（机械电子工程专业论文）基于dsp的车牌识别系统的研究.pdf

中国农业大学硕十学位论义摘要 摘要 随着车辆的日益增多，智能交通成为目前世界交通运输领域的前沿研究课题。车辆监视和识 别是智能交通系统中重要的组成部分，而车牌识别是车辆监视和识别的重要手段。针对目前车牌 识别的研究和应用情况，本文提出了一种基于数字信号处理器的车牌识别嵌入式系统设计方案。 系统利用t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 数字信号处理器作为中央处理器，扩展视频解码芯片和通讯芯片等外 阐电路，可独立完成车辆图像的采集、车牌的识别等功能，并能与电脑主机进行实时数据传输。 在软件识别算法设计上本文提出了利_ e i j 直方图均衡化算法对采集的车辆图像进行预处理，提高 了系统对采集图像的适应能力。对丁i 车牌的分割及字符的识别算法，本文也进行了研究和探讨。 实验结果标明，本文所设计的硬件运行正常，所采用的图像增强算法对车辆图像质量提升效果显 著，所选择的车牌定位及识别算法也具有一定的实时性和实用性。 关键词：嵌入式系统，d s p ，图像处理，车牌识别 中国农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t 舅皇皇曼曼曼璺量曼曼曼曼写暑量舅曼目皇量毒曼皇皇量曼算皇量| e 曼置曼皇皇曼曹曼量_ l 量量警舞量 a b s t r a c t w i t ht h er a p i di n c r e a s eo fa u t o m o b i l e ，t r a f f i ch a sb e e nm a k i n gg r e a t e ri m p a c to nt h el i f eo ft h e c i t i e s m e a n w h i l e ，an e wt r a f f i cp r o j e c t - - i n t e l l i g e n c et r a n s p o r ts y s t e mi sb e c o m i n gaf o r w a r dr e s e a r c h a u t o m o b i l es u r v e i l l a n c ea n dr e c o g n i t i o na l et h ei m p o r t a n tp a r t so fi n t e l l i g e n c et r a n s p o r ts y s t e m ，a n d m o s tt i m ew er e c o g n i z ev e h i c l eb ym e a n so f a u t o m o b i l el i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o n t h i sa r t i c l ep r e s e n t sa d e s i g no fe m b e d d e ds y s t e mw h i c hb a s e do nd i s t a ls i g n a lp r o c e s s o r t h ec p ui ns y s t e mi s t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 i tc a l ld ot h ea u t o m o b i l es u r v e i l l a n c ee n dr e c o g n i t i o ni n d e p e n d e n t l y , p r o c e s st h e i m a g eo fa u t o m o b i l ew h i c hd e c o d e db yv i d e od e c o d ec i r c u i ta n dc o m m u n i c a t ew i t hc o m p u t e r t h ep r o g r a mo nt h i ss y s t e ma l s ot a k e sh i s t o g r a me q u a l i z a t i o na s ap a r to f t h ea r i t h m e t i co fa u t o m o b i l e l i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o n t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ed e s i g no f t h i ss y s t e mi sf e a s i b l e t h e n e wa r i t h m e t i ci sr e m a r k a b l ei ne n h a n c i n gt h ea u t o m o b i l ei m a g e a n dt h ep r o g r a mo fr e c o g n i t i o ni s r e a l - t i m ea n dp r a e f i c a b l e k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，d s p ，i m a g ep r o c e s s i n g ，a u t o m o b i l el i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：罗 姊式 时间：2 口。