基于DM642的炉内板带纠偏系统应用系统研究优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

学校代码：学校代码：10357 学学 号：号：b200502020 密密 级：级： 安安 徽徽 大大 学学 硕士学位论文 基于基于dm642dm642的炉内板带纠偏系统应用系统研究的炉内板带纠偏系统应用系统研究 the research of windage measurement application system on dm642 in furnace 姓姓 名名 唐唐 磊磊 学学 科科 专专 业业 光光 学学 研研 究究 方方 向向 光电子技术与信息光电子技术与信息 指指 导导 教教 师师 吴海滨吴海滨 教授级高工教授级高工 完完 成成 时时 间间 2008 年年 6 月月 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得安徽大学安徽大学 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谢意。 学位论文作者签名：唐磊唐磊 签字日期：2008 年 05月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽大学安徽大学 有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借 阅。 本人授权 安徽大学安徽大学 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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名：唐磊唐磊 导师签名：吴海滨吴海滨 签字日期： 2008年05月 日 签字日期：2008年05月 日 学位论文作者毕业去向： 工作单位： 电话： 通讯地址： 邮编： 摘 要 i 摘摘 要要 随着现代信息技术的快速发展，关于图像处理方面的研究和应用，尤其是针 对实时图像的处理引起了较为广泛的关注。近年来，dsp(digital signal processing)技术的不断发展导致了国内外专家学者将数字信号处理领域的理论 和研究成果应用到实际系统中，通过实际系统的检验和分析，进一步完善dsp理 论，促进dsp技术在应用领域的发展。在图像处理领域，dsp技术的引入对该领域 的技术发展起到了十分重要的作用，基于dsp技术的图像处理系统也得到了广泛 的应用。 本课题设计了一套基于dsp图像处理的炉内板带纠偏视频检测控制系统，它 是基于极低照度环境下的图像采集、板带边缘分析、位置测量及自动反馈控制， 使板带始终对中运行的全新一代工业视频监控系统。该系统在监控炉内工况的同 时还实现了炉内板带的实时纠偏。在系统中，图像处理模块采用ti公司的高性能 多媒体数字信号处理器dm642，这是由于dsp具有计算速度快、可并行处理、性价 比高等优点，从而成功解决了实时检测数据处理量大、系统实时性要求高之间的 矛盾。 本文首先介绍了课题背景、研究现状及研究内容，然后叙述了ti的dsp功能、 特性及应用技术，接着阐述了基于dsp的视频图像处理系统硬件和软件设计方法， 在深入研究系统的应用环境和图像处理的检测算法的基础上，制定了系统实现的 总体方案（包括图像采集与处理、板带边缘分析、位置测量及自动反馈控制以及 基于dsp嵌入式实时操作系统的dsp/bios的程序设计方法）。利用dsp 技术，对 此板带纠偏系统在实验室进行了模拟仿真，并给出了实验检验效果，结果完全能 够满足板带纠偏的实时性和精度要求。论文最后对系统构建及今后基于dsp的图 像处理系统的算法研究作了总结与展望。 