（信号与信息处理专业论文）基于dsp的图像检测与铁路安全技术的研究.pdf

武汉理1 ：大学硕十学位论文 摘要 科技发达的今天，铁路运输系统逐渐朝着智能化的方向前进，图像检测等 图像处理技术在铁路安全方面的应用越发广泛，尤其是在铁路线路障碍检测方 面。随着我国交通运输业的迅速发展，中国铁路的运输量稳步上升，使用的频度 加大也容易促成铁路事故的数量上升。铁路线路的灾害突发性强，危害巨大， 影响相当恶劣。因为受雨雾等各种环境和疲劳的的影响，机车工作人员不能每 时每刻都能发现行车线路上突然产生的灾害以及障碍，希望运用图像检测和图 像压缩等技术研究设计一种在无人的环境下铁路线路灾害及障碍报警装置，能 够有效的、较为及时的提醒车站以及机车的工作人员，并将前方出现障碍的图 像发送回车站。 本文首先阐述了铁路线路灾害及障碍报警装置的设计思路，它不仅要适用 于阴晴雨雪等各种恶劣的环境，而且要在无入的条件下运行，必须具有较高的 实时性要求。该装置系统包括主机、副机，通过它们将图像信号和报警信号通 过无线传输装置传送到车站总机以及机车电台。主机装置是设计和研究的重点， 铁轨检测和障碍检测是核心的内容，本设计结合软硬件各部分要求加以考虑。 在芯片的选择方面，本设计将选用t i 公司的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 芯片，这款数字信 号处理芯片在运算能力等各种方面都符合图像检测和图像压缩等方面对实时性 的要求，还带有丰富的视音频硬件资源和各种较高速的数据传送接口，适合进 一步改进扩展其功能。 硬件设计部分首先介绍了t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的基本知识，在此基础上，给出 了主机装置的硬件设计思路，包括硬件平台的搭建和主要端口、外设等的配置。 软件设计部分采用的是c o d ec o m p o s e rs t u d i o3 3 丌发平台，通过仿真器连接p c 机，进行程序调试和上载。先给出了整体的软件整体设计结构，接着按照功能 阐述了如何通过c c s 开发平台具体实现铁路线路上的障碍检测、图像压缩和串 口发送障碍图像的过程，并详细阐述了背景差检测、形态学运算、背景更新、 哈夫曼编码等算法的d s p 实现。设计中对一般图像算法在d s p 上的实现移植的 效果和效率加以了考虑，不仅使用了b i o s 等技术减少了系统开销，还分析了部 分处理以及运算的运算周期。 关键词：d m 6 4 2 ，铁路安全，障碍检测，图像压缩，串口发送 武汉理：1 ：人学硕十学位论文 a b s t r a c t t o d a y st e c h n o l o g y i sv e r yw e l l d e v e l o p e d ，a n dr a i l t r a n s p o r ts y s t e m s a r e g r a d u a l l yr u n n i n gi nt h ed i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n t i m a g ed e t e c t i o n a n di m a g ec o m p r e s s i o nt e c h n o l o g yi n r a i l w a yo b s t a c l ed e t e c t i o nh a v eg a i n e dt h e a p p l i c a t i o no faw i d er a n g e a l o n gw i t ht h e e v e rb o o m i n g d e v e l o p m e n to f t r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r yi no n rc o u n t r yc o m e st h es t e a d ye s c a l a t i o no ft r a n s p o r t a t i o n b u r d e n t h ee x p a n s i o no fp r o d u c t i v i t ye s c a l a t e st h er a i l w a yt r a f f i ci n c i d e n t sa tt h e s a m et i m e t r a i nw r e c k sc o u l db ei n d u c e db yn a t u r a lc a u s e sa n dm a n - m a d eo n e s r a i l w a yd i s a s t e r sh a p p e ns u d d e n l yi na nu n e x p e c t e dm a n n e ra n dc a u s ee n o r m o u s e c o n o m i cl o s s e sa n dc a s u a l t i e s ；f u r t h e r m o r e ，t h e yc o u l