f 年月辟日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：武瑞弑 导师签名：镩荻 时间： 时问：只日 箩 月月 f参 年年 ，8 否加彬 中国农业大学硕十学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 智能交通 智能交通系统( i n t e l l i g e n c et r a n s p o r ts y s t e m ，i t s ) 是目前世界交通运输领域的前沿研究课题。 随着社会经济的发展、汽车数量急剧增加，对交通控制、安全管理、收费管理的要求也日益提高， 运用电子信息技术实现安全、高效的智能交通成为交通管理的主要发展方向。 智能交通就是将先进的信息技术、计算机技术、数据通信技术、传感器技术、电子控制技术、 自动控制理论、运筹学、人下智能等有效地综合运用于交通运输、服务控制和车辆制造，加强了 车辆、道路、使用者三者之间的联系，从而形成种定时、准确、高效的综合运输系统。智能交 通系统就是以缓和道路堵塞和减少交通事故，提高交通利用者的方便、舒适为目的，利用交通信 息系统、通讯网络、定位系统和智能化进行分析与选线的交通系统的总称。 智能交通系统最为发达的国家和地区是美国、日本和欧盟，形成三大智能交通系统的体系结 构。 美国的智能交通系统的重点是智能车路系统。在美国智能运输协会1 9 9 4 年出版的“i t s 框架 发展计划”报告中，确定智能交通系统的2 9 个用户服务功能，并将其分为7 个服务领域。 1 先进的交通管理系统( 简称a t m s ) 2 先进的出行者信息系统( 简称a t i s ) 3 先进的车辆控制系统( 简称a v c s ) 4 商业车辆运营系统( 简称c v o ) 5 先进的公共运输系统( 简称a p t s ) 6 先进的城间运输系统( 简称a r t s ) 7 自动公路系统( 简称a h s ) 日本投有明确地提出i t s 体系结构的概念，但在1 9 9 6 年由五家政府部门合作制定了推进智 能交通运输系统整体构思，成为日本交通信息化与智能化发展的基本方案，该方案划分了9 个 领域： 1 智能导航系统 2 不停车收费系统 3 安全驾驶系统 4 交通管理系统 5 公路高效管理系统 6 公共交通管理系统 7 ， 运输车辆管理系统 8 行人帮助系统 9 乍辆紧急救援系统 欧盟国家智能交通系统的研究通过欧洲汽车安全专用道路设施计划( d r i v e ) 开展的。在 d r i v e 计划中，取得6 个方面的成果： 1 交通需求管理 2 出行与交通信息 中国农业夫学硕士学位论文 第一章绪论 3 综合性的城市交通管理 4 综合性的城市间道路交通管理 5 货车运行管理 6 公路客运管理1 1 1 1 2 车辆识别在智能交通的应用 车辆监视和识别是智能交通系统中重要的组成部分，对车辆的智能化管理经常需要对车辆“身 份”进行识别和辨识。日前，基于多种原理的乍辆识别技术已经广泛应用于公路收费、停车管理、 交通诱导、交通执法、公路稽查、车辆调度、车辆检测等各种场合。 1 监控报警 对丁纳入“黑名单”的车辆，例如：被通缉或挂失的车辆、欠交费车辆、未年检车辆、肇事 逃逸及违章车辆等，只需将其资料输入到应用系统中，车辆识别设备安装丁指定的路口、卡口或 由执法人员随时携带按需要放置，系统将识读所有通过车辆并与系统中的名单比对，一旦发现指 定车辆立刻发出报警信息。系统可以全天不间断工作、不会疲劳；可以在车辆行驶过程中完成任 务不影响正常交通：整个监视过程中司机也不会觉察、保密性高。这种系统的应用将极大的提高 执法效率。 2 车辆出入管理 将车辆识别设备安装于出入口，记录车辆的出入时间，并与自动门、栏杆机的控制结合，实 现车辆的自动管理。应用于停车场可以实现自动计时收费，也可以自动计算空车位数量并给出提 示，实现停车收费自动管理节省人力、提高效率。应用于智能小区可以自动判别驶入车辆是否属 于小区内部，对非内部车辆实现自动计时收费。 3 自动放行 将指定的车辆信息输入系统，系统自动地识读经过车辆并查询内部数据库。对于需要自动放 行的车辆系统驱动电子门或栏杆机让其通过对于其它车辆系统会给出警示，由值勤人员处理。 可用于特殊单位( 如军事管理区、保密单位、重点保护单位等) 、路桥收费 口、高级住宅区等。 4 高速公路收费管理 在高速路的各个出入口安装车辆识别设备，车辆驶入时将入口资料存入收费系统，车辆到达 出口时再次识别并调用入口资料，结合出入口资料实现收费管理。这种应用可以实现自动计费并 可防止作弊，从而避免了应收款的流失。 