综合设计 DSP图像处理

1、1. DSP图像处理1.1 DSP简介 数字信号处理器DSP是嵌入系统的一个子系统，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法，它具有运算速度快、可靠性高、支持高速大容量存储器，性能价格比高、编程灵活等突出优点，在通信、网络、语音、图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到广泛的应用。 DSP在图像处理上的优势：与传统的采用视频采集卡进行图像处理相比，DSP在图像处理中有很多优势；当前许多系统中，采用视频采集卡进行图像的处理及转换，基本上是由ASIC芯片实现，这样的系统致命的弱点就是灵活性差、升级困难，相应的成本增加；对于视频采集

2、卡适用通用可编程DSP芯片，由于其可编程性及强大的处理能力，使得这样的系统有很高的性价比。所以基于DSP的嵌入式系统必将在图像处理尤其是实时图像处理系统中居于主导地位。 DSP芯片在图像处理领域的典型应用有数码相机、数字机顶盒、网络摄像机、DVD图像压缩卡、网络移动可视电话、人体生物特征识别(指纹识别、人眼虹膜识别）、运动目标检测、警戒和跟踪等。 DSP的结构特点：(1) 硬件乘法器，在通用的微处理器内部实现乘法操作，一般要用到100多个的时钟周期，非常浪费时间。而在DSP的内部，由于其设有独立的、专门用来完成乘法操作的硬件乘法器，因此进行乘法运算的速度很高。内部独有的乘法指令可以在单周期内完

3、成数字滤波、卷积优化、相关运算等算法中的大量重复乘法。(2) 总线结构，传统的微处理器通常采用冯诺曼总线结构，这种结构的程序及数据总线是共享的，程序指令只能串行执行。而DSP采用改进的哈佛结构：即它具有数据和程序两条内部总线，程序和数据的存储空间是分开的，分别有各自的地址及数据总线，因此取指和读数能够同时进行，这就大大的提高了程序的运行效率。(3) JTAG标准测试接口，该接口主要用于对DSP进行片上仿真，以及对编写好的程序进行下载。(4) 多功能单元，为了进一步提高程序的执行速度，DSP 还在内部设置了多个能够并行操作的功能单元，这就使得DSP能够在同等的时间内完成更多的操作。(5) 专用寻

4、址单元，DSP主要是面向数据的密集型应用，因此，随着数据访问次数的增加，数据地址的计算时间也必然会线性的增长。如果我们不在地址的计算上面做一些特殊的考虑，那么将有可能导致计算地址的时间比实际的操作时间还要长。因此DSP又增加了地址产生器。地址产生器可以与ALU（算术逻辑单元）并行工作，不另外占用CPU的时间。(6) 独立的DMA总线控制器，DSP内部集成了一组或多组独立的DMA总线，该总线可以与CPU的数据、程序总线并行工作，不额外占用CPU的时间。 (7) 采用流水线作业，指令的执行分为取指、译码、取数、执行等步骤，它们分别由片内的不同功能单元来独立完成。这就相当于并行执行多条指令，因此极大

5、的提高了运算速度。 1.2 硬件介绍做图像处理涉及到芯片及作用简介：做图像处理主要用到复合视频输入和输出、DDR2、FLASH和视频解码芯片TVP5146。复合视频就是摄像头过来的模拟信号，然后经过视频编解码芯片TVP5146转换成YUV422格式的数字信号；DDR2主要用来做动态数据存储，本版卡的DDR2内存容量是128MByte,容量比较大；FLASH用来存储程序的，DDR2主要是用来运行程序的，暂时缓存结果，掉电后数据丢失。1.3 图像采集和处理过程CCD摄像头直接与视频解码芯片TVP5146相连，经由TVP5146将采集到的彩色模拟图像数据转换成YUV422格式的数字图像数据 ，接着就

6、是主处理器DM6437对视频编解码芯片处理过后的数据进行相关的图像处理算法的运算，最后得到相关的结果再输出。1.4 图像视频处理三大趋势（1）静态图像处理 动态视频处理，静态图像处理简单，算法精度高；无实时性，直观程度差，友好程度差。（2）PC机 嵌入式，PC机处理能力强；体积大，环境适应力差，“系统成本”高。（3）视频监控 智能视频监控，人眼分辨能力有限，需要视频分析辅助，尤其是特殊场合；智能视频监控是视频监控技术发展的必然。1.5 智能照明的必要性电能供应面临危机，电能是众多能源中的一种，虽然自改革开放以来我国的电力事业得到了飞速的发展，但是电能的供应仍然不足，究其原因主要是：一方面是我国

