PCI總線和DSP芯片的圖像處理平臺的硬件設(shè)計

1、PCI總線和DSP芯片的圖像處理平臺的硬件設(shè)計             摘要：介紹了基于PCI專用芯片S5933和DSP芯片TMS320C32圖像處理平臺的硬件設(shè)計。該平臺使用專用視頻輸入處理芯片SAA7113和CPLD實現(xiàn)了高速連續(xù)的視頻幀采集，滿足了后繼圖像處理的需要。該平臺既可以作為視頻圖像采集使用，也可以進行視頻壓縮、匹配等圖像處理的算法驗證，并具有使用靈活的特點。 關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理芯片 視頻采集 圖像處理隨著計算機、多媒體和數(shù)據(jù)通信技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字圖像技術(shù)近

2、年來得到了極大的重視和長足的發(fā)展，并在科學研究、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、教育、娛樂、管理和通信等方面取得了廣泛的應用。同時，人們對計算機視頻應用的要求也越來越高，從而使得高速、便捷、智能化的高性能數(shù)字圖像處理設(shè)備成為未來視頻設(shè)備的發(fā)展方向，這必然要求產(chǎn)生相適應的新理論、新方法和新算法。為了在利用這些新技術(shù)的過程中檢驗其可行性，研制了基于總線和芯片的圖像處理平臺，該圖像處理平臺是利用公司的視頻輸入處理器、公司的高速浮點和公司的 總線接口芯片搭建的。利用高速的總線和功能強大的芯片，可以進行視頻壓縮、圖像檢測、視覺定位等算法研究。 系統(tǒng)功能概述根據(jù)實際應用需要，該系統(tǒng)的主要功能有（）可以在不同輸入制式和

3、之間進行自動切換和處理。（）能利用采集到的圖像信號數(shù)據(jù)進行壓縮算法的驗證，或轉(zhuǎn)換成灰度圖像數(shù)據(jù)、格式圖像數(shù)據(jù)等進行檢測、定位等算法的檢驗。（）能將處理后的數(shù)據(jù)通過接*給上層系統(tǒng)（機）保存或進行進一步驗證處理。（）系統(tǒng)具有軟件修改、升級功能和靈活性，便于算法的改進驗證。系統(tǒng)的設(shè)計難點主要是如何實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高速傳輸。圖像數(shù)據(jù)由專用集成視頻解碼器采集，經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后傳輸?shù)?；再?jīng)處理后通過接口傳輸?shù)綑C。如何實現(xiàn)與之間和與之間的高效率數(shù)據(jù)通信是解決這個問題的關(guān)鍵。通過分析研究，在與之間采用控制的兩幀輪換方式，實現(xiàn)圖像的隔行信號變逐行信號以及采集和處理的同步進行；在與之間采用傳輸方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流在系統(tǒng)中的

4、高速傳輸，以滿足圖像處理要求。 系統(tǒng)的硬件設(shè)計整個系統(tǒng)由視頻解碼器、和總線專用芯片組成。系統(tǒng)框圖如圖所示。芯片采用，該芯片是在的基礎(chǔ)上簡化而來的，含有 核心。它增加了一些常用的功能部件，使程序引導功能、串行接口傳輸和存儲器均可支持、位的數(shù)據(jù)。它可產(chǎn)生邊沿中斷和電平中斷，可由用戶編程設(shè)定中斷向量表的地址，具有空等待和低功耗兩種電源管理方式。它具有兩個通道，功能強大的外部存儲器接口既可以滿足視頻解碼接口位數(shù)據(jù)的要求，也可以實現(xiàn)接口位數(shù)據(jù)的的高速數(shù)據(jù)傳輸。靈活的程序加載可以實現(xiàn)在系統(tǒng)編程?？偩€專用接口芯片采用，它是一種功能強且使用靈活的總線控制器專用芯片，該芯片符合局部總線規(guī)范版本，既可作為總線目標

5、設(shè)備，實現(xiàn)基本的傳送要求；也可作為總線主控設(shè)備，訪問其它總線設(shè)備。的峰值傳送速率為(位數(shù)據(jù)線)。提供了個物理總線接口：總線接口、外加總線接口（ ）；可選的存儲器接口。用戶可根據(jù)需要設(shè)計與外加總線接口相連接的邏輯電路和配置空間的初始化，而不必考慮總線規(guī)范眾多的協(xié)議，從而將復雜的總線接口關(guān)系轉(zhuǎn)化為簡單的位外加總線（ ）接口關(guān)系。芯片功能框圖如圖所示。總線與外加總線之間的數(shù)據(jù)傳輸可以通過內(nèi)部先入先出存儲器（）、郵箱寄存器（）和數(shù)據(jù)直傳通道（）三種通道進行。各通道都包括兩組寄存器以分別完成總線和總線接口雙向數(shù)據(jù)傳輸，為使用者提供較為寬松而靈活的設(shè)計空間。可編程視頻解碼芯片采用；該芯片是可編程視頻處理芯

