基于DSP的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、第7卷第15期2007年8月167121819(20071523943204科學(xué)技術(shù)與工程Science Technol ogy and EngineeringVol .7No .15Aug .20072007Sci .Tech .Engng . 基于DSP 的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)王肅偉楊學(xué)友李雁斌葉聲華(天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072摘要構(gòu)建了一種基于DSP 的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng),介紹了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)方案,著重講述了T MS320F2812型DSP 在數(shù)據(jù)處理中的作用,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了F I R 濾波器和FFT 算法。該系統(tǒng)通用性好,可靠性高,實(shí)時(shí)性強(qiáng),可以實(shí)現(xiàn)

2、快速的測(cè)量和傳輸。關(guān)鍵詞C MOS 圖像傳感器DSP F I R FFT 中圖法分類號(hào)TP31714;文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 2007年4月9日收到 第一作者簡介:王肅偉(1984,男,河南開封人,天津大學(xué)測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器碩士研究生。研究方向:測(cè)試技術(shù)與圖像處理。Email:suwei w ang80yahoo 。T MS320F2812型DSP 是美國TI 公司推出的、最佳測(cè)控應(yīng)用的定點(diǎn)DSP,也是目前市場(chǎng)上最先進(jìn)、功能最強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP 芯片。既具有數(shù)字信號(hào)處理能力,又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制能力。它采用高性能的靜態(tài)C MOS 技術(shù),時(shí)鐘頻率可達(dá)150MHz,具有高性能的32位中央

3、處理器,能在一個(gè)周期內(nèi)完成16x16、32x32的乘法和累加運(yùn)算。支持32位單位周期指令,其數(shù)據(jù)地址為32位,程序地址為22位,具有高速的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器,可以訪問4G 字(16位的數(shù)據(jù)空間和4M 字的程序空間。該型號(hào)DSP 芯片在電源功率控制、電機(jī)工程、制冷系統(tǒng)、可調(diào)激光器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛1。本文提出一種以上述T MS320F2812型DSP 為核心,集成了C MOS 圖像傳感器和FPG A 的數(shù)據(jù)采集和處理平臺(tái),充分利用了C MOS 圖像傳感器體積小、穩(wěn)定性好、FPG A 集成度高、可編程實(shí)現(xiàn)以及DSP 強(qiáng)大的控制能力和高速圖像處理能力等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快速提取圖像數(shù)據(jù)和高速圖

4、像處理,為后續(xù)的算法處理和傳輸提供了有力保障。1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1.1總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要由C MOS 圖像傳感器、DSP 、FPG A 、工業(yè)以太網(wǎng)以及主控計(jì)算機(jī)組成,主要包括圖像采集、數(shù)據(jù)處理及圖像傳輸三個(gè)功能單元,可以實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)傳輸給主控計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)原理框圖1.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)選用Omni V isi on 公司的OV9650型C MOS 圖像傳感器、Xilinx 公司的Spartan3系列的FPG A 以及TI 公司的T MS320F2812型DSP 作為主要元件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。OV9650內(nèi)部集成了A /D 及DSP 芯片,可以

5、提供高速而穩(wěn)定的數(shù)字輸出,保障了采集端的速度。OV9650的工作模式和參數(shù)等寄存器需要SCCB (Se 2rial Ca mera Contr ol BUS 總線配置,由于SCCB 總線相當(dāng)于I 2C 總線,所以可在FPG A 內(nèi)編程實(shí)現(xiàn)I 2C 邏輯,使DSP 可通過該模擬I 2C 口對(duì)C MOS 傳感器進(jìn)行配置2。系統(tǒng)上電后,DSP 配置OV9650工作在自動(dòng)增益、自動(dòng)曝光工作模式,OV9650輸出圖像信號(hào)D0D9以及VSY NC (場(chǎng)同步信號(hào)、HREF (行場(chǎng)參考信號(hào)、P LCK (像素同步信號(hào)等信號(hào)3。FPG A 為OV9650提供24MHz 的工作時(shí)鐘CLK,并根據(jù)其輸出的同步信號(hào)控

