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基于PCI總線的嵌入式實時DSP圖像采集系統(tǒng)
摘要：以交通十字路口實時DSP圖像采集系統(tǒng)為例，說明了基于PCI總線的DSP圖像采集系統(tǒng)的優(yōu)點，并詳細闡明了系統(tǒng)的硬件結構和基于VxWorks操作平臺的軟件實現(xiàn)，最后介紹了系統(tǒng)實現(xiàn)的效果。關鍵詞：PCI總線 DSP VxWorks操作系統(tǒng) 圖像采集系統(tǒng)
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(xiàn)的圖像采集系統(tǒng)。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(tǒng)。這種方法發(fā)揮了ＤＳＰ的高速性能又具有相當大的靈活性，而且開發(fā)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(tǒng)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(tǒng)的需要。
１ 基于ＰＣＩ總線的ＤＳＰ圖像采集系統(tǒng)
本系統(tǒng)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(jiān)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(tǒng)拍下車輛的行為并把數(shù)據(jù)傳送到ＤＳＰ進行處理，然后經(jīng)ＰＣＩ總線把處理后的數(shù)據(jù)上傳到上位機。當然這套系統(tǒng)也可用于其他的監(jiān)控系統(tǒng)，如樓宇監(jiān)控等，其硬件系統(tǒng)基本一致，只是軟件功能有所區(qū)別。
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本系統(tǒng)采用ＴＩ公司Ｃ６０００系列ＤＳＰ中的ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１作為系統(tǒng)的ＣＰＵ。圖像數(shù)據(jù)通過攝像機采集并輸出模擬圖像信號。這些信號經(jīng)視頻解碼芯片轉換為數(shù)字信號；再經(jīng)ＦＩＦＯ輸入ＤＳＰ進行圖像的增強、分割、特征提取和數(shù)據(jù)壓縮等；然后輸出信號經(jīng)ＰＣＩ解碼芯片轉換為符合ＰＣＩ總線規(guī)范的標準信號，通過ＰＣＩ總線接口傳到上位機。系統(tǒng)的控制邏輯由ＥＰＬＤ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）控制器實現(xiàn)。系統(tǒng)結構圖如圖１。
（１）視頻解碼芯片
系統(tǒng)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(shù)據(jù)到ＦＩＦＯ。其中亮度信號Ｙ為８位、色度信號Ｃｒ和Ｃｂ合為８位數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)寫入ＦＩＦＯ時需要在ＦＩＦＯ之間實現(xiàn)乒乓切換。這時一行７２０×１６ｂｉｔ的數(shù)據(jù)在兩片ＦＩＦＯ中存儲變?yōu)椋常叮啊粒常玻猓椋簟善疲桑疲峡梢詽M足上述要求。ＦＩＦＯ的初始化及時序由ＥＰＬＤ實現(xiàn)。
（２）ＤＳＰ圖像處理模塊
ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１是ＴＩ公司發(fā)布的面向視頻處理領域的新款高速數(shù)字處理芯片，適用于移動通信基站、圖像監(jiān)控、雷達系統(tǒng)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(shù)據(jù)存在Ｗｉｎｂｏｎｄ公司的兩片１２８Ｍｂｉｔ的Ｗ９８１２１６ＢＨ中；系統(tǒng)程序則固化在ＦＬＡＳＨ存儲器中，該存儲器選用ＡＭＤ公司生產(chǎn)的８Ｍｂｉｔ的ＡＭ２９ＬＶ８００Ｂ。Ｆｌａｓｈ存儲器具有在線重寫入功能。這對系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)所需的內(nèi)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(nèi)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(zhí)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(xiàn)高速度、高效率。ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１只有在流水線充分發(fā)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(yōu)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(tǒng)流水線的取指、數(shù)據(jù)訪問和乘法
操作上的瓶頸。
本系統(tǒng)ＤＳＰ主要完成從ＦＩＦＯ讀出數(shù)據(jù)的處理以及壓縮等。數(shù)據(jù)處理由自行編寫的算法實現(xiàn)，數(shù)據(jù)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(tǒng)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(nèi)可以處理４８Ｍ（０．０３×１６００ＭＩＰＳ）條指令。ＤＳＰ讀出ＦＩＦＯ中的行數(shù)據(jù)并存入ＳＤＲＡＭ，一幀圖像有５７６行，在最后一行時會收到系統(tǒng)的幀中斷，這時ＳＤＲＡＭ中的圖像數(shù)據(jù)總共有１４４０×５７６＝８１０ＫＢ。讓Ｃ６２１１用３６Ｍ條指令周期的時間處理８１０ＫＢ的數(shù)據(jù)顯然綽綽有余。粗略的計算過程如下：
系統(tǒng)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，因此一幀圖像的ＦＤＣＴ，共需要（１１＋２９）×７２０×５７６×２／６４＝５１８４００個指令周期；對于量化模塊，每８×８矩陣需要６４個量化指令周期，一幀需要６４×７２０×５７６×２／６４＝８２９４４０個指令周期；對于編碼部分，假設編碼后非０元素占２５％，對每８×８矩陣進行Ｚｉｇ－Ｚａｇ掃描、編碼估計需要１２０個指令周期，則共需１２０×７２０×５７６×２／６４＝１５５５２００個指令周期。按以上計算，在系統(tǒng)中進行ＪＰＥＧ編碼大約需要２９０３０４０個指令周期，耗時１９．３５３６ｍｓ（ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１工作在１５０ＭＨｚ時）�？梢钥闯�，實際需要的指令遠小于３６Ｍ條，而時間也遠小于３０ｍｓ，ＤＳＰ完全可以實時處理從ＦＩＦＯ傳過來的數(shù)據(jù)。
（３）ＰＣＩ總線模塊
ＰＣＩ總線規(guī)范吸引人的地方不僅是其高速度，更在于它適應了現(xiàn)代Ｉ／Ｏ設備對系統(tǒng)的要求，對ＰＣＩ擴展卡及器件能進行全自動配置，并且只需很少的接口邏輯就可以實現(xiàn)并支持其他總線系統(tǒng)。
ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１的ＨＰＩ口不支持ＰＣＩ總線的無縫接口。本系統(tǒng)采用ＴＩ公司的ＰＣＩ２０４０實現(xiàn)ＤＳＰ的ＨＰＩ與ＰＣＩ總線的連接。ＤＳＰ處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)ＨＰＩ口輸出到ＰＣＩ２０４０進行解碼，然后輸出到ＰＣＩ總線上。其邏輯結構如圖３所示。