1 2 车辆识别技术 目前，车辆自动识别技术主要有两种：一种是采用射频识别技术( r f i dr a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ) 。射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对 象并获取相关数据，识别工作无须人t 干预，可工作于各种恶劣环境，r f i d 技术可识别高速运 动物体并可同时识别多个标签。主要通过在车辆上安装带有车辆信息的电子标签或车牌，并在所 需要的检查何置安装检测装置实现对车辆的自动识别，此技术主要应用在小区或固定车辆的停车 场而无法广。泛应用。其主要原因是r f i d 作用距离比较小，且需要在所有车辆上增加一个电子标 识，所以就目前来看，r f i d 广泛应用于车辆识别的代价太高。但相信随着r f i d 技术的成熟，其 应用范围会越来越广泛。 车辆自动识别的另一种方法为视频车牌识别技术。车牌识别主要是通过摄像头采集车辆图 2 中国农业人学硕 ：学位论文第一章铺论 像，并运用图像处理、图像分析和模式识别等技术自动识别车辆牌照号码。汽车车牌号码是车辆 的唯一“身份”标识，视频车牌自动识别技术可以在汽车不作任何改动的情况卜实现汽车“身 份”的自动登记及验证。与其他技术相比，视频车牌识别成本低，实现简单，维护方便，冈而目 前的车辆识别产品大多采用此技术。 1 ，2 1 车牌识别实现原理 牌照自动识别是一项利用车辆的动态视频或静态图像进行牌照号码、牌照颜色自动识别的模 式识别技术。一个完整的牌照识别系统应包括车辆检测、图像采集、牌照识别等儿部分( 图1 - 1 ) 。 其硬件基础一般包括触发设备( 监测车辆是否进入视野) 、摄像设备、照明设备、图像采集设备、 识别车牌号码的处理部分( 如计算机) 等。其软件核，t 5 包括车牌定位算法、车牌字符分割算法与 光学字符识别算法等，常用流程如图1 2 所示。当车辆检测部分检测到车辆到达时触发图像采集 单元，采集当前的视频图像；牌照识别单元对图像进行处理，定位出牌照位置，再将牌照中的字 符分割出来进行识别，然后组成牌照号码输出。 图卜1 牌照识别系统 苏a 5 2 3 2 1 厂 厂l 广 乍牌定位 = = = 刮字符分割 = = = 刮字符识别f j 【，一jl。，一 1 2 2 车牌识别实现方法 图1 - 2 识别算法流程 对车辆图像识别的实现方法一般有= 种：软件实现法、硬件实现法和软硬结合实现法。 1 软件实现法 目前使用较多的是软件实现法。软件实现法即采用：“摄像机+ 图像采集卡+ 通用计算机+ 识别软件”的体系结构。在通用计算机上编制程序对车辆图像进行处理，其特点是灵活、方便和 可靠，并能做到分时复用。其缺点是系统成本比较高：由于计算机分时复用的特点使得识别时间 也变得不确定；识别软件与用户系统其它功能软件在一台计算机上同时运行，在可能受到其它软 件影响的同时，其稳定性也影响着系统其它软件的运行，使得整个系统存在隐患。 2 硬件实现法 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 根据数字图像处理的数学模型和算法，设计专垌或通用数字信号处理器，将计算程序全部硬 件化或主要运算功能硬件化。从技术实现的观点看，用通用计算机与用通用或专用数字信号处理 器去完成图像处理，并无本质区别。不过专用数字信号处理器进行图像处理的优点是速度快，可 以做到实时处理，设备利用率高，但是一经制成，其功能就不易改变。 3 软硬结合实现法 利用通用数字信号处理器和相应的软件，完成底层的处理，采_ h j 通用计算机配以高级语言编 程实现上层控制，以方便用户接口和控制，称为软硬件结合实现法，这可以认为是软件实现法和 硬件实现法的折中。 1 3 车牌识别研究现状 从2 0 世纪9 0 年代人们就开始了对汽车视频自动识别的研究。其主要途径是采用计算机图像 处理技术对车辆图像进行分析，提取车辆信息。随着计算机技术及摄像技术的发展，对车辆图像 进行车牌识别也成为可能。 车牌识别系统中，o c r 技术已经相对比较成熟。在车牌定位和字符分割这两个关键环节上， 虽然很多研究人员己进行了较为深入的研究，但目前仍还存在着很多的难题，导致整车牌的识别 成功率并不是很高。 由于世界各国车牌格式的不统一，目前世界各国的车牌识别研究大多专注于本国车牌的识 别。以色列的h i - t e c h 公司研制的s e e c a rs y s t e m 产品适应于几个不同国家的车牌，就针对中国 格式车牌的s e e c a rs y s t e m 而言，它不能识别汉字，且识别率有待提高。日本、加拿大、德国、 意大利、英国等西方发达国家都有适合于本国车牌的识别系统。 国外的车牌比较规范统一，而我国车牌规范不够，不同汽车类型有不同的规格、大小和颜色， 且位数不统一，有小功率汽车使用的蓝底白字牌照，大功率汽车所用的黄底黑字牌照，军车和警 车的白底黑字，红字牌照，还有国外驻华机构的黑底白字牌照等。就位数而言，有七位数字的， 有武警车九位数字的，有前两位字符上下排列的等。这些更阻碍了车牌识别在我国的发展。 