基于CPLD和DSP技術(shù)的視頻圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、第26卷第5期2005年9月微計(jì)算機(jī)應(yīng)用MICROCOMPU IER A PPL ICA TIONS Vol.26No.5Sept.2005 本文于2004-07-20收到。3基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(50275125和航空科學(xué)基金(04153036資助?；贑PLD 和DSP 技術(shù)的視頻圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3史儀凱張克滿(西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院西安710072摘要:介紹了一種新穎和通用的視頻圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,本系統(tǒng)主要由專用視頻解碼芯片SAA7111、可編程邏輯器件CPLD 以及DSP 等組成。討論了CPLD 邏輯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及DSP 處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,便于修改

2、采集控制程序,調(diào)試方便。關(guān)鍵詞:視頻采集圖像處理可編程邏輯器件DSPDesign and Implementation of Video Imag Acquisition System Using B ased onCPLD and DSP T echnologyShi Y ikai ,ZHAN G Keman(College of Mechanical and Elect rical ,Nort hwestern Polytechnical University ,Xi an ,710072,China Abstract :Aiming at the static image transmi

3、ssion ,a novel and general method of video image acquisition is de 2scribed based on DSP and CPLD in this paper.This idea is favorable for the design of the circuits and easy for debug 2ging.The experimental result indicates that the image transmitted is very clear.Therefore ,the system will be exte

4、n 2sively applied to some situations such as accidental occasion ,fire alarming.K eyw ords :video acquisition ,image process ,programmable logic device ,DSP目前,隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和多媒體技術(shù)以及DSP 芯片技術(shù)的發(fā)展,以DSP 為核心微處理器的視頻圖像采集系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。視頻圖像既包括靜止圖像又包括運(yùn)動(dòng)圖像,然而,在許多實(shí)際使用場(chǎng)合中并不需要對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行處理,而只需對(duì)單幀圖像進(jìn)行采集和處理就可以了,比如:事故現(xiàn)場(chǎng)、圖像防盜報(bào)警、交通

5、道口監(jiān)控和火災(zāi)報(bào)警等等。本文所設(shè)計(jì)的視頻圖像采集系統(tǒng)正是針對(duì)上述情況而設(shè)計(jì)的。由于該系統(tǒng)大都采用通用和集成元器件,因此它具有成本低、設(shè)計(jì)方便、使用靈活、開(kāi)發(fā)周期短等特點(diǎn),可適用于無(wú)人倉(cāng)庫(kù)、超級(jí)市場(chǎng)、交通道口、井下工程、列車車廂等的監(jiān)控管理。1采集系統(tǒng)構(gòu)成本設(shè)計(jì)主要由視頻圖像采集、DSP 圖像壓縮、程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及CPLD 邏輯控制幾個(gè)部分組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。該視頻圖像采集系統(tǒng)的核心是DSP ,采用TI 的TMS320VC5402;CPLD 采用Altera 的MAX7000S 系列器件EPM7128SL C84-15;視頻解碼芯片選用Philip s 公司的SAA7111。由于本

6、系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)量比較大,所以外擴(kuò)了C Y 2圖1系統(tǒng)總體框圖犘犚犈犛犛公司的一片128K ×16b SRAM (C Y7C1011V 用來(lái)暫存圖像數(shù)據(jù),該芯片讀取時(shí)間最小可達(dá)到15ns 。系統(tǒng)的工作原理是:由攝像機(jī)輸出的PAL 制式的模擬視頻信號(hào)通過(guò)視頻解碼器SAA7111轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),按照需要轉(zhuǎn)換成某種圖像數(shù)據(jù)格式,用CPLD 作為采樣控制器,將圖像數(shù)據(jù)存入靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM 中,當(dāng)完成一幀圖像采集后,CPLD 向DSP 發(fā)送中斷信號(hào),由DSP 進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)壓縮處理并完成圖像數(shù)據(jù)的傳輸。2.1視頻解碼芯片SAA7111及其初始化SAA7111具有四路視頻輸入,抗混疊濾波、梳狀濾波

