DSP平台上的疲劳驾驶实时监测系统的研究.pdf

武汉理工大学 硕士学位论文 DSP平台上的疲劳驾驶实时监测系统的研究 姓名 刘宇 申请学位级别 硕士 专业 信号与信息处理 指导教师 杨杰 20090501 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 疲劳驾驶是引发交通事故的主要原因之一 准确 及时检测出驾驶员的驾 驶状态并对其做出相应的预警措施 可以减少甚至避免交通事故的发生 本文介绍的疲劳驾驶实时监测系统所完成的主要工作是利用实时信号处理 平台 获得驾驶员疲劳状态的实时数据 并对数据进行分析 为了实现数据采 样和分析过程的实时性 系统采用了以T I 公司T M S 3 2 0 C 6 4 1 6 D S P 处理芯片为 内核的数字信号处理平台作为硬件系统来完成具体算法的处理 系统中 处理 器的时钟频率为6 0 0 M H z 通过彩色C C D 摄像头来完成视频信号的采集 将采 集到的P A L 制式Y U V 4 2 2 视频信号输入到处理平台上进行处理 最后将处理结 果输出到电脑显示器V G A 或数字液晶显示器 疲劳状态判定算法则利用P E R C L O S 检测方法来具体实现 P E R C L O S p e r c e n t a g eo f e y e l i dc l o s u r eO V e rt h ep u b l i cO V e rt i m e 检测是一种基于机器视觉 的方法 该方法利用对眼睛状态的监控 完成驾驶员疲劳的检测 具体的软件 实现步骤为 先结合运动检测中的帧差法和肤色模板匹配法来对采集到的视频 信号完成驾驶员脸部检测和定位 再在以确定了的脸部区域内 利用由积分投 影函数和微分投影函数所组成的混合投影算法来确定驾驶员眼睛的位置 然后 利用边缘提取算法确定眼睑的坐标 利用上下眼睑间距判断驾驶员眼睛的状态 最后利用嵌入式实时操作系统D S P B I O S 来完成驾驶员在单位时间内眼睛眨动 频率的计数和显示 为了能方便控制系统的运行 系统通过P C I 接口实现了D S P 和P C 机的通 信 利用P C 机上的v C 6 0 开发环境 本文设计了一个人控制系统 通过该系 统向D S P 发送各种消息 D S P 在接受到P C 端的消息后 通过消息响应函数实 现消息的要求 同时向P C 机发送一个回馈消息 用以确认P C 机发送的消息准 确收到和D S P 端消息任务的完成 同时 系统通过D M A 技术 实现了D S P 和 P C 机之间的实时大批量数据交换 以保存D S P 处理数据 本文所介绍的系统准确的定位了驾驶员的脸部 跟踪了驾驶员的眼睛 判 断了眼睛状态 借助实时嵌入式操作系统D S P B I O S 完成了眼睑眨动次数的计算 和显示 针对记录的眨动次数数据进行了分析 关键词 D S P D S P B I O S 肤色匹配算法 灰度混合投影算法 数据通信 武汉理工大学硕十学位论文 A b s t r a c t D r i v e ri n a t t e n t i o n p a r t i c u l a r l yd u et of a t i g u e i sw i d e l yc o n s i d e r e da so n eo ft h e p r i m a r yc a u s e so ft r a f f i ca c c i d e n t a sar e s u l t d e t e c t i n go u tt h ed r i v e r Sf a t i g u es t a t e a c c u r a t e l ya n dt i m e l y a tt h es a m eg i v i n ga l a r mC a nr e d u c e t r a f f i ca c c i d e n t s T h em a i nt a s ki nt h es y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e ri sa c q u i r i n ga n da n a l y z e r e a l t i m ed a t ao fd r i v e r Sf a t i g u es t a t e W i t ht h ep u r p o s eo fr e a l t i m ef e a t u r ei n a n a l y s i sp r o c e s s t h eD S Pe x p e r i m e n t a lp l a t f o r m i nw h i c hc o r ep r o c e s s o ri s T M S 3 2 0 C 6 416m a n u f a c t u r e db yT IC o r p o r a t i o ni Su s e da sh a r d w a r es y s t e mt o r e a l i z et h ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s I nt h es y s t e m t h ep r o c e s s o r Sc l o c kf r e q u e n c yi