基于DSP的数据采集与处理系统的设计

1、第7卷第15期2007年8月167121819(20071523943204科学技术与工程Science Technol ogy and EngineeringVol .7No .15Aug .20072007Sci .Tech .Engng . 基于DSP 的数据采集与处理系统的设计王肃伟杨学友李雁斌叶声华(天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津300072摘要构建了一种基于DSP 的数据采集和处理系统,介绍了系统硬件和软件设计方案,着重讲述了T MS320F2812型DSP 在数据处理中的作用,设计实现了F I R 滤波器和FFT 算法。该系统通用性好,可靠性高,实时性强,可以实现

2、快速的测量和传输。关键词C MOS 图像传感器DSP F I R FFT 中图法分类号TP31714;文献标识码A 2007年4月9日收到 第一作者简介:王肃伟(1984,男,河南开封人,天津大学测试计量技术及仪器硕士研究生。研究方向:测试技术与图像处理。Email:suwei w ang80yahoo 。T MS320F2812型DSP 是美国TI 公司推出的、最佳测控应用的定点DSP,也是目前市场上最先进、功能最强大的32位定点DSP 芯片。既具有数字信号处理能力,又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制能力。它采用高性能的静态C MOS 技术,时钟频率可达150MHz,具有高性能的32位中央

3、处理器,能在一个周期内完成16x16、32x32的乘法和累加运算。支持32位单位周期指令,其数据地址为32位,程序地址为22位,具有高速的片内数据存储器和程序存储器,可以访问4G 字(16位的数据空间和4M 字的程序空间。该型号DSP 芯片在电源功率控制、电机工程、制冷系统、可调激光器等领域应用广泛1。本文提出一种以上述T MS320F2812型DSP 为核心,集成了C MOS 图像传感器和FPG A 的数据采集和处理平台,充分利用了C MOS 图像传感器体积小、稳定性好、FPG A 集成度高、可编程实现以及DSP 强大的控制能力和高速图像处理能力等优点。该系统可以实现快速提取图像数据和高速图

4、像处理,为后续的算法处理和传输提供了有力保障。1系统硬件设计1.1总体设计本系统主要由C MOS 图像传感器、DSP 、FPG A 、工业以太网以及主控计算机组成,主要包括图像采集、数据处理及图像传输三个功能单元,可以实现图像数据的实时采集、数据的实时处理和实时传输给主控计算机。系统原理框图如图1所示。图1系统原理框图1.2系统实现本系统选用Omni V isi on 公司的OV9650型C MOS 图像传感器、Xilinx 公司的Spartan3系列的FPG A 以及TI 公司的T MS320F2812型DSP 作为主要元件来实现系统功能。OV9650内部集成了A /D 及DSP 芯片,可以

5、提供高速而稳定的数字输出,保障了采集端的速度。OV9650的工作模式和参数等寄存器需要SCCB (Se 2rial Ca mera Contr ol BUS 总线配置,由于SCCB 总线相当于I 2C 总线,所以可在FPG A 内编程实现I 2C 逻辑,使DSP 可通过该模拟I 2C 口对C MOS 传感器进行配置2。系统上电后,DSP 配置OV9650工作在自动增益、自动曝光工作模式,OV9650输出图像信号D0D9以及VSY NC (场同步信号、HREF (行场参考信号、P LCK (像素同步信号等信号3。FPG A 为OV9650提供24MHz 的工作时钟CLK,并根据其输出的同步信号控

6、制C MOS 图像传感器的数据采集,最终将数据读入FPG A 的内部的BLOCK RAM 中。一帧图像存储完毕时,FPG A 使OV9650暂停工作,并向DSP 发出中断信号I N T1,随后DSP 读取FPG A 内部RAM 中的数据,并进行图像处理。数据处理后的图像数据可以在DSP 的控制下实现以太网的高速传输。T MS320F2812型DSP 是本系统的核心元件,其正常工作需要3.3V 和1.8V 两种电平,选用TI 公司的TPS767D318进行双电源的供电。DSP 主要完成三项任务:配置图像传感器、图像处理和数据传输,与其他部件的硬件连接如图2所示 。图2系统硬件连接框图DSP 通过

7、地址总线A0A18、数据总线D0D15以及读写使能信号W /R 完成对C MOS 图像传感器的设置和FPG A 内部存储单元的访问,通过普通I/O 口I/O0I/O4实现与FPG A 的同步和通讯。D0D15和B0B15分别作为数据总线和地址总线与以太网芯片相连,使得DSP 可以通过FPG A 实现对以太网芯片相关寄存器的访问。两个外部中断信号线I N T1和I N T2分别作为FPG A 的数据存储中断信号和以太网的传输中断信号,提示DSP 做出中断响应。2系统软件设计2.1软件设计系统上电后,DSP 初始化完毕即开始通过FP 2G A 的I 2C 接口对C MOS 传感器进行初始化配置,随

8、后启动图像采集,FPG A 将图像数据存储完毕,给出中断信号并禁止图像采集。DSP 检测到中断信号,从FPG A 的内部BLOCK RAM 中读取数据并进行图像处理,最后通过以太网将处理后的数据传送给主控计算机。系统采集一帧数据的软件流程如图3所示 。图3主程序流程框图2.2图像处理在生产现场,往往存在很多高频干扰信号,为了方便后续的数据处理,拟设计基于DSP 的F I R 滤波器滤除高频干扰。TI 函数库提供了Matlab 指令文件的ezfir 滤波器设计套件,我们可以在Matlab 环境下方便的调用ezfir16.m 文件,输入相关参数即可得到相应的滤波系数3。在此我们选取采样频率为45k

