控制。 视频检测卡插在下位机的p c i 插槽上，一个视频检测卡上集成了两路数据处 理通路，可以同时检测两路输入视频。这样可以利用一块检测卡，检测不同方向 天津大学硕士学位论文第二章视频检测系统方案设计 的交通流量信息，提高了系统的集成度。视频检测卡的硬件结构如图2 3 所示。 图中详细画出了两路视频处理通路，下面将以一路视频处理通路为例，完成对检 测卡结构的描述。 第 第 图2 3 嵌入式视频检测卡系统框图 每一个处理通路可以处理一路来自摄像机的p a l n t s c 制信号。来自摄像 机的模拟视频信号首先输入板卡上的视频解码芯片s a a 7 1 1 4 h ，转换输出的信号 为c c 瓜6 0 1 格式的数字视频。 来自摄像机的模拟音频信号输入板卡上的音频处理芯片u d a l 3 6 1 t s ，转换 输出为1 2 s 格式的数字音频。该格式音频数据将直接输入d s p 的m c b s p 口。在 本系统中，并未使用音频信息提取交通数据。不过，该数据可用作以后的功能扩 展。 转换后的数字视频信号进入f i f o 中进行缓存，当f i f o 中缓冲一行数据后， 会通过控制信号给d s p 发送中断信号，d s p 采用增强的存储器直接读取( e d m a ) 方式读取f i f o 中的数据。如果e d m a 的读取速度慢于视频数据采集的速度， f i f o 中的数据有溢出时，f i f o 中的数据将被抛弃，视频采集过程将重新启动。 下一步，f i f o 中的数据会在d s p 的控制下送入s d r a m 存储。当s d r a m 中准备好一帧待处理数据后，这些数据会被再次送入d s p ，由d s p 的算法程序 进行处理，提取其中的交通信息参数。这些交通信息和交通视频会通过板卡的 p c i 接口直接送到工控机。 在这个数据处理过程中，视频数据会在s a a 7 11 4 h 、f i f o 、s d r a m 、d s p 天律大学硕士学位论文第二章视频检测系统方案设计 之间传输，各器件间的控制信号关系复杂。为了完成它们之间控制信号的设计， 选用了c p l d 作为控制信号逻辑设计芯片。 由检测卡的系统框图和上面的介绍可以看出，检测卡的硬件结构可以分为以 下几个模块：， 1 ) d s p 处理器模块 2 ) 视音频解码模块； 3 ) 存储器模块 钔p c i 接口模块 2 5 本章小结 从整体上描述了视频检测系统的组成，介绍了系统设计要达到的的指标；分 析了嵌入式检测卡的工作原理。并且对嵌入式系统设计进行了简单介绍；对于嵌 入式检测卡的硬件组成结构进行了系统分析。在接下来的几章里，将对硬件组成 部分详细地分析。 天津大学硕士学位论文第三章d s p 处理器模块设计 第三章d s p 处理器模块设计 d s p 处理器是该嵌入式板卡的核心处理芯片，完成对视频数据流的控制和处 理。本章将详细介绍d s p 处理器在本系统中的结构、特点及相关电路的设计。 3 1 处理器指标 下面是处理器结构的基本特征。系统设计者在选择处理器和设计硬件的过程 中，都应该考虑这些特征【4 】。 ( 1 ) 指令周期时间( i n s t r u c t i o nc y c l et i m e ) ：这是处理器执行一条指令所需 要的时间。 ( 2 ) 内部总线宽度( i n t e r n a lb u sw i d t h ) ：a l u 从总线上获得输入，a l u ( 在 一次数学或逻辑操作中) 的一个操作数的位数等于总线宽度。 ( 3 ) c i s c 或者r i s c 体系结构：c i s c 或者r i s c 体系结构会影响系统设计。 c i s c 具有较少的寄存器处理复杂指令和复杂数据集的能力；r i s c 执行 较简单的指令，每条指令只占用一个周期。 ( 4 ) 程序计数器( p c ) 及其复位值：p c 的位数确定了处理器可以访问的物 理内存的最大空间；复位值表示了在运行系统复位或系统加电时，程序 应该放在什么地方，处理器将从此开始执行( 最初的指令指针和代码段 位置确定了处理器中最初的程序存储器地址) 。 ( 5 ) 堆栈指针( s t a c kp o i n t e r ) 及其初始复位值：堆栈指针中必须保存存储 在堆栈中字的地址。这些地址必须在系统分配给堆栈使用的地址范围之 内。 ( 6 ) 流水线( p i p e l i n e ) 和超标量( s u p e r s c a l a r ) 单元：许多情况下都需要较 高的处理器性能。流水线和超标量操作现在已经成为必要的功能。硬件 设计者必须根据需要的m i p s 或者m f l o p s 性能来选择处理器( 对于 需要很高性能的应用，需要使用多处理器系统) 。 ( 7 ) 片上r o m 和作为寄存器文件、窗口、高速缓存或存储器的片上r a m ： 这些是系统中存储器组织的组成部分。软件设计者必须通过执行适当的 指令来启用处理器中的高速缓存，使得在运行程序中某一部分时获得更 高的性能；而同时又禁止程序中其余部分使用高速缓存，以降低功耗并 天津大学硕士学位论文第三章d s p 处理器模块设计 将系统的能量需求最小化。硬件设计者应该选择一个具有多路缓存单元 的处理器，这样就能只激活一个高速缓存，其中包含执行指令的一个子 集时所需要的数据。这样还能降低功耗。 ( 8 ) 外部中断( e x t e r n a li n t e r r u p t ) ：在处理器中有几个管脚发送中断信号。 ( 9 ) 中断控制器( i n t e r r u p tc o n t r o l l e r ) ：处理器可以包含一个内部中断处理 器，对服务程序优先级进行编程，并分配向量地址。内部中断处理器在 大多数应用程序中都有很大的帮助。 ( 1 0 )浮点处理器( f l o a tp o i n tp r o c e s s o r ) ：包含f l p u 和f r s 单元的处理 器能够快速执行浮点运算。