ＰＣＩ２０４０是ＴＩ公司設計的專門用來完成Ｃ５０００系列和Ｃ６０００系列ＤＳＰ與ＰＣＩ總線進行接口的專用芯片。ＰＣＩ２０４０符合ＰＣＩ局部總線２．２規(guī)范，能夠方便地實現(xiàn)ＰＣＩ總線與ＴＭＳ３２０Ｃ５４Ｘ或ＴＭＳ３２０Ｃ６Ｘ ＤＳＰ的ＨＰＩ接口的無縫連接。ＰＣＩ２０４０可以兼容３．３Ｖ和５Ｖ，以適應不同的ＰＣＩ總線電壓。ＰＣＩ２０４０與Ｃ６２１１之間不需要信號的電平轉換，也不需要額外的控制邏輯電路，接口電路十分簡單。
在本系統(tǒng)中，ＰＣＩ２０４０上存在兩種電壓：５Ｖ和３．３Ｖ。其中３．３Ｖ是ＨＰＩ口電壓，５Ｖ是ＰＣＩ總線電壓。ＰＣＩ２０４０啟動時需要對其ＰＣＩ總線寄存器和ＨＰＩ寄存器參數(shù)進行預加載。系統(tǒng)中ＰＣＩ解碼模塊包括一塊配置ＲＯＭ——ＡＴ２４Ｃ０８Ａ，屬于ＥＥＰＲＯＭ型ＲＯＭ，便于對配置參數(shù)修改和升級。當系統(tǒng)啟動時，存儲在ＡＴ２４Ｃ０８Ａ的數(shù)據(jù)下載到ＰＣＩ２０４０的寄存器中并進行配置。
圖３中ＨＩＮＴ[３:０]、ＨＣＳ[３:０]、ＨＲＤＹ[３:０]、ＨＲＳＴ[３:０]分別與四片ＤＳＰ中的相應信號相連。即ＰＣＩ２０４０可以同時與四片ＤＳＰ接口。
２ 系統(tǒng)的軟件設計
本軟件系統(tǒng)包括兩部分，即底層軟件和系統(tǒng)軟件。
底層軟件主要是ＤＳＰ圖像處理算法以及啟動等運行程序。這些程序主要在ＣＣＳ環(huán)境下由Ｃ語言編寫并進行匯編優(yōu)化。ＣＣＳ即Ｃｏｄｅ Ｃｏｍｐｏｓｅｒ Ｓｔｕｄｉｏ，是ＴＩ公司發(fā)布的ＤＳＰ軟件運行環(huán)境。
在系統(tǒng)軟件方面，基于ＰＣＩ總線的圖像處理系統(tǒng)面臨的難點頗多，其中難度最大的是ＰＣＩ驅動問題。當然這對于不同的系統(tǒng)軟件可能難度各異。若在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)下，可以充分利用Ｗｉｎｄｏｗｓ的窗口特性：一方面，因為Ｗｉｎｄｏｗｓ技術成熟，軟件編寫相對比較簡單；另一方面，在Ｗｉｎｄｏｗｓ平臺下，ＰＣＩ驅動無需開發(fā)，可以直接利用Ｗｉｎｄｏｗｓ的ＰＣＩ驅動程序實現(xiàn)圖像卡的驅動。但是Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)比較龐大，而且無法依照系統(tǒng)的需要進行自由裁減，不適合做成嵌入式系統(tǒng)。這里主要闡述在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統(tǒng)下的軟件設計方法。
相對于Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)，ＶｘＷｏｒｋｓ的優(yōu)點表現(xiàn)在：①ＶｘＷｏｒｋｓ系統(tǒng)具有較好的可裁減性，可裁剪的組件超過８０個，用戶可根據(jù)自己系統(tǒng)的功能目標通過交叉開發(fā)環(huán)境方便地配置；②ＶｘＷｏｒｋｓ支持應用程序的動態(tài)鏈接和動態(tài)下載，開發(fā)者省去了每次調(diào)試都將應用程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核進行鏈接和下載的步驟，縮短了編輯／調(diào)試周期；③ＶｘＷｏｒｋｓ具有較好的兼容性，它是最早兼容ＰＯＳＩＸ１００３．１ｂ標準的嵌入式實時操作系統(tǒng)之一；④ＶｘＷｏｒｋｓ具有很高的可靠性和穩(wěn)定性；⑤ＶｘＷｏｒｋｓ具有很好的實時性，實時性的強弱以完成規(guī)定功能和做出響應時間的長短來衡量。ＶｘＷｏｒｋｓ的多任務機制對任務的控制采用了優(yōu)先級搶占（Ｐｒｅｅｍｐｔｉｖｅ Ｐｒｉｏｒｉｔｙ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）和輪轉調(diào)度（Ｒｏｕｎｄ－Ｒｏｂｉｎ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）機制。這充分保證了可靠的實時性，使同樣的硬件配置能滿足更強的實時性要求，為應用的開發(fā)留下更大的余地。