7、器5期史儀凱等:基于CPLD 和DSP 技術(shù)的視頻圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)都集成到芯片內(nèi)部,為設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的方便1。場(chǎng)同步信號(hào)VS 、行同步信號(hào)HS 、奇偶場(chǎng)信號(hào)RST0、像素時(shí)鐘信號(hào) LL C2都由管腳直接引出,省去了以往的時(shí)鐘同步電路的設(shè)計(jì),可靠性也得到提高。通過(guò)SAA7111內(nèi)部控制字可以直接控制行同步有效時(shí)間,可以省略行延遲電路。SAA7111采集一行圖像數(shù)據(jù)的時(shí)序如圖2所示。 圖2SAA7111采集一行圖像數(shù)據(jù)時(shí)序圖SAA7111在上電后,并不是立即采集模擬視頻信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換處理,它必須由DSP 通過(guò)I 2C 總線對(duì)其內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置后,才能正常工作。在本設(shè)計(jì)中,我們將

8、SAA7111上I 2C 總線引腳SCL 與C5402的FSX0相接,SDA與C5402的CL KX0相接。如表1所示,C5402將FSX0和CL KX0設(shè)置為通用的輸入輸出引腳,通過(guò)對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)I 2C總線操作,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SAA7111有關(guān)寄存器的讀寫操作。表1GPL 口配置表引腳FSX 數(shù)據(jù)方向CL KX 數(shù)據(jù)方向FSX 輸出值CL KX 輸出值FSXM CL KXM FSXPCL KXP 0110101FSX 輸入輸出01CL KX輸入輸出1注:“”表示無(wú)影響。2.2CPLD 控制邏輯設(shè)計(jì)CPLD 作為采樣控制器的核心,在本系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)記錄圖像緩存的讀寫地址、控制讀寫信號(hào)、控制采樣時(shí)序

9、的產(chǎn)生及譯碼邏輯2。CPLD 外圍信號(hào)接口如圖2所示。由于DSP 和CPLD 都要訪問(wèn)SRAM ,為了防止地址總線沖突,CPLD 輸出的16位地址信號(hào)與一片74ACT16245相連,通過(guò)設(shè)置G 為1或0來(lái)決定CPLD 輸出地址信號(hào)高阻或有效。當(dāng)CPLD 把SAA7111輸出的圖像數(shù)據(jù)存入SRAM 時(shí),使FEI 輸出為低電平,使其作為SRAM 的片選信號(hào)和讀寫信號(hào);當(dāng)一幀圖像采集完成后,CPLD 使G 和FEI 輸出為高電平,使其地址總線和SAA7111的數(shù)據(jù)總線處于高阻狀態(tài),同時(shí)CPLD 使HOLD 輸出為高電平,通知DSP 來(lái)讀取數(shù)據(jù)。在這種情況下,只有DSP 的高位地址總線為A15為1且外

10、部接口信號(hào)MSTRB 和PS 為低電平才能選通SRAM 。SRAM 控制進(jìn)程如下:圖3CPLD 外圍信號(hào)接口圖PROCESS (A15,FEI ,MSTRB ,PS B EGINS_CE =(NO T A15OR MSTRB OR PS AND FEI ;S_WE =DSP_RW AND FEI ;S_RE =NO T (DSP_RW AND FEI ;END PROCESS ;SAA7111輸出的是隔行視頻信號(hào),而一般圖像處理的對(duì)象是逐行排列的圖像,因此必須將連續(xù)的兩場(chǎng)圖像信號(hào)合成到一個(gè)圖像幀中。在本視頻采集系統(tǒng)中,采集的像素?cái)?shù)為2563256,因此我們用奇偶場(chǎng)有效信號(hào)RST0的反相作為SR