7、的用电效率非常低；另一方面是有些产业的发展势头过强，超出了电能资源的承受能力；再一方面就是人们的节电意识淡薄所导致的电能严重浪费。1.6 智能照明的优势智能照明的优势：具有良好的扩展性；优异的可移植性；维护方便、费用低；减少学校的电能支出。1.7 基于图像处理技术智能照明系统的优越性 为了弥补传统的、基于红外及照度传感技术的智能照明系统的缺陷，将图像处理技术应用到智能照明控制系统中来，通过CCD摄像头采集教室的视频图像数据，然后将采集的数据通过相应的图像处理及识别算法计算出教室的照度及人员情况，从而实现对灯具的智能控制。与以往智能照明控制系统相比，此系统大大降低了在工程布线以及传感器安装方面的

8、工作量，同时也避免了外界环境的各种干扰，将人员误识别的现象降到最低，具有很高的可靠性。我们可以看出，将图像处理技术应用到智能照明控制系统中来，不但顺应了时代的发展趋势，同时具有极大的可行性。2. RJ-45网线中水晶头的制作21世纪是个网络大爆炸的时代，人们每天都在访问Internet。在连接网络的过程中，网线起着不可估量的作用，在此次实验中，我们学习了如何制作网线中的水晶头。2.1 直通RJ-45接头的制作在连接不同类的设备时，用直通线，比如PC和路由器、PC和交换机、交换机和路由器之间，先面试具体的制作步骤：第1步：用双绞线网线钳把五类双绞线的一端剪齐，然后把剪齐的一端插入到网线钳用于剥线

9、的缺口中，稍微握紧压线钳慢慢旋转一圈 第2步：剥除外包皮后即可见到双绞线网线的4对8条芯线，并且可以看到每对的颜色都不同。每对缠绕的两根芯线是由一种染有相应颜色的芯线加上一条只染有少许相应颜色的白色相间芯线组成。四条全色芯线的颜色为：棕色、橙色、绿色、蓝色。 先把4对芯线一字并排排列，然后再把每对芯线分开，并按统一的排列顺序排列。注意每条芯线都要拉直，并且要相互分开并列排列，不能重叠。然后用网线钳垂直于芯线排列方向剪齐（不要剪太长，只需剪齐即可）。 第3步：左手水平握住水晶头，然后把剪齐、并列排列的8条芯线对准水晶头开口并排插入水晶头中， 确认所有芯线都插到水晶头底部后，即可将插入网线的水晶头

10、直接放入网线钳压线缺口中，水晶头放好后即可压下网线钳手柄，一定要使劲，使水晶头的插针都能插入到网线芯线之中，与之接触良好。 两端都做好水晶头后即可用网线测试仪进行测试，如果测试仪上8个指示灯都依次为绿色闪过，证明网线制作成功。2.2 交叉线的制作在连接相通的设备时，如PC与PC、交换机与交换机、路由器与路由器等，需要用交叉线连接。交叉线的制作步骤大体与直通线一致，只不过某几条线的位置需要交换，不同之处具体如下：交叉网线的芯线排列规则是：网线一端的第1脚连另一端的第3脚，网线一端的第2脚连另一头的第6脚，其他脚一一对应即可例如，当线的一端从左到右的芯线顺序依次为：白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白

11、棕、棕时，另一端从左到右的芯线顺序则应当依次为：白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕。当线的一端从左到右的芯线顺序依次为：白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕时，另一端从左到右的芯线顺序则应当依次为：白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕、棕。2.3 实验注意事项剥线在网线的制作过程中算是一个难点，在剥双绞线外皮时，手握压线钳要适当，剥线刀刃口间隙过小，就会损伤内部线芯，甚至会把线芯剪断；剥线刀刃口间隙过大，就不能割断双绞线的外皮。压线就是把排列并剪好的双绞线压入水晶头的过程。这步操作也是本节课的一个重点。关键在于水晶头接头处，双绞线的外保护层需要插入水晶头5mm以上，而不能在接头外，因为当双

12、绞线受到外界的拉力时受力的是整个电缆，否则受力的是双绞线内部线芯和接头连接的金属部分，容易造成脱落。3. 路由器配置3.1 路由器的概念路由器：连接因特网中各局域网、广域网的设备，它会根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径，按前后顺序发送信号的设备。 路由器英文名Router，路由器是互联网络的枢纽、交通警察。目前路由器已经广泛应用于各行各业，各种不同档次的产品已经成为实现各种骨干网内部连接、骨干网间互联和骨干网与互联网互联互通业务的主力军。路由器是互联网的主要节点设备。路由器通过路由决定数据的转发。转发策略称为路由选择（routing），这也是路由器名称的由来（router，转发者）。

