CI总线和DS芯片的图像处理平台的硬件设计

PCI总线和DSP芯片的图像处理平台的硬件设计摘要：介绍了基于PCI专用芯片S5933和DSP芯片TMS320C32图像处理平台的硬件设计。该平台使用专用视频输入处理芯片SAA7113和CPLD实现了高速连续的视频帧采集，满足了后继图像处理的需要。该平台既可以作为视频图像采集使用，也可以进行视频压缩、匹配等图像处理的算法验证，并具有使用灵活的特点。关键词：数字信号处理芯片视频采集图像处理随着计算机、多媒体和数据通信技术的高速发展，数字图像技术近年来得到了极大的重视和长足的发展，并在科学研究、工业生产、医疗卫生、教育、娱乐、管理和通信等方面取得了广泛的应用。同时，人们对计算机视频应用的要求也越来越高，从而使得高速、便捷、智能化的高性能数字图像处理设备成为未来视频设备的发展方向，这必然要求产生相适应的新理论、新方法和新算法。为了在利用这些新技术的过程中检验其可行性，研制了基于ＰＣＩ总线和ＤＳＰ芯片的图像处理平台，该图像处理平台是利用ＰＨＩＬＩＰＳ公司的视频输入处理器ＳＡＡ７１１３、ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｃ３２高速浮点ＤＳＰ和ＡＭＣＣ公司的Ｓ５９３３ＰＣＩ总线接口芯片搭建的。利用高速的ＰＣＩ总线和功能强大的ＤＳＰ芯片，可以进行视频压缩、图像检测、视觉定位等算法研究。１系统功能概述根据实际应用需要，该系统的主要功能有：（１）可以在不同输入制式ＰＡＬ和ＮＴＳＣ之间进行自动切换和处理。（２）能利用采集到的ＹＵＶ图像信号数据进行压缩算法的验证，或转换成灰度图像数据、ＲＧＢ格式图像数据等进行检测、定位等算法的检验。（３）能将处理后的数据通过ＰＣＩ接口交给上层系统（ＰＣ机）保存或进行进一步验证处理。（４）系统具有软件修改、升级功能和灵活性，便于算法的改进验证。系统的设计难点主要是如何实现系统数据的高速传输。图像数据由专用集成视频解码器ＳＡＡ７１１３采集，经Ａ／Ｄ转换处理后传输到ＤＳＰ；再经ＤＳＰ处理后通过ＰＣＩ接口传输到ＰＣ机。如何实现ＳＡＡ７１１３与ＤＳＰ之间和ＤＳＰ与Ｓ５９３３之间的高效率数据通信是解决这个问题的关键。通过分析研究，在ＳＡＡ７１１３与ＤＳＰ之间采用ＣＰＬＤ控制的两帧轮换方式，实现图像的隔行信号变逐行信号以及采集和处理的同步进行；在ＤＳＰ与Ｓ５９３３之间采用ＤＭＡ传输方式，实现数据流在系统中的高速传输，以满足图像处理要求。２系统的硬件设计整个系统由视频解码器、ＤＳＰ和ＰＣＩ总线专用芯片组成。系统框图如图１所示。ＤＳＰ芯片采用ＴＭＳ３２０Ｃ３２，该芯片是在ＴＭＳ３２０Ｃ３０的基础上简化而来的，含有ＴＭＳ３２０Ｃ３０ＣＰＵ核心。它增加了一些常用的功能部件，使程序引导功能、串行接口传输和存储器均可支持８、１６、３２位的数据。它可产生边沿中断和电平中断，可由用户编程设定中断向量表的地址，具有空等待和低功耗两种电源管理方式。它具有两个ＤＭＡ通道，功能强大的外部存储器接口既可以满足视频解码接口８位数据的要求，也可以实现ＰＣＩ接口３２位数据的的高速数据传输。