11、AM 的寫地址信號(hào)A8,當(dāng)奇場(chǎng)圖像到來(lái)時(shí),A8為0;當(dāng)偶場(chǎng)圖像到來(lái)時(shí),A8為1。場(chǎng)地址計(jì)數(shù)器進(jìn)程如下:PROCESS (Rst ,HS ,RST0B EGINIF (Rst =(0T H EN Va <="0000000"-Rst =0,CPLD 復(fù)位,場(chǎng)地址計(jì)數(shù)器清零A8=0-A8輸出為0EL SEIF (Rst =1AND RST0event AND RST0=0AND RST0last_value =1T H ENA8=1;-偶場(chǎng)信號(hào)到來(lái),A8為1EL SEIF (HS event AND HS =1AND HS last_value =0T H ENVa &l

12、t;=Va +1;-當(dāng)行同步信號(hào)上升沿到來(lái)時(shí),場(chǎng)地址計(jì)數(shù)器開(kāi)始END IF ;-計(jì)數(shù),每次地址加1END IF ;END PROCESS ;CPLD 的設(shè)計(jì)是用V HDL 編程實(shí)現(xiàn),開(kāi)發(fā)環(huán)境為MAX -PL US 。在MAX -PL US 環(huán)境下進(jìn)行編譯、波形仿真、功能校驗(yàn),仿真通過(guò)后用MAX -PL US 提供的編程器將程序下載到CPLD 中。126微計(jì)算機(jī)應(yīng)用2005年3DSP信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)DSP信號(hào)處理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)部分:3.1電源設(shè)計(jì)本系統(tǒng)電壓有3.3V和1.8V兩種。其中,C5402的內(nèi)核電壓和外部接口電壓分別為1.8V、3.3V,SRAM、FL ASH和CPLD也都是

13、3.3V器件。而實(shí)際常用的只有5V電源,所以必須采用電源轉(zhuǎn)換芯片。在設(shè)計(jì)中,我們采用TI的TPS7333電源轉(zhuǎn)換芯片,其輸出電壓3.3V可直接作為各器件的供電電壓。1.8V由系統(tǒng)內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器提供,采用TI的TPS7301。3.2晶振選擇選取外部10M Hz晶振模塊,通過(guò)調(diào)節(jié)軟件可編程鎖相環(huán),設(shè)置倍頻因子為10,使DSP工作在100M Hz。CPLD對(duì)晶振沒(méi)有嚴(yán)格要求,可以與DSP使用同一晶振。SAA7111需要一個(gè)24.576M Hz的晶振,并可為CPLD提供13.5M Hz的計(jì)數(shù)脈沖。3.3存儲(chǔ)器擴(kuò)展本系統(tǒng)要訪問(wèn)的存儲(chǔ)器有三個(gè):DSP內(nèi)部DARAM、SRAM和FL ASH。C5402的數(shù)據(jù)

14、尋址空間僅為64K,所以要進(jìn)行分頁(yè)擴(kuò)展。有兩種方法來(lái)擴(kuò)展數(shù)據(jù)空間,一是通過(guò)I/O 端口對(duì)高位地址譯碼,然后用一個(gè)鎖存器鎖存I/O的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)頁(yè);二是將數(shù)據(jù)放到程序RAM,因?yàn)镃5402的程序空間可以擴(kuò)展1M。本系統(tǒng)采用后一種方法,把SRAM全部映射到程序空間,將外部程序空間分為4頁(yè),每頁(yè)32K。當(dāng)C5402的A15=0時(shí),選擇片內(nèi)DARAM,A15=1時(shí),選擇片外SRAM。本系統(tǒng)的存儲(chǔ)器配置如下:DARAM16KW0000H-3FFF H內(nèi)部數(shù)據(jù)空間(用于存放常量和變量的數(shù)據(jù)空間FL ASH32KW8000H-FFFF H映射到內(nèi)部數(shù)據(jù)空間(用來(lái)存放程序。SRAM128KW n8000H-n