国内做得较好的车牌识别产品主要有中科院自动化研究所汉王公司的“汉王眼”，北京智通 视讯科技发展有限公司的车牌识别仪等，国内的北京弗雷赛普公司、深圳市创通智能设备有限公 司等也都有自己的产品，另外西安交通大学的图像处理与识别研究室、上海交通大学的计算机科 学与上程系、清华大学、浙江大学等都做过类似的研究。 1 3 1 弗雷赛普车牌自动识别系统 弗雷赛普车牌自动识别系统是北京弗雷赛普公司开发的一种基于p c 的软件识别系统该系 统采用先进的视频检测、图像处理、模式识别和人= 智能技术，在大幅度提高效率的前提f 减轻 人力劳动，完成车牌识别的任务。加上数据库支持、网络支持、现场报警等工作模块，实现全过 程的自动化处理。 产品特点： 1 全天候7 2 4 小时实时识别行驶车辆牌照号码，适用于较人的车速范围： 2 自动生成车牌图像、车牌号码、车辆图像以及场景图像数据库在稽查应用中，可自动 比对内部车辆数据库信息，现场提示报警； 3 记录车辆彩色数字图像、行车地点、车牌号和过往时间等信息提供多种组合信息查询： 4 识别速度快，可保障不停车识别的设计要求； 4 中国农业丈学硕 ：学位论文第一章绪论 5 以车牌自动识别技术为核心，还可提供车辆流量统计、车辆视频跟踪、公共安全监控等 系统。 技术指标； 1 识别时间小于0 2 秒； 2 全天候7 2 4 小时连续_ 作； 3 全车牌识别率大于9 0 ，后四位识别率人于9 5 ； 4 最高车辆行驶速度1 5 0 公里d , 时； 5 对恶劣的天气环境、复杂的交通场景、耀眼的照明环境、模糊的车牌等问题，均有独到 的算法加以解决。 1 3 2 汉王眼车牌识别仪 “汉王眼”是中科院自动化研究所汉王公司开发的嵌入式硬件识别仪。“汉王眼”采用数字信 号处理器( d s p ) 作为识别算法的硬件运算平台，并摈弃了通常的c c d 外围电路，集视频采集、 自动调光、车牌定位、字符切分、字符识别、图像压缩、数据传输和自动温度控制于一体，独立 运行于应用系统之外，在节省了应用系统软硬件资源的同时，大大提高了系统的坚固性和稳定性。 技术特点： 1 具有相对同等级的通用运算处理器更高的性能晶质； 2 自适应光圈快门，解决逆光、大灯眩光问题； 3 具有很高的稳定性、可靠性和极低的功耗： 4 i p 6 6 级防护外壳，自动温控，适应各种恶劣：j ：作环境： 5 一体化辅助光源自动补光功能。 技术指标： 1 车牌定位率： 9 9 ； 2 车牌整牌识别率：9 5 ： 3 车牌字符识别率： 9 9 ； 4 车辆速度范围：0 2 5 0k m h ： 5 单车牌识别时间： 0 4 秒。 1 4 研究意义 目前车牌识别产品大多数采用的是软件实现法。由于图像处理运算复杂且与系统管理软件在 同一台计算机上运行，车牌识别的性能过分依赖计算机硬件系统。更由于图像处理的复杂性，使 得在一台计算机很难实现多通道车牌的软件识别。嵌入式车牌识别设备与软件实现相比，其成本 较低，对计算机系统性能依赖性小，采用嵌入式车牌识别设备将会大大降低系统成本。我国是一 个发展中国家，智能交通的发展也是刚刚起步，车牌识别设备有着j “阔的市场前景。所以，设计 一款独立性好，适应范围广的低成本嵌入式车牌识别产品是很有必要的。 世界各国的研究人员对车牌识别的算法进行了很长时间的研究，一些性能优秀的算法只是掌 握在少数儿个公司和个人手里，因此。对车牌识别算法进行研究和探讨对车牌识别技术的推广具 有一定的实际意义。 5 中国农业人学硕十学位论文 第一章绪论 1 ，5 研究内容 本课题旨在设计一种基丁j 数字信号处理器( d s p ) 的嵌入式车牌识别系统。系统能够将摄像 头的视频信号经模数转换后读到d s p 内进行独立地实时处理和辨识，并将识别结果通过串口传送 到计算机进行保存和管理。 主要研究内容 l 、午牌图像识别总体方案设计； 2 、硬件电路设计，搭建硬件电路平台； 3 、利用t id s p 编译器编制系统的软件 4 、车牌图像处理方法的研究 5 、验证所设计图像处理方法的有效性。 1 6 本章小结 本章针对目前车辆识别的研究和应用情况，介绍了目前车牌识别的技术原理及其实现方法 对车牌识别研究的意义也进行了探讨。最后对本文的研究内容做了简单的介绍。 6 第二章系统硬件方案设计 2 1 系统整体方案设计 系统硬件结构如图2 - i 所示。系统从摄像头获取模拟信号，经视频转换芯片转换为数字信号， c p l d 芯片根据视频同步信号和时钟采样信号，由内部逻辑产生存储时序，将视频数据保存在_ ) 。c 口r a m 中，d s p 芯片对双口r a m 内部的视频数据进行识别和处理，将识别的结果通过串1 2 发 送至计算机进行保存和管理，扩展的键盘和l c d 可以对系统的各项参数进行设置。 厂 竺 l 一 广 摄像头 2 2d s p 处理器 2 2 1d s p 简介 f 图2 1 系统整体结构设计框图 d s p 即数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，是一种专用于数字信号处理的微处理器。 由于d s p 芯片采用哈佛结构、具有专门的硬件乘法器、采用流水线操作和提供特殊的数字信号处 理指令，因此可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。