s 6 0 0 M H z t h eY U V 4 2 2P A L v i d e os i g n a li sc a p t u r e db yc o l o rC C D a n dt h e ns e n tt o D S Pe x p e r i m e n t a lp l a t f o r m a tl a s t t h es i g n a lp r o c e s s e dw i l lb ed i s p l a i e di nV G A T h eP E R C L O Sm e t h o di sa d o p t e da sc o r ea l g o r i t h mi nf a t i g u es t a t ed e t e c t i n g P E R C L O S p e r c e n t a g eo fe y e l i dc l o s u r eO V e rt h ep u b l i cO V e rt i m e d e t e c t i n gi s m e t h o db a s e do nm a c h i n ev i s i o n t h i sm e t h o dr e a l i z e st h ef a t i g u es t a t ed e t e c t i n gi n t h ew a yo fm o n i t o r i n gt h ed r i v e r Se y es t a t e T h ec o n c r e t ep r o c e s si s s h o w na s f o l l o w i n g f i r s t l y t h ef r a m ed i f f e r e n c e m e t h o di nm o t i o nd e t e c t i o na n dt e m p l a t e m a t c h i n gm e t h o do fs k i nc o l o ra r ec o m b i n e di nt h ep a p e rt oc o m p l e t et h ed r i v e r S f a c ed e t e c t i o na n dl o c a t i o n s e c o n d l y i nt h ea r e aw h e r et h ef a c ei sl o c a t e d t h eH y b r i d P r o j e c t i o na l g o r i t h mc o m p o s e d o fI n t e g r a lP r o j e c t i o nF u n c t i o na n dD i f f e r e n t i a l P r o j e c t i o nF u n c t i o ni su s e dt ol o c a t et h ed r i v e r Se y e s t h i r d l yt h ee y e l i dp o s i t i o ni s l o c a t e db ym e t h o do fe d g ee x t r a c t i o na l g o r i t h m s u b s e q u e n t l y t h ee y es t a t eo f d i r v e r i sj u d g e db a s e do nd i s t a n c eb e t w e e nu p p e re y e l i da n dl o w e re y e l i d f i n a l l y t h e e m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m D S P B I O S i su t i l i z e dt or e a l i z et h e c a l c u l a t i o na n dd i s p l a yo fd r i v e r Sb l i n kf r e q u e n c ei nu n i tt i m e I nt h i sp a p e r v a r i o u s f a c ea n de y e sd e t e c t i n gm e t h o d sa r ei n t r o d u c e da n da n a l y z e d T h r o u g hc o m p a r i n gt h e a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h e s em e t h o d s t h i sp a p e ri l l u m i n a t e s t h em e t h o d c h o o s e dd e t a i l y I no r d e rt oc o n t r o lt h es y s t e mr u n n i n gc o n v e n i e n t l y s y s t e ma c h i e v e st h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nD