13、作为不同网络之间互相连接的枢纽，路由器系统构成了基于 TCP/IP 的国际互联网络 Internet 的主体脉络，也可以说，路由器构成了 Internet 的骨架。它的处理速度是网络通信的主要瓶颈之一，它的可靠性则直接影响着网络互连的质量。因此，在园区网、地区网、乃至整个 Internet 研究领域中，路由器技术始终处于核心地位，其发展历程和方向，成为整个 Internet 研究的一个缩影。3.2 路由器的配置 路由器在计算机网络中有着举足轻重的地位，是计算机网络的桥梁。通过它不仅可以连通不同的网络，还能选择数据传送的路径，并能阻隔非法的访问。路由器的配置如图2-1。1900ATo0E0Rou

14、terARouterBS0S0E0RouterCS1S0E0To0图2-1 路由器配置routerA的配置routerenablerouter#config trouter(config)#hostname AA(config)# int e0A(config-if)# ip address 172.16.10.1 255.255.255.0A(config-if)# no shutA(config-if)# int s0A(config-if)# ip address 172.16.20.1 255.255.255.0A(config-if)# no shutA(config-if)# zA

15、 enableA# config tA(config)# ip route 172.16.30.0 255.255.255.0 172.16.20.2 A(config)# ip route 172.16.40.0 255.255.255.0 172.16.20.2 A(config)# ip route 172.16.50.0 255.255.255.0 172.16.20.2A(config)# ip route 172.16.55.0 255.255.255.0 172.16.20.23.2静态路由和动态路由工作原理静态路由的工作原理是由网络管理员在路由器上手工添加路由信息以实现路由目的

16、，手工配置，无开销，配置简单，需人工维护，适合简单拓扑结构的网络。动态路由的工作原理是通过相互连接的路由器之间交换彼此信息，然后按照一定的算法优化出来的，而这些路由信息是在一定时间间隙里不断更新，以适应不断变化的网络，以随时获得最优的寻路效果4 嵌入式操作系统4.1什么是嵌入式IEEE（国际电气和电子工程师协会）对嵌入式系统的定义：“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。 这主要是从应用对象上加以定义，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体

17、积、功耗等严格要求的专用计算机系统。4.2 嵌入式系统的特点从嵌入式系统的构成上看，嵌入式系统是集软硬件于一体的、可独立工作的计算机系统；从外观上看，嵌入式系统像是一个“可编程”的电子“器件”；从功能上看，它是对宿主对象进行 控制，使其具有“智能”的控制器。从应用的角度看，嵌入式系统与通用计算机系统相比，有如下一些特点：专用性强，实时性好，可裁剪性好，可靠性高，功耗低。嵌入式系统的特点与定义不同，它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。不同的嵌入式系统其特点会有所差异。与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求，如物理环境（小型）、电气/气氛环境（可靠）、成本（价

18、廉）等要求。与“专用性”的相关特点：软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬件配置等。与“计算机系统”的相关特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。 另外，在理解嵌入式系统定义时，不要与嵌入式设备相混淆。嵌入式设备是指内部有嵌入式系统的产品、设备，例如，内含单片机的家用电器、仪器仪表、工控单元、机器人、手机、PDA等。 4.3 嵌入式系统与PC的不同嵌入式系统已经有了近30年的历史，它是硬件和软件交替发展的双螺旋式发展。嵌入式系统与PC之间的区别表现在：嵌入式系统一般是专用系统，而PC是通用计算平台。嵌入

19、式系统的资源比PC少得多。嵌入式系统软件故障带来的后果比PC机大得多。嵌入式系统一般采用实时操作系统。嵌入式系统大都有成本、功耗的要求。嵌入式系统得到多种微处理体系的支持。嵌入式系统需要专用的开发工具。4.4 嵌入式系统的应用领域 嵌入式系统目前已在国防、国民经济及社会生活各领域普及应用，用于企业、军队、办公室、实验室以及个人家庭等各种场所。4.4.1 军用各种武器控制（火炮控制、导弹控制、智能炸弹制导引爆装置）、坦克、舰艇、轰炸机等陆海空各种军用电子装备，雷达、电子对抗军事通信装备，野战指挥作战用各种专用设备等。4.4.2 消费电子我国各种信息家电产品，如数字电视机、机顶盒、数码相机、VCD

20、、DVD、音响设备、可视电话、家庭网络设备、洗衣机、电冰箱、智能玩具等，广泛采用微处理器/微控制器及嵌入式软件。随着市场的需求和技术的发展，传统手机逐渐发展成为融合了PDA、电子商务和娱乐等特性的智能手机，我国移动通信市场潜力巨大，发展前景看好。4.4.3 工业控制各种智能测量仪表、数控装置、可编程控制器、控制机、分布式控制系统、现场总线仪表及控制系统、工业机器人、机电一体化机械设备、汽车电子设备等，广泛采用微处理器/控制器芯片级、标准总线的模板级及系统嵌入式计算机。 4.4.4 网络应Internet的发展，产生了大量网络基础设施、接入设备、终端设备的市场需求，这些设备中大量使用嵌入式系统。

