DSP圖像采集處理專業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

DSP圖像采集處理專業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例DSP圖像采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例本章將介紹基于TIC6000系列DSP芯片的圖像采集處理系統(tǒng)實(shí)例。第一節(jié)介紹圖像處理系統(tǒng)的應(yīng)用。第二節(jié)介紹圖像采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，著重分析如何平衡需求和成本的設(shè)計(jì)方法。第三節(jié)介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，分析DSP和圖像采集芯片的接口、電氣知識(shí)等，給出了設(shè)計(jì)方案。最后介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，主要介紹本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案，同時(shí)也重點(diǎn)介紹TI的圖像庫(kù)。1

圖像采集處理系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)是計(jì)算機(jī)圖形深入應(yīng)用和高層應(yīng)用的一個(gè)極其廣泛的領(lǐng)域，它把來(lái)自照相機(jī)、攝像機(jī)或者傳真掃描裝置、醫(yī)用CT機(jī)、x光機(jī)等的圖像，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)變換后得到數(shù)字圖像信息，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行編碼、濾波、增強(qiáng)、復(fù)原、壓縮、存儲(chǔ)等處理，最后產(chǎn)生可視圖像，這種技術(shù)稱為圖像處理(ImageProcessing)。圖像處理技術(shù)在通信科學(xué)、生產(chǎn)與管理、多媒體技術(shù)、高清晰度電視、醫(yī)用圖像處理、商品電子化、目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在通信事業(yè)上，傳統(tǒng)的圖像信息傳輸是以模擬圖像信號(hào)形式出現(xiàn)的。為了提高信息傳輸?shù)馁|(zhì)量和速度，近來(lái)數(shù)字圖像信號(hào)處理與傳輸技術(shù)正在迅猛發(fā)展，并逐步取代傳統(tǒng)的模擬信號(hào)處理與傳輸技術(shù)。目前，“信息高速公路”成了發(fā)達(dá)國(guó)家的熱門(mén)課題，其中數(shù)字圖像處理技術(shù)則成為它的極其重要的部分。而且，數(shù)字圖像處理技術(shù)還與當(dāng)前乃至21世紀(jì)的一些關(guān)鍵電子技術(shù)及電子產(chǎn)品密切相關(guān)。目前數(shù)字圖像處理技術(shù)幾個(gè)引人矚目的高科技領(lǐng)域包括：

1．高清晰度電視(HDTV)高清晰度電視是當(dāng)今國(guó)際高科技競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)之一，占領(lǐng)這個(gè)制高點(diǎn)者，必將擁有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前主要有兩種發(fā)展模式：一是日本、西歐等國(guó)家在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良；二是美國(guó)推出的全數(shù)字HDTV，1992年美國(guó)推出了4種全數(shù)字HDTV，它們的關(guān)鍵技術(shù)是在視頻圖像信號(hào)處理上采用最先進(jìn)的信源圖像壓縮編碼技術(shù)。然而，其價(jià)格上分昂貴，難以真正商品化。這種狀況的豐要原因是壓縮編碼方法的效率不高。2．商業(yè)電子化20世紀(jì)90年代，由于美國(guó)商品零售業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了新興的零售連鎖集團(tuán)，它憑借現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)管理信息系統(tǒng)所帶來(lái)的零庫(kù)存、低成本和低售價(jià)，迅速占領(lǐng)了市場(chǎng)，成為美國(guó)商品零售業(yè)的首批巨人?！斑@種商業(yè)電子化”大市場(chǎng)吸引著越來(lái)越多的創(chuàng)業(yè)者、高科技公司，以致一些世界性大公司紛紛涉足于這一領(lǐng)域。商業(yè)零售業(yè)作為市場(chǎng)流通的樞紐與各行各業(yè)密切相關(guān)，它使得商業(yè)電子化成為一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它不僅僅使商場(chǎng)收款機(jī)電子化，而且它還使商場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)化、貨幣支付電子化甚至訂貨電子化等。在商業(yè)電子化過(guò)程中，商品信息的處理、存儲(chǔ)與傳輸是十分重要的環(huán)節(jié)。3．可視電話目前，國(guó)內(nèi)外已有成型的產(chǎn)品，然而，它仍需占用較多通信線路，而且自身造價(jià)昂貴，其主要原因是圖像壓縮技術(shù)的壓縮倍數(shù)尚不能滿足要求，因此要使可視電話真正商品化，必須在圖像壓縮技術(shù)方面有新的突破才能實(shí)現(xiàn)。4．多媒體技術(shù)多媒體是指文(text)、圖(image)、聲(audio)、像(video)與計(jì)算機(jī)程序融合在一起形成的信息存儲(chǔ)和傳播媒體。它是近期發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，我們過(guò)去熟悉的聲、圖、像等媒體幾乎是以模擬信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸?shù)?，而多媒體卻是以數(shù)字信號(hào)的形式進(jìn)行存儲(chǔ)和傳播的。目前多媒體的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用趨勢(shì)，大致可分為三類：一是具有編輯和播放和雙重功能的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)適合于專業(yè)人員制作多媒體軟件產(chǎn)品；二是主要以具備交互播放功能為主的教育／培訓(xùn)系統(tǒng)；三是主要用于家庭娛樂(lè)和學(xué)習(xí)的家用多媒體系統(tǒng)。可見(jiàn)，多媒體的潛力和應(yīng)用前景是非常廣闊的。在多媒體技術(shù)中，數(shù)字圖像處理技術(shù)起著關(guān)鍵性的作用。5．醫(yī)用圖像處理技術(shù)以“圖像重選”技術(shù)為中心的醫(yī)用圖像處理技術(shù)日趨發(fā)展。目前，以醫(yī)用超聲成像、x光造影像、X光斷影成像、CT掃描、核磁共振斷層成像技術(shù)等為基礎(chǔ)的醫(yī)用圖像處理技術(shù)，將為醫(yī)學(xué)界實(shí)現(xiàn)“將人體變?yōu)橥该黧w”的設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)，其中，數(shù)字圖像壓縮處理技術(shù)是關(guān)鍵部分。圖像采集處理系統(tǒng)主要包括圖像采集和圖像處理兩大部分。一般圖像處理都是采用通用的或?qū)Ｓ玫腄SP芯片，TI和ADI公司是提供通用的DSP芯片的兩個(gè)主要公司，每一個(gè)公司都推出了浮點(diǎn)和定點(diǎn)通用DSP芯片，不僅如此，還針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合，推出了眾多系列的DSP芯片。比如TI公司推出了適合音頻和視頻處理的C5000和C6000系列的DSP芯片，另外，還根據(jù)各種終端設(shè)備的特點(diǎn)，推出了TMS320DSC21、TMS320DSC25、TMS320DM310和TMS320DM64等DSP芯片。TI解決方案可以幫助許多消費(fèi)類商品，例如攝錄／像機(jī)、電子書(shū)、MPEG-4播放機(jī)／錄制機(jī)、相片打印機(jī)、便攜式網(wǎng)上視頻家電、影片光盤(pán)柜、聯(lián)網(wǎng)機(jī)和無(wú)線相機(jī)。以TI的DSP芯片為基礎(chǔ)的數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)方框圖如圖8-1所示。