关键词关键词 dsp dm642 图像处理 边缘检测 反馈控制 abstract i abstract with the fast development of the modern information technology, the research and application of image processing, especially real-time image processing has drawn enormous attention from researches all over the world. recently, the development of dsp technology has made people put this technologys theory achievement into practical application and which, in turn, helps to develop the theory and application. dsp can play an important role in the field of image processing and dsp-based image processing system can be applicable in many practical fields. this article designs a set of furnace strip correction tv system based on the dsp technology. it is a brand new generation of industrial tv system, which has functions like image acquisition on the circumstance of extremely low illumination, strip edge extraction, position measurement and making strip centered automatically. it can monitor furnace work conditions and correct the strip at the same time. firstly, this article introduces the research background and research development of dsps application on ccd windage measurement and cpc system; secondly, it describes tis dsp functions, characteristics and application; thirdly, the author discusses the hardware and software design method of the real-time image processing system based on dsp; after deep research of application environment and image processing, an overall program system is proposed, which includes image acquisition and processing, the analysis of strip edge, position measurement and automatic feedback control, program design and so on. finally, the article summarizes the system and discusses the prospect of the system in the future. keywords dsp, dm642, image processing, analysis of stedge, feedback control2 目 录 1 目目 录录 摘 要 . i abstract . i 目 录 . 1 第一章 绪论 . 1 1.1 炉内板带纠偏控制目前的发展及应用情况 . 1 1.2 dsp技术发展概况 . 5 1.3 课题的提出 . 6 第二章 dsp技术简介 . 8 2.1 dsp概述 . 8 2.2 dsp应用 . 10 2.3 基于dsp的图像处理系统概述 . 11 2.4 dsp系统的设计及开发的流程 . 13 第三章 dsp技术在板带纠偏控制系统中的实现 . 20 3.1 硬件设计 . 20 3.1.1 系统硬件架构 . 20 3.1.2 cpu核 . 22 3.1.3 内存组织 . 