与普通的处理器相比，d s p 处理器具 有以下特点： 1 、存储器结构 众所周知，微处理器的存储结构分为两大类：冯诺依曼结构和哈佛结构。典型的冯诺依 7 匀 匀司f 0 臼 同罔 中国农业大学硕上学位论文 第二章系统硬件方案设计 曼结构的特点是只有一个存储器空间、一套地址总线和一套数据总线：指令、数据都存放在这个 存储器空间中，统一分配地址，所以处理器必须分时访问程序和数据空间。通常，做一次乘法会 发生四次存储器访问，用掉至少4 个指令周期。为了提高指令执行速度d s p 采用程序存储器空 间和数据存储器空间分开的哈佛结构和多套地址、数据总线。哈佛结构是并行体系结构，程序和 数据存于不同的存储器空间，每个存储器空间独立编址，独立访问。因此，d s p 可以同时取指令 ( 来自程序存储器) 和读操作数( 来自数据存储器) ；而且，还允许在程序空间和数据空间之间 相互传送数据。哈佛读写结构使得d s p 很容易实现单周期乘法运算。 2 、流水线 流水线结构将指令的执行分解为取指令、译码、取操作数和执行儿个阶段。在程序运行过程 众不通指令的不同阶段在时间上是重叠的，流水线结构提高了指令执行的整体速度，有助于保 证数字信号处理的实时性。 3 硬件乘法累加单元 由3 - d s p 任务包含大鼍的乘法一累加操作，所以d s p 处理器使用专门的硬件来实现单周期 乘法，并使用累加器寄存器来处理多个乘积的累加；而且几乎所有d s p 指令集都包含有m a c 指 令。 4 、零开销循环 d s p 算法的特点之一是主要的处理时间用在程序的循环结构中，因此大多数d s p 都有专门 的支持循环结构的硬件。所谓“零开销”，是指循环计数、条件转移等循环机制由专门硬件控制， 而处理器不用花费任何时间。而通常的通用处理器都是用软件来实现的。 5 、特殊的寻址方式 除了立即数寻址、直接寻址、间接寻址等常见寻址方式之外，d s p 支持一些特殊的寻址方式。 例如：为了降低卷积、自相关算法f f t 算法的地址计算开销，多数d s p 支持循环寻址和位倒序 寻址。 6 、高效的特殊指令 d s p 指令集设计了一些特殊的d s p 指令用于专门的数字信号处理操作。这些指令充分利用 了d s p 的结构特点，提高了指令执行的并行度，从而大大加快了完成这些操作的速度。例如 f i r s a d d 和l m s 指令，分别用丁对称结构f i r 滤波算法和l m s 算法。 7 、丰富的片外外设 根据应用领域的不同，d s p 芯片内集成了众多类型的硬件设备。如：定时器、串行口、并行 口、主机接口( h p i ) 、d m a 控制器、等待状态发生器、p u 。时钟产生器、j t a g 标准测试接口、 r o m 、r a m 及f l a s h 等，这些片内外设提高了处理速度和数据吞吐能力，简化了接口设计，同 时降低了系统的功耗并节约了电路板空间。 2 2 2d s p 芯片选择 d s p 芯片从出现到现在的2 0 年间发展迅速，已经有2 0 3 0 家厂商推出了上百种型号的产品。 除t i 公司的t m s 3 2 0 系列外，其他具有代表性并得到广泛发展虑用的d s p 芯片主要有a t & t 公 司的d s p l 6 、d s p 3 2 、i n m o s e 公司的a 1 0 0 、a 1 1 0 、n e c 公司的u p d 7 7 2 0 、u p d 7 7 2 3 0 m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 0 、d s p 9 6 0 0 0 等。l z l 本文所设计系统为图像处理应片j ，综合考虑多款芯片的价格和性能，选用t l 公司的 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 作为本系统主处理器。t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 是t i 公司的一款高性能1 6 位定点数字信 号处理器。它采用1 4 4 个引脚封装，最高主频可达1 6 0 m h z ，外部接口供电电压为3 3 v ，内核供 电电乐为1 6 v 。内部采用改进的哈佛结构，具有专用硬件逻辑的c p u ，较人的片内存储器和丰 8 中国农业大学颁1 ：学位论文第二常系统硬件方案设计 富的片内外围设备。其内部逻辑组成如图2 2 所示。 掣曲攀南 0 1 眨_ ： h 一。f 褥i 器院圣 煳 痢 嘲 趔蚯一曲震 恻 隔 _ 2 2 2 1 总线结构 图2 - 2t m s 3 2 0 v c 5 4 16 内部逻辑图 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 具有一组程序总线、3 组数据总线和4 组地址总线。程序总线( p b ) 传送从 程序存储器来的指令代码和立即数。3 组数据总线( c b 、d b 和e b ) 连接各种元器件，如c p u 、 数据地址产生逻辑、程序地址产生逻辑、片内外围设备和数据存储器。其中，c b 和d b 总线传 送从数据存储器读出的操作数，e b 总线传送写入到存储器的数据。