2圖像采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖像采集系統(tǒng)應(yīng)用在很多場(chǎng)合，尤其在生物識(shí)別領(lǐng)域應(yīng)用得十分廣泛，木節(jié)主要就是以TlDSP芯片構(gòu)建的生物識(shí)別系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹該類圖像采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。

系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和工作流程一個(gè)基本的生物識(shí)別系統(tǒng)如圖8-2所示，它必須包含幾個(gè)基本部件：

1．信號(hào)采集部分它主要是將生物特征信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳給系統(tǒng)。它可能是圖像信號(hào)，如虹膜圖像、掌紋圖像、指紋圖像，也可能是采樣信號(hào)，如采樣人的語(yǔ)音。但在大多數(shù)生物識(shí)別系統(tǒng)中信號(hào)采集部分轉(zhuǎn)化出來(lái)都是圖像信號(hào)。本章介紹的也是基于圖像信號(hào)采集的識(shí)別系統(tǒng)。2．處理部分處理部分通常是一個(gè)高性能的CPU。它是整個(gè)生物識(shí)別系統(tǒng)的核心。它／不僅儀要完成對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、處理和存儲(chǔ)，還要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，特別是I／O部分的控制，以達(dá)到系統(tǒng)整體的要求。3．RAM部分生物識(shí)別系統(tǒng)中一般都有RAM部分，主要基于兩個(gè)出發(fā)點(diǎn)：首先，生物識(shí)別系統(tǒng)中速度是一個(gè)重要指標(biāo)。程序在RAM里面運(yùn)行比在存儲(chǔ)器里運(yùn)行速度要快得多。其次，生物識(shí)別系統(tǒng)中采集的圖像往往比較大，而且算法所要求的RAM空間也比較大。而CPU內(nèi)部的RAM往往不能達(dá)到這個(gè)要求。4．存儲(chǔ)部分存儲(chǔ)部分主要存儲(chǔ)兩個(gè)部分的內(nèi)容：一是系統(tǒng)的程序；二是生物特征模板。存儲(chǔ)空間的大小也主要取決于這兩個(gè)部分的要求。特別是生物特征模板的大小，如果系統(tǒng)要求存儲(chǔ)的人員越多，存儲(chǔ)空間要求也就越大。5．I／O輸入輸出接口部分I／O部分主要是完成系統(tǒng)功能要求。在不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)/O的要求也不一樣。在考勤領(lǐng)域，就要求I／O具有液晶顯示的功能。6．通信接口部分在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域，就要求生物識(shí)別系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)通信的功能；在門(mén)禁應(yīng)用領(lǐng)域，就要求系統(tǒng)具有串行通信(RS485、RS232)的功能。7．電源部分脫機(jī)系統(tǒng)由于它應(yīng)用場(chǎng)合的限制，大多對(duì)電源有嚴(yán)格的限制，主要是要求節(jié)電。而生物識(shí)別系統(tǒng)基本上都是使用高性能的CPU，而它們對(duì)電源系統(tǒng)也有嚴(yán)格的要求，主要是要求電源穩(wěn)定、干擾小。生物識(shí)別系統(tǒng)的工作流程基本上可以分成兩個(gè)部分：(1)生物特征的采集和存儲(chǔ)。用戶通過(guò)I／O通知系統(tǒng)開(kāi)始生物特征的采集和存儲(chǔ)，處理器則通過(guò)采集器采集生物特征信號(hào)，再通過(guò)算法處理看是否能夠轉(zhuǎn)換成特征模板存儲(chǔ)在存儲(chǔ)空間內(nèi)。在很多情況下，為了保證特征模板的質(zhì)量，處理器會(huì)采集好幾次生物特征信號(hào)來(lái)生成特征模板。工作完成后，處理器會(huì)通過(guò)I／O通知用戶。(2)身份識(shí)別。但用戶需要身份識(shí)別的時(shí)候，則通過(guò)I／O通知處理器。處理器首先通過(guò)采集器采集用戶的特征信號(hào)，然后用識(shí)別算法轉(zhuǎn)化成特征值，再與存儲(chǔ)器里面的特征模板比對(duì)。如果相似度大于一定的值，則認(rèn)為是身份識(shí)別正確，否則，身份識(shí)別錯(cuò)誤。通常圖像采集處理系統(tǒng)有以下幾個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)：