ＴＭＳ３２０Ｃ３２灵活的程序加载可以实现在系统编程。ＰＣＩ总线专用接口芯片采用Ｓ５９３３，它是一种功能强且使用灵活的ＰＣＩ总线控制器专用芯片，该芯片符合ＰＣＩ局部总线规范２．１版本，既可作为ＰＣＩ总线目标设备，实现基本的传送要求；也可作为ＰＣＩ总线主控设备，访问其它ＰＣＩ总线设备。Ｓ５９３３的峰值传送速率为１３２Ｍｂｐｓ(３２位ＰＣＩ数据线)。Ｓ５９３３提供了３个物理总线接口：ＰＣＩ总线接口、外加总线接口（ＡＤＤ－ＯＮＢＵＳ）；可选的ＮＶ存储器接口。用户可根据需要设计Ｓ５９３３与外加总线接口相连接的逻辑电路和配置空间的初始化，而不必考虑ＰＣＩ总线规范众多的协议，从而将复杂的ＰＣＩ总线接口关系转化为简单的８／１６／３２位外加总线（ＡＤＤ－ＯＮＢＵＳ）接口关系。Ｓ５９３３芯片功能框图如图２所示。ＰＣＩ总线与外加总线之间的数据传输可以通过内部先入先出存储器（ＦＩＦＯ）、邮箱寄存器（Ｍａｉｌｂｏｘ）和数据直传通道（Ｐａｓｓ－Ｔｈｒｕ）三种通道进行。各通道都包括两组寄存器以分别完成ＰＣＩ总线和ＡＤＤ－ＯＮ总线接口双向数据传输，为使用者提供较为宽松而灵活的设计空间。可编程视频解码芯片采用ＳＡＡ７１１３；该芯片是可编程视频处理芯片，采用ＣＭＯＳ工艺。通过简单的Ｉ２Ｃ总线可以对其实现编程控制；内部包含两路模拟处理通道，能实现视频源的选择、抗混叠（去假频）滤波、模／数变换、自动嵌位、自动增益控制、时钟产生、多制式（ＰＡＬＢＧＨＩ、ＰＡＬＭ、ＰＡＬＮ、ＮＴＳＣＭ和ＮＴＳＣＮ）解码及亮度、对比度和饱和度控制。本系统采用软件模拟Ｉ２Ｃ总线的控制方式，通过ＤＳＰ的多功能口实现ＤＳＰ对ＳＡＡ７１１３的初始化等控制；根据ＳＡＡ７１１３输出的同步脉冲，通过使用可编程器件ＣＰＬＤ，产生图像帧存储器的地址信号、读写信号以及帧切换等控制信号，实现ＳＡＡ７１１３和ＤＳＰ之间的高速数据通讯。３ＤＳＰ与ＳＡＡ７１１３之间的无缝连接ＳＡＡ７１１３输出的是隔行视频信号，一帧图像需要传送两次，分别记为奇场图像和偶场图像；视频处理的对象是逐行排列的图像信号，因此必须等待一帧图像（连续的奇、偶两场信号）采集完后，合成到一个图像帧中才能进行后续处理。利用ＳＡＡ７１１３的同步信号，使用可编程逻辑器件ＣＰＬＤ构建控制器，可将图像数据写入帧存储器，解决图像帧合成问题。为了向前端处理器（ＤＳＰ）提供连续的图像信号，采用两个图像帧存储器Ａ和Ｂ交替存储的方式，来暂存采集到的图像数据和需要处理的图像数据，可实现图像的实时连续采集处理。ＤＳＰ与ＳＡＡ７１１３之间的硬件接口如图３所示，整个接口的控制逻辑，包括两个子模块：帧图像写入控制器和乒乓开关，由一块ＣＰＬＤ来完成。ＣＰＬＤ芯片采用ＡＬＴＥＲＡ公司的ＥＰＭ９３２０ＲＣ２０８。两组帧存储器Ａ和Ｂ采用ＣＹＰＲＥＳＳ公司生产的两块ＣＹ７Ｃ１０４９芯片，容量为５１２Ｋ×８ｂｉｔ，存取时间不超过１５ｎｓ，能满足图像实时采集要求。夺ＳＡ坊Ａ７控１１睛３由紧数字委视频贴输出请口Ｖ砍ＰＯ困?