6、制C MOS 圖像傳感器的數(shù)據(jù)采集,最終將數(shù)據(jù)讀入FPG A 的內(nèi)部的BLOCK RAM 中。一幀圖像存儲(chǔ)完畢時(shí),FPG A 使OV9650暫停工作,并向DSP 發(fā)出中斷信號(hào)I N T1,隨后DSP 讀取FPG A 內(nèi)部RAM 中的數(shù)據(jù),并進(jìn)行圖像處理。數(shù)據(jù)處理后的圖像數(shù)據(jù)可以在DSP 的控制下實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的高速傳輸。T MS320F2812型DSP 是本系統(tǒng)的核心元件,其正常工作需要3.3V 和1.8V 兩種電平,選用TI 公司的TPS767D318進(jìn)行雙電源的供電。DSP 主要完成三項(xiàng)任務(wù):配置圖像傳感器、圖像處理和數(shù)據(jù)傳輸,與其他部件的硬件連接如圖2所示 。圖2系統(tǒng)硬件連接框圖DSP 通過

7、地址總線A0A18、數(shù)據(jù)總線D0D15以及讀寫使能信號(hào)W /R 完成對(duì)C MOS 圖像傳感器的設(shè)置和FPG A 內(nèi)部存儲(chǔ)單元的訪問,通過普通I/O 口I/O0I/O4實(shí)現(xiàn)與FPG A 的同步和通訊。D0D15和B0B15分別作為數(shù)據(jù)總線和地址總線與以太網(wǎng)芯片相連,使得DSP 可以通過FPG A 實(shí)現(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)芯片相關(guān)寄存器的訪問。兩個(gè)外部中斷信號(hào)線I N T1和I N T2分別作為FPG A 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中斷信號(hào)和以太網(wǎng)的傳輸中斷信號(hào),提示DSP 做出中斷響應(yīng)。2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.1軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電后,DSP 初始化完畢即開始通過FP 2G A 的I 2C 接口對(duì)C MOS 傳感器進(jìn)行初始化配置,隨

8、后啟動(dòng)圖像采集,FPG A 將圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢,給出中斷信號(hào)并禁止圖像采集。DSP 檢測(cè)到中斷信號(hào),從FPG A 的內(nèi)部BLOCK RAM 中讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行圖像處理,最后通過以太網(wǎng)將處理后的數(shù)據(jù)傳送給主控計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)采集一幀數(shù)據(jù)的軟件流程如圖3所示 。圖3主程序流程框圖2.2圖像處理在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),往往存在很多高頻干擾信號(hào),為了方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理,擬設(shè)計(jì)基于DSP 的F I R 濾波器濾除高頻干擾。TI 函數(shù)庫提供了Matlab 指令文件的ezfir 濾波器設(shè)計(jì)套件,我們可以在Matlab 環(huán)境下方便的調(diào)用ezfir16.m 文件,輸入相關(guān)參數(shù)即可得到相應(yīng)的濾波系數(shù)3。在此我們選取采樣頻率為45k

9、Hz,輸入轉(zhuǎn)折頻率為13kHz,階數(shù)為50,窗函數(shù)選擇Ha mm ing (漢明窗,將獲得的濾波系數(shù)儲(chǔ)存在F I R.xls,回車可得其幅頻f a 特性和相頻f p 特性,如圖4、圖5所示。4493科學(xué)技術(shù)與工程7卷 圖4 幅頻特性圖5相頻特性打開F I R.xls 文件,可得濾波系數(shù)h (0h (25:#defineF I R16_COEFF 18916,2107227,-919915,-2165187,2689013,1770122,-5637609,458924,8848309,-6226421,-10158537,15663637,6094950,-26804634,6684765,3

10、4930927,-29884572,-32768096,62193799,11272199,-99090519,42598427,133496873,-163708962,-157941775,660275232h (26h (50與h (0h (24是對(duì)稱相等的。將h (0h (50添加到fir .h 中,加載fir .as m 到DSP 上即可實(shí)現(xiàn)F I R 濾波。FFT 變換是非常流行的一種頻域分析方法,它利用蝶形因子的旋轉(zhuǎn)性和周期性的特點(diǎn),大大減少了運(yùn)算量,提高了DFT 的計(jì)算效率。DSP 在實(shí)現(xiàn)FFT 方面具有自身的優(yōu)勢(shì):一方面,針對(duì)FFT 變換中需要對(duì)原始順序進(jìn)行碼位倒序排列,DS