為闡明如何在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統(tǒng)下實現(xiàn)ＰＣＩ總線的驅動，還需了解ＰＣＩ設備的配置空間。ＰＣＩ設備有三種物理存儲空間：配置空間、存儲器空間和Ｉ／Ｏ空間。配置空間是長度為２５６字節(jié)的一
段連續(xù)空間，空間的定義如圖４?眼１?演。在配置空間中只讀空間有設備標識、供應商代碼、修改版本、分類代碼以及頭標類型。其中供應商代碼用來標識設備供應商的代碼；設備標識用來標識某一特殊的設備；修改版本標識設備的版本號；分類代碼用來標識設備的種類；而頭標類型用來標識頭類型以及是否為多功能設備。除供應商代碼之外，其他字段的值由供應商分配。
基地址寄存器最重要的功能是分配ＰＣＩ設備的系統(tǒng)地址空間。在基地址寄存器中ｂｉｔ０（最低位）用來標識存儲器空間還是Ｉ／Ｏ地址空間，基地址寄存器映射到存儲器空間時ｂｉｔ０為“０”，映射到Ｉ／Ｏ地址空間時ｂｉｔ０為“１”。
ＰＣＩ設備的驅動過程主要包括下面幾個步驟：
首先，ＰＣＩ設備的查找。在嵌入式操作系統(tǒng)中一般提供相應的ＡＰＩ函數(shù)查找。在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統(tǒng)中通過函數(shù)ｐｃｉＦｉｎｄＤｅｖｉｃｅ(ＰＣＩ＿ＶＥＮＤＯＲ＿ＩＤ,ＰＣＩ＿ＤＥＶＩＣＥ,ｉｎｄｅｘ, ＆ｐｃｉＢｕｓ, ＆ｐｃｉＤｅｖｉｃｅ，＆ｐｃｉＦｕｎｃ_可以找到供應商代碼為ＰＣＩ＿ＶＥＮＤＯＲ＿ＩＤ、設備標識為ＰＣＩ＿ＤＥＶＩＣＥ的第ｎ（ｉｎｄｅｘ＋１）個設備，并且返回總線號、設備號以及功能號，分別保存于＆ｐｃｉＢｕｓ、＆ｐｃｉＤｅｖｉｃｅ、＆ｐｃｉＦｕｎｃ中。
其次，ＰＣＩ設備的配置。通過操作系統(tǒng)提供的ＡＰＩ函數(shù)訪問ＰＣＩ設備的配置空間，配置ＰＣＩ設備基址寄存器的配置、中斷配置、ＲＯＭ基地址寄存器的配置等，這樣可以得到ＰＣＩ的存儲器空間和Ｉ／Ｏ地址空間映射、設備的中斷號等。在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統(tǒng)中訪問ＰＣＩ設備配置空間的ＡＰＩ函數(shù)有ｐｃｉＣｏｎｆｉｇＯｕｔＬｏｎｇ、ｐｃｉＣｏｎｆｉｇＩｎＬｏｎｇ等，它們分別完成對ＰＣＩ設備配置空間的讀寫操作。
然后，根據(jù)ＰＣＩ設備的配置參數(shù)，對不同的設備編寫初始化程序、中斷服務程序以及對ＰＣＩ設備存儲空間的訪問程序。
很顯然，用ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統(tǒng)實現(xiàn)雖然有一定的難度，但是系統(tǒng)具有很大的靈活性，系統(tǒng)比較小、適應性強，并且可以在工業(yè)控制計算機上運行。
圖像采集系統(tǒng)的關鍵在于如何對大容量的信息進行暫存、壓縮和傳輸?shù)葐栴}進行處理。本系統(tǒng)很好地解決了這三個難題。在圖像信息暫存方面充分利用了ＤＳＰ存儲空間的可擴展性，保證了系統(tǒng)可暫存的信息量足夠大；信息壓縮是ＤＳＰ最擅長做的事情，可以在很短的時間內(nèi)完成大量的信息壓縮工作；ＰＣＩ總線的引入保證了信息在足夠的帶寬下進行快速傳輸。采用嵌入式ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統(tǒng)實現(xiàn)使得系統(tǒng)具有良好的靈活性和適應性，并大大降低了系統(tǒng)的成本。
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