眼孝７：磁０，穿输出弱视频淘数据难。系咸统设衣置Ｓ旁ＡＡ垂７１雀１３训的输胸出数纲据为摘标准贪的Ｉ仪ＴＵ谁６神５６雁４奉?押赛２?末押２棚Ｙ散ＵＶ眯格式痒，每抽一个避象素哀的数降据由布两个荡连续侦的字裹节表种示。光为了族方便煮地存崭储处比理图袜像，漠系统杆仅取想一帧誓图像箩中间该的５论１２恶×５鼠１２誓个象族素作歌为一健帧，回即所性取图控像帧泳为连度续奇朋偶两香场图粥像的宪中央紧５１珠２行乡，且架每行猫取中宁间的熟５１雕２个获象素判的图啦像块旗。肝利用友ＳＡ字Ａ７盗１１洒３的桑同步疯信号静，帧凯图像李写入匀控制散器模水块产扔生帧耍存储秩器的矩地址帜信号攀、写汗信号怕以及猜帧切亭换信至号之视一（组ＲＤ梯Ｙ１友）。浆ＳＡ摄Ａ７饿１１果３输答出的恳同步融信号范包括衡ＬＬ糟Ｃ、拖ＲＴ围Ｓ０移、Ｒ购ＴＳ练１。坟ＬＬ速Ｃ是数行锁贪定系盏统时玻钟输此出，楼为象闲素时阅钟频项率的死两倍助，即岸２７杀ＭＨ欲ｚ，摸用来蜻同步求数据岛采集量，使故得一疼个Ｌ陵ＬＣ详周期衰输出滨一个谎字节果的图料像数疼据。般在图陡像数薄据有嗓效时纯，其早上升判沿反俱相后皂作为静帧存兼储器生的Ｗ攀Ｅ＃钢信号仔。Ｒ铃ＴＳ更０、毫ＲＴ奔Ｓ１糊的功愁能是画通过榜编程炊设置务ＳＡ塑Ａ７片１１调３功江能寄辅存器丹确定狱的。委ＲＴ疼Ｓ０管被设劳置为魂水平柴输出溪参考古信号惩（行锈有效逝信号军），阴ＲＴ娃Ｓ０洋高电甜平时仗表示番采集唤一行链有效碑象素也，低亩电平除时表辜示场腊消隐畏信号运?熏址在Ｒ头ＴＳ限Ｏ上慨升沿饥后，强帧图凉像写烂入控妈制器妄控制线采集愧一行恢中间坛的５鞠１２华个象解素数救据，花将其捡余的写象素我数据搁丢弃秩。Ｒ觉ＴＳ岂１被易设置么为垂兆直输朴出参波考信弃号和奏奇偶项场信序号，铺ＲＴ慰Ｓ１背高电躲平时孟表示权采集部奇场潜图像楚所需春要的早有效踏数据声，在匹ＲＴ拼Ｓ１域上升农沿时穴，开摧始采烧集奇复场图碧像数底据，鸡同时赢它也龟被用插来作旬为帧爷图像爪开始碍的信壁号；复ＲＴ奏Ｓ１尸低电缺平时都表示愈采集英偶场钞中所谜需要悼的图排像数久据，嫂在Ｒ毕ＴＳ脆１下椅降沿枣时，君开始药采集吃偶场视图像辣数据符。在惩ＲＴ恭Ｓ１币上升葡沿时弹，帧笋图像净写入悠控制语器控挤制采镰集２册５６搏行象等素数雁据作凝为奇兼场图财像；苦在Ｒ桐ＴＳ技１下猪降沿镜时，非顺次超采集区下面胀的２捎５６像行象栗素数纺据作默为偶原场图沉像，就其余废的图姥像行浓数据格丢弃牌。使丧用５稼１２泽Ｋ×瞧８ｂ阴ｉｔ缠的静烫态存爷储器摔（Ｓ江ＲＡ反Ｍ）树，恰享好可迷以存万放一兼帧５邀１２致×５表１２卖×２驻×８旋ｂｉ捧ｔ的踩图像终。在许合成上一帧独图像懒时，雀对应行的奇菜场图银像的鸽第ｎ司个象赤素和迫偶场震图像趟的第央ｎ个佳象素惩在存纳储器捞内位祖置相渔差５全１２紧×２蛙×８剩ｂｉ饥ｔ，您帧图芦像写灵入控室制器荐通过刘把Ｒ殖ＴＳ寨１（吐奇偶镰场有历效）燥信号志作为祸写入辱图像纪数据骆的帧扬存储铺器地柏址信旧号中规的Ａ袄１，凉把场器中有忙效行鹊的计淡数输侄出信析号作蠢为帧恼存储醒器地稳址信颗号中冶的Ａ酿１[汽１８束:１夫２]渡,把屯行中位有效胳象素广的计量数输贷出信限号作究为帧式存储盾器地桌址信枕号中棵的Ａ支１[剖１０狡:０抓],童从而掠实现好隔行舰信号薄变逐油行信射号存仆储在棕一图售像帧闭存储键器中抱。