（信号与信息处理专业论文）基于dsp的视频交通信息检测卡的研究.pdf

摘要 近年来 i t s 智能交通系统 产业在世界范围内蓬勃发展 本文所研究的 视频交通信息检测系统是i t s 的重要组成部分 该检测系统采用图像处理的方法 提取交通管理所需要的各种交通信息 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 然后介绍了 整体系统设计方案 最后详细介绍了交通信息视频检铡卡的硬件结构设计 视频检测卡主要分为三部分 分别是视频a d 转换电路 数字视频采集接 口和p c i 总线接口 视频a d 转换电路由视频解码芯片s a a 7 1 1 4 h 实现 模拟 视频信号通过a d 转换电路变为y u v 数字视频信号 视频检测卡的核心芯片是 t i 公司的通用数字信号处理器t m s 3 2 0 c 6 2 1 1 它通过视频采集接口接收来自视 频a d 转换电路的数字视频信号 实现数字视频流的采集 实时的计算交通信 息数据 并完成对其它芯片的初始化和控制操作 视频检测卡通过p c i 接口与主 机进行通讯 它采用t i 公司的p c i h p i 桥接芯片p c l 2 0 4 0 实现p c i 总线协议 主机通过p c i 2 0 4 0 与d s p 的h p i 接口 通过h p i 口主机可以访问d s p 的所有存 储空间 从而实现对板卡的控制及数据的传输 本文深入研究了数字解码器s a a 7 1 1 4 h 数字信号处理器c 6 2 1 1 p c i 桥援 芯片p c i 2 0 4 0 等芯片 详细介绍了上述视频检测卡各部分的设计 以及视频检测 卡其它部分硬件电路的设计 关键词 智能交通视频交通检测t m s 3 2 0 c 6 2 1 1s a a 7 1 1 4 hp c i 2 0 4 0 r e c e n ty e a r 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 8 t e m t e c h n o l o g yh a s m a d eag r e a tp r o g r e s sw o f l d w i d e t h ev i d e ot h f f i cd e t e c t i o ns y s t e m r e s e a r c h e di nt h i sp a d e ri sa ni m p o r t a n tp a r to f i t s t i l i ss y s t e mi su s e dt o a c q u i r ea n yn e e d e di n f o r m a t i o ni n t r a f f i c m a n a g e m e n tu s i n gi m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y f i r s t l y t h i sp e ri n t r o d u c e ss i m p l yt h ed o m e s t i c a n do v e r s e a s g e n e r a ls i t u a t i o no f 曲ed e v e l o p m e n to ft h ev i d e o 乃剖嚣cd e t e c t i o n s y s t e m t h e n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ew h o l es y s t e md e s i g n l a s t l y t h i s p a p e rm a i n l yr e s e a r c h e st h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo ft h ev i d e o1 1 r a m c d e t e c t i o ns y s t e mb o a r d 1 1 1 ev i d e od e t e c t i o nb o a r di sm a i n l yc o m p o s e do ft h r e ep a r t sw h i c h r e s p e c t i v e l ya r ev i d e oa dc o n v e r tc i r c u i t d i 跏lv i d e oc o l l e c t i o ni n t e r f a c ea n d p c ib u si n t e r f a c e n 砖v i d e oa i c o n v e r tc i r c u i ti sa c c o m p l i s h e db yv i d e o d e c o d e rs a a 7 11 4 h w h i c hc o n v e r t st h ew a l o gv i d e os i g r l a lt od i 西僦v i d e o s i g r l a l t h ec o r ec h i po f t h e v i d e o