15、FFFF H(n=03映射到外部程序空間(其中第0頁(yè)和第一頁(yè)用來(lái)存放采集后的圖像數(shù)據(jù),第二頁(yè)是Boot Loader后程序運(yùn)行的空間,第三頁(yè)用來(lái)存儲(chǔ)壓縮后的圖像數(shù)據(jù)。3.4JPEG壓縮算法本系統(tǒng)采用J PEG基本系統(tǒng)。J PEG算法處理的彩色圖像是單獨(dú)的彩色分量圖像。因此,我們采用分量編碼即以YUV信號(hào)作為編碼對(duì)象,其中Y為亮度,而U、V是兩個(gè)色差信號(hào)。J PEG壓縮編碼算法框圖如圖4所示。對(duì)于壓縮程序的編寫,使用C語(yǔ)言具有編程容易、調(diào)試方便、可讀性好等優(yōu)勢(shì),但是運(yùn)動(dòng)速度慢,代碼效率低3;而匯編語(yǔ)言運(yùn)行速度快、代碼效率高,并且可以充分利用芯片的硬件特性。另外, 考慮到本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)是壓縮

16、速度和圖4J PEG壓縮編碼算法框圖代碼長(zhǎng)度,所以決定采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程。結(jié)果表明,采用匯編語(yǔ)言編寫的代碼只有25K左右,在分辨率為256×256時(shí),處理速度可達(dá)35幀/秒,完全滿足了系統(tǒng)要求。3.5B oot loader為了滿足不同的系統(tǒng)要求,C5402提供了五種上電引導(dǎo)方式,在本系統(tǒng)中采用的是16b并行引導(dǎo)方式。在上電前,把用戶代碼按特定的格式燒寫到外部FL ASH中,并且在上電復(fù)位時(shí)把FL ASH配置在數(shù)據(jù)空間。上電時(shí),通過(guò)硬件連接使C5402的MC引腳接低電平,這樣DSP復(fù)位后,程序就從片內(nèi)ROM的FF80H地址開(kāi)始運(yùn)行。在FF80H處,有一條跳轉(zhuǎn)到BOO T程序的指令,

17、這樣便開(kāi)始運(yùn)行內(nèi)部的BOO T程序。BOO T在運(yùn)行程序之前,首先進(jìn)行初始化,初始化工作包括:使中斷無(wú)效(IN TM=1,內(nèi)部RAM映射到程序/數(shù)據(jù)空間(OVL Y=1,對(duì)程序和數(shù)據(jù)區(qū)均設(shè)置7個(gè)等待狀態(tài)。用戶程序以引導(dǎo)表(Boot Table的形式存放在FL ASH中,執(zhí)行引導(dǎo)程序,將用戶程序從低速的FL ASH中搬移到高速的程序SRAM中以全速運(yùn)行。內(nèi)部BOO T完成后,跳至用戶程序開(kāi)始運(yùn)行。4結(jié)束語(yǔ)本文所設(shè)計(jì)的視頻圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便,體積小,靈活性大,并且成本低,對(duì)設(shè)計(jì)通用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有很大的參考和實(shí)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)在秒級(jí)內(nèi)傳輸?shù)膱D像清晰,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,完全滿足系統(tǒng)所

18、需功能,取得了比較好的效果。系統(tǒng)的特點(diǎn)可以概括如下:(1標(biāo)準(zhǔn)的N TSC/PAL制式的彩色/黑白復(fù)合視頻信號(hào)或者S-Video信號(hào)輸入,圖像采集的分辨率最大為512×512×8bit,用戶可編程調(diào)節(jié)視頻信號(hào)的色度、亮度、飽和度和對(duì)比度等參數(shù);(2采用DSP作主要處理器,CPLD作采集控制器,因而它在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)功能的同時(shí)又使板級(jí)調(diào)試與系統(tǒng)功能升級(jí)變得方便;(3圖像采集獨(dú)立自主進(jìn)行,DSP除了對(duì)采集模式進(jìn)行設(shè)定外,不參與采集過(guò)程,節(jié)省了DSP的寶貴時(shí)間,適時(shí)性好;(4采用J PEG壓縮算法,減少了存儲(chǔ)器容量,提高了傳輸速率,因此可以利用電話線、電視電纜或者無(wú)線通信設(shè)備作為圖