图打４为得图像早采集呈同步头信号嘱时序心图。墓当采帽集完愚一帧孔图像侍数据态时，渠帧图健像写荷入控婚制器粉产生汇ＲＤ血Ｙ１助信号虎，通蝶知乒舟乓开业关。坑在Ｃ蹲ＰＬ层Ｄ内常部构感造一圣个乒移乓开桥关控轧制模粮块，侮自动新完成即帧间睛读写饺两个秋通道衬接口士的切筑换。午其中蹈帧图摊像写扎入控三制器应产生剧的写咳图像诸帧的赌地址骄信号叠Ａ１镜[１测８:台０]驾、写溪控制率信号根ＷＲ久＃和迟ＳＡ康Ａ７哲１１健３的漂ＶＰ手Ｏ[烤７:盒０]摩组成待了图隔像帧挂写通海道的些始端赞接口捏；Ｄ递ＳＰ意读图气像帧忧的地跨址线定信号荐Ａ２优[１桶８:湿０]浓、读突控制专信号惰Ｒ／刃Ｗ＃卧和数摇据线流的低向８位门信号绒ＤＩ盆[７愿:０气]组载成了说图像滤帧读边通道篇的终每端接断口；急ＲＤ东Ｙ１毕、Ｒ坐ＤＹ磁２(旦ＦＸ挺０)扇作为牵帧切情换就存绪信机号触鹊发通北道的抓切换狂。开碑始采倾集图毯像数梅据时享，帧酬切换勾就绪圈信号歌ＲＤ答Ｙ１幼、Ｒ麻ＤＹ室２同锤时为阴假，灾图像馋帧写菜通道秩的始颈端接社口信眯号与座图像回帧Ａ眉的接风口信车号Ｒ巧Ｄ、龟ＷＥ孟＃、庸Ａ[乒１８际:０付]和棋Ｄ[纽７:秃０]史连接驻；Ｓ亚ＡＡ渡７１珍１３薄的当贺前帧劳图像蹲数据笼写入便帧存筒储器浅Ａ；姨同时烈，图李像帧疤读通呢道的烦终端裹接口巧与图敬像帧童Ｂ的蹦接口催信号吸连接遥，Ｄ侍ＳＰ转从帧脸Ｂ中私取出征前一广帧图戚像数所据进弟行处絮理；这当前涌帧的贤图像捞数据攻采集茂完时蛾，帧无图像震写入询控制青器停让止采很集数巨据，欧置Ｒ件ＤＹ拌１为题真；砍同理悠，当器ＤＳ对Ｐ在丛处理拉完前地一帧挤图像拉时，顾设置疮引脚超ＦＸ猴Ｏ置雾ＲＤ盛Ｙ２率为真陡。乒距乓开智关模每块在丰检测县到Ｒ误ＤＹ糊１、下ＲＤ吴Ｙ２坝同时俩为真晴时，六切换瑞通道慈的接葵口，差此时听图像藏帧写样通道曾的始贩端接华口与然图像丽帧Ｂ都的接孤口连燥接；踪ＳＡ容Ａ７剃１１唤３的即当前史帧图阳像数引据写让入帧虾存储甜器Ｂ睁；图给像帧撞读通柱道的钢终端横接口掉与图滤像帧马存储勉器Ａ欲的接钢口信刻号连陈接，手ＤＳ桨Ｐ从福帧存碎储器凯Ａ中侮取出踪前一吧帧图炸像数樱据进辆行处常理。挖这样贵两帧醉轮换督进行泪，实逃现了丸图像烛的实忧时连舰续处残理。请在Ｄ铃ＳＰ斗和Ｓ洗ＡＡ摊７１颂１３女之间躁所有纵控制激信号威的接迷口逻足辑和胁时序娘转换巷都由举ＣＰ秃ＬＤ毒来完殊成,浇增加高了可车靠性盛，简热化了锁ＰＣ牧Ｂ的鞋版面均，并峡且可丸以编胃程修疾改，牌提高勇了使肢用的旷灵活企性。乞图4钟图救像数索据采斑集同摘步信牛号时牧序图文４哈Ｓ５慨９３仅３与跟ＤＳ渔Ｐ之佩间的括接口药设计汇Ｓ５订９３机３的键三种松数据辈传输呀方式发有不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