S Pa n dP Ct h r o u g hP C Ii n t e r f a c e I nP C ac o n t r o ls y s t e m 武汉理 T 大学硕士学位论文 i sd e s i g n e db yu s eo fV C 抖6 0d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n tt os e n dd i v e r s em e s s a g e st o D S P A f t e rr e c e i v i n gm e s s a g e sf r o mP C D S Pr e a l i z e st h er e q u i r e m e n t so fm e s s a g eb y m e s s a g er e s p o n s ef u n c t i o n s a f t e r w a r d s e n d saf e e d b a c km e s s a g et oP C f o ra f f i r m i n g t h er e c e i p to fm e s s a g ef r o mP Ca n di n f o r m i n gP Ct h em e s s a g et a s kc o m p l e t e d I nt h e m e a n i n gt i m e t h em a s s i v ed a t ae x c h a n g i n gb e t w e e nD S Pa n dP Ci si m p l e m e n t db y u s eo fD M A t e c h n o l o g yf o rs a v i n go f d a t ap r o c e s s e di nD S E T h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t d r i v e r Sf a c ea n de y e sC a nb el o c a t e da n dt r a c e d a c c u r a t e l y b yv i r t u eo ft h ee m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m D S P B I O Sa n d t h ea n a l y s i so fe y es t a t e t h eb l i n ko fe y e l i di sc a l c u l a t e da n dd i s p l a y e d A tl a s t t h e s y s t e mp e r f o r m a n c ei sj u d g e db ym e a n so fa n a l y s i so f b l i n k t i m er e c o r d e d K e yW o r d s D S P D S P B I O S S k i n c o l o rM a t c h i n ga l g o r i t h m G r a yH y b r i d P r o j e c t i o nA l g o r i t h m D a t ac o m m u n i c a t i o n 独创性声明 本人声明 所呈交的论文是本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 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留 使用学位论文的规定 即学校有权 保留 送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部 或部分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 签名 新签名 之堕卿期 武汉理丁二大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着经济的不断发展 社会不断的进步 科技水平不断的提高 人们对公 路交通的依赖越来越大 对机动车的需求量越来越多 然而与此同时 交通事 故这个交通发展的副产物 也不可避免的快速增长 据统计 全球在每年的几 十万交通事故中 由于疲劳驾驶所导致的交通事故约占有总数的2 7 左右 I 可 以看出 疲劳驾驶是当今公路交通的一个重大安全隐患 引发驾驶员疲劳的原因有很多 如睡眠时间不足 睡眠质量不佳 工作强 度过大以及酒精和药物的影响 都可能导致驾驶员疲劳 而且即使在驾驶员身 体状态很好时 由于驾驶过程的高度集中 驾驶员也很容易在驾驶过程中产生 疲劳 尤其是在景色变化单一的高速公路上 疲劳状态的出现 会直接导致驾 驶员对事物反映的迟钝 处理事物能力的下降 2 出错的机率也就大大增加 很 容易导致交通事故的发生 生理学研究表吲3 1 驾驶员在处于疲劳状态的情况下 眼睛眨动频率会明显 增加 在驾驶员精神饱满时眨眼次数是有限的 一般一分钟3 4 次 最多时也 不过十几次 同时 眨眼和心理状念也有联系 眨眼的频率和持续时问往往是 由惊恐 厌烦 气愤等心理状态决定的 