基于DSP的圖象采集與處理系統的設計

圖像處理系統的一個關鍵問題就是數據量龐大，數據處理相關性高，實時實現比較困難。即使采用高速單片機也無法滿足實時處理的需求，而DSP芯片則具有速度快，信號處理功能強大，實時性好等特點，因此，將DSP用于圖像處理可使這一難題得到較好的解決。

　　1 系統構成

　　本系統采用基于CameraLink接口的圖像輸出相機。DSP采用TI的TMS320C6711，這是一種高性能DSP處理器，其工作頻率為150 MHz，最大處理能力高達900MFLOps，該DSP既可滿足高速處理要求，又可滿足高精度運算時的浮點要求。

　　本圖像處理系統主要包括圖像采集模塊(由MDR26連接器DS90CR288A和IDT72V283組成)、圖像處理模塊(由DSP器件TMS320C6711、SDRAM圖像存儲器和FLASH程序存儲器等組成)以及圖像輸出系統(USB和FPGA)等。該系統的構成原理框圖如圖1所示。其基本工作過程是將高速CCD相機采集到的圖像數據通過電纜接入MDR26連接器，然后再接入LVDS線路接收器DS90CR288A以將其恢復成并行TTL信號，同時分離出8位圖像數據和3個控制信號。而同步FIFO作為數據緩存則不會造成數據的丟失。當其數據達到半滿時，HF有效，此時可觸發DSP中斷以通知DSP將FIFO中的數據取走，并開始進行數據處理。DSP與USB的數據傳遞建立在消息和中斷信號基礎上，當DSP或USB任何一方有數據發送時，發送方先將數據和消息送到FPGA，然后用I／O腳觸發中斷至接收方，接收方接到中斷后再到FPGA中讀取消息，然后根據消息的內容讀取數據。

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　　本系統設計充分利用了TMS320C6711中EDMA的優勢，并用EDMA來進行整個系統的數據傳輸。由于EDMA可以進行背景操作，因而其整個采樣和輸出過程基本不影響操作。同時，也利用了TMS320C6711的二級緩存結構，再加上系統外圍采用高速的數據存儲器芯片，因而大大提高了整個系統的處理速度。

　　2 圖像采集與處理

　　2.1 Camera Link技術

　　Camera Link技術的核心是美國NS(NationalSemiconductor)提出的一種高速數據傳輸方法—Channel Link傳輸方法技術，該技術主要用于數字圖像數據的高速傳輸。該技術采用LVDS信號模式，但比先前的RS644傳輸方法具有明顯的優點。LVDS(Low Voltage Differential Signaling)是最近發展起來的一種利用低電壓差分信號模式的傳輸技術。LVDS信號是以+1.2 V為基準的300 mV差分形式，其低電壓擺幅差分模式具有高速傳輸數據時交叉干擾小，EMI干擾小等特點。ChannelLink采用LVDS方式傳輸數據，它將28位數據轉換成串行方式在4對線路上進行傳輸，然后再用另外一對線路傳輸時鐘信號，其最高傳輸率可達2.38 Gb／s。傳輸距離可達10 m。NS的LVDS發送器DS90CR287可用于完成并行TTL／CMOS信號到LVDS信號的轉換，LVDS線路接收器DS90CR288則用來將LVDS信號還原成并行TTL／CMOS信號。

　　2.2 TMS320C6711 DSK簡介

　　本系統采用美國TI公司的TMS320C6711DSK(DSP Starter Kit)開發工具。這是由TI公司提供的一套獨立的C6000開發實驗平臺，這種開發工具集成了一些基本的應用電路，它既可以幫助用戶評估和開發C6000系列DSP的功能，也可以作為DSP初學者的學習工具。它的硬件由6711 DSP構成，主頻為150 MHz，憑借其二級高速緩存及VLIW (very long instruction word)架構，每秒可執行900萬次浮點運算(MFLOPS)。DSK可以提供雙時鐘，通過設定可使CPU工作在150 MHz，而使擴展存儲器接口(EMIF)工作在100 MHz。 DSK上設計有16 M字節／100 MHz的SDRAM和128 K字節的ROM。SDRAM由TMS320C6711為其產生所需的控制信號和刷新信號。最大刷新周期可達15.625 ms。HPI接口可通過并口連接所有的DSP存儲空間，并有子卡接口所需的存儲器和外圍連接接口及嵌入式JTAG仿真功能。

