（信号与信息处理专业论文）基于tms320dm642的车载视频处理平台的设计.pdf

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：范嘶 导师签 签字日期： 纠。年衫月酉日 签字日期 | 中图分类号：t n 9 1 9 8 2 u d c ：6 2 1 3 9 学校代码：1 0 0 0 4 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的车载视频处理平台的设计 p l a t f o r md e s i g no fav i d e op r o c e s s i n gs y s t e mi n v e h i c l eb a s e do nt m s 3 2 0 d m 6 4 2 作者姓名：范文洋 导师姓名：赵耀 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 0 4 4 9 职称：教授 学位级别：硕士 学科专业：信号与信息处理 研究方向：嵌入式系统 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师赵耀教授的悉心指导下完成的，赵耀教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来赵耀 老师对我的关心和指导。 王升辉老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向王升辉老师表示衷心的谢意。 、 在实验室工作及撰写论文期间，闫岫、施展、高晓玲、施雪梅、郑子薇等同 学对我的工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 中文摘要 摘要：车载视频处理平台是嵌入式视频处理平台在交通工具上的应用。除了 嵌入式视频处理平台具有的多媒体数据采集、处理与传输等功能，还需具备车载 总线接口。通过车载总线接入车载电子系统，与其他车载电子设备进行信息交互， 进而处理更多的专项事务。 本文提出一种基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 多媒体处理器的车载视频处理平台设计方 案，该平台以高性能多媒体d s p 处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 2 与专用于汽车电子领域的 微控制器( m c u ) m c 9 s 1 2 x d p 5 1 2 为核心组成。车载视频处理平台系统针对多媒 体d s p 处理器的性能特点，采用d s p + m c u 的设计方案。m c u 作为通信控制模 块负责车载总线的通信控制，d s p 处理器作为数据处理模块专注于多媒体信息的 处理。通过m c u 将d s p 多媒体数据处理模块桥接到车载总线上，与其他车载设 备交互信息。 设计的车载视频处理平台具有高效的数据处理能力，可以实时地进行视频的 采集，压缩传输，以及各种图像处理算法；具备c a n 总线接口以及新一代汽车内 部网络通信协议总线f l e x r a y 总线接e l 等多种车载总线接口，可以兼容多种车载总 线应用环境，平台通过这些接口接入车载电子系统，进而与其他车载设备进行通 信；具有p c i 接口，可以作为p c i 设备应用于车载计算机，在p c i 启动模式下， 车载计算机可以根据具体需求通过p c i 接口装载多媒体处理程序到视频处理平台， 处理多媒体数据。 本文根据车载视频处理系统的实际需求，从系统方案设计、原理图设计、p c b 设计、驱动设计以及演示系统的软件架构五个方面介绍整个平台，同时阐述了系 统的应用范围、实用价值与前景。 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 多媒体处理器具有丰富的片内外设模块接口，可以与多种外设 实现无缝连接，硬件系统通过这些接口模块以模块化的方式构成。论文介绍了视 频输入输出模块、存储器模块、p c i 与网络模块、车载总线模块等主要模块的原理 图设计、模块结构原理以及驱动程序设计。此外，针对软件系统算法优化的需求 介绍d m 6 4 2 内部的e d m a 运用。 目前，硬件系统平台的设计与调试工作已经基本完成，算法的优化与软件系 统的架构也达到了预期要求。经测试系统各个部分运行稳定。系统具有很好的兼 容性与应用价值，可以运用于车载视频监控，智能防盗等多种车载多媒体信息处 理领域。 