1．圖像采集時(shí)間通常圖像采集有A／D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)部分，圖像采集時(shí)間包括A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。為了提高圖像采集時(shí)間，采用高速A／D轉(zhuǎn)換芯片和高速串行接口。TI和ADI公司都提供了高速的AD轉(zhuǎn)換芯片，此類芯片大多提供并口和SPI之類的數(shù)據(jù)傳輸接口。2．圖像處理時(shí)間圖像處理時(shí)間是指系統(tǒng)從采集完一個(gè)完整圖像到運(yùn)算處理完圖像所經(jīng)過(guò)的一段時(shí)間。在流媒體的圖像采集處理系統(tǒng)中對(duì)每幀圖像的處理速度直接影響到系統(tǒng)性能，所以在此類產(chǎn)品中通常采用高性能的微處理器。在圖像采集系統(tǒng)中，表現(xiàn)是多樣的，以生物識(shí)別系統(tǒng)為例，對(duì)一幅完整的圖像處理時(shí)間(通常是圖像特征值處理和比對(duì)時(shí)間之和)有十分嚴(yán)格的要求。

3．存儲(chǔ)容量有些圖像采集處理系統(tǒng)需要存儲(chǔ)一定的圖像數(shù)據(jù)，如數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)等。在圖像采集系統(tǒng)中，表現(xiàn)是多樣的，以生物識(shí)別系統(tǒng)為例，能夠存儲(chǔ)大量生物體樣本特征值是個(gè)重要的指標(biāo)。4．RAM空間

圖像采集處理器的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大，占用的數(shù)據(jù)空間達(dá)到幾兆。在所有圖像采集處理系統(tǒng)中，大容量的數(shù)據(jù)RAM空間是一個(gè)重要的指標(biāo)，直接影響到圖像處理時(shí)間和處理效果。

5．系統(tǒng)功耗

系統(tǒng)功耗可分為兩個(gè)部分：一是工作電流，是指系統(tǒng)在采集、處理信號(hào)的時(shí)候所消耗的電流。另一個(gè)是靜態(tài)電流，是指系統(tǒng)在沒(méi)有工作狀態(tài)下的電流。因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)應(yīng)用場(chǎng)合，系統(tǒng)大部分時(shí)間都處于沒(méi)有工作的狀態(tài)，靜態(tài)電流更具有實(shí)際意義。6．成本毋庸質(zhì)疑，成本對(duì)于任何一會(huì)系統(tǒng)都是一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)。3硬件電路設(shè)計(jì)本節(jié)是主要介紹圖像采集處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。在圖像采集處理系統(tǒng)中，如何完整、真實(shí)地采集到現(xiàn)實(shí)對(duì)象的圖像數(shù)據(jù)是非常重要的。圖像采集的性能好壞直接影響到后續(xù)的圖像處理和圖像識(shí)別等功能模塊。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)快速、實(shí)時(shí)的圖像采集硬件系統(tǒng)是非常重要的。下面以某公司的B芯片為例，介紹圖像采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案和注意事項(xiàng)。

圖像采集時(shí)序分析使用B芯片時(shí)需要注意兩個(gè)方面的問(wèn)題，一是包括芯片初始化部分，設(shè)定芯片的工作方式和運(yùn)行參數(shù)；二是包括芯片的數(shù)據(jù)傳輸部分，系統(tǒng)要求CPU能夠?qū)崟r(shí)得到B芯片采集到的圖像數(shù)據(jù)。B芯片的時(shí)序主要包括初始化部分的總線時(shí)序和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序。