dl e a dt on e g a t i v ep u b l i c i t y l o c o m o t i v es t a f fc a n ta l w a y sf i n di nt i m et h es u d d e nd i s a s t e r sa n do b s t a c l e sd u et o a l lk i n d so fw e a t h e rf a c t o r s ，e g r a i no rf o g ，a n dt i r e d n e s s t h u sw ew a n tt od e s i g na n u n m a n n e dw a r n i n gd e v i c ef o rr a i l r o a dd i s a s t e r sa n do b s t a c l e st or e m i n ds t a t i o na n d l o c o m o t i v es t a f fe f f e c t i v e l ya n dt i m e l yo ft h o s ea b o v e t h i sp a p e rb e g i n sb yd e s c r i b i n gt h ed e s i g ni d e a so fr a i l w a yd i s a s t e r sa n d o b s t a c l e sd e t e c t i o na n da l a r ms y s t e md e v i c eb a s e do nd s p , s i n c ei th a st oa p p l yt oa v a r i e t yo fe n v i r o n m e n t a l ，s u c ha ss u n n y , c l o u d y , r a i n y , s n o w y , e t c ，w i t hn o b o d yt o r u ni t t h ed e v i c es y s t e mi n c l u d e st h eh o s ta n dt h ed e p u t ym a c h i n e ，t h r o u g hw h i c h t h ei m a g es i g n a la n dt h ea l a r ms i g n a ls e n tv i aw i r e l e s st r a n s m i s s i o nd e v i c et ot h e s t a t i o ns w i t c hb o a r da n dt h el o c o m o t i v er a d i o h o s td e v i c ei st h ek e yd e s i g np a r ta n d f o c u so ft h es t u d y ，a n do u rd e s i g nc o m b i n e st h ev a r i o u sp a r t so ft h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r er e q u i r e m e n t st ob ec o n s i d e r e d ic h o o s et i st m s 3 2 0 d m 6 4 2 c h i pt od e s i g n ， i th a sav a r i e t yo fc o m p u t i n gc a p a c i t ya n di n t e r f a c e s c o n f o r m i n gt o t h ei m a g e d e t e c t i o na n di m a g ec o m p r e s s i o na n ds oo nr e a l - t i m er e q u i r e m e n t s o u rh a r d w a r e d e s i g n s e c t i o ni n t r o d u c e st h eb a s i c k n o w l e d g e o f t m s 3 2 0 d m 6 4 2f i r s t l y o nt h i sb a s i s ，ig i v e st h eh o s td e v i c eh a r d w a r ed e s i g ni d e a s ， a n di ti n c l u d e st h eh a r d w a r ep l a t f o r mt ob u i l dm a i np o r t s ，p e r i p h e r a l sa n do t h e r c o n f i g u r a t i o n s o u rs o f t w a r ed e s i g np a r tu s e st h e c o d ec o m p o s e rs t u d i o3 3 