4 组地址总线( p a b 、c a b 、 d a b 、e a b ) 传送执行指令所需要的地址。 2 2 22 中央处理器单元 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的中央处理单元( c p u ) 包括：一个4 0 位的算数逻辑单元( a l u ) ，两个 4 0 位的累加器( a c c a 和a c c b ) ，一个4 0 位的桶形移位器，1 7 x1 7 位乘法器( m a c ) ，4 0 位 加法器( a d d ) ，比较、选择和存储单元( c s s u ) ，各种c p u 寄存器等。 2 z 2 3 存储器组织 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 存储空间由三个独立的可选择空间组成：程序空间、数据空间和i o 空间。 1 、片内r o m t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 片上有1 6 k 1 6 位的掩膜r o m ，其布局如表2 1 所示。 9 中国农业大学硕士学位论文第二章系统硬件方案设计 表2 - 1t n s 3 2 0 v c 5 4 1 6 内部掩胰r o m 分配袭 a d d r e s s r a n g e c 0 0 0 h - d 4 f f hg s m 增强全比率( e f r ) 语音编码表 d 5 0 0 h - f 7 f f h 保留 f 8 0 0 h - f b f f hb o o t l o a d e r f c 0 0 h - f c f f h u 一律扩展表 f d 0 0 h _ f d f f h a 律扩展表 f e 0 0 h f e f f h 正弦函数表 f f 0 0 h f f 7 f h 保留 f f 8 0 h f f f f h 中断向量表 2 、片内r a m t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 片上有1 2 8 k 1 6 侥s r a m ，分为6 4 k x l 6 位烈访问存储器( d a r a m ) 和6 4 k 1 6 何单访问存储器( s a r a m ) 。 d a r a m 被分为8 个8 k 字大小的块，其中四块在数据存储空间的0 0 8 0 h - - 7 f f f h ，当设置o v l y 位为1 时，这四块可以被映射到程序或数据存储空间。另外四块位于程序存储空间的1 8 0 0 0 h - - 1 f f f f h ，当d r o m 位置1 时，这四块s a r a m 可以被射到数据存储空间。 s a r a m 也被分为8 个8 k 字大小的块，位丁程序存储空间的2 8 0 0 0 h - - 2 f f f f h 和3 8 0 0 0 h - - 3 f f f f h 地址。 2 2 2 4 片内外围设备 1 软件可编程等待状态发生器 软件可编程等待状态发生器能把外部总线周期扩展到最多1 4 个机器周期，以适应较慢的片 外存储器和i o 设备。 2 可编程分区切换逻辑 可编程分区切换逻辑允许v c 5 4 1 6 在外部存储器分区之间切换时不需要外部存储器等待状 态。当跨越外部程序或数据空间中的存储器分区界限寻址时，分区转换逻辑会自动地插入一个周 期，以此来防止总线竞争。 3 主机接口 主机接口( h p i ) 是一个8 b i t 或1 6 b i t 的并口，提供v c 5 4 1 6 与主处理机的接1 2 1 。主机可以通 过h p i 访问v c 5 4 1 6 的片内存储器，并且通过它进行信息交换。 4 定时器 v c 5 4 1 6 带有一个1 6 位定时器，这个定时计数器在每个时钟周期结束后减1 ，每当定时器置 0 时就会产生一个定时中断。可以通过设置特定的状态位来使定时器停n 恢复运行、复位或禁 止。 5 串口 v c 5 4 1 6 具有三个全双工多通道缓冲串口( m c b s pm u l t i - c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a lp o r t s ) ，最多 支持1 2 8 通道，可调的数据传输位数：8 ，1 2 ，1 6 ，2 0 ，2 4 或3 2 位。 6 时钟发生器 时钟发生器是由个内部振荡器和一个锁相环电路组成。它可以由内部的晶振或外部的时钟 源驱动。锁相环电路能使时钟源乘以一个特定的系数，来得到一个比外部时钟源高的内部c p u 时钟，所乘的系数由时钟模式寄存器( c l k m d ) 确定。 在r s 引脚为低时，系统取样外部c l k m d l 一c l k m d 3 引脚，并由此初始化时钟模式寄存器 1 0 中国农业大学硕卜学位论文 第二章系统硬件方案设计 ( c l k m d ) 的初始值。系统初始化后，可以通过软件重新设置c l k m d 的值。r s 引脚为低时， 外部引脚c l k m d l 一c l k m d 3 与寄存器c l k m d 的对应关系如表2 - 2 所示。 