21、4.4.5 其他各类收款机、POS系统、电子秤、条形码阅读机、商用终端、银行点钞机、IC卡输入设备、取款机、自动柜员机、自动服务终端、防盗系统、各种银行专业外围设备以及各种医疗电子仪器，无一不用到嵌入式系统。嵌入式系统可以说无处不在，无所不在，有着广阔的发展前景，也充满了机遇和挑战。4.5 嵌入式系统的历史作为一个系统，往往是在硬件和软件交替发展的双螺旋的支撑下逐渐趋于稳定和成熟，嵌入式系统也不例外。嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。70年代单片机的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。这些装置已经初步具

22、备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。从80年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件，这使得可以获取更短的开发周期，更低的开发资金和更高的开发效率，“嵌入式系统”真正出现了。90年代以后，随着对实时性要求的提高，软件规模不断上升，实时核逐渐发展为实时多任务操作系统（RTOS），并作为一种软件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。4.6 嵌入式系统的构架 标准的嵌入式系统架构有两大体系，目前占主要地位的是所谓RISC处理器。RISC体系的阵营非常广泛，ARM、MIPS、PowerPC、ARC、Ten

23、silica等等，都是属于RISC处理器的范畴。不过这些处理器虽然同样是属于RISC体系，但是在指令集设计与处理单元的结构上都各有不同，因此彼此完全不能兼容，在特定平台上所开发的软件无法直接为另一硬件平台所用，必须经过重新编译。其次是CISC处理器体系，我们所熟知的Intel的x86处理器就属于CISC体系，CISC体系其实是非常低效率的体系，其指令集结构上背负了太多包袱，贪大求全，导致芯片结构的复杂度极大提升。过去被应用在嵌入式系统的x86处理器，多为旧世代的产品，比如说，工业计算机中仍可常见数年前早已退出个人计算机市场的Pentium3处理器。由于此代的产品效能与功耗比可以说是过去x86体

24、系的甜蜜点，加上已经被市场长久验证，稳定性高，故常被应用于效能需求不高但稳定性要求高的应用中，如工控设备等产品。4.7 嵌入式处理器、嵌入式系统分类和主流Bootloader介绍目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种，流行体系结构包括MCU，MPU等30多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体制造商都大规模生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领域的一大趋势，其中从单片机、DSP到FPGA有着各式各样的品种，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从64kB到16MB，处理速度最快可以达到2000 MIPS，封

25、装从8个引脚到144个引脚不等。根据不同的分类标准嵌入式系统有不同的分类方法，这里根据嵌入式系统的复杂程度，可以将嵌入式系统分为以下四类：。单个微处理器。不带计时功能的微处理器装置。带计时功能的组件。在制造或过程控制中使用的计算机系统。主流Bootloader有U-boot，PPCboot，ARMboot，Blob，Redboot。4.8 嵌入式系统的开发方法4.8.1 嵌入式系统的设计准则嵌入式系统设计不同于桌面系统,它非常受制于功能和具体的应用环境。所以嵌入式系统的设计具有一些特殊的要求。嵌入式系统的设计要求:并发处理,及时响应接口方便,操作容易稳定可靠,维护简便功耗管理,降低成本，功能实

26、用,便于升级。4.8.2 嵌入式系统的设计流程 嵌入式系统开发的最大特点就是需要软硬件综合开发。其原因在于:一方面,任何一个嵌入式产品都是软件和硬件的结合体;另一方面,一旦嵌入式产品研发完成,软件就固化在硬件环境中,嵌入式软件是针对相应的嵌入式硬件开发的,是专用的。嵌入式系统的这一特点决定了嵌入式应用开发方法不同于传统的软件工程方法。4.8.3 嵌入式系统的开发方法设计过程的明确目标是建造一个有用的产品，包括产品功能、产品性能、制造成本、功耗特性、上市时间。嵌入式产品设计需要一个小组的技术人员协作完成，设计过程会受内外因素的影响而变化。4.8.4 嵌入式系统的开发模式嵌入式系统的软件使用交叉开

27、发平台进行开发，系统软件和应用软件在主机开发平台上开发，系统软件和应用软件在嵌入式硬件平台上运行。宿主机（Host）是用来开发嵌入式软件的系统。目标机（Target）是被开发的目的嵌入式系统。交叉编译器（Cross-compiler）是进行交叉平台开发的主要软件工具。它是运行在一种处理器体系结构上，但是可以生成在另一种不同的处理器体系结构上运行的目标代码的编译器。4.8.5嵌入式系统的测试测试目的:找到软硬件设计中的错误，减少风险，节约成本，提高性能。测试包括功能调试(黑盒测试)和覆盖测试（白盒测试），其中功能测试含有压力测试,边界测试,异常测试，错误测试,随机测试,性能测试。覆盖测试含有语句测试,判定和分支