关键词：视频处理平台；车载总线；d m 6 4 2 ； 分类号：t n 9 1 9 8 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h ea u t o m o t i v ev i d e op r o c e s s i n gp l a t f o r mi sa l la p p l i c a t i o no f e m b e d d e dv i d e op r o c e s s i n gs y s t e mi nv e h i c l e b e s i d et h ef u n c t i o n so fm u l t i m e d i ad a t a a c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o n ，i ta l s on e e d st op r o v i d et h ea u t o m o t i v eb u s i n t e r f a c e ss ot h a tc a l la c c e s st h ea u t o m o t i v ee l e c t r o n i cs y s t e mt oi m p l e m e n tt h e i n f o r m a t i o ni n t e r a c t i o n ，w h i c hc a nd e a lw i t hm o r es p e c i a lt a s k s t h i sp a p e rp r o v i d e sad e s i g no fa u t o m o t i v ev i d e op r o c e s s i n gp l a t f o r mb a s e do nt h e m u l t i m e d i ap r o c e s s o rt m s 3 2 0 d m 6 4 2 t h ec o r eo ft h i sp l a t f o r mi sc o m p o s e do fh i g h p e r f o r m a n c ed s pp r o c e s s o rt m s 3 2 0 d m 6 4 2a n d t h em i c r o c o n t r o l l e ru n i t ( m c u ) m c 9 s12 x d p 512w h i c hi ss p e c i a l l yu s e di na u t o m o t i v ee l e c t r o n i ca r e a i ti sad e s i g n s c h l e m eo fd s p + m c ua c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed s pp e r f o r m a n c e t h e s y s t e mu s e st h em c u a st h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l et oc o n t r o lc o m m u n i c a t i o nw i t h a u t o m o t i v eb u s t h ed s pm o d u l ef o c u s e so nt h eh a n d l i n go fm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n t h ed s pm o d u l ec o m m u n i c a t e sw i t ho t h e re l e c t r o n i cd e v i c ea c c e s s e di na u t o m o t i v eb u s t h r o u g ht h em c u t h i ss y s t e mc a l li m p l e m e n tt h ev i d e oc a p t u r i n g ，d a t ac o m p r e s s i n ga n da l lk i n d so f i m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h mi nr e a lt i m e t h i ss y s t e mh a sc a n b u s ，f l e x r a yb u s ( an e w g e n e r a t i o na u t o m o t i v en e t w o r kc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb u s ) a n do t h e ra u t o m o t i v eb u s i n t e r f a c e s b e i n gt h ee m b e d d e da u t o m o t i v ee l e c t r o n i cs y s t e m ，i