他们能够提高处理器的计算能力。对于信号 处理和复杂可控制应用来说，浮点处理器是必需的。 ( 1 1 )多通道直接存储器访问( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ，d m a ) 控制器：当 有多个f 0 设备，并且一个y o 设备需要快速访问一个多字节数据集时， 系统存储器片上d m a 控制器会大幅度提高处理器数据传输能力 ( 1 2 )片上m m u ；当使用高速缓存的时候需要这个单元。 对于需要完成大量的视频计算，而控制操作并不复杂的系统来说，采用通用 d s p 芯片作为处理器是一个不错的选择。 德州仪器( n ) 公司的1 m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列是目前的数字信号处理器中性能 最高的产品。c 6 0 0 0 系列的高速处理能力以及其出色的对外接口能力，使得它在 多通道无线通信和有线通信，雷达声纳、和图像处理等领域具有非常大的应用潜 力。t m s 3 2 0 c 6 2 1 1 6 7 1 l 是c 6 0 0 0 系列d s p 中，高性价比的定点浮点d s p 。相 对于c 6 2 0 1 c 6 7 0 ld s p ，c 6 2 1 l c 6 7 1 ld s p 降低了主频和片内存储空间，但是增 加了片内二级c a c h e ，采用了增强的d m a 控制器( e d m a ) 和增强的外部存储 器接口( e m i f ) ，而价格比c 6 2 0 1 6 7 0 1 低很多。因此，我们选用了c 6 2 1 l 定点 d s p 作为我们设计的嵌入式处理器( 由于c 6 2 1 l 与c 6 7 1 1 在设计上具有通用性， 只是两者之间处理的数据类型不同，所以对c 6 2 1l 的硬件设计几乎不加修改的 应用于c 6 7 1 1 ) 。 3 2t m s 3 2 0 c 6 2 11 简介川 1 9 9 7 年，美国1 r i 公司发布了新一代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 ，包括定点系 列和浮点系列。c 6 2 1 1 是该系列中的一款定点d s p 。图3 - 1 所示为c 6 2 1 i d s p 处 理器的整体框图。右侧中间部分为c 6 2 1 1 内核部分。由图中可见，内核部分包 括程序取指、指令分配和指令译码单元；两个数据通道，每个通道上有四个功能 单元( l 、s 、m 、d ) ；两个寄存器组，每个寄存器组包含1 6 个通用寄存器，保 天津大学硕士学位论文第三章d s p 处理器模块设计 证数据的快速处理；另外内核上还包含了测试仿真单元。 图3 - 1c 6 2 1 1 数字处理器 c 6 2 1ld s p 的主要特点包括： 1 ) 芯片的工作频率可达1 6 7 m h z ，峰值性能可以达到1 3 3 3 m i p s 。 2 ) 具有v e l o e i t i 先进v l i w 啪内核结构 8 个独立的功能单元、6 个a l u ( 3 2 ，4 0 ) ，2 个乘法器( 1 6 1 6 ) ： 可以每周期执行8 条指令： 专用存取结构，3 2 6 4 个3 2 b i t 通用寄存器： 指令打包技术，减小代码容量； 3 ) 具有类似r i s c 的指令集。 支持4 0 b i t a l u 运算： 支持位操作； 1 0 0 条件指令； 4 1 内置灵活的p l l 锁相环时钟电路。 5 ) 支持i e e e 1 1 4 9 1 ( j t a g ) 边界扫描接口。 6 ) 内核采用1 8 v 供电，周边i o 采用3 3 v 供电。 n 集成多种外设。 天津大学硕士学位论文第三章d s p 处理器模块设计 3 3c 6 2 11 的集成片内外设1 0 】 c 6 2 1 1 d s p 不仅运算速度高，而且片内集成了许多外围设备，支持多种工业 标准的接口协议，能够提供高带宽的数据i o 能力。这些特点使c 6 2 1 1 获得了很 高的综合性能，其高集成度也给设计人员带来了很多方便。下面介绍c 6 2 1 1 主 要的集成外设： 1 、片内存储器 c 6 2 1 l 片内集成了2 级存储器结构。第一级存储器包括相互独立的程序c a c h e ( l 1 p ) 和数据c a c h e ( l 1 d ) ，各4 k b ，只能作为高速缓存被c p u 访问。第2 级存储器( l 2 ) 是一个统一的程序数据空间，容量6 4 k b ，可以整体作为s r a m 映射到存储空间，也可以整体作为第2 级c a c h e ，或者作为二者按比例的一种组 合。 2 、外部存储器接口( e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e ，e m i f ) e m i f 是d s p 访问外部存储器的接口，它具有很高的数据吞吐率，而且可以 与目前几乎所有类型的存储器直接接口。这些存储器包括： p i p e l i n e 结构的同步突发静态r a m ( s b s r a m ) 同步动态删( s d r a m ) 同步器件，包括s r a m 、r o m 和f i f o 等 外部共享存储空问的设备 在我们设计的系统中e m i f 接口共接入了f i f o 和s d r a m 两种存储器。 e d 3 1 潮 百 百互 c e l 蕊 f - j 叼：2 】 萄 b e 2 弱i 丽 3 2 。l 翔e m o f y c o n t r o l m e m o r ym a p s p 4 s e l e c t 1 2 0 1，a d d t 嘲m ： l l 、 b v be n a b l e