6、片，采用工藝。通過簡單的總線可以對其實現(xiàn)編程控制；內(nèi)部包含兩路模擬處理通道，能實現(xiàn)視頻源的選擇、抗混疊（去假頻）濾波、模數(shù)變換、自動嵌位、自動增益控制、時鐘產(chǎn)生、多制式（ 、 、 、 和 ）解碼及亮度、對比度和飽和度控制。本系統(tǒng)采用軟件模擬總線的控制方式，通過的多功能口實現(xiàn)對的初始化等控制；根據(jù)輸出的同步脈沖，通過使用可編程器件，產(chǎn)生圖像幀存儲器的地址信號、讀寫信號以及幀切換等控制信號，實現(xiàn)和之間的高速數(shù)據(jù)通訊。 與之間的無縫連接輸出的是隔行視頻信號，一幀圖像需要傳送兩次，分別記為奇場圖像和偶場圖像；視頻處理的對象是逐行排列的圖像信號，因此必須等待一幀圖像（連續(xù)的奇、偶兩場信號）采集完后，合成

7、到一個圖像幀中才能進行后續(xù)處理。利用的同步信號，使用可編程邏輯器件構(gòu)建控制器，可將圖像數(shù)據(jù)寫入幀存儲器，解決圖像幀合成問題。為了向前端處理器（）提供連續(xù)的圖像信號，采用兩個圖像幀存儲器和交替存儲的方式，來暫存采集到的圖像數(shù)據(jù)和需要處理的圖像數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)圖像的實時連續(xù)采集處理。            與之間的硬件接口如圖所示，整個接口的控制邏輯，包括兩個子模塊：幀圖像寫入控制器和乒乓開關(guān)，由一塊來完成。芯片采用公司的。兩組幀存儲器和采用公司生產(chǎn)的兩塊芯片，容量為×，存取時間不超過，能滿足

8、圖像實時采集要求。由數(shù)字視頻輸出口?眼：，輸出視頻數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)置的輸出數(shù)據(jù)為標準的 ?押?押 格式，每一個象素的數(shù)據(jù)由兩個連續(xù)的字節(jié)表示。為了方便地存儲處理圖像，系統(tǒng)僅取一幀圖像中間的×個象素作為一幀，即所取圖像幀為連續(xù)奇偶兩場圖像的中央行，且每行取中間的個象素的圖像塊。利用的同步信號，幀圖像寫入控制器模塊產(chǎn)生幀存儲器的地址信號、寫信號以及幀切換信號之一（）。輸出的同步信號包括、。是行鎖定系統(tǒng)時鐘輸出，為象素時鐘頻率的兩倍，即，用來同步數(shù)據(jù)采集，使得一個周期輸出一個字節(jié)的圖像數(shù)據(jù)。在圖像數(shù)據(jù)有效時，其上升沿反相后作為幀存儲器的信號。、的功能是通過編程設(shè)置功能寄存器確定的。被設(shè)置為水平

9、輸出參考信號（行有效信號），高電平時表示采集一行有效象素，低電平時表示場消隱信號?熏在上升沿后，幀圖像寫入控制器控制采集一行中間的個象素數(shù)據(jù)，將其余的象素數(shù)據(jù)丟棄。被設(shè)置為垂直輸出參考信號和奇偶場信號，高電平時表示采集奇場圖像所需要的有效數(shù)據(jù)，在上升沿時，開始采集奇場圖像數(shù)據(jù)，同時它也被用來作為幀圖像開始的信號；低電平時表示采集偶場中所需要的圖像數(shù)據(jù)，在下降沿時，開始采集偶場圖像數(shù)據(jù)。在上升沿時，幀圖像寫入控制器控制采集行象素數(shù)據(jù)作為奇場圖像；在下降沿時，順次采集下面的行象素數(shù)據(jù)作為偶場圖像，其余的圖像行數(shù)據(jù)丟棄。使用×的靜態(tài)存儲器（），恰好可以存放一幀××

10、15;的圖像。在合成一幀圖像時，對應的奇場圖像的第個象素和偶場圖像的第個象素在存儲器內(nèi)位置相差××，幀圖像寫入控制器通過把（奇偶場有效）信號作為寫入圖像數(shù)據(jù)的幀存儲器地址信號中的，把場中有效行的計數(shù)輸出信號作為幀存儲器地址信號中的:,把行中有效象素的計數(shù)輸出信號作為幀存儲器地址信號中的:,從而實現(xiàn)隔行信號變逐行信號存儲在一圖像幀存儲器中。圖為圖像采集同步信號時序圖。當采集完一幀圖像數(shù)據(jù)時，幀圖像寫入控制器產(chǎn)生信號，通知乒乓開關(guān)。在內(nèi)部構(gòu)造一個乒乓開關(guān)控制模塊，自動完成幀間讀寫兩個通道接口的切換。其中幀圖像寫入控制器產(chǎn)生的寫圖像幀的地址信號:、寫控制信號和的:組成了圖像幀寫通