26 3.1.4 片内外设资源 . 33 3.2 数据处理流程 . 42 3.2.1 采集和显示模块 . 42 3.2.2 同步时序控制模块 . 43 3.2.3 显示中断事件与数据传输 . 43 3.2.4 帧存调度和edma事件 . 44 3.3 软件设计方案 . 46 3.3.1 顶层管理程序 . 46 目 录 2 3.3.2 设备驱动程序 . 47 3.3.3 算法应用程序 . 48 3.3.4 系统软件实现 . 48 3.4 关键模块和技术 . 51 3.4.1 边缘检测技术原理 . 51 3.4.2 板带偏移量判断及输出 . 53 3.5 实验效果检验 . 54 第四章 结论和展望 . 56 参考文献 . 57 致谢 . 60 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 炉内板带纠偏控制目前的发展及应用情况炉内板带纠偏控制目前的发展及应用情况 在连续板带生产线上板带高速运行，由于生产线的延伸和机组运行速度的变 化，以及板带自身因素的影响，运行的板带会偏离原先的零偏（根据具体情况标 定）位置。板带偏离会造成卷取后的产品边缘不整齐，若板带偏移过大则会造成 断带等生产事故。为保证生产线始终处于最佳工作状态，保持板带处于转动辊的 中心位置显得尤为重要。 在板带连续生产设备和带钢处理设备中，使板带无故障运送，卷取时边缘整 齐，使得板带在包装、运输和码放时很方便，还减少了板带在此过程中由于边缘 不齐而引起的损伤，有利于带钢较好地完成技术指标，提高经济效益，降低成本。 因此，稳定可靠的板带纠偏系统可以为生产带来巨大的经济效益。 国内目前普遍使用的纠偏系统大多是从德国emg、美国北美等公司进口，国 内同类产品所占有的市场份额极少。 国外进口产品的基本原理都是电容传感器式板带纠偏系统。电容传感器式板 带纠偏系统的关键是由两块平行金属板所组成的电容作为检测机构，液压伺服装 置作为纠偏机构。工作时利用一固定极板和高速运行的板带组成电容器的两个电 极，如果板带运行位置发生偏移就会导致电容器极板间距离或正对面积的变化， 因此，产生电信号，此电信号经过信号放大电路将电信号放大，利用放大的电信 号去驱动液压纠偏控制机构，使板带恢复到零偏位置。结构框图如图1-1所示： 此系统优点是结构简单、运行稳定可靠，这也是国内各厂家纷纷选择此产品 的主要原因；但是此系统也有明显的缺点：价格昂贵（是国内同类产品的几倍） ， 电容检测机构 信号放大电路 液压纠偏机构 图1-1 系统原理图 通信机制 第一章 绪论 2 无法直接观察炉内状况，且由于是接触式的电容检测，无法在不停炉状态下进行 检修，一旦出现故障就会给生产带来巨大经济损失。 国内自行研制生产的板带纠偏系统种类很多，主要包括以下几类：pc机处理 控制系统的板带纠偏系统、模糊ppf控制理论的纠偏系统、光电探测纠偏系统等。 模糊ppf控制理论的纠偏系统采用电容传感器与光电传感器冗余检测带钢偏 移信号，控制器采用siemens s7-200 plc，控制算法采用模糊ppf算法，执行机 构采用伺服阀控制油缸，推动纠偏辊偏移。模糊理论与预测位置反馈（ppf）算 法相结合，优化控制性能，根据偏差及偏差变化动态地调整行程系数、复位系数 及增益系数，组成一种优势互补的复合控制器；用siemens s7-200 plc组建控制 系统，扩展a/d或d/a模块，用siemens td200文本显示器实现参数显示、参数修 改及工作方式的切换，构成友好的操作界面。此套方案是近年来国内自行研制的 纠偏系统，具有一定的代表性，在带钢连续生产线上，完全能够实现实时性与精 确性的要求，并且经过实践检验，系统稳定性及抗干扰性也能够满足工业现场的 复杂环境。 安徽大学特电中心自行研制的炉内板带纠偏电视检测系统，开辟了一条与国 内外带钢纠偏产品截然不同的检测、处理方法，采用非接触式光电探测，并将监 视与探测结为一体，具有一定的代表性。 