1．初始化時(shí)序分析B芯片初始化部分的總線時(shí)序如圖8-3所示?？梢钥闯銎鋵?xiě)時(shí)序基本上與SRAM的寫(xiě)時(shí)序相同，在/WE的下降沿時(shí)，DBUS總線上數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，在／WE的上升沿鎖存DBUS總線數(shù)據(jù)。

2．?dāng)?shù)據(jù)發(fā)送時(shí)序在數(shù)據(jù)傳輸接口中，B芯片提供兩種接口方式：SPI方式和并行方式。下面將具體分析兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，最終將導(dǎo)致硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(1)SPI接口方式。SPI是SeriesProtocolInterface的縮寫(xiě)，這是一個(gè)利用四根信號(hào)線的串行接口協(xié)議，包括主／從兩種模式。4個(gè)接口信號(hào)是：·MISO=串行數(shù)據(jù)輸入(主設(shè)備輸入，從設(shè)備輸出)。·MOSI=串行數(shù)據(jù)輸卅(主設(shè)備輸出，從設(shè)備輸入)。·SCK=移位時(shí)鐘?！S=從設(shè)備使能。SPI接口的最大特點(diǎn)是由主設(shè)備時(shí)鐘信號(hào)的出現(xiàn)與否來(lái)界定主／從設(shè)備間的通信。一檢測(cè)到主設(shè)備時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)據(jù)開(kāi)始傳輸，時(shí)鐘信號(hào)無(wú)效后，傳輸結(jié)束。在這期間，要求從設(shè)備必須被使能(SS信號(hào)保持有效)。SPI方式的優(yōu)點(diǎn)是只占用4根數(shù)據(jù)線、數(shù)據(jù)傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)。C6000系列McBSP作為SPI接口使用時(shí)的時(shí)序如圖8-4所示。

B芯片的SPI接口為MASTER模式，提供4種CLOCK，最大可以達(dá)到6MHz。B芯片的SPI時(shí)序如圖8-5所示。仔細(xì)分析其時(shí)序圖可以發(fā)現(xiàn)：FSR是字節(jié)同步幀信號(hào)，向不是從設(shè)備的使能信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)的SPI時(shí)序是從設(shè)備的使能信號(hào)SS的下降沿?cái)?shù)據(jù)開(kāi)始從MISO引腳輸出，上升沿出現(xiàn)在前一個(gè)數(shù)據(jù)全部發(fā)送完之后，模塊在FSR高電平時(shí)，把數(shù)據(jù)鎖存到發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器里，F(xiàn)SR下降沿時(shí)，模塊開(kāi)始串行發(fā)送數(shù)據(jù)。如果用標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口讀取B芯片生物樣本數(shù)據(jù)，會(huì)出現(xiàn)片選信號(hào)出錯(cuò)的情況，導(dǎo)致SPI模塊出現(xiàn)異常，最終無(wú)法讀取到樣本數(shù)據(jù)。因此在硬件電路設(shè)計(jì)中，放棄了采用SPI接口讀取B芯片生物樣本數(shù)據(jù)。

多通道緩沖串口(McBSP)的優(yōu)點(diǎn)是可以設(shè)置時(shí)鐘信號(hào)、幀同步信號(hào)和數(shù)據(jù)單元大小，可以實(shí)現(xiàn)與多種方式的接口時(shí)序無(wú)縫連接。把B芯片的串行時(shí)序看成普通的3線式通信，F(xiàn)SR是字節(jié)同步幀信號(hào)，DSPC6000的McBSP設(shè)置如下：

·(R／X)PHASE=0，單相幀。

·(R／X)FRLENl=O，每幀一個(gè)數(shù)據(jù)單元。

·(R／X)WDLENl=000b，數(shù)據(jù)單元字長(zhǎng)8位。

·(R／X)FRLEN2和(R／X)WDLEN2字段無(wú)效，可以為任意值。

·CLK(R／X)P=0，時(shí)鐘下降沿接收數(shù)據(jù)，上升沿處發(fā)送數(shù)據(jù)。

·FS(R／X)P=0，幀同步信號(hào)高有效。

·

(R／X)DATDLY=01b，1位數(shù)據(jù)延遲。

·以幀信號(hào)的最高頻率運(yùn)行。

此種方式下，McBSP的收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)序如圖8-6所示。從圖8-6可以看出，采用此方式可以和B芯片的3線式串行通信匹配。由于DSP的McBSP是采用從方式，考慮到時(shí)序比較快，建議采用DMA方式讀取DRR中的數(shù)據(jù)。