tc a nc o m m u n i c a t e w i t h o t h e ri n s t r u m e n t sa n di sc o m p a t i b l ew i t hm a n ya u t o m o t i v ee n v i r o n m e n t s t h i sp l a t f o r m a l s op r o v i d e sp c ii n t e r f a c et ou s ei na u t o m o t i v ec o m p u t e r u n d e rt h ep c is t a r t u pm o d e ， t h ea u t o m o t i v ec o m p u t e rc a np r o c e s st h em u l t i m e d i ad a t aa c c o r d i n gt ot h ed e m a n dv i a p c ii n t e r f a c e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep l a t f o r mi nf i v ea s p e c t s ，w h i c ha r es c h e m ed e s i g n , s c h e m a t i cd e s i g n , p c bd e s i g n ，d r i v e rd e s i g na n da r t h i t e c t u r eo ft h ed e m os o f l 3 v a r e , d e p e n d e do nt h ea u t o m o t i v ev i d e op r o c e s s i n gs y s t e mn e e d s t m s 3 2 0 d m 4 2h a se x t e n s i v ep e r i p h e r a lm o d u l e sw h i c kd i v i d e dt h es y s t e mi n t o s e v e r a lm o d u l e s t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec o r r e s p o n d i n gs c h e m a t i cd i a g r a md e s i g n ， m o d u l e st h e o r e m , a n dd r i v e rd e s i g no ft h ev i d e oi n p u ta n do u t p u tm o d u l e ，m e m o r y m o d u l e , p c ia n dn e t w o r km o d u l ea n da u t o m o t i v eb u sm o d u l e i na d d a t i o n ，t h ep a p e r a l s oi n t r o d u c e st h ee d m aa p p l i c a t i o ni n s i d e t h ed s pa c c o r d i n gt ot h en e e d so f s o f t w a r ea l g o r i t h mo p t i m i z a t i o n n o w , t h ed e s i g na n dd e b u go ft h eh a r d w a r es y s t e mh a v eb e e nf i n i s h e d a c c o r d i n g t ot h ed e t e c t i o n e a c hp a n so ft h es y s t e mr u ns t e a d y t h ep r o d u c eo w ng o o d c o m p a t i b i l i t ya n dh i 曲a p p l i c a t i o nv a l u e i t c a nb e u s e di na u t o m o t i v e v i d e o s u r v e i l l a n c ea n da u t o m o t i v em u l t i m e d i ai n f o r m a t i o np r o c e s s i n ga r e a k e y w o r d s ：v i d e op r o c e s s i n gp l a t f o r m ；a u t o m o t i v eb u s ；d m 6 4 2 c i 。