汽车驾驶员行驶在繁华街道上眨眼次 数比高速公路上要少一些 当驾驶员从另一辆汽车旁驶过时 或从反光镜向后 看时 眨眼次数要少一些 疲劳驾驶的时候眨眼频率会大大增加 而且由于驾 驶员情绪紧张 不稳定和酒精药物等因素也会增加眨眼频率 因此 检测驾驶员的面部器官的状态 例如眼睛的眨动 可以量化驾驶员 的疲劳度 对驾驶员的疲劳状态做出分析 并给予警示或直接干预驾驶员的驾 驶 从而达到减少交通事故的目的 数字信号处理器 D S P s D i g i t a lS i g n a lP r o c e s s o r s 是数字信号处理的核心 技术 自从2 0 世纪7 0 年代第一片数字信号处理器芯片问世以来 D S P s 就以其 特有的稳定性 可重复性 可大规模集成 特别是可编程性高和易于实现自适 应处理等特点 给数字信号处理带来了巨大的发展 由于4 8 亿次数字信号处理 武汉理工大学硕士学位论文 器的出现 人工视觉信号实时处理已经成为可能 绝大部分应用也由最初的非 实时应用转向高速实时应用 T I 公司生产的T M S 3 2 0 C 6 0 0 0 系列芯片 最高主频 可以达到7 2 0 M H z 可以很好的满足实时视频的处理 为此 将D S P 技术和数 字图像处理结合 对驾驶员的状态进行实时监测 是一个很好的选择 具有较 高的创新意义和实用价值 1 2 国内外研究现状 疲劳驾驶监检的方法有两类 一类是利用人疲劳时的生理特征与疲劳的关 系 通过检测这些生理特征来监测测试者的疲劳状态 如脑电图 眼电图 肌电 图 呼吸气流 呼吸效果 动脉血液氧饱和时的体温 心电图 身体表征等测 量方法 另一类是利用驾驶员驾驶行为与疲劳的关系 通过检测驾驶员的驾驶行 为来监测驾驶员的疲劳状态 针对两类监测方法 已经有若干具体方法 1 P E R C L O S 法t 4 1 p e r c e n t a g eo fe y e l i dc l o s u r eo v e rt h ep u p i lo v e r t i m e P E R C L O S 是指眼睛闭合时间占某一特定时间的百分率 通过安装在驾驶员前方 仪表板上的摄像头 获得驾驶员眨眼频率与眼部闭上时间的数据 作为判断驾 驶员警觉程度的依据 在实际运用过程中P E R C L O S 的P 8 0 标准 眼睛闭合程度 超过8 0 的时间占某一特定时问的百分L L 表现出与驾驶疲劳程度较好的相关 性 2 其他测量方法和传感器 利用脉搏变化与疲劳状态之间的关系来监测驾 驶员的精神状态 利用脑电图来检测疲劳 脑电图仪E E G l 5 是测量睡眠的 金标 准 但是由于测量时需要在头上粘贴电极 不能投入到实际的运用中 而只作 为对比时的标准 监测驾驶员嘴部的状态 利用其和驾驶员精神状态的关系 从而达到检测疲劳的目的 上述两种方法是第一类监测方法中常用的设计方法 而后面几种方法则主要 是利用驾驶员驾驶行为丌发的驾驶疲劳监测系统 1 美国研制的瞌睡驾驶员侦探系统D D D S d r o w s yd r i v e rd e t e c t i o ns y s t e m 采用多普勒雷达和复杂的信号处理方法 可获取驾驶员烦躁不安的情绪活动 眨眼频率和持续时间等疲劳数据 用以判断驾驶员是否打瞌睡或睡着 2 头部位置传感器 h e a dp o s i t i o ns e n s o r 由A S C l A d v a n c e dS a f e t yC o n c e p t s 2 武汉理工人学硕士学位论文 I n c 研制开发的用于计算驾驶员头部位置的传感器 通过头部位置的变化规律判 定驾驶员是否瞌睡 3 方向盘监视装置 s t e e r i n ga t t e n t i o nm o n i t o r 一种监测方向盘非正常运动 的传感器装置 适用于各种车辆方向盘正常运动时传感器装置不报警 若方向 盘4 s 未运动 监视装置就会发出报警声直到方向盘继续正常运动为止 4 D A S 2 0 0 0 型路面警告系统 D A S 2 0 0 0r o a da l e r ts y s t e m 一种设置在高速 公路上用计算机控制的红外线监测装置 当行驶车辆越过道路中线或路肩时 向驾驶员发出警告 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作是在以T I 公司T M S 3 2 0 C 6 4 x xD S P 为核心处理器的信号处 理开发平台上借助P E R C L O S 方法的思想 单位时间内计算并显示驾驶员眼睑眨 动的次数 对驾驶员疲劳度加以判定 从而实现驾驶员疲劳实时监测系统的研 究 本文结合以下两个方面来完成具体的工作 1 分析实现P E R C L O S 算法 使用P E R C L O S 方法完成疲劳度判断的关键是要能准确的定位人眼 并对人 眼状态加以判断 所以本文通过先定位人脸再定位人眼的主体思路来判断人眼 的准确位置 然后利用眼间距离来判定眼睛的状态 完成眼睛在单位时问内眨 动次数的计算 2 D S P 信号处理平台的使用 使用以T I 公司T M S 3 2 0 C 6 4 x xD S P 为核心处理器的信号处理开发平台是能 够实现该系统的特色所在 利用基于D S P 平台嵌入的实时操作系统内核 D S P B I O S 系统实现了实时计算 