现场 8 at off on 888 安徽大学特种电视技术研究中心 超温停气/欠压摄像机电源 摄像机电源 控制器 yd-nq/g气冷内窥式高温工业电视系统r 报警/状态指示 照明电源 on off 照明电源 现场接线箱 安徽大学特种电视技术研究中心 onon 安徽大学特种电视技术研究中心 offoff yd-nq/g气冷内窥式高温工业电视系统 at 8888 控制器 r 摄像机电源 摄像机电源 照明电源 照明电源 报警/状态指示 停气/欠压超温 到配电柜 220vac 220vac 220vac 1#现场接线箱 2#现场接线箱 1#控制器 2#控制器 1#控制计算机 vc1照明-1 vc1探头-1 vc1照明-2 vc1照明-4 vc1探头-2 vc1照明-3 纠偏控制柜 视频综合电缆ssyv-9 视频综合电缆ssyv-9 计算机电缆 控制室 安徽大学特种电视技术研究中心 现场接线箱 液压站 纠偏架 板 带 纠偏辊 图1-2 系统结构示意图 第一章 绪论 3 本产品是用于在监视退火（加热）炉内高速运动的板带及纠偏辊运行工况的 同时，完成检测炉内带钢的偏移量并实时输出偏移量信号给纠偏辊控制执行机 构。监测系统主要构成如图1-2所示： 系统由以下三部分组成：高温ccd摄像系统、图像采集及处理系统、偏移量 测定及反馈输出。 高温ccd摄像系统：该子系统由近红外ccd图像传感器、高温光学镜头、高温 防护罩、现场配电箱、温度传感器、控制器等组成。高温摄像探头通过炉壁连接 体伸入炉内，安装在退火炉内板带上方，同时由光纤照明探头输出红外光以提高 炉内亮度。炉壁连接体不仅起着将摄像探头和光纤照明探头与高炉炉壁相连接的 作用，而且还起着隔热的作用，利用气源控制箱输出的氮气冷却。镜头前端有红 外滤光片，滤除炉内可见光干扰。 图像采集处理系统：图像采集系统主要由工业控制主机、图像采集卡、数字 图像预处理及板带边缘提取软件等组成，图像采集卡将镜头捕获的图像转化为数 字图像，再由软件对数字图像预处理，提取板带边缘信息供给偏移量测定及回馈 输出子系统。 偏移量测定及回馈输出由纠偏软件、以及偏移控制信号输出卡组成。根据图 像采集处理系统所提供的信息计算出偏移量，偏移控制信号输出卡将纠偏软件输 出的偏移控制信号转化为05v或者420ma的模拟量输出给板带纠偏执行系统。 板带纠偏执行系统：这里采用的是液压伺服控制式纠偏系统，本系统主要组 件有：液压站、伺服阀站、探测器、电子控制放大器、位移传感器信号减法器等。 当图像采集处理系统输出偏移控制信号时，伺服阀将信号转换为大功率液压能， 驱动液压油缸推动纠偏辊作相应移动，直至板带调整到零偏标定位置。 系统工作流程介绍如下： 第一章 绪论 4 图1-3 板带纠偏流程图 如图1-3所示，ccd拍下退火炉内运行板带的画面后，将输出视频信号送入前 置放大器，经过前置放大电路放大后，再将信号输入图像采集卡，由图像卡将图 像数字化后传输给计算机。计算机软件对获得的数字图像进行预处理、边缘提取 后，计算出板带的当前边缘位置，并与工艺要求的零偏位置进行比较，从而判断 出板带是否跑偏。如果板带的偏移量在工艺允许的偏移范围内，则不进行纠偏； 如果板带的偏移量超过了工艺允许的偏移范围，那么纠偏软件通过偏移控制信号 输出卡给出一个适当的偏移控制信号，由液压传动装置根据偏移控制信号的大小 调整板带恢复到工艺要求的零偏位置。 此系统较之与已有的进口电容式对中纠偏系统相比，有以下几方面的改进： 1) 本系统是一种适用于炉内高温环境下的非接触实时监测装置，通过采用 ccd 检测技术，能够实现对炉膛内部工况进行监视、对板带偏移量进行 监测等多重功能，大大扩展工业电视的应用范围及功能； 2) 本系统测量精度可根据需要进行调整，而已有的电容式对中探测器为固 定式，不可调； 3) 本系统可在不停炉状态下进行检修； 右路控 制量 左路控 制量 摄像机 液压控制器 摄像机 视频采集 视频采集 图像处理 边缘检测及 控制量计算 控制量输出 液压控制器 纠偏辊 第一章 绪论 5 4) 由于采用双边检测，左右两路探测均可以独立完成检测任务，既可以进 行对中差值测量，也可以分别进行单边检测，且互为备份，更加提高了 系统可靠性； 5) 本系统相对于电容式对中纠偏检测系统要经济很多。 但此系统也存在明显不足，主要表现在：pc机处理速度相对较慢，有一定量 滞后，且抗干扰能力差，运行不够稳定，容易出现死机等故障；另外，此系统结 构复杂，体积相对较大，在工业现场也容易产生意想不到的问题。 1.2 dsp技术发展概况技术发展概况 近年来，随着工程技术的发展，对信号处理的要求越来越高，一是对处理速 度的要求越来越高，二是处理精度、实时性要求越来越高。因此，推动dsp技术 的飞速发展，并且为了适应工程技术发展的需求，dsp技术正向着便携、嵌入式、 高速、高效、高性能方向发展。 