【《嵌入式目标检测系统整体设计与硬件设计案例》3300字】

II嵌入式目标检测系统整体设计与硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u23913嵌入式目标检测系统整体设计与硬件设计案例 1275471.1系统硬件平台设计 1296901.2主控处理器 279811.3CPU外围电路设计 4309971.3.1电源管理单元 480711.3.2系统时钟单元 6316511.4采集模块设计 7299941.5HDMI输出模块设计 11108631.6网卡电路设计 137011.7小结 14本章首先针对系统的一些相关指标和功能需求，考虑到系统平台的成本、可靠性和体积等方面的因素，结合如今嵌入式平台和计算机视觉的发展状况，通过对比选择合适的嵌入式平台，并且将整体系统进行模块化分步进行设计，对系统硬件部分的芯片选型和电路连接逐一进行介绍分析。1.1系统硬件平台设计针对系统目标检测硬件处理的研究需求，本论文设计了一种基于多核异构架构ARM的嵌入式目标检测系统平台。系统原理框图如下：图2-1系统总体原理框图Figure2-1Theoverallprincipleblockdiagramofthesystem 为便于进行系统电路设计，可以根据系统的各个功能进行分部设计，可以划分为五部分：采集模块，算法处理模块，存储模块，通信模块和显示模块。图像采集模块负责采集外部视频流数据，将采集到的视频流数据接收到缓存区，之后由算法处理模块对视频流数据进行读取；算法处理模块使用RK3399处理器完成对摄像头视频流的接收，将数据缓存到外部存储模块LPDDR4，之后由处理器进行图像增强处理、运行物体识别算法、视频流编码压缩等一系列处理工作，将图像内容传输给显示模块，同时打包视频流转送给传输模块；显示模块使用HDMI接口将处理后的数据流转化为YUV视频信号，实时显示到本地的显示设备上。1.2主控处理器 片上系统(SystemOnChip，SOC)是广泛使用预定制模块而得以快速开发的集成电路。SOC包含了微处理器、存储器以及其他专用功能逻辑，可以在较短时间被设计出来，缩短产品的上市周期，同时SOC可以降低因信号在多个芯片之间交互带来的延迟而导致性能下降，提高了系统的稳定性和降低了成本。 本文设计的目标检测系统的中央处理器选用瑞芯微28纳米制程生产的基于big.LITTLE多核异构的旗舰级芯片RK3399处理器，可以采集图像和对图像进行增强和目标检测算法的处理工作。图2-2RK3399硬件图Figure2-2RK3399hardwarediagram 在图2-2所示的RK3399硬件资源图中包含了RJ45接口在本文设计的系统中用于连接网线进行图像传输、HDMI接口用于连接屏幕进行显示、SD的插槽用于插入SD卡保存文件、其他空余IO口可以对系统功能进行扩展、MIPI接口用于连接图像传感器进行视频采集，通过串口和网口对系统进行实时调试。如图2-3为RK3399的硬件资源图。图2-3RK3399硬件资源Figure2-3RK3399hardwareresources 上述图中对RK3399的软件资源进行了介绍，RK3399处理器内部集成有双核Cortex−A72+四核Cortex−A53构架，主频最高可达1.4GHz。同时内部配有Mali-T860高端GPU，集成了带宽压缩技术，利用了OpenCL、RGA等硬件加速模块，以降低CPU负载，可搭载AI专用芯片RK1808提升运算效率，支持TensorFlow/TFLite/Caffe/ONNX/Darknet等模型，可达3.0TOPs。支持4K10bitsH265/H264视频解码，帧率最高可达60fps。1.3CPU外围电路设计1.3.1电源管理单元 RK3399核心处理器和其他模块分别需要外部提供1V、1.5V、3.3V、5V五种电压标准，为了满足目标检测系统的实际功耗，系统的电源管理单元采用12V外部电源输入和设计电压转换电路作为整个系统的供电方案。系统采用MP2316和MP2326转压芯片为CPU供电，另外使用MP1495和MP2326电压转换芯片，分别用于提供多种支路电压和LPDDR4SDRAM芯片所需的3.3V稳压输入，如图2-4到图2-6所示。图2-4电源输入Figure2-4PowerInput图2-512V转5V分支Figure2-512Vto5V图2-612V转3.3V分支Figure2-612Vto3.3V MP2326电压转换芯片可以通过引脚配置产生不同幅值的电压，而MP1495电压转换芯片的外围电路可以根据数据手册的计算公式选择合适阻值的电阻得到标准电压供其他模块使用，同时在电路中加入滤波电容减轻电源带来的噪声，芯片端的纹波噪声最好控制在±40mV以下[19]，确保供电电压稳定。1.3.2系统时钟单元时钟单元模块可以对芯片时钟输入和时钟控制进行统一管理，包括时钟输入控制、时钟分频和生成各模块所需的工作时钟。系统会通过锁相环电路可以产生多个时钟源以满足不同模块的需要。RK3399通过锁相环电路根据分频倍数提供不同的时钟源，以供其他功能模块使用，本系统使用的时钟资源如下表2-1所示。表2-1时钟元件分布Table2-1Clockcomponentdistribution时钟描述用途24Mhz片上主要晶振源提供CPU时钟37.4Mhz片外附属晶振串口通信、视频采集26Mhz片内输出时钟WIFI时钟125Mhz千兆网卡外部时钟EMACRGMII31.768kHz片内输出时钟RTC,GPIO,eMMC 由于ARM采用管脚XIN输入的24M晶振时钟作为输入时钟，而RK3399最高工作频率可达1.4GHz。