11、P 控制器專門設(shè)計(jì)了反序間接尋址;另一方面,FFT 變換需要進(jìn)行的蝶形運(yùn)算,需要指令系統(tǒng)能滿足查表以及短時(shí)間內(nèi)的累加相乘的需要,而DSP 的間接尋址方法可以實(shí)現(xiàn)增(減1或增(減一個(gè)變址量,并且能在一個(gè)周期內(nèi)完成乘和累加,這些都滿足了FFT 的運(yùn)算需要。FFT 變換的實(shí)現(xiàn)過程如圖5。TI 的DSP L ibrary 中提供了FFT 算法,根據(jù)不同的用途略加修改即可使用。但在應(yīng)用時(shí)需要綜合考慮:一方面,如能利用DSP 控制器反序間接尋址的特性,將能大大提高代碼的執(zhí)行效率和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性;另一方面,考慮到代碼的通用性和可移植性,最好使用易讀的C 語言。在此,FFT 核心算法采用匯編語言編寫,主程序采用

12、C 語言編寫。為防止數(shù)據(jù)溢出,蝶形運(yùn)算結(jié)果采用歸一化處理。3結(jié)論本文介紹了一種基于DSP T MS320F2812的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì),著重闡述了DSP 在該系統(tǒng)中圖像處理方面的應(yīng)用。DSP 在圖像處理方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)滿足了系統(tǒng)對(duì)于信號(hào)分析以及大數(shù)據(jù)量運(yùn)算的要求,解決了高速圖像采集和傳輸?shù)钠款i,從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量與控制,因而該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的應(yīng)用和科研價(jià)值 。圖6FFT 流程圖參考文獻(xiàn)1蘇奎峰,呂強(qiáng),耿慶峰,等.T MS320F2812原理與開發(fā).北京:電子工業(yè)出版社,2005:11182李艷華.面向儀表的嵌入式DSP 硬件平臺(tái)的研究.天津:天津大學(xué)出版社,2004:20243OV

13、9650i m age p r ocess or .Datasheet .Omni V isi on,2005:126(下轉(zhuǎn)第3949頁549315期王肅偉,等:基于DSP 的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)模型解決了初始輪廓一部分在真實(shí)輪廓內(nèi)而另一部分在外的問題,很大程度上放寬了出事輪廓的選取條件。由于要判斷蛇點(diǎn)是在真實(shí)輪廓內(nèi)外,所以該模型只適用于分割一個(gè)目標(biāo),在復(fù)雜圖像中效果不是很理想。該模型有待于改進(jìn)。參考文獻(xiàn)1Kass M ,W itkin A,Terz opoul os D.Snake:Active cont our models .I nternati onal Journal of

14、Computer V isi on,1988;1(4:3213312Cohen L D.Note on active cont our models and ball oons .G VGI P:I m 2age Understanding,1991;53(2:2112183Xu C Y,Prince J L.Snake,shapes and gradient vect or fl ow .I EEETransacti ons on I m ageing Pr ocedding,1998;7(3:3593694Am ini A A,W ey mouth T E,Jain T G .U sing

15、 dyna m ic p r ogra mm ingf or s olving variati onal p r oble m s in visi on .I EEE Transacti ons on Pat 2tern Analysis and Machine I ntelligence,1990;12(9:8558675W illiam sD J,Shah M.A fast algorithm for active cont ours and curva 2ture esti m ati on .CVGI P:I m age Understanding,1992;55(1:1426New

16、Snake M odelJ I A NG Ping(Dep t .of I nf or mati on Technol ogy,Yulin College,Yulin 719000,P .R.China AbstractThe original cont our must be on the real cont our because the snake model is sensitive t o the original cont our s l ocati on,or results are generally inaccurate .original cont our is often

17、 gained fr om i m ages relative inf or ma 2ti on when serial i m ages are seg mented .This original cont our may be far fr om the real cont our and its part is inside the real cont our whereas the other part is exteri or .Some researchs for this p r oble m and widens the conditi ons of choosing the

18、original cont our are made of .Key wordsi m age seg menti on Snake model original cont our snake point(上接第3945頁D esi gn of Da t a Acqu isiti on and Processi n g Syste m Ba sed on D SPWANG Su 2wei,Y ANG Xue 2you,L I Yan 2bin,YE Sheng 2hua(State Key Laborat ory of Precisi on Measure ment Technol ogy and I nstruments,Tianjin University,Tianjin 300072,P .R.China AbstractA data acquisiti on and p r ocessing syste m based on DSP is built,and the hard ware and s oft w are de 2sign of the whole syste m and es pecially the data p r ocessing functi on of T MS320F2812