a s s n o ：t n 9 19 8 2 v 序 随着汽车工业与社会需求的快速发展，汽车已经不仅仅是一个交通工具，作 为其在生活与工作领域的一种延伸，信息技术更多的融入到其中。通过车载计算 机，人们希望在汽车上可以处理更多的日常事务。车载计算机也越来越多的在通 讯，导航，信息处理，防盗监控与娱乐等方面给人们提供更大的帮助。可以预见， 汽车的自动导航与自动驾驶功能也会得到快速的发展。这些都离不丌多媒体信息 的处理，尤其是图像的处理。 车载视频处理平台作为嵌入式视频处理平台在汽车电子系统中的实际应用也 显得尤为重要，对于提高车载电子系统对多媒体的处理性能具有很大的帮助，具 有极高的应用价值。 目录 中文摘要i i i d l 】i ；s t r a c t i v 序、五 1 引。言1 1 1选题背景。1 1 2 嵌入式视频处理平台2 1 3课题任务及意义5 1 4 论文安排6 2车载视频处理平台系统方案设计7 2 1系统需求与应用一7 2 1 1 系统需求7 2 1 2 车载视频处理平台的功用9 2 2 车载视频处理系统方案9 2 2 1 车载视频处理平台解决方案9 2 2 2t m s 3 2 0 d m 6 4 2 处理器结构。1 1 2 3硬件系统构成1 3 2 4系统p c b 设计13 2 4 1 板层设计。1 4 2 4 2p c b 设计问题15 2 5本章小结1 6 3模块设计17 3 1外部存储器模块1 7 3 1 1 外部存储器接口( e m i f a ) 1 7 3 1 2s d r a m 接口1 9 3 1 3f l a s h 接口2 2 3 1 4 存储器启动模式2 4 3 2视频模块2 5 3 2 1 模拟视频输入2 5 3 2 2 数字视频信号接口2 6 3 2 - 3d m 6 4 2 视频接口2 8 3 2 4 视频采集模块3 2 3 2 5 视频显示模块3 7 3 2 61 2 c 总线协议：3 8 3 3 p c i 与网络接口模块4 1 3 3 1p c i 接口4 2 3 3 2 网络接口4 5 3 4车载总线通信控制模块4 6 3 4 1 车载总线4 7 3 4 2 f l e x r a y 总线接口4 7 3 5 s p i 通信接口4 9 3 6 本章小结5 0 4平台软件系统设计5 1 4 1软件开发环境51 4 1 1 软件介绍5 1 4 2演示系统软件设计5 1 4 3设备驱动设计5 3 4 3 1 片级支持库( c s l ) 5 3 4 3 2d m 6 4 2 的中断处理5 4 4 3 3 视频输入模块驱动5 8 4 4e d m a 的运用6 0 4 4 1 e d m a 控制器6 0 4 4 2 参数r a m ( p a r a m ) 6 1 4 4 3 p i n g - p o n g 缓存6 3 4 5测试结果6 6 4 6本章小结6 7 5 结论6 8 参考文献一6 9 作者简历7 1 独创性声明7 2 学位论文数据集7 3 1 引言 汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命，汽车电子化和智能化 的程度也被看作是衡量现代汽车水平的重要标志。随着汽车电子工业的快速发展， 信息技术在汽车电子中得到更广泛的应用，通讯，导航，信息处理，防盗监控与 娱乐等更多功能集成到汽车电子之中。可以预见，自动导航与自动驾驶技术也会 随着信息技术的发展逐渐走入汽车电子工业。这些都对车载电子的多媒体处理能 力提出了更高的要求。显然，能够处理多媒体信息，尤其是视频信息的嵌入式平 台将在车载电子中具有更高的作用。针对这一需求，设计了一款面向车载的通用 嵌入式视频处理平台，具有多种通信总线接口与视频接口，即可独立作为车载设 备，可以作为通过p c i 接口作为车载计算机设备，具有很大的实用价值。 1 1选题背景 随着汽车电子工业与社会需求的快速发展，汽车已经不仅仅是单独的交通工 具，作为在生活与工作领域的延伸，信息技术更多的融入到其中。人们希望在汽 车上能够处理更多的r 常事务，也希望汽车能够在信息处理与智能驾驶等方面提 供更大的便捷。汽车电子的发展也是根据人们的需求不断更新换代。 按照汽车电子的功能划分，汽车电子产品可分为两大类 1 】：1 汽车电子控制 装置，包括安全系统、动力总成控制、各类传感装置、车身电子控制、舒适和防 盗系统。2 车载汽车电子装置，包括汽车信息系统( 车载计算机) 、导航系统、汽车 视听娱乐系统、车载无线通信系统等。前者电子控制装置和车上的机械系统配合 使用，是一种“机电结合”的电子装备。通过传感器和机械参数等获得要分析处 理的数据来控制相应功能单元，功能单元之间通过车载总线进行数据通讯。后者 多为能够在汽车环境下独立使用的电子设备，由高性能数据处理器为核心组成， 具有信息的处理的能力。这一部分通信数据量大，数据通讯带宽要求高。 信息处理能力，尤其是多媒体数据的处理在汽车电子中占有越来越重要的地 位。