因此，ARM提供了时钟锁相环电路(PLL)来进行分频和倍频操作，本系统的ARM处理器内部具有8个PLL（锁相环），可以对时钟进行不同倍数的分频和倍频，为其他模块提供时钟，所以在ARM的时钟输入端接入了两个分别为50M和24M的有源晶振供锁相环电路使用。其内部锁相环原理框图如图2-7所示：图2-7RK3399内部锁相电路框图Figure2-7RK3399internalphaselockcircuitblockdiagram1.4采集模块设计图像采集部分采用CAM1320模组作为视频图像的采集的主体。CAM1320模组是采用基于OmniVision公司研发的一款高性能PureCel1300万像素CameraChip传感器OV13850，通过MIPI-CSI接口与ARM主板连接，最高支持1320万像素（4224x3136），可以支持同类最佳的高光和微光性能和多种图像控制功能，同时OV13850还包括改进的全井容量(FWC)和行业领先的高光和微光性能的灵敏度。与上一代传感器相比，它的功耗降低了40%，使OV13850非常适合功能丰富的移动设备。最高支持13.2MP，30fps高清流畅录像，实现零快门延迟[21]。此外，该图像传感器最高支持60帧/秒的高帧率1080p高清视频，具有EIS，可实现高质量视频，可以达到设计的目标检测系统的要求。如图2-8为OV13850传感器的功能框图。图2-8CAM1320功能框图Figure2-8CAM1320functionalblockdiagram 当CPU发出采集命令时，图像采集模块开始采集视频图像。采集过程中，传感器会将采集到的模拟信号经过自带的处理模块进行自动增益等处理，之后模拟信号会由入A/D转换模块转换为数字信号，便于嵌入式平台进行处理，并由传感器自带的FIFO对高速数据进行缓存，之后由处理器将FIFO中的数据读取到DDR中进行后续的增强和目标检测处理。OV13850图像传感器采用标准的SerialCameraControlBus（SCCB）协议，SCCB协议与I2C协议极其相似，由时钟信号线SIOC和传输信号线SIOD组成，与I2C总线不同的是SCCB一次传输9位数据，前8位为有用数据，第9位为无效位。其OV13850传感器的RGB输出时序和帧输出时序如图2-9和图2-10所示：图2-9CAM1320RGB输出时序Figure2-9CAM1320RGBoutputtiming图2-10CAM1320帧时序Figure2-10CAM1320frametiming 由图2-9可知，CAM1320的图像数据通过D[9:2]输出一个字节，前两个byte组成16位的RGB565数据。在时序图中，HREF是高电平时，开始传输数据，一个PCLK传输一个字节，当传输完最后一个字节时HREF变为低电平。由图2-10可以看出，一个HREF周期由640tp高电平和144tp低电平组成。一个tPCLK传输一个字节。而480个HREF周期构成一帧，在8tLINE时间后VSYNC会产生一个上升沿表示一帧图像传输结束。1.5HDMI输出模块设计 RK3399芯片同时支持视频输出的功能，本系统采用HDMI接口芯片Sil9022，可以将被CPU压缩编码后的视频数据流转换为适合传输的TTL电平，可以通过HDMI接口和HDMI线将处理后的视频流输出到显示屏上。HDMI接口芯片Sil9022的功能框图如2-11所示。图2-11Sil9022功能框图Figure2-11FunctionalBlockDiagramforSil9022 从图2-11可以看出，芯片的功能引脚主要分为数据传输和功能设置，数据传输是处理器将并行的数字图像数据信号发送到Sil9022，功能设置是处理器通过控制器对功能寄存器进行访问配置。通过对功能寄存器进行配置并构建函数，实现对Sil9022的初始化和控制。HDMI输出模块的部分原理图如2-12所示。图2-12HDMI输出模块原理图Figure2-12SchematicdiagramofHDMIoutputmodule1.6网卡电路设计 RK3399的网络通信接口支持PHY设备（端口物理层），通过PHY将传输数据通过网络传输到目标设备。PHY芯片上具有EMAC和MDIO两部分引脚，EMAC包括数据传输MII/GMII接口，主要进行处理器和PHY芯片之间的数据交互[24]；MDIO负责对PHY芯片进行功能配置以及读取接口的状态。如今PHY芯片支持同一标准的控制接口，因此一般无需对芯片做出过多的设置，并且不同的PHY芯片还定义有特殊功能寄存器，一般可以提高性能或特殊控制。目前常见的一种外接PHY芯片信号连接图如下。图2-13RK3399RGMII模式下的信号连接图Figure2-13RK3399signalconnectiondiagraminRGMIImode本系统选择RTL8211EG网卡作为RK3399的PHY芯片，RTL8211EG是一个支持10 M/100M/1000M的网卡芯片，同时提供简化型的网络接口（RGMII）。RGMII是GMII（GigabitMediaIndependentInterface）的简化型，兼容100/1000Mbps工作方式，通过4个IO引脚进行数据传输，可以在上升沿和下降沿同时进行传输数据，理论上最高传输速率为1000Mbps。RTL8211EG网卡原理图2-14所示。如果在RGMII模式下仅使用4根传输线进行传输，RGMII在设计时要遵守以下准则以保证传输正确：（1）MDIO需要接1.5kΩ的上拉电阻；MDCK信号在源端串联22Ω的电阻以优化信号质量。（2）TXD0～TXD3、TXEN、TXCK信号在RK3399端需串联22Ω电阻。（3）EPHY_CLK信号在RK3399端要串联22Ω电阻。同时在网口PHY芯片预留外部钟振或晶体。（4）RXD0～RXD3、RXC