d e t e c t i o n b o a r d i s 妇g e e r a l p u l p s ed i 删 s i g r l a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 c 6 2 11o f l lc o m p a n y w h i c hr e c e i v e st h e 喇v i d e o s i g r l a lc o i n i n gf r o mt h ev i d e oa dc o n v e r tc i r c u i t a r o u e g at h ed i 鲫v i d e o c o l l e c t i o n i n t e r f a c e a c c o m p l i s h e st h ec o l l e c t i o no fo fd i 西哑v i d e os n e a m c o m p u t e st h el l a 五ci n f o r m a t i o ni nr e a lt i m e a n di n i t i a l i z e sa n dc o n t r o l s o t h e r c h i p s n l ev i d e od 鼬e c d o nb o a r dc o m m t m i c a t e sw i t hh o s tt h r o u g hp ai n t e r f a c e 卫馏v i d e oi 唰o nb o a r du t l i z e st h ep 口删b r i d g ec h i pp c i 2 0 4 0o ft i c o m p a n yt oa c c o m p l i s hp c ib u sp r o t o c 0 1 田l eh o s ti n t e r f a c e sw i t ht h ed s ph p i t h r o u g hf c l 2 0 4 0 a n dt h eh o s t c a na c c e s sa l lt h es p a c eo f d s p t h r o u g ht h eh p it 0 a c c o m p l i s h t h e c o n t r o l o f t h e b o a r d a n d t h e c o m m u n i c a t i o n o f d a t a 耵1 i sp a p e rh a sl u c u b r a t e dt h ec h i p ss u c ha sv i d e od e c o d e rs a a 7 1 1 4 h c 6 2 11d s pa n dp c i 栅p ib r i d g ec h i pp c i 2 0 4 0e t c t k sp 印e ri n t r o d u c e si n d e t a i l st h ed e s i g no f e a c hp a r to f t h ev i d e od e t e c t i o nb o a r dm e n t i o n e da b o v ea n d t h ed e s i g no f o t h e r p a r t so f t h eh a r d w a r ec i r c u i t k e y w o r d i t s v i d e ot r a f f i cd e t e c t i o n t m s 3 2 0 c 6 211 s a a 7 1 1 4 h p c i 2 0 4 0 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 也不包含为获得叁鲞盘茔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 狱才匆 签字日期 y 矿f 年z 月砂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫注盘茔有关保留 使用学位论文的规定 特授权盘鲞盘茔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 狱扬 签字日期 p 眵睁2 月 日 导师签名 移收步 u 签字日期 钟矿月巧日 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 1 1 1 智能交通系统综述 第一章绪论 近年来 随着汽车数量的增多和交通密度的大幅度提高 城市交通堵塞问题 越来越严重 通过对现有道路进行拓宽 建造高架道路 隧道和行人立交桥等措 施可以暂时缓解这一矛盾 但是因为受到空间的限制 这些方法所能起到的作用 非常有限 智能交通系统 i n t e l l i g e n t t r a n s p o r ts y s t e m 简称i t s 是为了解决日益严重 的城市交通问题而提出了 8 0 年代中期以后 人们将先进的信息技术 数据传 输技术 控制技术以及计算机处理技术等有效的综合运用于整个运输管理系统 使人 车 