随着信息技术的飞速发展，视频检测数据处理量越来越大，系统实时性要求 也随之提高，传统的利用pc机来处理图像的系统实现方式,因其结构复杂,成本较 高,稳定性差等弱点已经无法满足实际应用的要求。近年来，随着数字图像处理 技术的发展和dsp芯片集成度、稳定性、运算速度、数据吞吐量等性能的不断提 高，自动、智能化的数字图像处理系统已经得以实现。目前国内外基于dsp的视 频图像处理的研究得到越来越多人的关注，无论是在基于民用的智能化系统还是 基于军用的目标分析系统，都有巨大的需求。各大芯片研发巨头推出了多款性能 超强的视频处理芯片，特别是ti公司的c6000系列dsp芯片,应用非常广泛,还有各 类专用asic融硬件基础与算法软件于一体，在专业应用领域也占有一席之地；各 类asic中针对视频的动目标分析算法也层出不穷，有视频图像匹配识别技术、图 像分割技术、图像差分技术、运动估计和补偿技术等。此外在基于嵌入式视频图 像处理系统的研究中，国内外各大公司和研究机构分别推出了自己的通用的基于 dsp的数字图像处理的硬件平台系列，和基于不同应用情况下的应用软件解决方 案。 dsp是一种信号处理技术，一直到上个世纪八十年代初推出第一片数字信号 第一章 绪论 6 处理器dsp芯片，dsp才逐步成为一种全新高速处理器的名称。自问世以来，dsp 就以数字器件特有的稳定性、可重复性、可大规模集成和可编程性等特点著称， 使得信号处理手段更灵活，功能更强大，应用更广阔。最初的dsp处理能力有限， 主要应用在数据通信和语音处理领域，其后dsp应用逐步扩展到各种电子产品中， 诸如硬盘驱动器、通用调制解调器、数字录音机、无线通信终端。随着技术的飞 速发展，九十年代dsp在数字gsm手机应用和无线基站应用中获得了巨大成功。目 前dsp开始全面拓展应用领域，在宽带通信、数字控制、数字音频、数字视频等 市场上开始占据主角。当前dsp运算速度的提高，能够实时处理的信号带宽也逐 渐增加，数字信号处理的研究重点由最初的非实时研究转向高速实时研究。半导 体制造工艺的发展和计算机体系结构的改进，dsp单芯片功能更加强大,应用更加 广泛。因此，利用dsp技术处理图像也是工程技术发展的需要，适应时代发展的 需要。 1.3 课题的提出课题的提出 通过前面的介绍可以发现电容式传感器板带纠偏系统结构简单、 运行稳定可 靠，但也存在检修不便、无法观测炉内工况等缺点。基于ccd基础上的光电探测 板带纠偏系统是一种非接触实时监测系统，具有检测精度高、成本低等优点，缺 点是结构复杂，运行不稳定等。在此基础之上，我们提出一种全新的基于dsp基 础之上的板带纠偏电视监测系统。 此系统充分发挥dsp技术的实时性、运算速度快、结构简单等优点，结合光 电检测的非接触、精度高、成本低等优势。系统结构简图如下： 第一章 绪论 7 图1-4 系统结构简图 整个系统主要由以下几部分构成： 1) 中央处理单元：dsp核及其外设，主要功能是对采集到的图像进行处理， 提取板带边缘位置信息，计算控制量大小，然后通过通用异步串口（uart）输出 控制信息至纠偏装置，控制板带偏移量大小。如果需要实时显示板带运行状况， 还可以将处理后的图像信号直接送监视器显示。 2) 光电检测部分：主要是利用前端ccd拍摄退火炉内板带运行情况，而后将 视频信号送入视频编码器tvp5150。 3) 液压纠偏装置：纠偏执行机构，接收由dsp输出的控制信号，根据控制量 大小操纵纠偏辊动作，完成纠偏任务。 与前述两种纠偏系统相比较，本系统有以下几个方面的优势： 1) 由直接接触检测转变为非接触检测，不仅便于检修还可以对炉内工况进 行实时监视、板带偏移量进行监测等，大大扩展了dsp的应用范围及功能； 2) 本系统结构简单，中央处理单元由一块dsp板卡就可以实现图像处理、边 缘检测计算、控制信号输出及实时监视等功能，做成嵌入式设备运行稳定可靠， 运输搬运方便； 3) 本系统相对于前述系统要经济得多； 4) 充分发挥dsp图像处理速度快的特点，提高系统的实时控制功能，保证板 带始终对中运行，提高生产安全性和产品质量。 纠偏辊 摄像机 tvp5150 dsp图像处理 显示器 存储器 边缘检测 uart 控制量输出 第二章 dsp技术简介 8 第二章第二章 dsp技术简介技术简介 2.1 dsp概述概述 dsp是一种信号处理技术，直到上个世纪八十年代初推出第一片数字信号处 理器dsp芯片，dsp才逐步成为一种全新高速处理器的名称。