显示驾驶员眼睛眨动次数 同时利用平台和 P C 主机的P C I 接口 系统可以通过P C 主机来控制D S P 系统的运行流程 并实 现D S P 平台和P C 主机的实时数据交换 系统的总体流程图如图1 1 所示 3 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 系统总体结构流程图 具体细节请见各个章节 论文分为七章 第1 章为绪论 分析了课题研究的意义和目的 概述了课题研究的背景和 国内外研究动态 介绍了课题的设计思想 第2 章设计了驾驶员疲劳实时检测系统硬件平台的构成 描述了各硬件设 备的功能和特点 并对D S P B I O S 作了详细的介绍 分析了D S P B I O S 在本系统 做所用到模块的实现方法 第3 章详细阐述了本系统基于P C I 的D S P 和P C 主机问通信以及基于D M A 的D S P 和P C 主机间数据交换的实现方法 第4 章介绍了人脸检测概念和常用的检测算法 利用丌发平台设计并实现 了一种人脸检测算法 第5 章利用开发平台设计并实现了一种人眼检测和状态判别算法 借助 D S P B I O S 嵌入式插件实现人眼眨动次数的计算和显示 通过分析实验结果的数 据完成系统的评估 第6 章总结了本文所做的工作 指出该系统需要完善的地方和可以增加的 功能 展望未来 4 一l ll 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章D S P 实时监测系统的设计 2 1 系统硬件结构与组成 本系统的实时监测系统主要是针对数字图像的监测 因而数字图像处理则 是整个监测系统的核心 其硬件平台主体结构如图2 1 通过彩色C C D 摄像头 进行数字视频信号的采集 采集到的信号送入以T I 公司T M S 3 2 0 C 6 4 x x 为核心 处理器的图像处理模块完成图像处理 处理后的视频图像可以选择在液晶显示 器L C D 上输出也可以在电脑显示器V G A 上输出 同时通过P C I 桥接口实现P C 机和D S P 的通信 Ic c 摄像头卜 视频处理模块 一 A i 一一L c 图2 1 硬件平台主体结构图 下面就主要的硬件设备作简要介绍 2 1 1 输入设备红外C C D 摄像头 对于图像处理来说 摄像头的选择是十分关键的 应该根据实际的需要加 以挑选 既要性能良好 也要考虑到经济实用 摄像头的接口应该尽可能的多 以便更好的和其他设备连接 进行图像信号的传输 摄像头的模拟制式的选择 P A L 制式和N T S C 制式 摄像头的分辨率是尤其重要的 分辨率越高 图像越 清晰 细节表现的越好 有利于以后对图像的分析处理 此外 摄像头的最低 照度和信噪比都是影响图像效果的重要参数 5 武汉理工大学硕十学位论文 2 1 2 输出设备L C D 和V G A 显示器 L C D 液晶显示屏是利用液晶场发光效应的一种新型平板显示器件 其中的 液晶是一种在一定温度范围内既不同于固态 液态 也不同于气态的特殊物质 态 它既具有各向异性的晶体所特有的双折射性 又具有液体的流动性 工作 原理是应用薄膜晶体管阵列产生的电场改变液晶的光学特性 从而改变液晶的 亮度和颜色 V G A 是I B M 于1 9 8 7 年提出的一个使用模拟信号的电脑显示标准 V G A 这 个术语常常不论其图形装置 而直接用于指称6 4 0 x 4 8 0 的分辨率 在指定色版 颜色时 一个颜色频道有6 个b i t 红 绿 蓝各有6 4 种不同的变化 因此总共 有2 6 2 1 4 4 种颜色 在这其中的任何2 5 6 种颜色可以被选为色版颜色 S V G A 全称S u p e rV i d e oG r a p h i c sA r r a y 属于V G A 屏幕的替代品 最大支 持8 0 0 x 6 0 0 分辨率 屏幕大小为1 2 1 英寸 本文所说的V G A 是指支持V G A 和S V G A 标准的电脑显示器 其显示的格式选用S V G A 的标准 2 1 3 图像处理设备 2 1 3 1 数字信号处理器 数字信号处理器D S P 是专门针对数字信号处理的特点来制作的 适合高度 重复的运算 如数字信号处理中常用的F I R 和F F T 在相同的时钟频率和芯片 集成度下 D S P 芯片比普通的处理器快2 到3 个数量级 D S P 在寻址和计算能 力等方面也做了扩充和增强 T M S 3 2 0 C 6 0 0 0 系列D S P 芯片是美国T I 公司在1 9 9 7 年发布的 其处理速度 首次达到了1 0 0 0 M I P S 在2 0 0 0 年T I 公司发布了新的C 6 4 x x 内核 主频达到 1 1G H z 处理速度接近9 0 0 0 M I P S 本系统所采用的T M S 3 2 0 C 6 4 16 芯片是T I 公司T M S 3 2 0 C 6 0 0 0 系列D S P 芯片中的一款 该系列的D S P 芯片最显著的特点 就是采用了甚长指令字 V L I W V e r yL o n gI n s t r u c t i o nW o r d 结构 大幅提升了 D S P 芯片性能 6 通过使用高效的C 语言编译器 普通用户可以丌发出具有较 高效率的D S P 运行程序 T M S 3 2 0 C 6 4 1 6 为高性能定点3 2 位D S P 处理器 