路和环境密切配合 从而建立起一种在大范围内 全方位发挥作用的 实时 准确 高效的综合管理系统 在公路交通领域 该系统将汽车 驾驶员 道路及其相关的服务部门相互联 结起来 并使汽车在道路上的运行功能智能化 从而使公众能够高效地使用公路 交通设施和资源 具体的说 该系统将采集到的各种道路交通及服务信息经过交 通管理中心集中处理后 传输到公路运输系统的各个用户 驾驶员 居民 警察 局 停车场 运输公司 医院 救护排障等部门 出行者可以实时选择交通方 式和交通路线 交通管理部门可以自动进行合理的交通疏导 控制和事故处理 运输部门可以随时掌握车辆的运行情况 进行合理的调度 从而使路网上的交通 运行处于最佳状态 改善交通拥挤和阻塞 最大限度地提高路网的通行能力 提 高整个公路系统的机动性 安全性和效率 1 1 2 视频交通信息检溯技术的应用意义 i t s 地发展在世界范围内受到广泛关注 发达国家纷纷投入巨资支持i t s 的 研究与应用 中国对i t s 的研究与应用也非常重视 发展智能交通已经写入中国 十五 综合交通体系发展规划 科技部已确定了北京 上海 天津等1 0 个智 能交通试点示范城市 开发智能交通领域的关键技术 探索发展具有中国特色的 i t s 发展i t s 就需要道路交通信息数据采集与处理设备 没有智能化的道路交 第一章绪论 通信息数据采集与处理设备的支撑 i t s 就无法实现 在i t s 这个综合系统中 准确实时地获得各种交通信息数据 包括车流量 车速度 车辆密度 车头距 占有率等 是非常重要的一环 i t s 中的交通诱导 系统 信息发布系统 交通信号系统 电子监控系统 异常事件报警系统 以及 交通预测系统都需要建立在交通信息数据的基础上 只有在掌握大量的交通流量 信息数据的基础下 才有实现智能交通的可能 获取车辆交通流量数据一般采用以下几种方式 微波多谱勒检测 感应线圈 检测 超声波检测 红外线视频检测 视频检测等几类 美国交通部委托休斯 测试中心对上述方法的测试报告如表1 1 表1 1 美国交通部委托休斯测试中心检测报告 技术优点缺点 超声波检测 体积小 易于安装 性能随环境温度和气流影响而降低 叼 能检测静止或低速行驶的车辆 微波多谱勒检 在恶劣气候下性能出色 以向前方式用定向天线跟踪单车道 测 直接检测速度 视频检测 可为事故管理提供可视图像 大型车辆能遮挡随行的小型车辆 可提供大量交通管理信息 阴影 积水反射或昼夜转换可造成检 单台摄像机和处理器可检测多车道测误差 红外线视频检 昼夜可采用同一算法而解决昼夜转 可能需要很好的红外线焦平面检测 测换的问题器 也就是要用提高功率 降低可靠性 可提供大量交通管理信息来实现高灵敏度 感应线圈检测 昼夜可采用同一算法而解决昼夜转 安装过程对可靠性和寿命影响很大 换的问题 修理或安装需中断交通 影响路面寿命 易被重型车辆 路面修理等损坏 有表1 1 可见 视频检测方法比其他方法更具优越性 感应线圈检测方式是 通过在道路下面埋设感应线圈来检测交通流量数据 安装感应线圈需要切割路 面 影响交通 不易维护 微波检测方式 当车流密度很大的情况下 其错检 漏检率比较高 而光电式检测器 存在对环境依赖性大等弱点 可见以上几种检 测方式存在着工作寿命 使用环境及可靠性等问题 视频交通流检测及车辆识别系统是一种利用图像处理技术实现对交通目标 检测和识别的计算机处理系统 通过对道路交通信息数据与交通目标的各种行为 如违章超速 停车等等 的实时检测 实现对交通路段上行驶的机动车的数量 速度以及类别等交通参数的自动统计 达到监测道路交通状况信息的目的 同时 将检测和识别到的交通信息存储起来 为交通管理提供依据 因此它是交通信息 第一章绪论 管理系统的重要组成部分 视频检测技术有许多优点 这种检测方式不但可以获得更为丰富的数据和实 时图像 还可以通过以太网通讯 4 8 5 通讯或无线通讯方式对现场进行实时的反 馈和控制 还具有不需要破坏路面 易于维护 使用寿命长 检测的准确率高 实时性强等特点 同时道路现场图像还可以用来进行实时远程监控 交通信息视频检测技术作为智能交通系统中一项关键技术 受到越来越多的 重视 视频检测技术为交通系统提供了更为方便直观的分析手段 1 2 国内外视频交通信息检测技术的发展概况 视频交通信息检测的概念最初由美国加州的j e t p r o p u l s i o n 实验室于1 9 7 6 年 提出 在美国联邦公路管理委员会的支持下 进行了可行性研究 经过两年的研 究证实了该技术在交通管理控制方面的可行性 1 9 8 4 年明尼苏达大学首次研制 成功实用的大区域视频车辆检测系统 并获得此项技术的专利权 1 9 9 1 年 明 尼苏达大学的科学家们采用先进的工业用计算机 进一步提高了系统的性能 并 且在现场测试中证实了该系统在户外运行的可靠性和实时检测的可行性 此后 日本和欧洲的一些国家也进行了这项技术的研究 并且取得了一些研究成果 目前 世界上在视频车辆检测领域最著名的公司是美国m l s s i m a g es e n s i n g s y s t e m 公司 该公司于1 9 8 4 年在明尼苏达成立 总部设在明尼苏达的圣保罗 公 司的主要产品是a u t o s c o p c 系列的视频车辆检测系统 目前 a u t o s c o p e 系列产品 主要有 