自问世以来，dsp就 以数字器件特有的稳定性、可重复性、可大规模集成和可编程性等特点著称，使 得信号处理手段更灵活，功能更强大，应用更广阔。最初的dsp处理能力有限， 主要应用在数据通信和语音处理领域， 其后dsp应用逐步扩展到各种电子产品中， 诸如硬盘驱动器、通用调制解调器、数字录音机、无线通信终端。随着技术的飞 速发展，九十年代dsp在数字gsm手机应用和无线基站应用中获得了巨大成功。目 前dsp开始全面拓展应用领域，在宽带通信、数字控制、数字音频、数字视频等 市场上开始占据主角。当前dsp运算速度的提高，能够实时处理信号带宽也逐渐 增加，数字信号处理的研究重点由最初的非实时研究转向高速实时研究。半导体 制造工艺的发展和计算机体系结构的改进，dsp单芯片功能更加强大，人们更加 关注于软件算法，而不再需要过多的关注硬件问题。纵观历史，整个dsp技术的 发展历史可以分为了以下两个阶段: 第一阶段：上世纪六十年代至七十年代，这个阶段是数字信号处理技术提出 和理论研究、完善的阶段。在dsp技术出现以前，所有的信号处理工作都是基于 模拟技术的。将自然界的真实信号数字化，然后再采用数字技术进行处理的设想 虽然早己存在，但是由于算法复杂、处理器运算速度低而无法步入实用阶段。直 到六十年代末期，fft快速算法的提出，标志着数字信号处理技术实用化的到来。 但是这个阶段数字信号处理都是用通用cpu (x86)来实现的。由于微处理器的运 算速度比较低，所以无法真正实现实时的数字信号处理。而专用的dsp处理器的 理论和体系结构，虽然也已经在七十年代提出，但是限于当时的硬件水平，基本 上还是停留在研究与试验阶段。 第二阶段：上世纪八十年代，硬件与集成电路技术的飞速发展，为dsp处理 器的实用化提供了条件。1983年，美国ti公司推出了世界上第一块定点dsp芯片 tms32010，第一次使用了哈佛总线结构和硬件乘法器，这是实时数字信号处理领 第二章 dsp技术简介 9 域的一次重大突破。随后，其它公司也纷纷推出了相应的产品，有amd2900, nec7720等。这类早期的dsp芯片，一般采用nmos技术，相对于以前的微处理器 (mpu)，运算速度有了很大的提高。这些第一代芯片的出现，揭开了dsp器件在高 速、实时信号处理领域广泛应用的序幕。在整个八十年代中，dsp芯片经历了第 二代(cmos技术)和第三代两次技术的革新与发展， 其应用领域也从最开始的语音 处理与合成逐步扩展到图像处理、通信等领域。 数字信号处理任务通常需要完成大量的实时计算， 如在dsp中常用的fir滤波 和fft算法。数字信号处理中的数据操作具有高度重复的特点。dsp在很大程度上 针对这些运算特点而设计。与通用微处理器相比，dsp在寻址和计算能力等方面 作了扩充和增强。在相同的时钟频率和芯片集成度下，dsp完成的fft算法的速度 比通用微处理器要快2-3个数量级。 dsp微处理器相对于通用微处理器的区别是 dsp有以下主要特点 1： 1、总线结构 通用微处理器内部大多采用冯诺依曼结构，其片内程序空间和数据空间合 在一起，取指令和取操作数通过一条总线分时进行。由于对数据和程序进行分时 读写， 执行速度慢， 数据吞吐量低。 当高速运算时不但不能同时取指令和操作数， 还会造成传输信道上的瓶颈现象。dsp内部采用程序空间和数据空间分开的哈佛 结构，允许同时取指令和取操作数。而且很多dsp甚至有两套或者两套以上内部 数据总线，这种总线结构成为修正的哈佛结构。对于乘法或加法等运算，一条指 令从内存中取两个操作数，多套数据总线就使得两个操作数可以同时取得，提高 了程序效率。 2、算术单元 （1） 硬件乘法器 由于dsp的功能特点，乘法操作是dsp的一个主要任务。在通用微处理器内通 过微程序实现的乘法操作往往需要100多个时钟周期，非常费时。因此，在dsp 内部都设有硬件乘法器来完成乘法操作，以提高乘法速度。硬件乘法器是dsp区 别于通用微处理器的一个重要标志。 （2） 多功能单元 为进一步提高速度，可以在cpu内设置多个并行操作的功能单元(alu、乘法 器、地址产生器等)。如ti公司的tms320c6000系列cpu内部有8个功能单元，即两 第二章 dsp技术简介 10 个乘法器和六个alu，8个功能单元最多可以在一个周期内同时执行八条32位指 令。