工作 频率最高可为7 2 0 M H z 可以做实时的视频采集 压缩 处理和播放 或其它高 速的D S P 应用 在本系统中 设置T M S 3 2 0 C 6 4 16 D S P 的工作时钟为6 0 0 M H z 工作电压及 6 武汉理工大学硕士学位论文 I O 电压为3 3 V 核电压为1 2 V 芯片的计算能力可达到4 8 G i p s 由于视频 F I F O 的限制 外部接口的时钟为1 0 0 M H Z 2 1 3 2 视频模块 能够捕捉和产生P A L 和N T S C 锘I J 式的模拟视频信号 输出S V G A 格式的视频 捕捉图像的尺寸 F U L L C I F 和Q C I F 产生图像的尺寸 F U L L 和C I F 如表2 1 所示 表2 1 产生的视频信号格式 P A L N T S C 每秒采集图像的帧数 2 5 f p s 3 0 f p s 凡J L L 7 2 0 p i x e l s x5 7 6 l i n e s 7 2 0 p i x e l s x 4 8 0 1 i n e s C l F 3 5 2 p i x e l s x 2 8 8 1 i n e s3 5 2 p i x e l s x 2 4 0 1 i n e s Q C I F 1 7 6 p i x e l s x1 4 4 l i n e s l7 6 p i x e l s x12 8 l i n e s 视频模块的结构框图如图2 2 所示 模拟视频信 号输入 复合视频信 号输出 A D C I 视频解研芯片 L 鼍3 三 厂1 订 j 视频编码芯片l B T 6 4 A 一 嗣 E P M 7 1 2 8r L J 厂 S D R A M I 一 图2 2 视频模块内部结构框图 从结构图可以看到 视频模块总体分为2 个部分 视频的捕捉和视频的产生 而视频的产生又可以分为复合电视信号的产生和S V G A 视频信号的产生 对于视 频的捕捉 先通过C C D 摄像头采集视频信号 把模拟视频信号输入到视频解码 芯片 B T 8 3 5 进行模数转换 输出格式为Y U V 4 2 2 的数字视频信号 再将此数 字信号传输至I F I F O 进行缓存 D S P 贝 i 从F I F O 中读取数据 对于视频的产生则同 将D S P 中处理后的数字图像信号分别经视频编码芯片 B T 8 6 4 和T H S 8 1 3 4 进行 7 争困 武汉理工大学硕士学位论文 数模转换 产生复合视频信号和S V G A 视频信号 其中F P G A 和E P M 7 1 2 8 主要起 到控制数据进出F I F O 和控制帧的输入输出比率的作用 2 2D S P B I O S 2 2 1D S P B 1 0 S 概述 D S P B I O S 是一个简易的嵌入式操作系统 主要是为需要实时调度 同步以 及主机 目标系统通讯和实时监测的应用而设计的 l o l D S P B I O S 集成在C C S 中 是C C S 的重要组成部分 也是T I 公司倡导的e X p r e s s D S P 技术的重要组成部分 f l l o D S P B I O S 本身只占用很少的资源 而且是可裁减的 它只把直接或间接调 用的模块和A P I 连接到目标文件中 最多为6 5 0 0 字 因此在多数应用中是可以 接受的 它提供底层的应用程序接口 支持系统实时分析 线程管理 调用软 件中断 周期函数与后台运行函数 i d e l 函数 以及外部硬件中断与多种外设的 管理1 1 2 1 利用D S P B I O S 编写代码 借助C C S 提供的多种分析与评估工具 如 代码执行时间统计 显示输出 各线程占用C P U 的时间统计等 可以直观地了 解各部分代码的运行开销 高效地调试实时应用程序 缩短软件开发时间 而 且D S P B I O S 是构建于己被证实为有效的技术之上的 创建的应用程序稳定性 好 软件标准化程度高 可重复使用 这也减少了软件的维护费用 使用D S P B I O S 开发软件具有两个重要特剧1 3 第一 所有与硬件有关的操作都必须借助D S P B I O S 本身提供的函数完成 开发者应避免直接控制硬件资源 如定时器 D M A 控制器 串口 硬件中断等 开发人员可以通过C C S 提供的图像化工具在D S P B I O S 的静态图形配置文件中 完成这些设置 也可以在代码中通过A P I 函数调用完成动态设置 静态图形设 置比动态代码设置更节省C P U 资源 第二 带有D S P B I O S 功能的程序在运行时与没有D S P B I O S 的程序有所不 同 在传统开发过程中 用户自己的程序完全控制D S P 软件按顺序依次执行 而在使用D S P B I O S 后 由D S P B I O S 程序控制D S P 用户的应用程序建立在 D S P B I O S 基础之上 按任务中断的优先级排队等待执行 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2D S P B I O S 的组成 D S P B I O S 由3 个部分组成 D S P B I O S 实时内核和A P I D S P B I O S 实时 分析工具以及D S P B I O S 配置工具 1 D S P B I O