a u t o s c o p e 2 0 0 2 a u t o s c o p e 2 0 0 4 a u t o s c o p e2 0 2 0 a u t o s c o p es o l op r o 和a u t o s c o p es o l op r on c 等 美国i s s 公司对a u t o s c o p e 视频车辆检测技术的研究始于八十年代初期 第 一代原型机诞生于1 9 8 7 年 其后于1 9 8 9 年正式推出了用于外场车辆检测的 a u t o s c o p e2 0 0 2 视频车辆检测系统 1 9 9 2 年 i s s 公司生产出a u t o s e o p e2 0 0 3 产品的各项性能趋于成熟 实现了全天候检测 1 9 9 5 年 随着微软w i n d o w s9 5 的问世 i s s 公司又推出了其软件基于 w i n d o w s9 5 n t 操作系统的a u t o s c o p e2 0 0 4 除了性能的改进之外 其结构更为 紧凑 完全符合新一代工业标准 亚特兰大市举办1 9 9 6 年奥运会 为了改善交 通状况 在全市范围内专门选用了a u t o s c o p e 视频检测产品 a u t o s c o p e 作为全世界研发最早并最先获得国际专利的视频车辆检测技术 经过近2 0 年的不断发展 已成为全球安装最多 满足国际各种工业标准最多 在 实际使用中经过广泛检验的成熟的视频车辆检测技术 到1 9 9 7 年为止 已有超 过6 0 0 0 套的a u t o s c o p e 视频检测系统运行在欧 美 亚等洲的许多国家的智能 第一章绪论 管理系统的重要组成部分 视频检测技术有许多优点 这种检测方式不但可以获得更为丰富的数据和实 时图像 还可以通过以太网通讯 4 8 5 通讯或无线通讯方式对现场进行实时的反 馈和控制 还具有不需要破坏路面 易于维护 使用寿命长 检测的准确率高 实时性强等特点 同时道路现场图像还可以用来进行实时远程监控 交通信息视频检测技术作为智能交通系统中一项关键技术 受到越来越多的 重视 视频检测技术为交通系统提供了更为方便直观的分析手段 1 2 国内外视频交通信息检测技术的发展概况 视频交通信息检测的褫念最初由美国加州的j e t p r o p u l s i o n 实验室于1 9 7 6 年 提出 在美国联邦公路管理委员会的支持下 进行了可行性研究 经过两年的研 究证实了该技术在交通管理控制方面的可行性 1 9 8 4 年明尼苏达大学首次研制 成功实用的大区域视频车辆检测系统 并获得此项技术的专利权 1 9 9 1 年 明 尼苏达大学的科学家们采用先进的工业用计算机 进一步提高了系统的性能 并 且在现场测试中证实了该系统在户外运行的可靠性和实时检测的可行性 此后 日本和欧渊的一些国家也进行了这项技术的研究 并且取得了一些研究成果 目前 世界上在视频车辆检测领域最著名的公司是美国的i s s 0 m a g e s e n s i n g s y s t e m 公司 该公司于1 9 8 4 年在明尼苏达成立 总部设在明尼苏达的圣保罗 公 司的主要产品是a u t o s c o p e 系列的视频车辆检测系统 目前 a u t o s c o p e 系列产品 主要有 a u t o s c o p e 2 0 0 2 a u t o s c o p e 2 0 0 4 a m o s e o p e2 0 2 0 a u t o s e o p es o l op r o 和a u t o s e o p es o l op r on c 等 美国i s s 公司对a u t o s c o p e 视频车辆检测技术的研究始于八十年代初期 第 一代原型机诞生于1 9 8 7 年 其后于1 9 8 9 年正式推出了用于外场车辆检 测的 a u t o s c o p c2 0 0 2 视频车辆检测系统 1 9 9 2 年 i s s 公司生产出a u t o s c o p e2 0 0 3 产品的各项性能趋于成熟 实现了全天候检测 1 9 9 5 年 随着微软w i n d o w s9 5 的问世 i s s 公司又推出了其软件基于 w i n d o w s9 5 n t 操作系统的a u t o s c o p e2 0 0 4 除了性能的改进之外 其结构更为 紧凑 完全符合新一代工业标准 亚特兰大市举办1 9 9 6 年奥运会 为了改善交 通状况 在全市范围内专门选用了a u t o s c o p e 视频检测产品 a u t o s c o p c 作为全世界研发最早并最先获得国际专利的视频车辆检测技术 经过近2 0 年的不断发展 己成为全球安装最多 满足国际各种工业标准最多 在 实际使用中经过广泛检验的成熟的视频车辆检测技术 到1 9 9 7 年为止 已有超 过6 0 0 0 套的a u t o s c o p e 视频检测系统运行在欧 美 亚等洲的许多国家的智能 过6 0 0 0 套的a u t o s c o p e 视频检测系统运行在欧 美 亚等洲的许多国家的智能 第一章绪论 交通管理系统中 得到全世界交通专业人士的普遍认可 1 目前 