　　2.3 圖像采集與處理接口設計

　　根據CameraLink標準，CCD輸出圖像數據經Camera link后，可由LVDS線路接收器DS90CR288將其恢復成并行的TTL／CMOS信號，并分離出8位圖像數據和3個控制信號(LVAL，DVAL，STROBE)接人同步FIFO(IDT72V283)，再通過DSP的外部存儲器接口(EMIF)接入TMS320C6711DSK開發板進行圖像數據處理。其具體的圖像采集電路原理圖如圖2所示。

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　　3 圖像輸出系統

　　3.1 USB芯片AN2131QC

　　USB芯片選用CYPRESS半導體公司的EZUSB(AN2131QC)芯片，AN2131 QC具有一個USB接口、8位數據線和16位地址線，以及3個8位I／O端口，其片內帶有增強型8051核，該8051核與傳統8051的區別在于其速度較快。傳統的8051標準指令周期是12個CLOCK，而在這里只需要4個CLOCK，因而大大提高了指令執行的時間。由于其帶有增強8051核，故可以將固件儲存在主機上，每次上電時，再將固件調用到芯片的RAM存儲器單元，這樣可使固件升級非常容易。另外，CYPRESS公司還提供了一個不需要修改就可以使用的驅動程序ezusb.Sys，這個驅動程序允許任何傳輸類型與EZ-USB芯片構建的系統進行通信。CPU的時鐘頻率為24 MHz，使用RAM作為程序存貯器，其8051程序代碼及設備描述表可以每次從主機中下載。

　　3.2 圖像輸出接口設計

　　TMS320C6711與AN2131QC采用并口方式進行通訊。DSP為32位處理器，其并行接口數據線為32根，而AN213 I QC的并行口為8位，若將DSP32根數據線中的8根數據線直接與USB并口相連，則DSP傳送一個32位數據需進行4次操作，這顯然會影響系統的效率。因此，可采用8位／32位數據線轉換和數據緩沖設備來將兩者相連。考慮到性能價格等因素，本設計采用FPGA作為兩者之間的緩沖設備，實現從DSP到USB數據傳輸緩沖以及32位數據線轉8位數據線功能。FPGA采用X ilinx公司SpartanIIE系列的XC2SSOE芯片作為轉換器。其圖像傳輸電路原理圖如圖3所示。

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4 系統軟件設計

　　4.1 DSP的軟件開發

　　TMS320C6000軟件開發的一切過程都可在CCS集成環境下進行，包括項目的建立、源代碼的編輯以及程序的編譯和調試。圖4所示是TMS320C6000的軟件開發流程圖。其中黑體部分是開發C代碼的常規流程，其它功能可用于輔助和加速軟件開發過程。

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　　該CCS能對用戶開發的源代碼進行優化。目的是縮短代碼長度并提高代碼執行效率。其中，C優化器對C源代碼進行優化，所進行的優化包括針對C代碼的一般優化和針對C6000的優化，如重新安排語句和表達式、把變量分配給寄存器、打開循環和模塊級優化(把若干個文件組成1個模塊進行優化)等。C優化器完成的最重要的優化處理是軟件流水(software pipeline)。軟件流水是專門針對循環代碼的一種優化技術，利用軟件流水可以生成非常緊湊的循環代碼，這也是C6000的C編譯器能夠達到較高編譯效率的主要原因。