(2)并行方式。此外，B芯片提供了并行數(shù)據(jù)傳輸方式。并行方式的缺點(diǎn)是占用8根數(shù)據(jù)線，不利于系統(tǒng)硬件的穩(wěn)定性：優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速度快，便于軟體實(shí)現(xiàn)。并行數(shù)據(jù)傳輸方式時(shí)序如圖8-7所示。DSC字節(jié)同步時(shí)鐘信號(hào)，DR數(shù)據(jù)總線(8位)。從圖中可以看出，在DSC上升沿時(shí)B芯片數(shù)據(jù)總線準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，在DSC下降沿時(shí)CPU可以讀取數(shù)據(jù)。并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序非常簡(jiǎn)單，軟件易于實(shí)現(xiàn)。綜合考慮了圖像采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求和B芯片的時(shí)序特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了并行讀取方式。

圖像采集處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括電源和復(fù)位電路、總線接口電路設(shè)計(jì)、擴(kuò)展I／O口和通信接口等部分。下面詳細(xì)介紹這幾個(gè)部分硬件電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)分析B芯片電氣特性和設(shè)計(jì)B芯片接LJ電路。

1．電源電路和復(fù)位電路圖像采集系統(tǒng)的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，電源供應(yīng)方式通常有兩種方式：220V電源供電和電池供電。在這里主要是介紹以電池作為電源供應(yīng)方式的電源管理方案，目前穩(wěn)壓電源方式主要有線性穩(wěn)壓電源、DC-DC開(kāi)關(guān)電源和電容式充電泵開(kāi)關(guān)電源，它們的特點(diǎn)如表8-1所示。圖像采集處理系統(tǒng)尤其是手持便攜設(shè)備對(duì)低功耗有很嚴(yán)格的要求，因此在系統(tǒng)中采用高效穩(wěn)定的電源管理方案非常重要。該圖像處理系統(tǒng)中，CPU芯片是雙電源芯片，，I／。另外，。，CPU的內(nèi)核電流約800mA。12V電源的電流約是20mA。。整個(gè)系統(tǒng)的電源管理方案如表8-2所示。

。TPS54310芯片具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：·同步降壓型PWM穩(wěn)壓芯片?！さ洼敵鲭妷?、高輸出電流?！ら_(kāi)關(guān)頻率可調(diào)，固定350kHz、500kHz，可調(diào)范圍為280～700kHz?！ぁ?、3A輸出電流，精度為1％。·3A電流輸出時(shí)，MOSFET開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻為60mΩ?！?nèi)置峰值電流保護(hù)和熱保護(hù)?！た焖俚南鄳?yīng)速度，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95％。·外部配置元器件少，易地設(shè)計(jì)。，正常輸入電壓是5V，，輸出電流最大3A。

，正常輸入電壓是5V，，輸出電

流最大3A。

12V電源的電流只有20mA，。由于耗電流小，采用一般的電源轉(zhuǎn)換芯片就足夠了。木系統(tǒng)中采用LM2703，具體電路圖設(shè)計(jì)如圖8-lO所示。在嵌入式系統(tǒng)中，復(fù)位電路設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的。直接利用TPS54310芯片的PWRGD輸出引腳，通過(guò)一定的邏輯轉(zhuǎn)換得到CPU的復(fù)位信號(hào)。PWRGD引腳的特性是：當(dāng)VSENSE引腳達(dá)到輸出電壓的90％時(shí)，PWRGD輸出高，否則輸出為低。PWRGD引腳是OC門(mén)輸出，需要接上10kΩ電阻。

2．總線接口設(shè)計(jì)在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，CPU大多數(shù)都具有與SRAM／FLASH和SDRAM無(wú)縫連接的功能。相對(duì)來(lái)說(shuō)，總線接口設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。TMS320C6201也是一款提供多種協(xié)議接口無(wú)縫連接的CPU。TMS320C6201芯片集成了外部總線接口(EMIF)外設(shè)，EMIF控制對(duì)外部存儲(chǔ)設(shè)備(如ROM／FLASH、SDRAM、SBSRAM)和外部I／O設(shè)備訪問(wèn)。EMIF有4個(gè)BANKS，每一個(gè)BANK都可以設(shè)置對(duì)ROM、SDRAM和SBSRAM等類型外設(shè)存儲(chǔ)設(shè)備的訪問(wèn)。根據(jù)TMS320C6201BOOTLOAD的特點(diǎn)，通常CEl空間設(shè)置為對(duì)RAM、ROM、FLASH等外設(shè)，CE2、CE3空間設(shè)置為對(duì)SDRAM外設(shè)。TMS320C6201內(nèi)部運(yùn)行時(shí)鐘是200MHz，對(duì)外部空間訪問(wèn)的同步時(shí)鐘是100MHz。由于大多數(shù)的外設(shè)都是屬于低速設(shè)備，比如FLASH、SRAM等，因此設(shè)計(jì)硬件時(shí)需要考慮高速CPU和低速外設(shè)之間的時(shí)序配合問(wèn)題。在TMS320C6201的EMIF相關(guān)寄存器里可以設(shè)置CPU內(nèi)部對(duì)外部訪問(wèn)的延時(shí)時(shí)間，另外，通常低速外發(fā)有RY／BY引腳，該引腳可以與CPU的ARDY引腳直接相連，其硬件接線框圖如圖8-11所示；不利用外部硬件延時(shí)的硬件接線框圖如圖8-12所示。TMS320C6201的EMIF與32位SDRAM的硬件接線框圖如圖8-13所示。