9、Hz,输入转折频率为13kHz,阶数为50,窗函数选择Ha mm ing (汉明窗,将获得的滤波系数储存在F I R.xls,回车可得其幅频f a 特性和相频f p 特性,如图4、图5所示。4493科学技术与工程7卷 图4 幅频特性图5相频特性打开F I R.xls 文件,可得滤波系数h (0h (25:#defineF I R16_COEFF 18916,2107227,-919915,-2165187,2689013,1770122,-5637609,458924,8848309,-6226421,-10158537,15663637,6094950,-26804634,6684765,3

10、4930927,-29884572,-32768096,62193799,11272199,-99090519,42598427,133496873,-163708962,-157941775,660275232h (26h (50与h (0h (24是对称相等的。将h (0h (50添加到fir .h 中,加载fir .as m 到DSP 上即可实现F I R 滤波。FFT 变换是非常流行的一种频域分析方法,它利用蝶形因子的旋转性和周期性的特点,大大减少了运算量,提高了DFT 的计算效率。DSP 在实现FFT 方面具有自身的优势:一方面,针对FFT 变换中需要对原始顺序进行码位倒序排列,DS

11、P 控制器专门设计了反序间接寻址;另一方面,FFT 变换需要进行的蝶形运算,需要指令系统能满足查表以及短时间内的累加相乘的需要,而DSP 的间接寻址方法可以实现增(减1或增(减一个变址量,并且能在一个周期内完成乘和累加,这些都满足了FFT 的运算需要。FFT 变换的实现过程如图5。TI 的DSP L ibrary 中提供了FFT 算法,根据不同的用途略加修改即可使用。但在应用时需要综合考虑:一方面,如能利用DSP 控制器反序间接寻址的特性,将能大大提高代码的执行效率和系统的实时性;另一方面,考虑到代码的通用性和可移植性,最好使用易读的C 语言。在此,FFT 核心算法采用汇编语言编写,主程序采用

12、C 语言编写。为防止数据溢出,蝶形运算结果采用归一化处理。3结论本文介绍了一种基于DSP T MS320F2812的数据采集与处理系统的方案设计,着重阐述了DSP 在该系统中图像处理方面的应用。DSP 在图像处理方面的独特优势满足了系统对于信号分析以及大数据量运算的要求,解决了高速图像采集和传输的瓶颈,从而实现了系统的实时测量与控制,因而该系统具有很强的应用和科研价值 。图6FFT 流程图参考文献1苏奎峰,吕强,耿庆峰,等.T MS320F2812原理与开发.北京:电子工业出版社,2005:11182李艳华.面向仪表的嵌入式DSP 硬件平台的研究.天津:天津大学出版社,2004:20243OV

13、9650i m age p r ocess or .Datasheet .Omni V isi on,2005:126(下转第3949页549315期王肃伟,等:基于DSP 的数据采集与处理系统的设计改进模型解决了初始轮廓一部分在真实轮廓内而另一部分在外的问题,很大程度上放宽了出事轮廓的选取条件。由于要判断蛇点是在真实轮廓内外,所以该模型只适用于分割一个目标,在复杂图像中效果不是很理想。该模型有待于改进。参考文献1Kass M ,W itkin A,Terz opoul os D.Snake:Active cont our models .I nternati onal Journal of

14、Computer V isi on,1988;1(4:3213312Cohen L D.Note on active cont our models and ball oons .G VGI P:I m 2age Understanding,1991;53(2:2112183Xu C Y,Prince J L.Snake,shapes and gradient vect or fl ow .I EEETransacti ons on I m ageing Pr ocedding,1998;7(3:3593694Am ini A A,W ey mouth T E,Jain T G .U sing

15、 dyna m ic p r ogra mm ingf or s olving variati onal p r oble m s in visi on .I EEE Transacti ons on Pat 2tern Analysis and Machine I ntelligence,1990;12(9:8558675W illiam sD J,Shah M.A fast algorithm for active cont ours and curva 2ture esti m ati on .CVGI P:I m age Understanding,1992;55(1:1426New

16、Snake M odelJ I A NG Ping(Dep t .of I nf or mati on Technol ogy,Yulin College,Yulin 719000,P .R.China AbstractThe original cont our must be on the real cont our because the snake model is sensitive t o the original cont our s l ocati on,or results are generally inaccurate .original cont our is often

17、 gained fr om i m ages relative inf or ma 2ti on when serial i m ages are seg mented .This original cont our may be far fr om the real cont our and its part is inside the real cont our whereas the other part is exteri or .Some researchs for this p r oble m and widens the conditi ons of choosing the

18、original cont our are made of .Key wordsi m age seg menti on Snake model original cont our snake point(上接第3945页D esi gn of Da t a Acqu isiti on and Processi n g Syste m Ba sed on D SPWANG Su 2wei,Y ANG Xue 2you,L I Yan 2bin,YE Sheng 2hua(State Key Laborat ory of Precisi on Measure ment Technol ogy and I nstruments,Tianjin University,Tianjin 300072,P .R.China AbstractA data acquisiti on and p r ocessing syste m based on DSP is built,and the hard ware and s oft w are de 2sign of the whole syste m and es pecially the data p r ocessing functi on of T MS320F2812