d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，t h r o u g hi tt oc a r r yo u ts i m u l a t i o na n dc o n n e c t i n gd s p t op c ， f o rd e b u g g i n ga n dw r i t i n g f i r s t l yig i v e st h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f t h eo v e r a l ld e s i g no f i i m es o n w a r e a f t e rt h a t ，id e s c r i b eh o wt ou s ec c s t oc o n c r e t er e a l i z a t i o no fd i s a s t e r s a n do b s t a c l ed e t e c t i o n ，i m a g ec o m p r e s s i o na n ds e r i a lp r o c e s so fs e n d i n g m o r e o v e r , i d e t a i lb a c k g r o u n dd i f f e r e n t i a ld e t e c t i o n ，m o r p h o l o g i c a lo p e r a t i o n s ，h u f f - m a nc o d i n g d s pa l g o r i t h mi m p l e m e n t a t i o n id o n to n l yu s et h eb i o st or e d u c et h es y s t e m o v e r h e a d ，b u ta l s oa n a l y z es o m eo f t h ep r o c e s s i n ga n dc o m p u t i n ge f f i c i e n c y k e yw o r d s ：d m 6 4 2 ，r a i l w a ys a v e t y , o b s t a c l ed e t e c t i o n ，i m a g ec o m p r e s s i o n ，s e n d d a t at h r o u g ht h es e r i a lp o r t i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我二 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。 签名：哆日 期：删嗥 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：孤疏易导师( 签 日期姗尹d - 7 武汉理+ f ：人学硕士学位论文 1 1 本课题研究意义 第1 章引言 近十年是我国交通运输业的迅速发展的时期，是客运货运量提升最迅猛的时 期，也是中国铁路运输市场化进程最快、运输技术进步最大、变化最大的时期。 中国铁路的运输组织和效率己经处于世界领先水平【ij 。但是不可忽略的是扩大的 产能也会对铁路的负荷加大，使用的频度加大也容易造成铁路事故的数量上升。 铁路的主要灾害基本可以分位自然因素灾害和人为因素灾害。 2 0 0 8 年4 月2 8 同凌晨4 时4 1 分，北京开往青岛的t 1 9 5 次列车运行到胶济 铁路周村至王村之间时脱线，与上行的烟台至徐州5 0 3 4 次列车相撞，造成4 3 人死亡2 4 7 人受伤。 中国地域广阔，铁路的路网空问密度和运输密度都很强，铁路线相当长， 而且很多线路分布在山脉，河流湖泊等地势险要地区，无可避免的受到泥石流、 山体滑坡、洪水、地震等自然灾害的威胁。这一类自然灾害经常突然爆发，来 势凶猛，一旦产生，直接导致铁路线路瘫痪，车辆若不能及时发现往往导致非 常严重的后果，在四川云贵等地区尤其多发。人为因素灾害包括调度失误，车 辆人畜占道等。 对于以上问题，通过在事故多发地段设置典型的铁路线路安装监控系统可 有效减少铁路行车的安全事故。 1 2 本课题国内外研究动态 由于铁路系统自身的特殊性，目前还没有成熟的专门针对于铁路线路灾害 报警系统，这方面的工作在国内鲜有研究，缺少成熟的方案供借鉴。 文献【2 】对基于d s p 设计了铁路路障监控系统，它首先对目标区域的视频图 像进行二值化和边缘提取等预处理，然后，采用h o u g h 变换和连通域检测铁轨 区域，采用邻帧差分法检测检测运动路障，最后基于d s p 实现时，通过c c s 下 的d s p b i o s 中的资源管理、任务划分、任务调度等步骤将程序向d s p 上移植。 对于以上实现，存在着以下主要问题： 武汉理j ：人学硕士学位论文 ( 1 )基于d s p 实现视频监控系统的关键是实时性，如何降低计算量，该 文献仅讨论了c 语言级的优化，对于t i 图像函数库的应用与优化，文献未深入 发掘，事实上发掘t i 公司图像库的实现方式，将其应用到函数级实现上，将极 大地提高处理效率。 ( 2 )由于系统本身的复杂性，对于整个系统的实现，文献仅停留在路障 检测模块，而对于d s p 的外围模块设计，包括硬件配置，图像压缩模块，通信 模块等的实现则没有全局考虑，很难称得上实际的完整系统。 更多的文献【3 】目前还停留在p c 机算法仿真阶段，对于d s p 上实现速度及计 算量等问题根本未考虑。 目前国外的研究热点也主要集中在算法设计方面，新颖的算法不断涌现， 在目标检测领域，新的算法，比如：摄像机标定、多摄像机融合、高层语义理 解、时空墒法、曲线演化等。由于注重算法的实现效果，普遍复杂度偏高，离 现实实现还有很远的距离。就目前成熟的实现系统而占，主流的还是基于传统 的检测算法，比如：相邻帧相减，减背景，光流法等，如何利用这些已有的成 熟算法，结合铁路线路的实际特点，研制出基于d s p 的实用铁路线路监控系统 还是一个崭新的领域。对于视频监控中的视频压缩，目前普遍采用一些国际标 准组织制定的关于图像的编解码标准，对摄像头采集到的视频序列进行压缩， 压缩后进行传输或是进行存储，以备终端人工监控。例如被广泛采用的j p e g 静 态图像压缩标准，以及国际电信联盟电信标准部i t u - t 视频编解码标准h 2 6 4 、 h 2 6 3 建议，国际电工委员会提出的编解码标准m p e g 1 ，m p e g 一2 ，m p e g - 4 等【4 】。至于视频图像的传输，可选的方案则较多，一般有有线的与无线之分，其 具体设计方案依应用领域而定。 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , d s p ) 应用范围越来越广，普及 率越来越高，应用领域大到飞机飞船等航天器材，小到m p 4 、手机、数码相机 等数字和消费电力领域【5 j 。实用的监控系统，在那些实时性要求高的领域，比如 高速公路监控系统，普遍地采用了d s p 。从某种角度来说，d s p 芯片就是一种 高级的单片机，他们不仅使用领域比较重合，而且在输入输出、定时器、计数 器、外设等功能方面也有部分相似之处。但是由于在深层次内部结构的不同， 决定了d s p 芯片具有较单片机几个级数倍的主频和运算速度，而且因为处理实 务能力更加突出，也决定了它的研发周期更长，研发成本更高【6 】。 t m 3 2 0 d m 6 4 2 是t i 公司于2 0 0 3 年左右推出的一款3 2 位定点d s p 芯片， 它是t i 公司c 6 0 0 0 系列中的一款较为成熟的产品，大量运用于数字媒体。它不 武汉理l ：人学硕十学位论文 仅保留了c 6 4 x 原有的内核结构，工作频率由内部倍频器设置，甚至可以超过 7 0 0 m h z ，时钟周期可以达到1 3 9 n n s 每秒执行数可以达到5 7 6 0 m i p s 。它采用 的是t i 公司的第二代增强型超长指令集( v e l o c i t i 2 ) ，它的接口数据总线宽度为 6 4 位，最高数据存储频率1 3 3 m h z ，可连接大容量低成本的s d r a m ，同时片 上带有3 个双通道数字视频1 5 1 和多通道串行音频接e l 等等【7 】。d m 6 4 2 还采用了 两级缓存结构( l 1 和l 2 ) ，由具有6 4 个独立通道的e d m a 控制器负责片内 l 2 与其他外设之问的数据传输，若能合理使用和管理这两个特性，可以大幅度 提高程序的运行性能。虽然基于c 6 4 x 的内核，但它在c 6 4 x 的基础上，增加 了很多的外围设备和接口，使得它在实际工程中的应用更为广泛和简便。该d s p 为5 4 8 引脚的b g a 封装，集成度很高【8 】。高性能和低功耗的这些优势符合将 这款芯片作为视频检测与图像检测的工作的主要芯片的需要。 1 3 论文结构 本论文题目为基于d s p 的图像检测与铁路安全技术的研究，将图像检测与 压缩等图像处理技术应用于铁路线路灾害及障碍报警装置的设计。第一章引言， 简要阐述了的研究设计的背景、研究意义和此论文结构。第二章简要介绍了整 个装置的主要结构和主要的设计点。第三章介绍了选用的芯片的内部结构以及 搭建硬件软件开发平台的步骤。第四章详述了如何在d m 6 4 2 芯片基础上实现铁 路线路灾害和障碍的检测，包括铁轨的检测以及障碍识别。第五章详细地阐述 了如何运用d m 6 4 2 实现图像压缩的设计。第六章阐述了本系统如何设计实现图 像以及控制信号等的传输。第七章对全文做了总结与展望。 3 武汉理l 大学硕f 学位论文 第2 章铁路线路灾害及障碍报警装置的系统结构 2 1 系统结构 此系统由主机、副机、4 5 0 电台( 机车上已配备) 及车站值班室接收设备 四部分组成，主机部分以d s p c 6 0 0 0c p u 为核心，图像采集仪对前方进路股道 上的情景进行实时监控和采集，将采集的图像信息经图像处理译元分析处理、 判断后，将判别处理后的异常状况按照不同等级通过数据传输单元向副机和本 区间内车上发送信息，同时将聚集的异常图像信息经图像压缩处理后向乍站值 班窄接收设备传送。 副机距主机1 2 千米，副机的无线数传接收单元将接收的信息经控制处 理单元处理后来控制信号灯显示不同的色灯，以便司机经过信号灯时可根据不 同色灯信导对列车做出柏应的控制。 