由于多功能单元的并行操作，使dsp在相同时间内能够完成更多的操作，提 高了程序的执行速度。 3、流水线结构 dsp的流水线结构是提高程序执行效率的一个重要手段。采用流水线结构， 使得两个或者更多不同的操作可以重迭执行。在处理器内，每条指令的执行分为 取指令、译码、取操作和执行等几个阶段，每个阶段成为一级流水。流水处理使 得若干条指令的不同阶段并行执行，因而能够提高程序执行速度。 4、指令周期短 早期dsp的指令周期约400ns，运算速度为mips(百万条指令/秒)。随着集成 电路工艺的发展，dsp广泛采用亚微米cmos制造工艺，速度越来越快。 5、片内存储器 由于dsp面向的是资料密集型的应用，因此内存访问速度对处理器的性能影 响很大。dsp算法的特点是需要大量的简单计算，相应的其程序比较短小，存放 在dsp片内可以减少指令的传输时间，并有效缓解芯片外部总线接口的压力。除 了片内程序内存外，dsp内一般还集成有数据ram，用于存放参数和数据。片内数 据存储器不存在外部内存的总线竞争问题和访问速度不匹配问题， 因此访问速度 快，可以缓解dsp的数据瓶颈，充分利用dsp强大的处理能力。dsp芯片的上述特 点，使其在各个领域得到越来越广泛的应用。 2.2 dsp应用应用 随着科学技术的发展， dsp性能逐步改善， 应用范围越来越广阔， 目前dsp 的 应用主要着眼于以下三个方面： 1） 控制优化：主要用于硬盘采暖、通风空调、电机控制、家用电器、变 频电源控制； 2） 高效能：主要用于手机、便携式媒体播放器、数码相机、电信和voip; 3） 高性能：无线基站、视频流、视频会议、视频安防/监控、医疗成像。 第二章 dsp技术简介 11 2.3 基于基于dsp的的图图像像处处理系理系统统概述概述 一个基本的图像处理系统框图如图2-1所示。 图中各个模块都有特定的功能， 分别是图像输入、图像处理、图像存储以及其它数据存储、处理结果输出。 2.3.1 图图像的像的输输入模入模块块 图像的输入模块主要由图像输入、图像采集两部分构成。图像输入主要是由 前端ccd摄取，获得板带运行的实时位置。图像采集由dsp片上外设视频编码器实 现模拟信号到数字信号的转变，视频数据流送入图像处理单元进行算法处理。 图2-1 图像处理系统框图 2.3.2 数数据存据存储储模模块块 数据存储可以是系统的图像存储，也可以是图像处理的算法、中间数值等 数据存储。图像包含有大量的信息，因而存储图像也需要大量的空间。在图像处 理系统中，大容量和快速的图像内存是必不可少的。例如存储1幅512 512的 16bit rgb图像需要4mbit的内存。 2.3.3 数数据据输输出模出模块块 通常的图像处理系统都有图像输出模块，输出图像处理的最终结果。结果 可以是最后处理完的图像，也可以是图像处理的其它形式数据结果。 2.3.4 图图像像处处理模理模块块 对图像的处理和分析一般可用算法的形式描述，而大多数的算法可用软件 实现。 当然， 为了提高速度或克服pc的限制可以引用特制的硬件。 尤其是随着dsp 技术和dsp应用的发展，使得图像处理模块的性能越来越高。 图像输入 图像处理 数据输出 数据存储 第二章 dsp技术简介 12 最早，通用pc机为图像处理系统的绝对核心。图像采集卡负责将由ccd摄像 头所拍摄到的图像数据传送至pc机中， 由pc机中运行的软件程序对其进行图像处 理等操作，并返回相关结果和信息。传统的基于pc机的信号处理系统包括图像采 集、pc机图像处理、pc机数据管理三个部分。 系统框图如图2-2所示： 图2-2 传统的基于pc机图像处理系统框图 图像采集部分采用通用的基于pci总线的图像采集卡(市面上也有基于isa总 线等的其它图像采集卡)，数据管理部分则通过pc机完成。图像处理系统中最费 时间，也即影响信号处理系统的实时性的瓶颈是数据的处理部分。由于通用pc 采用冯诺依曼内存结构并不是特别适用于数字信号的运算，不仅处理速度慢， 而且造成占用cpu时间过多，影响了pc机对资料的管理，尤其是对于图像的数字 处理，很难达到实时的要求。 随着图像处理市场应用需求的不断提高，这样的系统已经无法满足市场要 求。 由于dsp技术的飞速发展和dsp在实时图像处理领域的广泛应用， 出现了以dsp 为核心的图像处理模块分担了pc机的图像处理工作，提高了系统的性能6。