S 实时内核和A P I 使用D S P B I O S 开发程序主要就是通过调用D S P B I O S 实时库中的A P I 应 用程序接口 函数来实现的 所有A P I 都提供C 语言程序调用接口 只要遵从 C 语言的调用约定 汇编代码也可以调用D S P B I O SA P I D S P B I O SA P I 被分为 多个模块 根据应用程序模块的配置和使用情况的不同 D S P B I O SA P I 函数代 码长度从5 0 0 字到6 5 0 0 字不等 1 4 H 1 5 1 2 D S P B I O S 配置工具 基于D S P B I O S 的程序都需要一个D S P B I O S 的配置文件 其扩展名 为 C D B D S P B I O S 配置工具有一个类似W i n d o w s 资源管理器的界面 它主要 有三个功能 在运行时设置D S P B I O S 库使用的一系列参数 静态创建被D S P 应用程序调用的D S P B I O S A P I 函数所使用的运行对象 这 些对象包括软件中断 任务 输入输出流 周期函数及事件日志等 T I 公司 的C C S 中为D S P B I O S 配备了一个图形化的静态配置工具 利用配置工具 D S P B I O S 的对象可以被预先创建及设置 用这种方法创建动态对象不仅可 以合理利用内存空间 缩短代码长度 优化内部数据结构 而且有利于在程 序编译前通过验证对象的属性来预先发现错误 设置芯片支持库的参数 3 D S P B I O S 实时分析工具 D S P B I O S 分析工具可以辅助C C S 环境实现程序的实时调试 以可视化的 方式观察程序的性能 并且不影响应用程序的运行 通过C C S 下的D S P B I O S 工具控制面板可以选择由此两个模块提供的多个实时分析工具 包括C P U 负荷 图 程序模块执行状态图 主机通道控制 信息显示窗口 状态统计窗口等 与传统的调试方法不同的是 程序的实时分析要求在目标处理器上运行监测代 码 使D S P B I O S 的A P I 和对象可以自动监测目标处理器 实时采集信息并通 过C C S 分析工具上传到主机 实时分析包括 程序跟踪 性能监测和文件服务 等 9 武汉理T 大学硕士学位论文 2 2 3本系统中所用D S P B I O S 模块的具体设置 使用D S P B I O S 的程序应该包含一个D S P B I O S 的 c d b 配置文件 但这不是 必须的 也可以完全用代码来实现 利用该图形界面化的设置窗口可以设置 D S P B I O S 使用的各种参数 以及硬件参数 比代码实现起来简单直接 且使 C P U 负荷小运算速度较高 本系统通过设置C C S 自带的D S P B I O S 配置工具模块库的参数 静念创建 了运行对象 下面分别进行介绍 2 2 3 1L O G 模块 L O G 是事件记录管理器的英文缩写 当目标程序执行时 可以通过L O G 模 块的事件日志记录实时的事件 1 6 同志缓冲区是数据存储器中一段固定大小的 存储空间 配置文件本身提供一个系统日志供用户使用 用户也可以自己定义 同志 本系统自定义了一个同志L O GV i d e o 以方便程序的实时调试 具体配置 参数如图2 3 iL O G V i l d e oi m o p e r f i e s j 图2 3L O G 对象参数的设定 2 2 3 2P R D 模块 P R D 是周期函数管理器的英文缩写 周期函数是一种特殊类型的软件中断 在片上定时器中断或其他事件多次计数后执行 在P R D 管理器中可以建立对象 来周期地执行函数 D S P B I O S 使用系统时钟驱动P R D 模块 系统时钟是一个 3 2 位计数器 在每次调用P R Dt i c k 函数时这个计数器加l 可以通过U s eC L K M a n a g e rt oD r i v eP R D 复选框的选择来决定使用定时器中断还是其他外部周期性 事件来调用P R Dt i c k 函数驱动系统时钟 本系统是在单位时间内计算眼睑眨动 的次数 是利用定时器中断来完成的 所以应选中U s eC L KM a n a g e rt oD r i v eP R D 复选框 l O 武汉理工 学硕士学位论文 褪 蓉盔警 院 n t t i 羔 一 C L K C l o c k m j 豸m ni Z 蠢1 2 蒜R Z 三 i 藿劳三三r o d 自 1 0 0 0 0 0Routine M a n g e r p n D 0I s i 一 瑚IM h e I n m u P tse r e1 嚣 I s o f t I n t e r r u p t w I 藿m s w I 霉m 一 I 蠹 一6 y l i蓬In ut Out鎏p tZSL C h io f tL i b r l 日 s n c h r o t 雹 一ps yI 武汉理工大学硕士学位论文 图2 5S W I 模块的创建 通过上图我们可以看到 中断函数名为f r e q u e n c y 其优先级为1 2 2 4D S P B I O S 系统设计 在本系统中 我们在任务线程函数V i d e o 中 实现了单位时间计算人眼眨动 次数并通过L O G 模块加以显示 我们设定了一个计数器 用于累加人眼眨动次 