车站值班室接收设备将接收的异常视频数据进行存储、图象还原显示并语 音报警提不，车站值班室人员对报警信息进行确认，确定线路异常后通知经过 车辆和相关部门采取相应的避险措臆。车上的4 5 0 电台接收到主机发送语音报 警信息，提示司机注意前方线路有异常现象，从而使司机可以采取不h 的避险 措旌【9 i 。其装置的整体结构如图2 1 所示。 pw * p - j “”t 髫零徊” 1n 4 5 。1 b 图2 - 1 装置结构总体设计 武汉理】人学硕十学位论文 2 2 主机装置 图2 - 2 给出了主机内部构成固。主机装置是本系统殴计的主要设计点，分 为摄像设备单元、图像处理单元、无线传输单元。 图像处理甲元 、 ：一 c c d 镕* ! “”“* 一d 口 + 占一芒8 量 书 j z 8 7 8 无线忙糖l b f 琥4 5 0 电自 其主爱的构成结构如p ： ( 1 ) 摄像设备单元 摄像设备啦元包括缸外摄像头和c c d 摄像头两部分，为满足2 千米的视野 范围，摄像头须加装长焦镜头，进行定焦，焦距在1 5 0 m 至8 0 0 m 。 白天在光照 充足的条件下将使用黑白c c d 摄像头，夜晚和光照条件不佳的情况( 如雨、雾 等天气条件下) 使用红外摄像头。主机摄像部分固定在3 - 4 米高的支架上面，能 较好的保持视距和得l 较开阔的图像，为后期的处理做准备。 ( 2 ) 视频检测单元 此部分的输入是前端图像采集单元输出的图像数据，输出是控制信号j 图像 信号。核心d s p 芯片采用t m s 3 2 0 d m 6 4 2 设备上面采用了2 路异步串口，编 程配置为r s 2 3 2 标准，可支持最高传输速率为1 0 m b p s ，拥有4 路视频输入，视 频处理芯片t v p 5 1 5 0 b p s 是一款高性能视频解码器。首先图像输入后，根据前 端图像采集单元的格式，转换成d s p 芯片能处理的图像信号，接着进行障碍物 的识别，并给出控制信号，将由无线数传电台模块发送给副机和由4 5 0 电台发 送给机车上已有4 5 0 电台。确认障碍物后，对本帧图像进行压缩编码，压缩后 武汉理i 人学硕七学位论文 的图像信号也交由无线收发模块发送给车站。 ( 3 ) 无线发射单元 采用现有的j z 8 7 8 无线数传电台发射部分，现有设备虽然频带较窄，对车站 的图像传输速度较慢，但是通过对图像进行高压缩比的处理后，能满足将压缩 后图像发到车站的要求。 2 3 副机装置 采用j z 8 7 8 无线数传电台接收部分，此现有设备可以满足乇机和副机之问 的通信信号的要求，解决主副机一对一通信问题只需在通信信号中加入对应的 匹配码叩可解决。图2 - 3 锓示了副机内部的构成。 器 口 m m e ， a 3 2 8 7 8 无线传输电台接收部分i 匝信控制部分 图2 - 3 副机内部构成框罔 2 4 车站总机以及机车电台 菇参 邺概 西r s z 3 2 ”置 j z 8 7 8 无线传输电台接收部分 p c 主机 祝且 武汉理一l ：入学硕士学位论文 第3 章主机系统的软硬件总体设计 3 1 报警装置的硬件结构 3 1 1 选用芯片 t i 公司的d s p 芯片类型多种多样，选用t m s 3 2 0 d m 6 4 2 芯片，全称 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 g d k ( ) 6 0 0 ，其中， t m s ”是微芯片标识的前缀，“3 2 0 ”表示芯片 的类别，d m 表示数字媒体，“6 4 2 ”表示芯片的型号，“g d k ”表示封装类型是5 4 8 引脚塑料b g a 封装，“( ) ”表示内部数字一般表示芯片正常给工作温度，“6 0 0 ” 表示主频或者工作频犁1 0 l 。 d m 6 4 2 采用t i 公司第二代增强型超长指令集，片上存储空间分为l l 存储 区和l 2 存储区两部分，l l 存储区包括程序存储空问和数据存储空问，容量均 为1 6 k 木8 位，l 2 存储区为容量为2 5 6 k 8 位的单一r a m ，l 2 存储区管理外部 扩展的数据存储器和程序存储器【】。其片上资源主要为以下几部分：( 1 ) 1 个1 2 c 总线模块；( 2 ) 3 个3 2 位通用定时器；( 3 ) 1 个6 4 位外部存储器接口( e m i f a 接口) ，该接口用于与异步存储器( s r a m 、e p r o m ) 和同步存储器( s d r a m 、 s b s r a m 、z b ts r a m 、f i f o ) 无缝连接，外部存储器最大可寻址空间为 1 0 2 4 m b ；( 4 ) 3 个可编程视频端口( v p 0 v p 2 ) ，能与通用视频编、解码芯片无 缝连接，支持多种视频分辨率以及视频标准。