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 但是由于起步较晚 国 内市场中占主导地位的仍然是美 日 欧的知名品牌 其中尤以美国的a u t o s e o p e 系列产品市场份额最大 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 e 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 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 本文的主要任务是视频检测卡的研究 主要作了以下的工作 1 研究了国内外交通信息视频采集系统的发展 2 参与设计了系统整体解决方案 3 学习了p c i 系统结构原理 4 研究了包括s a a 7 1 1 4 h t m s 3 2 0 c 6 2 1 1 p c i 2 0 4 0 在内的各种芯片资料 5 进行了交通信息视频检测卡的硬件结构的设计 1 4 论文的组织结构 本文的组织结构如下 第一章 简要介绍了课题的背景 视频交通信息检测技术在i t s 发展过 程中的地位 第二章 介绍了视频交通信息检测系统的整体设计方案和视频检测卡 的整体设计方案 简要介绍了数字信号处理器1 m s 3 2 0 c 6 2 1 1 第三章 详细介绍了视频a d 转换电路的设计 第四章 详细介绍了视频采集接口的设计 第五章 详细介绍了p c i 接口设计 第六章 介绍了视频检测卡其它部分的设计 以及制作p c b 板的注意事 第一章绪论 1 5 本章小结 项 本章首先简要介绍了智能交通系统i t s 的概念 然后介绍了交通信息视频 检测技术的应用意义 及其在国内外的发展状况 最后简要介绍了本文的主要 工作和论文的组织结构 第二章交通信息视频检测系统设计方案 第二章交通信息视频检测系统设计方案 2 1 视频交通信息采集系统整体设计方案 本文分析研究了国内哈工大交通电子技术有限公司的视频检测产品 v t d 2 0 0 0 e 和国际上a u t o s c o p e 公司的a u t o s c o p e2 0 0 4 a u t o s c o p e2 0 2 0 a u t o s c o p es o l on c 等多种产品的功能特性和系统设计方案 在详细分析了系统 总体需求的基础上 提出了基于视频车辆检测卡的视频交通信息采集系统的设计 方案 视频检测系统的构成如图2 1 所示 系统的总体结构采用主机 客户端的 结构 分为上位机和下位机两部份 分别对应图2 1 中的终端0 n 和检测器0 一一m 它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 而视频信息检 测部分主要由下位机完成 下位机由工控机 d s p 视频检测卡的结构组成 视频 检测卡是检测器的核心 由它实时的完成视频交通信息检测工作 并将检测结果 传送给工控机 图2 1 视频交通信息检测系统结构框图 第二章交通信息视频检测系统设计方案 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 本系统的图像采集设备包括大区域摄像机和抓拍摄像机 大区域摄像机用于获取道路全景图像 抓拍摄像机用于拍摄过往车辆的图 片 为保证抓拍到的照片能清楚的看到车辆的牌照 通常一个车道需安装 一个抓拍摄像机 当大区域摄像机检测到有车辆经过时 通过视频切换开 关接通相应的抓拍摄像机的视频信号 由图像捕捉卡采集若干幅数字图 像 经过硬件压缩后存储 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 图像捕 捉卡 通常 一台工控机内插一块视频检测卡 每块检测卡能够同时处理 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1 4 块图像捕捉卡 每块 图像捕捉卡捕捉由抓拍摄像机获取的一路视频图像进行压缩并存储 视频检测卡 视频检测卡是视频交通信息采集系统的核心 它的功 能是用数字图像处理算法 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 图像捕捉卡 图像捕捉卡的基本功能是采集抓拍摄像机输入的车辆 近景图像 以便识别车辆的型号和牌照 它还对捕捉到的图片数据 进行硬件压缩 再把压缩后的图片存储 以便传送到监控中心 工业控制计算机 工控机是控制中心 根据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和若干块图像捕捉卡 工 控机还可以通过以太网 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 远程监控以及设备远程管理 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 3 通信网 可以通过基于t c p i p 的以太网 以光纤或是同轴电缆作为传输 介质 以服务器为中心 互联位于不同检测地点的工控机 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 服务器 