本系統(tǒng)中外擴(kuò)展了256K×16位的FLASH29LY400，用地存儲(chǔ)程序代碼和采集到的圖像數(shù)據(jù)。另外還擴(kuò)展了2M×32位的SDRAM，主要是用于程序?qū)嶋H運(yùn)行時(shí)占用的程序和數(shù)據(jù)空間。系統(tǒng)的上電運(yùn)行過(guò)程是通過(guò)ROMBOOTLOADER方式把程序代碼load到SDRAM空間去，主程序和圖像采集處理程序都在SDRAM空間運(yùn)行。3．?dāng)U展I/O設(shè)計(jì)針對(duì)于本系統(tǒng)中FLASH和外部擴(kuò)展的B芯片都是映射到CEl空間，而且系統(tǒng)需要具有對(duì)外部I／O信號(hào)的處理，如按鍵、撥碼旋鈕、蜂鳴器和指示燈的信號(hào)等，所以在系統(tǒng)中增加了一片CPLDEPM7256。TMS320C6201芯片沒(méi)有可以直接使用的GPIO口，因此只能通過(guò)CPLD來(lái)擴(kuò)展，如圖8-14所示。

如前所述，系統(tǒng)采用并行方式訪問(wèn)圖像采集B芯片，以TMS320C6201對(duì)外部RAM讀訪問(wèn)時(shí)序?yàn)槔榻BTMS320C6201與圖像采集B芯片的硬件設(shè)計(jì)。TMS320C6201對(duì)外部SRAM的讀訪問(wèn)時(shí)序如圖8-15所示。

如前所述，B芯片在脈沖DSC信號(hào)觸發(fā)下，圖像數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)線DR[7..0]輸出。采用GPIO引腳模擬DSC時(shí)鐘，通過(guò)對(duì)外部SRAM讀訪問(wèn)方式讀取圖像數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)中，把B芯片映射到CEl空間，對(duì)CEl空間進(jìn)行讀操作就可以讀取圖像數(shù)據(jù)了。TMS320C620l與B芯片的接口框圖如圖8-16所示。用CE1作為74LVC245A的片選信號(hào)，對(duì)CEl空間進(jìn)行讀寫(xiě)訪問(wèn)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)B芯片的訪問(wèn)了。

此電路設(shè)計(jì)也存在不安全的因數(shù)，進(jìn)行TMS320C6201的外部SRAM訪問(wèn)時(shí)序的分析就可以知道。仔細(xì)分析片選信號(hào)CEl和AOE信號(hào)，可以看出，片選信號(hào)CEl比寫(xiě)AOE要寬。也就是說(shuō)，對(duì)外部CEl空間讀取數(shù)據(jù)時(shí)，74LVC245A片選有效，DIR信號(hào)從高跳到低，致使數(shù)據(jù)線上有一個(gè)從輸出到輸入的轉(zhuǎn)變。在實(shí)際調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)線上的信號(hào)有比較大的影響，如圖8-17所示。在測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)此BUG沒(méi)有影響系統(tǒng)運(yùn)行，因此采用以上總線擴(kuò)展I／O方式。4．存儲(chǔ)器映射整個(gè)圖像采集處理系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間分4個(gè)BANK。第1個(gè)BANK是CEO，外擴(kuò)SBSRAM存儲(chǔ)器；第2個(gè)BANK是CEl，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器、B芯片和GPIO等外設(shè)分享此空間；第3個(gè)BANK是CE2，只是外擴(kuò)SDRAM存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器映射為memorymap1。具體地址如表8-3所示。

4軟件設(shè)計(jì)本節(jié)主要介紹該圖像采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分，著重介紹對(duì)FLASH的讀寫(xiě)操作程序、圖像采集程序和TI的ImageLibrary庫(kù)的利用。

FLASH訪問(wèn)讀寫(xiě)程序該部分主要是介紹TMS320C6201對(duì)AM29LV040FLASH芯片進(jìn)行讀寫(xiě)訪問(wèn)的程序設(shè)計(jì)。在該系統(tǒng)中，AM29LN040FLASH芯片擔(dān)當(dāng)一個(gè)重要的任務(wù)，存儲(chǔ)著所有的程序代碼和初始化的數(shù)據(jù)段。不僅如此，還需要存儲(chǔ)系統(tǒng)的參數(shù)、圖像數(shù)據(jù)以及一些系統(tǒng)重要的信息。該系統(tǒng)中AM291N040存儲(chǔ)容量是4M位，8個(gè)512kB的sector。AM29LV040映射到系統(tǒng)的CEl空間，配置為16位ROM，硬件設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有利用AM29LV040的RY／BY引腳，所以在軟件中需要輪詢校驗(yàn)program和erase操作是否正確。在系統(tǒng)中選用的AM29IN040是一款訪問(wèn)時(shí)間達(dá)到70ns的FLASH，CPU的運(yùn)行頻率是200MHz，對(duì)應(yīng)EMIFCEl空間的控制寄存器(CECTLO)的設(shè)置如表8-4所示。