因 此将信号处理部分从微机软件中分离出来，交给 dsp处理，然后把dsp处理好的 数据再传给pc机管理。这样不仅可以做到信号处理和数据管理并行进行，而且充 分利用dsp对数字信号处理高速，并行的优势，一定程度上提高了信号处理系统 的实时性和稳定性。同时，因为信号的处理程序固化在dsp芯片中，加强了系统 知识产权保护的能力。 但是该系统存在着一定的局限性。一方面，dsp处理板的pci接口成为dsp的 hpi接口和pc机pci总线通信的桥梁。 数据的输入输出已经成为该系统实时性能的 瓶颈。另一方面，该系统本身必须配备专用的图像采集卡作为系统输入的前端数 ccd 图像输入 图像采集卡 图像处理 数据管理 pci 总线 第二章 dsp技术简介 13 据源，图像采集卡将图像传输到pc后，再通过pci总线以及pc机运行的pci程序将 数据传输到dsp图像板。dsp系统完成图像运算后，将结果再次通过pci总线传回 pc机，在pc机上完成其它附加功能。过多的输入输出和pci数据传输严重影响了 系统的处理速度，降低了dsp的优势。此外由于系统的可扩展性较差，必须和专 业的图像采集系统配合使用，一定程度上也影响实际产品的市场推广。 因此，目前dsp的应用逐渐摆脱了pc机的束缚，已形成独立dsp板卡进行图像 处理的嵌入式设备，并且板上外设越来越齐全，功能越来越多，完全能够满足各 种复杂情况下信号处理的要求。 图2-3 dsp系统设计流程图 2.4 dsp系统的设计及开发的流程系统的设计及开发的流程 利用dsp芯片设计一个dsp系统的大致步骤 6，7如图2-3所示: 根据需求明确任务 根据任务确定技术指标 确定dsp芯片及外围芯片 总体设计确定软硬件分工 软件设计说明书 硬件设计说明书 软件编程与调试 原理图设计/pcb布板 系统集成 硬件调试 系统测试、样机完成、中试、产品测试与生产 第二章 dsp技术简介 14 2.4. 1 系统硬件设计流程系统硬件设计流程 硬件设计流程如图2-4所示，它主要包括以下几个部分: 图2-4 硬件系统设计流程图 1、设计硬件的实现方案，并画出硬件系统框图。 2、进行器件的选型。一般系统常用a/d, d/a，内存，逻辑控制，总线，电平 转换(总线隔离)，以及电源等器件。在器件选型时，要考虑到器件之间可能会有 相互影响，还要考虑到器件的供货能力，技术支持等。 3、进行原理图设计。这其实是系统设计真正的开始。它是dsp系统集成中关 键的一步。 原理图设计的成功与否是dsp系统能否正常工作的最重要的一个因素。 4、pcb板的设计。这需要一些布线工艺，系统结构设计的知识，以保证信号 的完整性，以及考虑电磁干扰和电磁兼容性。 5、最后是硬件的调试过程。 2.4.2 系统软件设计流程系统软件设计流程 dsp的软件设计流程 7如图2-5所示: 确定硬件方案 确定所用器件 原理图设计(.sch) 印刷电路设计版(.pcb) 硬件调试 系统分析 系统综合 第二章 dsp技术简介 15 图2-5 dsp软件设计流程图 与计算机汇编语言比起来，ti公司汇编语言的指令系统相对要简单一点，而 且，由于有许多专门为数字信号处理而设计的指令，有利于简化数字信号处理的 编程。 与高级语言比起来， 使用dsp汇编语言的程序员必须熟悉dsp芯片内部结构和 特有的指令系统。 尤其是在一些编程资源空间比较小的场合特别要注意软件的高 效性。随着高级语言开发工具的不断完善，c语言的编译效率已经有了很大的提 高，在实时性要求比较低的场合，用c语言开发已经能够满足系统的需要。但是 在实时性要求高的场合， 还必须用汇编语言开发， 至少是一部分用汇编语言编程。 编写c语言源程序 优化ansi c编译器 生成tms320汇编文件 汇编语言编辑器 生成目标文件 生成目标文件 链接器 输出执行文件 调试器 tms320目标系统 编写tms320汇 编语言源程序 写flash 格式转换 宏汇编库 文档管理器 宏汇编源文件 软件开发系统 软件仿真 评测模块evm pc机 系统仿真 第二章 dsp技术简介 16 2.5 dsp 的开发工具的开发工具 dsp的开发工具 8包括软件开发工具和硬件系统集成及调试工具。 2.5.1 软件开发工具软件开发工具 1 tms320系列最佳的ansi c编译器(ansi c compi