11、道的始端接口；讀圖像幀的地址線信號:、讀控制信號和數(shù)據(jù)線的低位信號:組成了圖像幀讀通道的終端接口；、()作為幀切換就緒信號觸發(fā)通道的切換。開始采集圖像數(shù)據(jù)時，幀切換就緒信號、同時為假，圖像幀寫通道的始端接口信號與圖像幀的接口信號、:和:連接；的當前幀圖像數(shù)據(jù)寫入幀存儲器；同時，圖像幀讀通道的終端接口與圖像幀的接口信號連接，從幀中取出前一幀圖像數(shù)據(jù)進行處理；當前幀的圖像數(shù)據(jù)采集完時，幀圖像寫入控制器停止采集數(shù)據(jù)，置為真；同理，當在處理完前一幀圖像時，設(shè)置引腳置為真。乒乓開關(guān)模塊在檢測到、同時為真時，切換通道的接口，此時圖像幀寫通道的始端接口與圖像幀的接口連接；的當前幀圖像數(shù)據(jù)寫入幀存儲器；圖像幀

12、讀通道的終端接口與圖像幀存儲器的接口信號連接，從幀存儲器中取出前一幀圖像數(shù)據(jù)進行處理。這樣兩幀輪換進行，實現(xiàn)了圖像的實時連續(xù)處理。在和之間所有控制信號的接口邏輯和時序轉(zhuǎn)換都由來完成,增加了可靠性，簡化了的版面，并且可以編程修改，提高了使用的靈活性。 與之間的接口設(shè)計的三種數(shù)據(jù)傳輸方式有不同的特點，應用于不同的場合。信箱方式不支持猝發(fā)()傳輸，由個位信箱寄存器組成，可從兩個方向進行訪問。它們平均分為兩類，分別用于接口和接口之間的雙向信息傳輸。主機和擴展邏輯都可以通過查詢或中斷方式獲悉任一信箱寄存器的任一字節(jié)的空滿狀態(tài)，并通過相應地址訪問該字節(jié)。的信箱寄存器映射在的空間中，從而可以實現(xiàn)對信箱的直接

13、操作，數(shù)據(jù)速率較低，故系統(tǒng)中只使用這種方式傳輸命令和狀態(tài)信息，例如機通知設(shè)備關(guān)閉；通知上層已經(jīng)傳送完數(shù)據(jù)（處理完的數(shù)據(jù)的大小不是固定的）等。的方式主要由兩個接口共用的兩個×比特的、讀或?qū)懙刂芳拇嫫饕约白x或?qū)懹嫈?shù)器組成。兩個分別作為和接口之間的雙向緩沖區(qū)。提供了快捷方式：一組專門用于方式傳輸?shù)目刂萍盃顟B(tài)信號，包括寄存器的直接讀、寫以及狀態(tài)信號等，用以提高數(shù)據(jù)傳輸速度，但此信號組只能工作在為主控設(shè)備的情況下。作為目標設(shè)備時，內(nèi)部只是作為一般的寄存器，總線如同訪問信箱寄存器那樣訪問它們，操作比較直觀，但不支持猝發(fā)傳輸，極大地限制了傳輸速度；作為主控設(shè)備時，方式可進行方式的猝發(fā)傳輸，可以通過

14、接口啟動傳輸周期，傳輸過程不需要的干預，傳輸?shù)乃俾逝c外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速率有關(guān)，可以得到很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。的數(shù)據(jù)傳輸啟動方式有兩種：總線接口啟動和總線接口啟動。啟動方式?jīng)Q定于由哪個接口設(shè)置讀或?qū)懙刂芳拇嫫饕约白x或?qū)懹嫈?shù)器：總線接口啟動方式是由總線主設(shè)備（一般是機的客戶程序）設(shè)置相關(guān)寄存器發(fā)起傳輸?shù)?；總線接口啟動方式是由外部邏輯電路（一般是外部插卡上的）設(shè)置相關(guān)寄存器發(fā)起傳輸?shù)摹５姆绞绞怪鳈C以內(nèi)存映射方式訪問接口的存儲空間，只能工作在         是目標設(shè)備的情況下，且外部接口需要邏輯電路的支持，故不常用。本系

15、統(tǒng)是圖像處理的一個實驗平臺，既要求數(shù)據(jù)傳輸率高，又要求有一定的升級功能和靈活性。因此，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)傳輸方式。當采集的圖像數(shù)據(jù)量大且要求傳輸速度高時，可以采用方式中的總線接口啟動方式，使用傳輸；有一些應用場合，要傳送的數(shù)據(jù)個數(shù)不明確，例如圖像壓縮后的數(shù)據(jù)量是不一定的，可以使用外加總線接口啟動的傳輸方式傳送壓縮圖像，而用信箱方式傳送命令和圖像狀態(tài)信息。在這種方式下，的外加總線操作寄存器全部映射在 的選通控制信號控制的空間中，使對接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的控制十分簡單，就象操作自身的外圍接口一樣。與之間的硬件接口的具體連接方式如圖所示。和之間的硬件連接,就是利用的讀寫信號、地址選通控制信號、外部設(shè)備就緒信號和部分地址信號以及的狀態(tài)信號進行簡單的時序和邏輯組合，生成對的外加總