1．程序流程圖硬件復(fù)位后，F(xiàn)LASH設(shè)備自動(dòng)初始為讀模式，不需要任何特殊的操作就可以讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)然首先必須正確初始化EMIF相關(guān)寄存器。相對(duì)來(lái)說(shuō)，F(xiàn)LASH的寫(xiě)操作和擦除操作要復(fù)雜些。AM29IN040的編程和擦除的命令流程圖如圖8-18和圖8-19所示。編程和擦除操作首先需要寫(xiě)入正確的命令字，然后輪詢?cè)O(shè)備的狀態(tài)判斷操作是否正確。在每一種操作中需要用軟件檢驗(yàn)編程和擦除操作是否正確，輪詢算法如圖8-20所示。

同CCD器件一樣，CPU也要對(duì)本系統(tǒng)中的圖像采集芯片B芯片進(jìn)行初始化才能讀取圖像數(shù)據(jù)。芯片上電后，B芯片需要初始化，初始化主要包括ADC模塊的參考低電平和數(shù)據(jù)傳輸方式等部分。數(shù)據(jù)傳輸方式有3線串行(SPI)和并行(并行)兩種方式。本系統(tǒng)中采用了并行讀取圖像數(shù)據(jù)方式。并行讀取數(shù)據(jù)的同步時(shí)鐘周期要大于512ns，在時(shí)鐘DSC的低電平B芯片準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，時(shí)鐘DSC高電平時(shí)CPU可以讀取圖像數(shù)據(jù)。B芯片的初始化比較簡(jiǎn)單，涉及的東西很少，在這里就不介紹了。在這里將要詳細(xì)介紹如何讀取圖像數(shù)據(jù)。

B芯片映射到系統(tǒng)的CEl空間，由于有DSC同步時(shí)鐘，因此將SRAM訪問(wèn)的時(shí)間設(shè)置

為最大值。1．程序流程圖B芯片的讀圖像數(shù)據(jù)的流程圖如圖8-21所示。

2．源程序該部分主要介紹如何從B芯片讀取圖像數(shù)據(jù)，讀取圖像數(shù)據(jù)子程序，同時(shí)給出了EMIFCEl空間CECTL1控制寄存器的配置。

ImageLibrapy使用通常開(kāi)發(fā)一款圖像采集和處理產(chǎn)品的流程是熟悉硬件平臺(tái)的特性、根據(jù)CPU的特點(diǎn)優(yōu)化算法，最后調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)軟件。由于大多數(shù)廠家CPU支持的匯編語(yǔ)言不相同，尤其DSP芯片的匯編語(yǔ)言，如TI公司有自己的甚長(zhǎng)匯編指令集，而AD公司也有自己的匯編指令集。通常只有根據(jù)各個(gè)廠家的CPU內(nèi)核特點(diǎn)和匯編指令特點(diǎn)，才可以更好地優(yōu)化圖像算法，而且往往這方面影響著產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)度，影響著產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間。TI公司為了解決這個(gè)問(wèn)題，向用戶提供了圖像處理算法庫(kù)，該庫(kù)主要包含圖像壓縮和解壓縮、圖像分析和圖像濾波等3個(gè)部分。用戶可以利用這3個(gè)庫(kù)快速地開(kāi)發(fā)出圖像采集處理算法。

1．概述TI公司提供的(262xMIGLIB庫(kù)文件是包括很多圖像和視頻處理函數(shù)，所有函數(shù)都是對(duì)C語(yǔ)言編程進(jìn)行了優(yōu)化。該庫(kù)包括一些可以使用C語(yǔ)言調(diào)用，且已經(jīng)經(jīng)過(guò)匯編優(yōu)化的圖像和視頻處理子程序。在對(duì)圖像處理時(shí)間十分敏感的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中可以使用這些已經(jīng)經(jīng)過(guò)汁算優(yōu)化的函數(shù)。用戶借助這些子程序就可以輕松地使用ANSIC語(yǔ)言編寫(xiě)出高效的算法程序。借用這些子程序，可以縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間。TIC62xIMCLIB庫(kù)文件包括通用的圖像和視頻處理子程序。另外，用戶可以根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)，修改庫(kù)的源程序滿足自己的要求。這些源程序可以在CodeComposerStudio軟件的安裝目錄下找到。IMGLIB庫(kù)的特點(diǎn)如下：·優(yōu)化的匯編代碼子程序?！づcTIC62x編譯器完全兼容的C調(diào)用子程序?！せ鶞?zhǔn)，包括時(shí)鐘周期和代碼大小?！⒖糃模型測(cè)試。雖然在軟件中提供的代碼都是針對(duì)C62xDSP設(shè)備的，但是也可以在TIC6000DSP系列其他產(chǎn)品中使用。，有興趣讀者可以看看。2．圖像壓縮解壓縮子程序