( 5 ) 1 个多通道串行音频接口 ( m c a s p ) ；( 6 ) 2 个多通道串行接口( m c b s p ) ，采用r s 2 3 2 驱动；( 7 ) 1 个 1 0 1 0 0 m 以太网接口( e m a c ) ，符合i e e e8 0 2 3 标准；( 8 ) 1 个1 6 位通用输入 输出端口( g p i o ) ，1 个用户可配置的1 6 3 2 位主机接口( h p i ) ，1 个3 2 位、6 6 m h z 、 3 3 v 主从p c i 接口，1 个符合i e e e l l 4 9 1 标准的j t a g 接口，1 个数据管理输 入输出模块( m d i o ) u 2 】。 3 1 2 存储空间的设计 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的程序数据空间以字节为单位进行统一编址，整个寻址 空自j 为4 g 字节。其片上存储器、片上外设、及外部存储器接口( e m i f ) 均映射 到此4 g 字节空间中【13 1 。d m 6 4 2 的部分可用存贮空间映射如表3 1 所示。 7 武汉理f ：人学硕十学位论文 表3 1t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的存贮空间映射 m e m o r yb l o c kd e s c r i p t i o n b l o c ks i z e ( b y t e s )h e xa d d r e s sr a n g e i n t e r n a lr a m ( l 2 ) 2 5 6 k0 0 0 00 0 0 0 ，0 0 0 3f f f f e x t e r n a l m e m o r y i n t e r f a c ea2 5 6 k0 1 8 00 0 0 0 0 1 8 3f f f f ( e m i f a ) r e g i s t e r s l 2r e g i s t e r s 2 5 6 k0 1 8 40 0 0 0 0 1 8 7f f f f h p ir e # s t e t s 2 5 6 k0 1 8 80 0 0 0 0 1 8 bf f f f t i m e r0r e g i s t e r s2 5 6 k 0 1 9 40 0 0 0 0 1 9 7f f f f t i m e r1r e g i s t e r s 2 5 6 k0 1 9 80 0 0 0 0 1 9 bf f f f i n t e r r u p ts e l e c t o rr e g i s t e r s 2 5 6 k0 1 9 c0 0 0 0 0 1 9 ff f f f e d m ar a ma n de d m a r e g i s t e r s 2 5 6 k0 l a 00 0 0 0 0 l a 3f f f f t i m e r2r e g i s t e t s2 5 6 k o l a c0 0 0 0 0 l a ff f f f g p 0r e g i s t e r s 2 5 6 k 一4 k0 l b 00 0 0 0 0 l b 3e f f f d e v i c ec o n f i g u r a t i o nr e g i s t e r s4 k0 l b 3f 0 0 0 0 1 8 3f f f f 1 2 c 0d a t aa n dc o n t r o lr e g i s t e r s1 6 k0 l b 40 0 0 0 0 l b 43 f f f e m u l a t i o n 2 5 6 k0 1 b c0 0 0 0 0 1 b ff f f f p c ir e g i s t e r s2 5 6 k0 1 c o0 0 0 0 0 l c 3f f f f v p 0c o n t r o l 1 6 k0 1 c 44 0 0 0 0 1 c 47 f f f v p lc o n t r o l1 6 k0 1 c 48 0 0 0 0 l c 4b f f f v p 2c o n t r o l 1 6 k0 l c 4c 0 0 0 0 l c 4f f f f e m a cc o n t r o l4 k0 l c 80 0 0 0 0 l c 80 f f f e m a cw r a p p e r 8 ko l c 81 0 0 0 0 1 c 82 f f f e w r a p r e g i s t e r s 2 k 0 l c 83 0 0 0 0 1 c 83 7 f f v p 0c h a n n e lad a t a 3 2 m7 4 0 00 0 0 07 7 5 f ff f f f v p oc h a n n e lbd a t a3 2 m7 6 0 00 0 0 0 7 7 f ff f f f v p ic h a n n e lad a t a 3 2 m7 8 0 00 0 0 0 7 9 f ff f f f v _ p 1c h a n n e lbd a t a3 2 m 7 a 0 00 0 0 0 7 b f ff f f f v p 2c h a n n e lad a t a3 2 m7 c 0 00 0 0 0 7 d f ff f f f v p 2c h a n n e lbd a t a 3 2 m7 e