表2 - 2c l k i d 1 一c l k n i ) 3 与寄存器c l k g d 对应关系表 c l l 口讧d 1c l k m d 2c l l a 讧d 3c l k m i ) 初始值c l o c km o d e 0o00 0 0 0 hl 2 0ol9 0 0 7 hp l l l o 01o4 0 0 7 hp l l 5 lool 0 0 7 hp l l 2 11 o f 0 0 7 hp l l 1 1l 1 0 0 0 0 h1 2 i o l f 0 0 0 h1 4 o l l 保留 2 2 2 5 外部总线接口 v c 5 4 1 6 能对6 4 k 字的数据存储器、8 m 字的程序存储器和6 4 k 字的1 6 b i t 并行i o 寻址。对 外部存储器或i oi ：1 的访问是通过外部总线进行的。独立的空间选择信号d s 、p s 、i s 允许进行 物理上分开的空间选择，接口的外部r e a d y 输入信号和软件产生的等待状态，允许处理器与各 种不同速度的存储器和i o 设备相连。 a z z ：o i t d f l 5 ： 忖* t d l c u o _ - u s l d l 叶。眦期鲥， 图2 - 3 外部存储器读取时序图 c 、厂、厂、厂、 卜十一t d ( c l k i - a ) ： ii 1 ； 卅嘲c l k l 删茹卜 t d l c l k l 枷 d | 1 5 ：0 0 铀。馥札埘鲥， 图2 - 4 外部存储器写时序图 脚2 z o t d 爱0 l | 斟一切( c l k l - a )l 横c l k l ) ) l ：厂 a 1 5长丑r e a o r s 图2 - 1 3t m s 3 2 0 v c 5 4 16 与液晶模块连接示意图 液晶复位引脚r e l 、与d s p 复位引脚r s 相连，系统上电后自动复位。液晶模块扩展至d s p 的i o 存储区，i o 空间访问信号线i o s t r b 与i o 地址线a 1 5 相与作为液晶使能信号。液晶的 r s 为数据、命令寄存器选择脚，与v c 5 4 1 6 的地址线a 0 相连，所以扩展的液晶占用两个i o 口 地址，i o 口地址分为：数据端口地址0 x 7 f f e 和命令端口0 x 7 f f f 。 2 6 通讯接口设计 d s p 应用系统中扩展异步串口的方案基本有两种，其基本方法和优缺点如下： 1 、在d s p 的并行总线上扩展u a r t 芯片( 如t 1 公司的t l l 6 c 5 5 2 ) ，用硬件实现异步 数据传输。有点是软件实现简单，缺点是在总线上还需扩展其他设备，这样做目标系统复杂 化，增加系统体积。 2 、利用d s p 的m c b s p 和d m a ，在不扩展其他硬件的情况下，用软件实现异步数据传 输格式。这种方法的优点在于硬件简单，但软件复杂，加大了c p u 的负担，所以不适合通 信数据量大的场合。 本设计采用第一种方案，系统采用t l l 6 c 7 5 2 b 通用异步收发器与v c 5 4 1 6 的外部存储器接 口直接连接。其接口电路如图2 1 4 所示。 i 。7 d o d 7 a 2 a 0a 2 一a o t m s ，：。v c s 。，s t l l 6 c 7 5 2 b 噬 1 0 r i o 叭 e i n t i c p l d c s a 意 c s b i n t a i o s t r b n q t b 图2 1 4d s p 与t l l 6 g 7 5 2 b 连接示煮图 1 9 中国农业大学硕上学位论文第二章系统硬件方案设计 | | e 罾目e 目目! | e ! | e 目e g e 目| ! ! 自e | | 寡! 自，_ i i e t l l 6 c 7 5 2 b 芯片采用8 位异步并行存储器接口，并采用+ 3 3 v 电源供电，通过c p l d 时序逻 辑与d s p 相连。其上包含两路相互独立的收发器，接收和发送各带6 4 字节f i f o ，并各自带有 m o d e m 接口信号，最高传输速度可达1 5 m b p s 。系统将t l l 6 c 7 5 2 b 配置在v c 5 4 1 6 的i o 空间， a 、b 二个通道所占的地址范围为：a 路：0 x b f f o 0 x b f f 7 ：b 路：0 x b 蠕0 x b 箭。 t l l 6 c 7 5 2 b 与计算机的接口采用m a x 3 1 6 0 多协议收发器，使得异步串口接口电平可配置为 r s 2 3 2 瓜s 4 2 2 r s 4 8 5 多种电平标准。t l l 6 c 7 5 2 b 与m a x 3 1 6 0 的连接如图2 1 5 所示。 图2 1 5t l l6 0 7 5 2 b 与m a x 3 1 6 0 连接示意图 m a x 3 1 6 0 上的引脚r s 4 8 5 r s 2 3 2 用于选择_ t 作在r s 4 2 2 r s 4 8 5 还是r s 2 3 2 接口标准。引脚 h d p l x 则用于选择是r s 4 2 2 还是r s 4 8 5 ，引脚f a s t 用于控制信号转换率。