数 同时创建了P R D 和S W I 模块 通过新建的P R D 对象周期的调用S W I 对象 的中断函数来完成我们设定的计数器清零和结果显示 具体程序如下 t I P R I F U N C T I N v o i dC L K F R E v o i d S W l p o s t s w if r e q u e n c y 调用软件中断 料料 S W IF U N C T I O N 十 v o i df r e q u e n c y c l o s e t i m e s 2 L O Gp r i n t f L O G V i d e o T h ec l o s e t i m e si s u 1 1 c l o s e t i m e 曲 c l o s e t i m e s O 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章D S P 与P C 的通讯和实时数据交换 本系统在设计时 为了满足高效可控性 使用户能够对平台D S P 的运行和 系统的进程加以控制 使用了D S P 和P C 问的相互通讯技术 同时考虑到D S P 的存储空间有限 使用D S P 和P C 间的大批量实时数据交换技术来满足D S P 端 数据的实时存储和读取 3 1D S P 和P C 的通讯 3 1 1 基本通讯方式 基本通信方式有串行通信和并行通信 在并行通信的基础上 又诞生了P C I 总线通信 P C I 是一种由I n t e l 公司1 9 9 1 年推出的用于定义局部总线的标准 l 9 此标准允许在计算机内安装多达1 0 个遵从P C I 标准的扩展卡 P C I 通信也是并 行通信的一种 最早提出的P C I 总线工作在3 3 M H z 频率之下 传输带宽达到 1 3 3 M B s 基本上满足了当时处理器的发展需要 随着对更高性能的要求 1 9 9 3 年又提出了6 4 b i t 的P C I 总线 传输带宽达到2 6 6 M B s 后来又提出把P C I 总线 的频率提升到6 6 M H z 目前广泛采用的是3 2 b i t 3 3 M H z 的P C I 总线 6 4 b i t 的P C I 插槽更多是应用于服务器产品 从结构上看 P C I 是在C P U 和原来的系 统总线之间插入的一级总线 具体由一个桥接电路实现对这一层的管理 并实 现上下之间的接口以协调数据的传送 管理器提供信号缓冲 能在高时钟频率 下保持高性能 为显卡 声卡 网卡 M O D E M 等设备提供连接接口 工作频 率为3 3 M H z 6 6 M H z 通过P C I 桥接口 可以完成高速数据传输 对声卡 网卡 视频卡等绝大 多数输入 输出设备显得绰绰有余 3 1 2 本系统的通信方式的选择 虽然串行通信容易实现 但考虑到其传输速率很低 不大于1 0 k b s 和 本系统所要满足的实时性的要求以及在数据交换中所要传输的数据量 系统 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 决定放弃串行通信 而P C I 的传输速率1 3 3 M b s 正好是系统所需要的 同 时利用开发板P C I 通信的接口函数可以大大简化系统开发的工作量 所以系 统选用P C I 总线通信的方式来实现P C 和D S P 之间的通信 3 1 3 通信过程的实现 C C S 的主要运作原理如图3 1 所示 首先通过代码编辑器由开发人员完成代 码的编写 如果是用C 语言编写的代码先通过代码生成器生成 a s m 汇编文件 后将汇编文件通过汇编器生成T I 公司的C O F F 格式文件 再将其送入连接器生 成可执行的目标文件 o u t 最后通过C C S 的下载工具 将目标文件下载在目标 板上运行D S P c 文件 圊 姗文件回 一 一 C O F F 文件 o u t 文件一 图3 1C C S 的主要运作原理 本系统的D S P 和P C 通信采用消息机制的方式来完成 如图3 1 所示 在C C S 上运行D S P 的程序需要先在C C S 上生成目标文件 o u t 然后下载到 目标板上 在系统设计中 我们通过P C 端来控制 o u t 文件的下载 同时 对于系统进程中所需要的一些控制操作 如视频图像的下载 视频图像的上 载等也都在P C 端完成 总之 P C 端实现控制操作消息的发出 D S P 端完成 消息的接收 并发出反馈消息 当P C 端接收到反馈消息后 程序进行下步 运行 P C 端的控制界面如图3 2 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 P C 端的程序流程如图3 3 图3 2P C 端控制界面 滢黧黎嚣息 1 嚣嚣嚣 1 并嚣簇熬l l 并凫D 蝴送消息i I瑗设背景帧r I 并向D s P 投送捎息l 事i r a 有盘足开摩 j 羞塑噬堂煎垦I开L 一 轸 C O M M D E S C F i f o M s g T a b f i l l 0 I S R A M 幸M U S TN O TB EM O V E D I NS D R A MA O RB D m a D e s c f i l l 0 I S R A M 木M U S TN O TB EM O V E DI NS D R A