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  • 基于PCI總線的嵌入式實時DSP圖像采集系統

    時間:2024-10-18 11:50:07 理工畢業論文 我要投稿
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    基于PCI總線的嵌入式實時DSP圖像采集系統

    摘要:以交通十字路口實時DSP圖像采集系統為例,說明了基于PCI總線的DSP圖像采集系統的優點,并詳細闡明了系統的硬件結構和基于VxWorks操作平臺的軟件實現,最后介紹了系統實現的效果。

    本文從實時性和大容量兩方面介紹了在通用計算機上加入DSP加速卡實現的圖像采集系統。利用DSP芯片的高速處理特性完成大部分的圖像處理工作,上位機只完成輔助操作和存儲系統。這種方法發揮了DSP的高速性能又具有相當大的靈活性,而且開發工具比較完善。

    實時性要求足夠的傳輸速度,PCI總線速度最高可達528MB/s(66MHz、64位)。這是其他總線無法比擬的速度,如ISA總線速度只有5MB/s。另外,系統中DSP的可擴展存儲空間高達1GB。這完全可以滿足一般圖像處理系統的需要。

    1 基于PCI總線的DSP圖像采集系統

    本系統主要用于路口違章車輛抓拍,包括闖紅燈抓拍、超速行駛抓拍等。通過攝像頭對車流進行監測,當有車輛在紅燈期間越過停止線或在限速地段超速行駛,系統拍下車輛的行為并把數據傳送到DSP進行處理,然后經PCI總線把處理后的數據上傳到上位機。當然這套系統也可用于其他的監控系統,如樓宇監控等,其硬件系統基本一致,只是軟件功能有所區別。

    本系統采用TI公司C6000系列DSP中的TMS320C6211作為系統的CPU。圖像數據通過攝像機采集并輸出模擬圖像信號。這些信號經視頻解碼芯片轉換為數字信號;再經FIFO輸入DSP進行圖像的增強、分割、特征提取和數據壓縮等;然后輸出信號經PCI解碼芯片轉換為符合PCI總線規范的標準信號,通過PCI總線接口傳到上位機。系統的控制邏輯由EPLD(Erasable Programmable Logic Device)控制器實現。系統結構圖如圖1。

    (1)視頻解碼芯片

    系統中采集的圖像信號采用Philips公司的SAA7111A完成A/D轉換。SAA7111A允許四路模擬視頻輸入,具有兩個模擬處理通道,支持四路CVBS模擬信號或二路Y/C模擬信號或二路CVBS信號和一路Y/C信號。SAA7111A對攝像頭輸入的標準PAL格式的模擬圖像信號進行A/D轉換,然后輸出符合CCIR601格式的4:2:2的16位YUV數據到FIFO。其中亮度信號Y為8位、色度信號Cr和Cb合為8位數據。FIFO采用IDT公司的IDT72V215LB芯片,FIFO的深度為512×18bit,支持STANDARD(標準)和FWFT(First Word Fall-Through,首字直接通過)兩種工作模式。按照CCIR601格式,YUV圖像分辨率為720×576象素,當按行輸出時,SAA7111A輸出數據流大小為:720×16=1440bit。因為DSP通過32位的SBSRAM接口與FIFO通信,故YUV數據寫入FIFO時需要在FIFO之間實現乒乓切換。這時一行720×16bit的數據在兩片FIFO中存儲變為360×32bit。兩片FIFO可以滿足上述要求。FIFO的初始化及時序由EPLD實現。

    (2)DSP圖像處理模塊

    TMS320C6211是TI公司發布的面向視頻處理領域的新款高速數字處理芯片,適用于移動通信基站、圖像監控、雷達系統等對速度要求高和高度智能化的應用領域。存儲空間分兩部分:運行過程的臨時數據存在Winbond公司的兩片128Mbit的W981216BH中;系統程序則固化在FLASH存儲器中,該存儲器選用AMD公司生產的8Mbit的AM29LV800B。Flash存儲器具有在線重寫入功能。這對系統啟動程序的修改和升級都帶來了很大的方便。DSP處理模塊結構如圖2所示。圖2中的HPI(Host Port Interface)為主機口;EMIF(External Memory Interface)為外部存儲器接口,兼容同步/異步傳輸方式。

    TMS320C6211 DSP的高速性能主要體現在以下方面:①TMS320C6211的存儲空間最大可擴展到1GB,完全可以滿足各種圖像處理系統所需的內存空間,而且其最高時鐘可達200MHz,峰值性能可達1600MIPS(百萬條指令/秒)、2400MOPS(百萬次操作/秒)。②并行處理結構。TMS320C6211芯片內有8個并行處理單元,分為相同的兩組,并行結構大大提高芯片的性能。③芯片體系采用VelociTI結構。VelociTI是一種高性能的甚長指令字(VLIW)結構,單指令字字長為32bit,8個指令組成一個指令包,總字長為256bit。即每秒鐘可以執行8條指令。VelociTI結構大大提高了DSP芯片的性能。④采用流水線操作實現高速度、高效率。TMS320C6211只有在流水線充分發揮作用的情況下,才能達到最高的峰值性能。與其他系列DSP相比,優勢在于簡化了流水線的控制以消除流水線互鎖,并增加流水線的深度來消除傳統流水線的取指、數據訪問和乘法操作上的瓶頸。

    本系統DSP主要完成從FIFO讀出數據的處理以及壓縮等。數據處理由自行編寫的算法實現,數據壓縮算法采用JPEG(Joint Photographic Expert Group)標準。當攝像頭采集速度為每秒25幀圖像時,它留給DSP處理的時間最多為每幀40ms。如果考慮系統有一定的延時以及處理后圖像的存儲時間,那么DSP處理一幅圖像時間不能超過30ms。按照C6211的處理速度,在30ms內可以處理48M(0.03×1600MIPS)條指令。DSP讀出FIFO中的行數據并存入SDRAM,一幀圖像有576行,在最后一行時會收到系統的幀中斷,這時SDRAM中的圖像數據總共有1440×576=810KB。讓C6211用36M條指令周期的時間處理810KB的數據顯然綽綽有余。粗略的計算過程如下:

    系統采用快速DCT(離散余弦變換),每8×8矩陣需要11次乘法、29次加法

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