考虑本系统工作环 境比较恶劣，本系统采用4 8 5 通讯标准。使用低的信号转换率保证了通讯的稳定性。 2 7j t a g 接口设计 i e e e l l 4 9 1 标准颁布后，t i 公司为其以后的d s p 器件均设置符合国际标准的j r a g 逻辑测 试口，通过j t a g 测试口访问和调试t i d s p 芯片。仿真电缆和d s pj t a g 测试口的连接是通过一 个1 4 脚的插头座( 仿真头) 来实现的。仿真头上信号连接关系如图2 1 6 所示： t r s t g n d n c g n d g n d g n d e m u l 中国农业大学硕上学位论文 第二章系统硬件方案设计 其中主要引脚t d i 和t d o 是测试数据的输入和输出，t m s 是测试模式选择。t c k 和 t c kr e t 是测试时钟的输出和返同。 如果d s p 和仿真器之间的连接电缆不超过6 i n ( 1 5 2 6 e m ) ，他口j 之间可以不加缓冲驱动器， 采用如图2 ，1 7 所示接法，如果d s p 和仿真器之间的连接电缆超过6 i n ，他们需要按照图2 1 8 所 示增加驱动缓冲进行连接。 v c c e m u o e m u l t r s t t m s f d i t d o t c k 3 了 f m $ 3 2 0 v c 5 4 1 6 e f u o e m ：u l 彳r s t 曩m s t d i w t c k e a l u 0 、c c p d f w c l ：丁 t m s 删 t d o t c k t c kr 嚣t j t a g 图9 - 17d s p 与仿真接口无驱动连接示意围 v c c i t t 一 一 1 3 一li1 4 一l2 l l n 一 3 n h7 y 1 l t m s 3 2 0 、c 5 4 1 6 2 8 电源设计 2 b 1 电压需求 g n d g n d g n d g n d p d ( v e e m u o e m u i g n d 研国 t m sg n d 阳i6 n d t d o 粼 霉c kr 薹t j t a 0 图2 1 8d s p 与仿真器驱动缓冲连接示意围 本系统中电源电压较多，摄像头采用1 2 v 供电，l c d 采用5 v 供电d s p 和外围芯片采用 3 3 v 接口电压供电，d s p 内核采用1 6 v 供电。 2 裂 中国农业大学硕士学位论文第二章系统硬件方案设汁 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 d s p 芯片采用双电源供电机制。双电源即内核电源c v d d 和f o 电源d v d d 。 i o 电源为33 v ，内核电压为1 6 v 。降低内核电压的主要目的是降低功耗，采用低电压给内核供 电，可以大大减少芯片的功耗，外部引脚采用3 3 v 电压，这样可咀直接与外部低压器仲接口， 而无需额外的电平变换电路。 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的电流消耗主要取决丁器件的激活度，c v d d 消耗的电流主要决定于c p u 的 激活度，外设消耗的电流决定于正在t 作的外设及其速度。一般与c p u 相比，外设消耗的电流 是比较小的，时钟电路也需要消耗- - 4 部分电流，而且这部分电流是恒定的，与c p u 和外设的 激活程度无关。c v d d 为器件的所有内部逻辑提供电流，包括c p u 、时钟电路和所有外设。d v d d 只为外部接口引脚提供电压，消耗的电流决定于外部输出的速度和数量，以及在这些输出上的负 载电容。 由7 - d s p 芯片使用双电压供电，需要考虑的一个问题是加电次序，在理想情况下，芯片上的 两个电源应同时加电，但在无法保证同时加电的情况下，虑先对d v d d 加电，然后对c v d d 加电。 且d v d d 不应超过c v d d 2 v 。 2 8 2 电压的产生 系统采用单1 2 v 和5 v 双电源供电，3 3 v 和1 6 v 采用专用电源转换芯片产生。t i 公司提供 了具有两路输出的电源芯片，如t p s 7 3 h d 3 0 l 、t p s 7 3 h d 3 2 5 、t p s 7 3 f i d 3 1 8 。其中，t p s 7 3 h d 3 0 1 的输出电压为一路3 3 v ，一路可调输出( 1 2 v 9 7 5 v ) ，t p $ 7 3 h d 3 2 5 的输出电压为一路3 3 v ， 一路2 5 v ，t p s 7 3 h d 3 1 8 的输出电压为一路3 3 v 、一路1 8 v ，每路电源的最大输出电流为7 5 0 m a 。 芯片还提供两个宽度为2 0 0 m s 的低电平复位脉冲。 系统采用t p s 7 3 h d 3 0 1 电源芯片为d s p 供电。得到3 3 v 和1 6 v 电压。其中3 3 v 由芯片固 定产生，1 6 v 通过电阻匹配产生。其接口电路如图2 1 9 所示。 覃鹣7 3 吲d 3 0 1 2 1 9 电源芯片连接示意圈 电源芯片t p s 7 3 h d 3 0 1 输出电