目前，多媒体处理技术在汽车中的应用还属于初步阶段，主要集中在多媒体 播放、视频监控，电子导航等方向，作为附属设备独立的运用在汽车之中，并未 融入到车载电子系统中。 随着人们需求的变化，拥有信息处理能力的车载电子设备也逐渐需要与汽车 电子控制装备交互信息。高速大信息量的数据带宽是传统的面向实时性和安全性 的低速车载总线所不能承受的。新一代高速汽车内部通信总线f l e x r a y 总线的出现 为这一问题提供了有效的解决方案。预示着，具有高速车载总线接口的嵌入式多 媒体，尤其是视频处理平台在汽车电子中发挥更大的作用。 由上可以预见，车载视频处理平台将会在以外几个主要方面发挥更大的作用： 1 ) 智能防盗，通过人脸识别来替代传统的钥匙，匹配信息通过车载总线传递 到相应的功能模块。无人状况下的运动检测可以检测汽车内部的状况，报警信息 传递到门锁系统，同时配合车载无线模块将可视报警信息发送出去。 2 ) 智能交通，对于没有监控摄像头覆盖的地区，汽车内部视频平台存储的信 息对处理交通事故纷争提供极大的帮助。对于意外情况，视频处理平台通过无线 通信系统将现场情况传递到远端指挥中心，极大地提高了救援的准确性与有效性。 3 ) 自动驾驶与导航，这一运用更多的面向未来，其功能的实现离不开视频数 据的处理。 1 2嵌入式视频处理平台 嵌入式视频处理平台基本的功能是实现视频数据的输入、处理与输出。根据 具体的应用场合和主要有四种的解决方案：第一种是基于专用集成电路a s i c 的解 决方案；第二种是基于专用数字信号处理器( d s p ) 的解决方案；第三种是基于现 场可编程门阵列( f p g a ) 技术的可编程片上系统( s o p c ) 解决方案；最后一种 是多处理器或者多核处理器处理平台。本节针对这几种嵌入式视频处理平台解决 方案来进行简要概述。 ( 1 ) 专用集成电路( a s i c ) 解决方案 a s i c 是定制的专用电路芯片 2 】，大致可分为数字、模拟和数模混合a s i c ， 根据特定用户要求和特定电子系统的需求而设计、制造。其特点是面向特定用户 需求，大批量生产情况下具有体积小、功耗低、高性能、保密性强、成本低廉的 特点。在视频处理平台中针对特定的算法制作的a s i c 芯片在低功耗下具有极高的 实时性。例如一些压缩编码算法就可以利用a s i c 芯片来实现。a s i c 芯片可以极 大的减小印刷电路板的面积，但是针对特定应用不具备通用性，算法不具备可升 级性。 ( 2 ) 数字信号处理器( d s p ) 解决方案 数字信号处理器( d s p ) 是一种专用于实时数字信号处理的微处理器。具有可 程控、可预见性、精度高、稳定性好、可靠性和可重复性好、易于实现自适应算 法、大规模集成等优点【3 】。d s p 芯片的应用已经从军事、航空航天领域扩大到信 号处理、通信、雷达、消费等许多领域。主要应用有：信号处理、通信、语音、 图形图像、军事、仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等。 2 不同于传统的通用p c 处理器的冯诺依曼结构体系，d s p 芯片多采用哈佛结构 或者改进的哈佛结构。冯诺依曼结构中程序空间和数据空间位于同一存储空间， 共享地址总线和数据总线，程序取地址和数据读写只能分时进行。哈佛结构是一 种将程序指令存储和数据存储分丌的存储器结构，各自使用独立的地址总线和独 立的数据总线，可以同时进行数据和程序指令的读取。改进的哈佛结构使用的是 公用的地址总线来访问指令存储和数据存储空间。此外d s p 处理器具有独立的乘 加单元( m a c ) ，单周期即可完成乘加算法；特殊的寻址方式一位倒序寻址和循环 寻址，适合快速实现数字信号处理运算。 全球各大d s p 厂商都有针对视频处理的d s p 芯片，例如t i 的c 6 0 0 0 系列d s p 芯片，a d i 的a d s p b f 5 3 1 5 3 2 5 3 3 系列产品等。其中t i 公司在d s p 市场上占据 主导地位，基于t i 公司的视频处理平台也在石阶上处于领先地位。t i 的c 6 0 0 0 系 列d s p 芯片基于v e l o c i t i t m 结构，这种结构使用超长指令字( v l i w ) 技术及流水 线技术相结合的方法；采用改进的哈佛结构；多个执行部件，包括2 个乘法单元 和6 个算术逻辑单元( a l u ) ，8 个功能单元；通过这些结构来增加指令并行度， 每个周期可以执行8 条指令，极大地提高了d s p 芯片的性能 4 】。此外，为了广泛 地应用于各种系统，方便地与外界进行书觉和控制信息的交互，d s p 芯片还集成 有各种外围设备，形成功能齐全的片上系统( s o c ) 。针对不同的应用环境，外 设的配置也各不相同，在视频处理方面，t i 的c 6 0 0 0 系列主要有增强型d m a ( e d m a ) 、视频接m ( v p ) 、外部存储器接口( e m i f ) 、p c i 接口等针对视频处理 数据量大、运算复杂等特点配置的外围设备。 