服务器是位于交通信息管理和控制中心的一台或是几台服务器 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 检测到的交通流量信息和抓拍到的图片 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 第二章交通信息视频检测系统设计方案 程管理和控制 2 2 视频检测卡整体设计 视频检测卡是视频交通信息采集系统的核心部分 为了完成对图像的实时处 理 其处理一幅图像的时间应小于4 0 m s 因而我们选用高速数字信号处理器 d s p 完成对实时数字图像的处理 本课题要研究的视频检测卡用于交通图像的实时采集和处理 它能够输入模 拟视频信号 并实时的将模拟视频信号转换成数字视频信号 通过图像处理算法 实时的计算出需要的交通信息数据 并且把采集到的数字图像数据和检测到的交 通信息数据通过主机接口传送到工控机 本系统采用插卡式的设计 考虑到道路情况的复杂性 为了满足诸如卡口 十字路口等多种环境下的应用 在一块板卡上集成了2 个相同的功能单元 可以 同时处理2 路视频信号 从而可以同时检测2 个方向的道路状况 根据系统具体 的任务要求 本文提出了基于d s p 的交通信息视频检测卡的设计方案 检测卡系 统功能框图如图2 2 所示 图2 2 视频检测卡功能框图 工 滞 口 第二章交通信息视频检测系统设计方案 由于两路视频采集模块是相同的 因此本文只针对一路视频采集单元的内部 结构介绍系统的设计 系统硬件结构如图2 3 所示 视频检测卡主要围绕 t m s 3 2 0 c 6 2 1 1 进行硬件电路和软件设计 c 6 2 1 l 是整个扳卡的核心 由图2 3 可知 整个视频检测卡主要由三部分组成 一是视频a d 转换电路 实现模拟 视频信号到数字视频信号的转换 二是视频采集接口 负责把实时数字图像采集 到d s p 的外存s d r a m 中 并实现y u v 分量的分离 然后由d s p 根据特定的 算法进行处理 三是主机接口电路 采用p c i 总线实现d s p 与主机的接口 负 责主机与d s p 之间的数据通讯 模 拟 视 频 s d r a m 8 m 3 z b i t s 孑s 3 2 b i t c 6 2 1 1d s p 粼 外设 接 口 南讨 m c 同步 时钟 e m i f 一 3 2 b i f i f 0 1 k 3 2 b i t s 读控制 读时钟 写控制 写时钟 纠硬件逻辑电路 c p l d e 位 使能 中断 1 6 b p c i 控制器 p c i 2 0 4 0 3 2 b i 工控机 片选 图2 g 系统硬件结构框图 如图2 2 和图2 3 所示 一块视频检测卡上有两个相同的视频数据处理通道 每一个通道由以下一些主要部分构成 1 视频解码器 视频解码器的作用是对输入的视频信号 p a l 或n t s c 进 行a d 转换 输出y u v 格式的数字图像数据 并产生行 场同步信号 解码芯片采用p h i l i p s 公司的高性能视频解码器s a a 7 11 4 h 第二章交通信息视频检测系统设计方案 2 双口缓冲存储器 双口缓冲存储器的功能是作为视频解码器和图像处理单 元 d s p 的缓冲接口 以匹配两个单元在处理速度上的不同步 它由两 个i k 1 6 b i t s 的f i f o 并联成一个1 k 3 2 b i t 的f i f o 实现 3 数字信号处理器 d s p 数字信号处理器 d s p 是视频检测卡的杨心 我们采用t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 2 11 芯片 它的主要功能是实时的从f i f o 中读出数字图像数据 并将每一帧的y u v 分量分别存放在片外存储器中 并且按照一定的算法对采集到的实时动态数字图像进行处理 得到所需的 交通数据 再把这些数据和采集到的图像通过p c i 接口传送到工控机 4 存储器s d r 枷 每一个视频数据处理通道中使用大小为8 m 3 2 b i t s 由两 片8 m 1 6 b i t s 的s d r a m 并联实现 的s d r a m 作为d s p 的片外存储器 d s p 的代码和数据都存储在s d r a m 中 5 硬件控制电路c p l d 每一个硬件控制电路由一片c p l d 芯片编程实现 它控制视频流的采集 该控制电路以视频解码器输出的行 场同步信号以 及d s p 输出的控制信号为输入 输出f i f o 控制信号 控制视频解码器与 f i f o 的同步 输出d s p 控制信号 控制f i f o 与d s p 的同步 以及一些 出错处理信号 6 p c i 控制器p c l 2 0 4 0 每个视频处理通道上的d s p 都通过h p i 接口 与 p c i 控制器 p c i 2 0 4 0 相连接 p c i 2 0 4 0 是t i 公司的一款用于连接d s p h p i 和p c i 总线的桥接芯片 一片p c i 2 0 4 0 能够同时将最多4 片d s p 通 过h p i 接口连接到p c i 总线上 使得运行在工控机上的应用程序能够访 问到d s p 的整个存储空间 实现工控机与板卡之间的通信 综上所述 