o o0 0 0 0 7 f f ff f f f e m i f ac e 0 2 5 6 m8 0 0 00 0 0 07 8 f f ff f f f e m i f ac e l2 5 6 m 9 0 0 0 0 0 0 0 9 f f f f f f f e m i f ac e 2 2 5 6 ma 0 0 00 0 0 0 a f f ff f f f e m i f ac e 3 2 5 6 mb 0 0 0 0 0 0 0 b f f f f f f f r e s e r v e di g c 0 0 00 0 0 0 * ，f f f ff f f f 8 武汉理i ：人学硕十学位论文 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 通过外部存贮器接口( e m i f ) 访问片外存储器，e m i f 由 6 4 位数据线d 6 3 ：0 、2 0 位地址线a 2 2 ：0 3 、8 位字节使能线b e 7 ：0 、4 位片选线 c e 3 c e 0 和各类存储器的读写控制信号a r d y 、s d c k e 、e c l k i n 、 e c l k o u t l 、e c l k o u t 2 、a r e s a d s s d c a s s r e 、a o e s o e s d r a s 、 a w e s w e s d w e 、s o e 3 、h o l d 、h o l d a 组成，每个c e x 空间有2 5 6 m 字 节寻址空间，并且可配置为- 与s r a m 、f l a s h 、s d r a m 等各类存储器接口【1 4 】。本 设计的d m 6 4 2 的e m i f 的外部输入时钟e c l k i n 设计为1 3 3 m h z ，e m i f 以1 3 3 m h z 时钟进行工作。 3 1 3 扩展的外部存储资源的设计 通过e m i f 扩展的外部存储资源如表3 2 所示。 表3 2e m i f 扩展的外部存储资源 部件 资源 f l a s h 最人4 m x 8 位，8 一位异步静态存储器接口 s d r a m 最人4 m x 6 4 位，6 4 位同步动态存储器接口 状态控制寄存器 8 x 8 位，8 位异步静态存储器接口。 u a r t a 8 x 8 位，8 位异步静态存储器接口 u a r t b 8 x 8 位，8 位异步静态存储器接口 这些外扩的存储资源将被映射到d m 6 4 2 的e m i f 的4 个存储空间中，分配时 将相同类型、相同数据宽度的存储器接口组合到同一个存储空问中。 d m 6 4 2 的c e 0 子空间被配置为6 4 位s d r a m 接口，分配给外扩的s d r a m 使 用。s d r a m 的工作时钟由d m 6 4 2 的e c l k o u t l 提供，其可由软件配置为e m i f 的e c l k i n 、或c p u 时钟4 、或c p u 时钟6 ，最高为1 3 3 m h z 。一般情况下，配置 为e c l k i n ，即1 3 3 m h z 。s d r a m 在子空问的具体定位为：0 x8 0 0 00 0 0 0 o x 8 1 f f f f f f 。t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的c e l 子空间被配置为8 位异步具体存储器接口，分配给 开发板上的f l a s h 、状态控制寄存器、u a r t a 、u a r t b 等使用【i 5 1 。 d m 6 4 2 将e m i f 的子空间配置为8 位异步静态存储器接口束接口f l a s h 。 d m 6 4 2 # b 部地址总线只有a 2 2 ：3 】，总共2 0 根，所以c e l 子空问最大的寻址范围 为1 m * 8 位。板上c e l 子空间除了分配给f l a s h 以外，还分配给状态控制寄存 器、u a r t a 、u a r t b 等资源使用，其中f l a s h 只占据c e l 子空间的前一半的寻 址空间，即最大的可寻址范围为5 1 2 k 8 位，而f l a s h 的设计容量为4 m 8 位，所 以为了寻址到f l a s h 所有的地址空问，在板上采用分页技术来实现对f l a s h 的访问， 9 武汉理1 ：人学硕十学位论文 即将整个4 m 8 位的f l a s h 分成8 个5 1 2 k 8 位的页，而页地址p a 2 1 、p a 2 0 、p a l 9 则 由页地址寄存器提供( 页地址寄存器位于c p l d 中) 1 6 1 。f l a s h 页寄存器的地址 为0 x 9 0 0 80 0 1l ( 只写) ，表示位如图3 1 所示。 