基于d s p 的视频处理平台，利用s o c 系统提供的丰富接口可以极大的缩短开 发周期，造价低廉，系统算法基于软件实现，灵活多变具有可升级性。硬件系统 设计后不具备可升级性。 ( 3 ) 基于f p g a 的s o p c 解决方案 现场可编程门阵列( f p g a ) 越来越广泛的运用于各种数字信号处理解决方案 中。使用f p g a 技术的可编程片上系统( s o p c ) 来解决数字信号处理问题可称为 现代d s p 技术，不同于传统d s p 技术，现代d s p 技术是一种统合s o p c 技术、 e d a 技术与f p g a 实现方式的d s p 技术，它是现代电子技术的发展产物。最大的 优势是具有系统的重置性和硬件的可重构性。f p g a 拥有灵活的可编程特性和强大 的并行处理能力，但是相应地，体积庞大价格及较长的开发周期也限制了它的作 用的发挥。f p g a 的两大生产厂家是a l t e r a 和x i l i n x ，s o p c 概念由a l t e r a 提出， 这里针对a l t e r a 公司的产品介绍s o p c 视频系统解决方案。 构成s o p c 系统主要有以下三种方案 5 】： 第一，基于f p g a 嵌入i p 硬核的应用。这种s o p c 系统是指在f p g a 中预先 3 j 匕 立交适厶堂亟堂 位 论塞里l直 植入处理器。这使得f p g a 灵活的硬件设计与处理器的强大软件功能有机地结合 在一起，高效地实现s o p c 系统。 第二，基于f p g a 嵌入式i p 软核的应用。这种s o p c 系统是指在f p g a 中植 入嵌入式软核处理器，例如a l t e r a 的n i o s 系列i p 核。同时可以根据设计的要求， 利用相应的e d a 工具，对n i o s 软核及其外围设备进行构建，使该嵌入式系统在 硬件结构、功能特点、资源占用等方面全面满足用户系统设计的要求。 第三，基于h a r d c o p y 技术的应用。这种s o p c 系统是指将成功实现于f p g a 器件上的s o p c 系统通过特定的技术直接向a s i c 转化。把大容量f p g a 的灵活性 和a s i c 的市场优势结合起来，实现对于有较大批量要求并对成本敏感的电子产 品，避开了直接设计a s i c 的困难。 a l t e r a 公司的f p g a 对于数字信号处理与视频处理最重要的就是d s pb u i l d e r 工具。d s pb u i l d e r 工具是a l t e r a 公司退出的一个数字信号处理( d s p ) 开发工具 6 ，它在o u a r t u si if p g a 设计环境中集成了m a t hw o r k s 的m a t l a b 和s i m u l i n kd s p 开发软件。使用这些工具开发数字信号处理算法中的运算单元，通过d s pb u i l d e r 生成硬件描述语言( h d l ) ，生成硬件模块添加到s o p c 系统中。通过硬件来实现算 法，具有很高的实时性，不同于普通的a s i c 解决方案，这种算法硬件结构最大的 优势就是具有可重构性。 使用f p g a 开发视频处理的s o p c 系统，例如a l t e r a 公司的c y c l o n e 和s t r a t i x 系列f p g a 产品，配以其他外围设备，设计构成视频处理平台。嵌入式软核可以 运行嵌入式操作系统，系统实时性好，具有很高的灵活性，具有可重构性。但是 系统丌发难度大，成本高，周期长。 ( 4 ) 多处理器和多核处理器解决方案 前三种解决方案，不管是基于哪种c p u 为核心的嵌入式平台都具有相应的优 势。在嵌入式系统的应用领域 7 ，针对不同的应用环境，既需要在数据处理方面 具有独特优势的d s p 或者是f p g a ，也同时需要在只能控制方面更加擅长的微处理 器( m c u ) 。d s p + m c u 、d s p + f p g a 、f p g a + m c u 等都是将数据处理能力强的数字信号处 理器系统嵌入到应用电子系统中，构成一种通用的嵌入式系统，使其更加适用于 相应的应用环境，可以更好地发挥每个c p u 的专项能力。 m c u 是把中央处理器、存储器、定时计数器、各种输入输出接口等都集成到 一块集成电路芯片上的微型计算机。根据总线的宽度，可分为4 位、8 位、1 6 位 和3 2 位单片机。8 位和1 6 位的多用于一般的控制领域，一般不使用操作系统。3 2 位可以配合嵌入式操作系统，用于网络操作、多媒体处理等复杂场合。常用的有 基于a r m 的i p 核的处理器系列、f r e e s c a l e 半导体公司的产品、a t m e l 公司系列 产品等。 