视频检测卡一个图像处理通道的基本工作过程如下 1 视频解码器对由大区域摄像机获取的模拟视频信号进行解码 输出 w v 4 2 2 格式的数字视频数据到f i f o 中 同时输出行 场同步信号 以及其他的控制信号到时序控制电路 2 时序控制电路以视频解码器输出的行 场同步信号和d s p 发出的 f i f o 使能信号为输入 产生f i f o 控制信号 将视频解码器输出的视 频数据存入f i f o if i f o 每完成一行视频数据的存储 时序控制电路 向d s p 发送一个中断信号 通知d s p 从f i f o 中取走一行视频数据 3 d s p 在接收到时序控制电路的中断信号之后 通过e d m a 从f i f o 中 将一行视频数据读到片内存储器s r a m 中 然后d s p 再通过e d m a 将每行视频数据写到片外存储器s d r a m 中 同时将y u v 分离 合 成一帧完整的数字图像数据 4 d s p 完成一帧图像的采集后 用中断通知图像处理程序开始进行处 第二章交通信息视频检测系统设计方案 理 同时开始下一帧图像的采集 处理完一帧图像之后 将检测结果 存储在d s p 地址空间中约定的缓冲区内 再向运行在工控机上的应用 程序发送一个中断 然后继续等待下一帧图像采集完 5 运行在工控机上的应用程序每次收到d s p 图像处理程序发来的中断 从d s p 存储空间中约定的缓冲区中读取检测结果 再做后续处理 2 3t m s 3 2 0 c 6 2 11 简介 数字信号处理器 d s p 是视频检测卡的核心 我们采用 公司的 t m s 3 2 0 c 6 2 1 1 芯片 它的主要功能是实时的从f i f o 中读出数字图像数据 并将 每一帧的y u v 分量分别存放在片外存储器中 并且按照一定的算法对采集到的 实时动态数字图像进行处理 得到所需的交通数据 再把这些数据和采集到的图 像通过p c i 总线传送到工控机 本节将对t m s 3 2 0 c 6 2 11 进行简要的介绍 2 3 1t m s 3 2 0 c 6 2 11d s p 器件特征 3 l t m s 3 2 0c 6 2 1 1 是1 f 1 公司开发的一款新型的定点d s p 其主要特点如下 1 带有8 个功能单元的先进的超长指令字 v l i w c p u 每周期可并行执行 多达8 条指令 允许设计者开发高效的类r i s c 代码 2 指令打包 c p u 在取指时以指令包为单位进行 每个指令包中有8 条3 2 b i t 的指令 这样就减少了取指次数 提高了效率 3 所有指令都是条件执行的 以减少代价昂贵的跳转开销 增加并行度 4 两级高速缓存结构 包括3 2 kb i t s 4 kb y t e s 程序高速缓存 c a c h e l 1 p 3 2 kb i t s 4 kb y t e s 数据高速缓存 c a c h e l i d 以及5 1 2 kb i t s 6 4 kb y t e s 的共享高速缓存l 2 供数据和程序共享 并且l 2 还可根据需要将其中一部 分映射为片内r a m 5 支持8 1 6 3 2 位数据宽度 支持各种类型的存储器 6 1 6 个独立的e d m a 通道 7 目前业界最高效的c 编译器以及用于加快软件开发和改善并行度的汇编优 化器 2 3 2t m s 3 2 0 c 6 2 11 的硬件体系结构 3 卅 d s p 的体系结构直接影响处理器能力 直接关系到方案的设计与优化策略 c 6 2 1 l 由c p u 内部存储器和片内外设 o n c h i p p e r i p h e r a l 组成 第二章交通信息视频检测系统设计方案 2 3 2 1t m s 3 2 0 c 6 2 1 1 的内核 图2 4 为c 6 2 1 1 的模块示意图 其中深色部分是c p u 内核 从图中可以看 到 c 6 2 1 1 的c p u 包含下列几个部分 程序取指单元 指令分配单元 指令译码单元 两个数据通道 每个数据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3 2 b i t s 通用寄存器 控制寄存器和控制逻辑单元 中断逻辑单元 测试 仿真单元 图2 4t m s 3 2 0c 6 2 1 1d s p 内核 c p u 通过程序取指 指令分配和指令译码来完成指令的读取和解释 c 6 2 11 片内程序存储器的总线宽度为2 5 6 b i t s 因此程序取指 指令分配和指令译码单元 每个时钟周期可以从程序存储器向功能单元传递8 条3 2 b i t s 的指令 这些指令的 执行发生在c p u 的两个数据通道 a 和b 中的每个功能单元内 功能单元执 第二章交通信息视频检测系统设计方案 行逻辑运算 移位运算 乘法 加法和数据寻址等操作 由控制寄存器控制各种 操作的执行 2 3 2 2t m s 3 2 0 c 6 2 11 的存储器映象 c 6 2 1 1 使用的是3 2 b i t s 地址 其寻址范围为4 gb y t e s 其中包括从0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 地址开始的6 4 k b y t e s 