d 0 7d 0 6d 0 5d 0 4d 0 3d 0 2d o id 0 0 图3 1f l a s h 页寄存器地址 板上设有3 个控制寄存器，用于设置板上各个外设的状态，其控制寄存器列 d i o o u t 寄存器8 位，用于控制8 位数字量输出，地址为0 x 9 0 0 80 0 1 0 ；f l a s h p a g e 寄存器3 位，用于给出f l a s h 的页地址p a l 2 1 ：1 9 】，地址为0 x 9 0 0 80 0 1 l ； u a r t s e t 寄存器4 位，用于设置u a r t 的工作方式，地址为0 x 9 0 0 80 0 1 2 ；状态寄 存器d i o i n 寄存器8 位，用于读取8 位数字量输入，地址为0 x 9 0 0 80 0 1 0 。 板上选用t l l 6 c 7 5 2 b 实现2 路异步串口，其上包含二路相互独立的异步收发 器，接收和发送各带6 4 字节f i f o ，最高传输速率可达1 5 m b p s 波特率。d m 6 4 2 将e m i f 的c e l 子空间配置为8 位异步静态存储器接口来接i 口t l l 6 c 7 5 2 b ，每路 异步串口占用8 个8 位存储单元，u a r t a 0 x 地址为0 x9 0 0 80 0 0 0 0 x 9 0 0 80 0 0 7 ， u a r t b 地址为0 x 9 0 0 80 0 0 7 0 x 9 0 0 80 0 0 f 【1 7 1 。外存储部分接口原理见附录a 图 a 1 。 3 1 4 配置视频接口 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 共有三个视频口，分别为v p 0 、v p i 署i i v p 2 。其中v p 2 为单 一功能的视频口。v p 0 与v p l 则与m c b s p 、m e a s p 复用引脚的，其功能选择由 d m 6 4 2 j ：i 拘j b 设配置寄存器( p e r c f g ) 进行配置的【1 8 1 。p e r c f g 寄存器的位域 定义如图3 2 所示。 765432lo r - o r ，、v or ，w or v y - or w - o r ，、vlr v y - 1r ，、v 图3 - 2p e r c f g 寄存器的位域定义 l o 武汉理i ：人学硕十学位论文 其中将相应的位置“1 ”，则使能该功能，置“0 ”，则禁止该功能，将p e r c f g 设置为0 x 1 5 ，使能3 路视频口，一路接红外摄像头，一路接c c d 摄像头，一路作 为保留，该部分视频编解码部分硬件原理图见附录a 图a 2 。 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 上集成有一条1 2 c 总线，d m 6 4 2 为此1 2 c 总线的主设备。 板上用此1 2 c 总线连接了下列从设备：4 路视频解码器t v p 5 15 0 p b s 的控制口； 1 路视频编码s a a 7 1 2 1 h 的控制口；1 路实时时钟r t c 。每个1 2 c 总线的从设备 均对应个从设备地址，1 2 c 总线以此从设备地址来区分所访问的是哪个从设备 u 9 1 。t v p 5 1 5 0 p b 只能配置为2 个不同的从设备地址，所以一条1 2 c 总线中是不 能同时连接4 个编码器或解码器的。d m 6 4 2 用通用i o1 5 1g p o o 束控制1 2 c 总 线的切换，g p o o 为“o ”时，选通第1 和第2 通道t v p 5 1 5 0 ，而g p o o 为“l ”时， 则选通第3 和第4 通道t v p 5 1 5 0 。 t v p 5 1 5 0 p b s 是一款高性能视频解码器，可将n t s c 、p a l 视频信号转换成 数字色差信号，支持两个复合视频或一个s 端子输入，它具备了封装小( 3 2 脚的 t q f p ) 、功耗小的特点( n e w ，在p r o j e c tn a m e 框罩输入工程名：( 例如： d 2 _ v e d i o l o o p ) a ( 4 ) 在l o c a t i o n 框罩输入或者浏览第一步创建的文件夹，工程类型默认为 可执行的( o u t ) 文件，目标设置为c c s 当自订的配置。 ( 5 ) 点击f i n i s h ，c c s t l 建一个叫做d 2 _ v i d e o l o o p p j t 的- l - _ 程文件。文件里 存储了工程配置和工程所需要的各种相关文件。 ( 6 ) 选择p r o j e c t a d df i l e st op r o j e c t ，把文件加到工程里。 ( 7 ) 在创建的文件夹罩添加m a i n c ，v i d e o l o o p c ，和i n k c ( 映射内存的连接命 令文件) 。浏览c ：c c s t u d i ov 3 1 c 6 0 0 0 c 蛋o o l s l i b 目录，为所配置的目标添加相 j 立的r t s 1 i b 。 ( 8 ) 在g 甩t i e s 文1 钙【下面导入芯片的d m 6 4 2 s 幻鲥文件。g e l ( g e n e r a le x t e n s i o n l a n g u a g e 通用扩展语言) 是一种解释语言，类似与c 语言，这个文件中的函数是按 照先后顺序执行的。g e l 函数可以用来配置