4 = i 匕立交适厶堂亟堂位途塞里l 亩 嵌入式处理器设计与发展的目的是要提高软件与硬件性能以支持不同的系统 需求，同时尽可能地降低功耗。通过单核处理器性能的提升来实现这一目的越来 越困难。随着芯片制造业技术的快速发展，片上系统( s o c ) 不断进步，高集成度 的s o c 芯片成为嵌入式处理器市场发展的趋势之一 9 ，多核处理器技术已经成熟。 多核处理器的应用为设备制造厂商解决复杂问题、成本问题与快速开发多功能产 品提供了有效途径。可以说，随着多核技术及其应用丌发工具的成熟，基于多核 的嵌入式系统开发时代已经到来。a r m 公司作为i p 核提供商，也从单一的处理器 内核向多内核发展。t i 公司针对便携式视频系统市场推出了达芬奇系列处理器， 就是a r m 的i p 核与c 6 4 x + 系列的d s p 内核组成的多核嵌入式处理器。x s c a l e 系列 芯片中，高端芯片也采用a r m + d s p 协处理器的方式实现多核处理器。可见，多核 处理器的运用越来越广泛。 在视频处理方面，t i 公司的达芬奇系列芯片无疑是应用最为广泛的多核心处 理器。d a v i n c i t m 技术是一组专门为高效和引人注目的数字视频而设计的基于 d s p 的系统解决方案 9 】一适用于数码摄像机、视频安全设备、高级医疗成像设备、 便携式视频播放器或任何其它您能想象得到的视频应用。达芬奇技术由达芬奇处 理器、达芬奇软件、达芬奇丌发工具和达芬奇技术支持系统等组建优化构成。 达芬奇处理器：可扩展、可编程的d s p 和基于d s p 的s o c ( 片上系统) 处理器，定制自d s p 内核、加速器、外设、a r m 处理器，经优化后可满足数字 视频终端设备的各种价格、性能和功能要求。采用低功耗、高性能的3 2 位 t m s 3 2 0 c 6 4 x 内核和a r m 9 2 6 e j s 内核，支持多媒体处理技术，支持多电源管理 。 模式，双内核电压供给有效降低功耗。 达芬奇软件：可互操作、优化、随时可投入生产的视频和音频“标准”编解码器， 这些编解码器沿用d s p 和集成加速器的功能，内建在可配置的框架中，并通过大 受欢迎的操作系统( l i n u x ) 中已发布的a p i 来呈现，从而获得快速的软件实现。 例如由m o n t a v i s t a 这一专门提供实时嵌入式l i n u x 操作系统和嵌入式开发工具公 司为t i 达芬奇系列提供的板级支持包。 达芬奇开发工具套件：完整的开发系统、参考设计和全面的a r m d s p 系统 级集成开发环境以加速所有数字视频应用的设计和开发。 综上可以看到基于多处理器和多核嵌入式处理器的视频处理平台具有更广泛 的应用空间与价值。 1 3课题任务及意义 目前市场上各种嵌入式视频处理平台琳琅满目，多数都是应用在视频监控领 域。车载的应用环境，对于硬件系统在稳定性以及相关的通信接口方面都有特殊 的要求。随着车载电子系统对多媒体处理的需求，不论是视频监控、智能防盗等 领域，都需要迫切需要一款适用于车载应用环境的视频处理平台。针对这一需求， 设计了一款基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的车载视频处理平台。 不同与一般的视频处理平台，针对车载电子系统的需求，平台提供了车载总 线接口，为了兼顾各种不同车型的应用环境，提供c a n 总线接口和新一代车载总 线接口f l e x r a y 总线接口。f l e x r a y 总线具有1 0 m b p s 的传输带宽，可以满足多媒 体数据信息量大特点。同时，为了满足越来越多的车载计算机的需求，平台也提 供了p c i 接口和网络接口，使得视频处理平台能够作为车载计算机上的设备来处 理多媒体信息。 针对车载视频处理平台的需求设计适合车载电子系统与车载环境的硬件平 台，内容包括系统方案设计、硬件系统原理图设计、p c b 设计、硬件电路的调试、 相关驱动的开发以及软件系统的架构。 实现车载视频处理平台的视频采集输出、视频数据的传输、车载总线的通信以 及相关图像算法的实现。 1 4论文安排 论文针对整个车载视频处理平台的整个开发设计过程对整个系统进行介绍，分 章节讨论各个部分的设计原理。 第二章，分析系统需求，提出系统解决方案，对整个系统的架构以及p c b 设 计进行介绍。 第三章，分模块的介绍整个硬件平台的各个部分的原理，包括视频的输入输出 模块、外部存储器模块、p c i 与网络通信模块以及车载总线接口。 第四章，针对设计完成的硬件平台，提出一种系统软件架构用于测试硬件系统， 包括软件的系统组成、驱动模块的设计、中断系统、e d m a 的运用以及相应的试 验结果。 6 2 车载视频处理平台系统方案设计 针对车载视频处理系统的特点及需求，从整体上介绍基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的 车载视频处理平台的方案设计。