映射为内部存储器空间 r a m 然后是片内外设寄 存器的存储器映象空间以及保留空间 从0 x 8 0 0 00 0 0 0 地址开始是外部存储器映 象空间 其中 片内存储器也可以作为第二级c a c h e l 2 使用 设计者可根据 需要以1 6 kb y t e s 为单位 将其中一部分映射为内存 另 部分映射为c a c h e 例如 1 6 kb y t e s 作为c a c h e 4 8 kb y t e s 作为片内r a m 使用 映射为r a m 的 部分c p u 总是从0 x 0 0 0 00 0 0 0 地址开始对其进行访问 外部存储器映象空间又 分为4 个子空间 每个子空间可根据需要 通过外部存储器接口 e m i f 扩展 不同类型的存储器 例如r o m s d r a m s b s r a m 等 c 6 2 1 1 存储器映象见 图2 5 所示 翻b h 工l 瑚s 3 2 0 c g 2 1 1 c s 2 1 1 bm e m o r ym a ps u m m a r y 碍日 o 酣b l o c ko e s c 靶e 1 1 0 n b l o c k s i z e b y t e s i 抽e a d o r e s r a n g e 嵋喇旧触m 上 6 4 k0 0 0 0 一 o f f f f r e s m e c l2 e 4 k0 1 删一0 1 7 ff f f f e x t s m s l 咖r y i m c e 鼬竹釉口 n 2 5 6 k 0 1 一0 1 叮f f f f l 2 f 1 蝴 2 5 8 l 0 懈 一钟8 7f f p f h p i r 嶂啪i 2 k0 1 潮一0 1 8 bf f f f 脚0 融卿m 3 辅kd 协c 蚺一0 1 8 f 阡阡 讹阵p r 吲蝴 辅ko 鲫o o 一0 1 f f f f t 呐r o r 吲m i 2 5 6 k0 1 9 4 0 0 0 0 一 9 7f f f f 晰1r e 岫l2 5 戳o t 9 8 嗍一0 1 蛆f f f f 帅州珥翱b 珈f 勋味蜘 2 5 6 氍0 1 9 2 一0 1 9 ff 阱 黜删 哪涨嘞 嘶 2 鞴k0 1 d 0 0 0 0 0 1 3 阡芹 r e 州6 一2 5 戳a 1 m0 0 0 0 0 1 阡f f 阡 q d 嗽r 叼啦m 5 2黜0 0 0 0 0 2 0 0 嘲 r e s a v e d7 嘲一s 2锄舶弘 2 f f ff f f f m 出s p 0 出2 弱h3 0 0 0 一3 f f ff f f f r e m w d i g柏 舢一7 f f ff f f f e 墟f c 叶删 姗 8 f p ff f f f e m i f c t酬姗 g f f ff f f f e 喃f c 2 t瓢ma 0 0 0 a f f ff f f f e m i f c e 3 t蛳n8 o 一b f f ff f f f r m e d1 gc o 哪 f f 阡f f 阡 图2 5t m s 3 2 0 c 6 2 11 的存储器映象 2 3 2 3t m s 3 2 0 c 6 2 1 1 的片内外围设备 c 6 2 1 1 的片内外围设备包括外部存储器接口 e m i f 两个多通道缓冲串口 m c b s p o 和m e b s p l 两个通用定时器 t i m e r o 和t i m e r l 主机接口 h p i 第二章交通信息视频检测系统设计方案 功率下降逻辑 锁相环 p l l e d i v i a 控制器以及中断选择 i n t e r r u p ts e l e c t o r 图2 6 是c 6 2 1 1 的结构框图 i 垡型卜 1 鬻 q 意赫 厂 i 氟r 一 t m q 卜 m 卜 目 蛔r 曲 l 口时 m w 搬 赫 学妇n n h 口 刚 熊 n o l l i n 一一j 器器 卜 m 0 d n 10 1 t l p m l l i r m a t 1 叶 i h jl p 畸 轴g f 脯i 即妇f i n l 越盘疆幽 m j 盏镙 卜 舯岬l p l i 溉l 1 甯卜 粼卜 m 觜il 蔷l 舯 1 由 图2 6t m s 3 2 0 c 6 2 1 结构框图 1 外部存储器接口 跏i f c 6 2 1 1 的外部存储器接口 e m i f 用于扩展片外存储空间 它支持与各种外 部存储器件的无缝连接 包括 1 同步动态r a m s d r a m 可以使用外部时钟 也可是使用1 2c p u 时钟 频率的内部时钟 2 可编程同步存储器 s b s r a m z b ts r a m 和同步f i f o 等 可以使用 外部时钟 也可是使用1 2c p u 时钟频率的内部时钟 3 非同步存储器 s r a m r o m e p r o m f l a s hr o m 异步f i f o 等 c 6 2 1 1 的4 个外部存储器空间都支持各种类型的外部存储器件 每一个外部 存储器空间为支持上述三种类型的外部存储器所提供的信号管脚是共享的 而且 在同一个系统中可以同时使用不同类型的外部存储器 e m i f 提供了8 个控制寄 存器来对4 个空间的外部存储器进