　　匯編優化器是C6000代碼產生工具內極具特色的一部分。它在DSP業界首創了對線性匯編代碼自動進行優化的技術。線性匯編語言是為簡化C6000匯編語言程序的開發而設計的，它不是獨立的編程語言。它可用用戶編寫的線性匯編代碼作為輸入，同時產生一個標準匯編代碼作為輸出。與C6000的標準匯編語言相比，采用線性匯編不需要考慮并行指令安排、指令延遲和寄存器，而由匯編優化器自動完成，其所產生的代碼效率可以達到人工編寫代碼效率的95％-100％，同時還可以降低編程工作量，縮短開發周期。

　　C6000程序的調試和仿真有兩種模式：軟件仿真和硬件仿真。軟件仿真時，其程序的執行完全靠主機上的仿真軟件模擬，程序單步或者運行的結果都是仿真軟件“計算”出來的。而硬件仿真需要目標板。仿真程序利用開發系統將代碼下載到DSP，程序是在芯片上直接運行的。仿真軟件只是把運行結果讀出來顯示。軟件仿真無需目標板就可以開始軟件編程，但仿真速度較慢，而且無法仿真某些外設的功能。硬件仿真的優點是仿真速度快，仿真結果與實際結果一致。

　　4.2 系統的上電引導

　　C6711的引導裝載方式有三種：一是無引導，二是ROM／FLASH引導，三是主機引導。本設計采用FLASH引導。根據DSK開發板上EMIF與FIASH硬件電路連接設計的引導程序如圖5所示。

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　　(1)FLASH存儲器的擦除

　　擦除FLASH存儲器的關鍵源代碼如下：

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　　至此FLASH內部地址已經映射到C6711的CE1空間，其開始地址為　　0X90000000H，因此其FLASH_ADR1，FLSH_ADR2的定義如下：

　　#define FLASH_ADR1 0X90000555

　　#define FLASH_ADR2 0X900002AA

　　(2)匯編源代碼文件

　　本引導代碼的主要功能是將用戶程序段從FLASH復制到DSP內部RAM中。然后再跳轉到程序的入口處開始執行主程序。這里采用的是EDMA快速實現DSP存儲空間數據搬移的方式?；贓DMA傳輸參數的設置方法如表1所列。其核心引導程序如下：

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　　啟動EDMA復制主程序段：CPU可以通過寫事件置位寄存器(ESR)啟動一個EDMA通道，ESR中某一位寫1時，將強行觸發對應的事件。程序如下：

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　　(3)鏈接命令文件

　　系統中的鏈接命令文件(boot.cmd)如下：

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　　VEC,PMEM代表內部RAM的兩個存儲空間，而CEVEC,CEPMEM代表FLASH內的兩塊存儲空間，對目標文件中各段的加載地址和運行地址可在SECTIONS段實現：

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　　引導裝載是設計DSP系統所必需的過程。本設計采用EDMA方式來實現程序的快速搬移，故可在自制的PCB板上正確地實現脫機運行。

　　(4)對DSP寄存器的設置

　　只有對相應的寄存器實現EMIF初始化，DSP才能訪問外部存儲器的數據，其源代碼如下：

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　　5 結束語

　　本文介紹了為了在線線圈直徑的測量而開發線陣CCD圖像采集和處理設備的具體方法，該系統利用TI公司的高性能浮點DSP-TMS320C6711實現了對dalsa公司的Piranha2 P2—2x Camera輸出數據的采集與處理。給出了一種通用的實時圖像處理系統，并詳細討論了系統的具體結構。在該系統中運行一些基本的圖像處理(銳化，平滑，邊緣檢測)和壓縮算法(JPEG，H.263)，都能達到實時處理的目的。但在實際應用中，由于要求進行連續采集與處理，最好能采用多個DSP并行工作方式。若物體的運動速度更快或圖像處理更復雜時，還應采用性能更強的DSP(如TI的64X系列DSP或采用多個DSP并行處理)。另外，在DSP與USB通訊設計中引人FPGA可使系統的設計更加靈活，同時也可為系統以后的擴展提供方便。