包括系统需求分析，系统构造，印刷电路板的设 计等。 2 1系统需求与应用 重点对系统的需求进行分析，并针对车载视频处理平台的特点介绍系统的应 用范围与具体作用。 2 1 1 系统需求 根据车辆的不同工作状态与上层系统的需求，视频监控系统需要能够实现目标 的检测与监视、视频数据的压缩传输、图像数据的处理、车载总线的通信等功能。 这就对硬件系统提出如下要求： 低廉的成本、低功耗与应用兼容性；任何一个嵌入式应用设备都需要控制产 品的成本，低廉的成本有利于快速的占领市场。采用简单有效的开发方式也可以 很好地控制时间成本。好的应用兼容性也决定了系统对于市场范围的掌控。功耗 控制对于嵌入式系统也尤为重要，低功耗意味着节能与绿色环保，这与能源供给 的发展趋势一致。系统还需要复杂的车载环境。 标准模拟视频输入输出支持；对于彩色视频信号，目前有三种兼容制式，即 n t s c 制( 北美和日本在内的部分亚洲国家) 、p a l 制( 大多数西欧国家和中国以 及中东的亚洲国家) 和s e c a m 制( 前苏联、东欧、法国以及一些中东国家) 。他 们之间的最大区别在于对色差信号的传输与处理方式的不同 1 0 】。视频的输入信号 来自摄像头，目前的国内的模拟摄像头一般都是p a l 制式的，输出的信号由复合 同步信号，复合消隐信号和视频信号组成。输出信号一般通过s 端子、v g a 接口 等接口输出到显示设备，方便用户观测。 快速高效的数据处理能力；视频数据具有数据量大，运算复杂的特点，很多 运算都需要实时地进行处理。对嵌入式车载视频处理平台的中央处理器( c p u ) 的性 能要求高。处理器的主频、总线频率、c a c h e 结构与大小、并行处理以及d m a 性 能等都决定了处理器的处理性能。针对这些参数指标来选择合适的嵌入式视频处 理器显得尤为重要。 7 i 匕塞銮适太堂硒堂位论塞互载狃麴丝理垩台丕统左塞逡让 + 十 高带宽的视频数据通信接口；实时的视频数据，在一定分辨率下，数据的吞 吐量很大，需要足够带宽的通信接口支持这种大数据量传输。以p a l 制式为例， 每秒2 5 帧的，画面解析度7 2 0 * 5 7 6 * 8 b i t ，彩色图像数据为y u v 4 ：2 ：2 ，不经压缩的 情况下有接近2 0 m b s 的数据量。在3 0 倍压缩比的情况下，传输这种格式的视频 数据仍需要5 - 6 m b p s 的传输带宽。 通用车载总线接口；为使车载视频处理平台在车载电子系统中发挥更大的作 用，不仅仅是一个独立的车载附属设备。平台还需具有通用的车载总线接口。通 过车载总线发送图像特征信息，接收控制信息。 根据车载电脑的需求处理各项事务；汽车电子产品电脑集成化，代表着未来 汽车电子技术和产品发展的主流方向【1 1 】。基于车载电脑平台的汽车，构建成了一 个完美的车载信息与娱乐系统终端，可全面整合车载通讯系统、导航监控系统、 数字娱乐系统、辅助驾驶系统、驾驶员状态分析系统，以及车辆驾驶环境检测系 统等多个车载系统。车内驾乘人员可轻松实现文件处理、无线上网、g p s 导航、 影音播放、数字移动电视接收、行车信息浏览，远程监控、自动倒车后视、驾驶 员状态监视及驾驶环境监视等功能。车载视频处理平台通过相应的接口应用于车 载电脑，可以很好地辅助车载电脑处理相关的视频事务。以p c i 设备的方式可以 方便地运用到电脑中。 图2 1 车载视频处理平台应用示意图 f i g u r e2 一la p p l i c a t i o nd i a g r a mo f v i d e op r o c e s s i n gp l a t f o r mi nv e h i c l e 8 - 2 1 2车载视频处理平台的功用 通过图2 1 可以清楚地看到车载视频处理模块在汽车电子系统中的位置。根据 不同的应用场合可以分析车载视频处理平台的一些主要功能需求。 第一，模拟视频信号输入到车载视频处理系统中，系统中的视频采集模块将模 拟信号经a d 转换成处理器能够直接处理的数字信号。 第二，嵌入式处理器对转换后的视频数字信号进行处理，根据需要处理压缩算 法、运动检测算法、人脸识别算法等。压缩的视频数据可以用于传输， 运动检测可以用于防盗检测，人脸识别也可以作为“钥匙”来提高汽车 的安全性。还可以根据需求用于其他图像与视频处理算法。 第三，对采集的视频可以通过模拟视频输出端子传送到显示设备，这是对数字 信号进行的d a 转换过程，这一应用在系统作为独立车载电子设备时有 一定需求。 第四，通过车载总线与其他车载电子设备交互信息，传送图像特征信息、接收 控制信息等。例如与门锁系统实现智能防盗。 第五，作为视频信号源，根据需求通过通信接口对压缩处理过的视频数据进行 传输。 以上主要是车载视频处理平台作为独立设备应用于汽车电子系统中的一些典 型功用。当其作为车载电脑的设备时，具备更大的灵活性，可以根据车载电脑的 需求协助p c 完成各种数字信息处理事务，尤其是视