該部分主要描述的是標(biāo)準(zhǔn)圖像壓縮／解壓縮算法子程序，如JPEG、MPEG

等算法。IMG_fdct_8x8IMG_idct_8x8前向和反轉(zhuǎn)離散余弦變換(DCT)函數(shù)：IMG_fdct_8x8和IMG_idct_8x8。在大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)壓縮算法中都使用離散余弦變換函數(shù)，如JPEG編碼／解碼、MPEG視頻編碼／／解碼。這些標(biāo)準(zhǔn)壓縮算法使用目的是不相同的，比如：JPEG算法主要使用在打印、圖像處理和安全系統(tǒng)中等；MPEG視頻標(biāo)準(zhǔn)主要在數(shù)字電視(DTV)、DVD播放器、機(jī)頂盒(Set-Topboxes)、便攜視頻設(shè)備、視頻光盤(pán)和多媒體應(yīng)用系統(tǒng)中使用；。注意逆向DCT函數(shù)執(zhí)行的是IEEE1180～1990逆向DCT算法。IMG_mad_8x8IMG_mad_16x16IMG_sad_8x8IMG—sad—16x16利用這些函數(shù)可以提高運(yùn)動(dòng)圖像識(shí)別算法性能，。在便攜視頻系統(tǒng)、流媒體系統(tǒng)和視頻電話采用這些視頻編碼。在視頻編碼系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)圖像識(shí)別算法是得到最大計(jì)算加強(qiáng)優(yōu)化。采用TI提供的函數(shù)可以使系統(tǒng)中算法性能得到顯著改善。IMG_mpeg2_vld_interIMG_mpeg2_vld_intraMPEG-2可變長(zhǎng)度解碼函數(shù)提供了一個(gè)高集成度和高效率解決方案，該方案優(yōu)化了MPEG-2代碼intra和non-intra宏塊的可變長(zhǎng)度解碼、run-lengthexpansion、反轉(zhuǎn)掃描、dequantization、saturation和mismatch控制。任何MPEG-2視頻解碼系統(tǒng)的性能依賴于每個(gè)解碼步驟的高效實(shí)現(xiàn)。IMG_quantize量子化是許多圖像視頻壓縮系統(tǒng)中的積分步驟，包括DCT壓縮算法基礎(chǔ)之上各種變異算法，例如JPEG、。在這樣的系統(tǒng)中采用IMG_quantize子程序可以提高量子化步驟的速度和性能。IMG_wave_horzIMG_wave_vert在JPEG2000和MPEG-4等算法中，小波處理得到的廣泛的應(yīng)用，并將發(fā)展成為一種標(biāo)準(zhǔn)，典型應(yīng)用于提高靜止圖像壓縮的性能方面，而且在許多各種圖像壓縮系統(tǒng)都是建立在小波處理基礎(chǔ)之上。IMG_wave_horz和IMG_wave_vert函數(shù)用于計(jì)算水平和垂直小波變換。利用該兩個(gè)函數(shù)可以計(jì)算圖像數(shù)據(jù)2維小波變換。該子程序在文檔約束之內(nèi)使用非常靈活，可以滿足寬范圍的特殊小波變換和圖像維數(shù)。3．圖像處理子程序該部分主要是對(duì)應(yīng)用于圖像分析標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)進(jìn)行說(shuō)明。IMG_boundary邊界和周界函數(shù)，即IMG_boundary和IMG_perimetcr兩個(gè)函數(shù)。它們通常在結(jié)構(gòu)視覺(jué)應(yīng)用中作為結(jié)構(gòu)算子。IMG_dilate_binIMG_erode_binIMG_dilate_bin和IMG_erode_bin兩個(gè)函數(shù)是圖像學(xué)算子，通常用于提高二進(jìn)制圖像擴(kuò)大和二進(jìn)制圖像侵蝕算法效果。擴(kuò)大和侵蝕在圖像處理操作中具有基礎(chǔ)的意義，比如打開(kāi)和關(guān)閉都可以從擴(kuò)大和侵蝕中建立起來(lái)。這些函數(shù)在機(jī)器視覺(jué)和醫(yī)學(xué)成像方面非常有用。IMG_histogram直方圖用來(lái)生成圖像的柱狀圖。圖像的直方圖是一個(gè)圖像亮度級(jí)的統(tǒng)計(jì)。例如，對(duì)于一個(gè)8位像素亮度級(jí)別的灰度圖像，直方圖將包括對(duì)應(yīng)可能的256個(gè)像素亮度的256bins。每一個(gè)bin包含圖像中像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，尤其是亮度值。IMG_perimeter庫(kù)中提供了邊界和周界計(jì)算函數(shù)，即IMG_boundary和IMG_perimeter。通常在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中用于結(jié)構(gòu)化操作。

IMG_sobel在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中通常使用邊界檢測(cè)技術(shù)。在許多算法中都存在邊界檢測(cè)技術(shù)，最通用的是Sobel邊界檢測(cè)。IMG_sobel子程序提供了一個(gè)