19、像傳輸媒介來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控。2265期史儀凱等:基于CPLD和DSP技術(shù)的視頻圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)參考文獻(xiàn)1SAA7111Product specification/Data Sheet.Philip s1999. 2賀峰.基于DSP的視頻圖像采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì).武漢:華中科技大學(xué)碩士論文,2002.3吳薇,朱光喜,陳云峰.基于DSP的J PEG2000壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì).現(xiàn)代電子工程,2003,14胡曉飛.基于視頻處理芯片和CPLD的實(shí)時(shí)圖像采集系統(tǒng).電子技術(shù),2002,105張駿,楊翠娥,梁剛健.一種基于DSP的靜態(tài)圖像通信系統(tǒng)設(shè)計(jì).應(yīng)用科技,2003,7作者簡(jiǎn)介張克滿,男,(1980-,碩士

20、研究生,專業(yè)方向?yàn)闄C(jī)電控制與自動(dòng)化。簡(jiǎn)報(bào)使用MPLS技術(shù)提高IP網(wǎng)絡(luò)的Q oSIntServ是IETF提出的基于IP的QoS協(xié)議模型,它以標(biāo)準(zhǔn)的RSV P協(xié)議作為實(shí)現(xiàn)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)中的QoS傳輸及對(duì)于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的支持。MPL S技術(shù)采用了集成模型,將第三層IP技術(shù)與第二層的硬件交換技術(shù)相結(jié)合,使用一個(gè)定長(zhǎng)的標(biāo)簽作為分組在MPL S網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)的惟一標(biāo)志。它將目的地相同、轉(zhuǎn)發(fā)路徑相同、具有相同的服務(wù)等級(jí)的分組歸為一類,叫做轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類FEC。要使IntServ能夠在MPL S網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn),關(guān)鍵在于要把標(biāo)簽與數(shù)據(jù)流要求的QoS參數(shù)相結(jié)合,在L SP的建立過(guò)程中完成資源預(yù)留,使得建立起來(lái)的L SP具有

21、QoS保證。由入口L SR發(fā)出一個(gè)含有標(biāo)簽請(qǐng)求和QoS參數(shù)的路徑消息,當(dāng)出口L SR收到入口發(fā)來(lái)的路徑消息后,根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)返回一條資源預(yù)留消息,并在消息中捆綁上相應(yīng)的標(biāo)簽映射,入口L SR收到相應(yīng)的預(yù)留消息后,L SP就建立起來(lái)。通過(guò)把標(biāo)簽和經(jīng)過(guò)RSVP預(yù)留的數(shù)據(jù)流建立關(guān)聯(lián),可以將這些數(shù)據(jù)包看作是MPL S技術(shù)中的FEC,而MPL S網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)簽可以識(shí)別每一個(gè)FEC,網(wǎng)絡(luò)中的L SR負(fù)責(zé)將這些FEC在建立好的L SP中進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。為了解決骨干網(wǎng)絡(luò)中的QoS問(wèn)題,RFC2475還定義了Diff Serv的體系結(jié)構(gòu)。Diff Serv與IntServ的本質(zhì)不同在于它不是針對(duì)每一個(gè)業(yè)務(wù)流分配網(wǎng)絡(luò)資源和配置QoS參數(shù),而是把數(shù)據(jù)流分成幾種類別,具有相似要求的流歸為一類,根據(jù)每種類別分配資源,相同的類別采取一致的處理方式。Diff Serv使用IPv4報(bào)頭中的8bit服務(wù)類型ToS字段,其中6bit可供目前使用(用于識(shí)別延遲、吞吐量和可靠性,按照預(yù)先確定好的規(guī)則加以定義,使下游節(jié)點(diǎn)可通過(guò)識(shí)別這個(gè)字段,獲取足夠的信息處