基于DSP成像系統(tǒng)的視頻圖像采集部分的實(shí)現(xiàn)

1、收稿日期 :2001208229作者簡(jiǎn)介 :張曉飛 (19752 , 男 , 湖南婁底人 , 博士生 , 主要從事 D SP 技術(shù)應(yīng)用 、 數(shù)字圖像處理及紅外圖像處理 。 文章編號(hào) :100422474(2002 0320247204基于 D SP 成像系統(tǒng)的視頻圖像采集部分的實(shí)現(xiàn)張曉飛 , 袁祥輝(重慶大學(xué) 光電工程學(xué)院 , 重慶 400060摘要 :介紹了一種以 D SP 為核心的成像系統(tǒng)中 , FPGA 作為主要控制單元 , 用 D SP 控制實(shí)現(xiàn)了黑白全電視 信號(hào)圖像數(shù)據(jù)采集 。 文章在介紹了系統(tǒng)的組成原理的基礎(chǔ)上 , 詳細(xì)討論了采集部分的結(jié)構(gòu)和 FPGA 的控制邏輯 ,D SP 響應(yīng)

2、中斷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移及存儲(chǔ) 。 這種設(shè)計(jì)具有功能集成 , 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單 , 修改方便等優(yōu)點(diǎn) , 能得到滿意的圖像結(jié)果 。關(guān)鍵詞 :數(shù)據(jù)采集 ; D SP ; FPGA 中圖分類號(hào) :文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :ADa t a Acquisiti on for V i deo I mage on I mag i n g Syste m Ba sed on D SPZHANG X i a o -fe i , Y UAN X i a ng -hui(Op toelectronic Engineering College , Chongqing U niversity , 400044, China Abstract :I

3、n i m aging syste m , FPGA is used as a m ain l it , tro l on fo rblack 2w h ite video signal . In th is paper , the p i is expounded in de 2tail , such as con structi tro l l con tro l and in terup t res pond . T he advan 2tage of th is in m p and easy to modify .Key ; ; D SP1引言隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展 , 圖像數(shù)字化處

4、理在軍事 、 科研 、 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 、 醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域的應(yīng)用越 來(lái)越廣泛 。 例如在紅外熱像儀成像系統(tǒng)中 , 由于紅外 焦平面固有的非均勻性 , 在紅外圖像處理過(guò)程中 , 必 須對(duì)每幀中的每個(gè)像元素進(jìn)行非均性的校正處理 , 才能達(dá)到較好的效果 。 因而必須對(duì)模擬信號(hào)數(shù)字化 , 本文通過(guò)對(duì) C M O S 圖像傳感器輸出的黑白電視信 號(hào)進(jìn)行視頻采集 , 獲得數(shù)字圖像信號(hào) , 以便實(shí)現(xiàn)數(shù)字 圖像的處理 。本系統(tǒng)采用 PC 機(jī)和基于 D SP 的數(shù)字信號(hào)處理 板 (數(shù)字板 構(gòu)成的主從式成像系統(tǒng) 。 采用計(jì)算機(jī)作 為主機(jī) , D SP 作為輔助機(jī)的主從式結(jié)構(gòu) 。 本文主要 介紹本系統(tǒng)的視頻圖像采集部分

5、采用 FPGA 進(jìn)行 邏輯控制以及用 D SP 進(jìn)行中斷取數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采 集 。 2系統(tǒng)組成及基本原理一個(gè)完整的成像系統(tǒng)不但要具備圖像信號(hào)的采 集功能 , 還要求能對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示 , 且要求完成圖像信號(hào)的分析及處理算法 (如圖像壓縮等 。 通常 這些算法的運(yùn)算量大 , 同時(shí)又要滿足實(shí)時(shí)顯示的要 求 , 因此采用高速 D SP 芯片作為數(shù)據(jù)核心處理單 元 。 另外 , 要求系統(tǒng)滿足通用性的同時(shí) , 針對(duì)不同的 應(yīng)用和不斷出現(xiàn)的新處理方法 , 還要使系統(tǒng)便于功 能的改進(jìn)和擴(kuò)展 。為此 , 我們以 PC 機(jī)為主機(jī) , 以 T I 公司的 D SP (TM S 320C 6201 作為數(shù)字信號(hào)處理板

6、 的核心 1, 2, 用 FPGA 作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的控制部 分 , 設(shè)計(jì)出紅外圖像處理系統(tǒng) 。 圖 1是基于 D SP 的 紅外成像系統(tǒng)的原理圖 。 本文將詳細(xì)闡述本系統(tǒng)數(shù) 據(jù)采集部分的實(shí)現(xiàn)方法 。3采集系統(tǒng)的構(gòu)成311信號(hào)說(shuō)明采用黑白電視信號(hào)作為模擬輸入 , 以 FPGA 作 為采集系統(tǒng)的控制單元 , 進(jìn)行邏輯控制實(shí)現(xiàn)采樣 。 黑 白 電視信號(hào)說(shuō)明如下 3(復(fù)合視頻信號(hào)波形見圖 2 :(1 描方式為隔行掃描 ; (2 每秒 50場(chǎng) , 場(chǎng)周期為 20m s , 每場(chǎng) 31215行 , 行周期為 64s ;第 24卷第 3期壓電與聲光V o l . 24N o . 32002 年 6月P I

7、EZ O EL ECTR I CS &A COU STOO PT I CSJune 2002 圖 1基于 D SP 的成像系統(tǒng)的原理圖圖 2復(fù)合視頻像信號(hào)波形(3 ,25個(gè)行同期 , 215個(gè)行周期 , 行消隱期寬度為 12s , 行同步脈沖寬度為 417s ; (4 系統(tǒng)采用逐場(chǎng)采集電視信號(hào) , 每場(chǎng)的圖像 大小為 256256像素 , 灰度值為 256。 312視頻信號(hào)復(fù)合同步信號(hào)提取4采用視頻同步分離器 LM 1881芯片來(lái)完成這一 功能 , LM 1881可從 0152V 標(biāo)準(zhǔn)負(fù)極性 N T SC 制 、 PAL 制或 SECAM 制視頻信號(hào)中提取組合同 步 、 場(chǎng)同步 、 奇偶場(chǎng)識(shí)別

8、等信號(hào) , 這些信號(hào)都是進(jìn)行 圖像數(shù)字采集所需要的同步信號(hào) , 有了它們 , 才能確 定在哪一場(chǎng) 、 哪一行 。因此 , 選用 LM 1881獲取復(fù)合 同步信號(hào) , 能十分方便地提取采集同步信號(hào) , 使電路 變得更簡(jiǎn)單 , 該部分電路圖和信號(hào)波形如圖 3所示 。圖 3 LM 1881復(fù)合同步信號(hào)提取電路及信號(hào)波形313 FPGA 與 D SP 數(shù)據(jù)交換部分的工作原理及工作過(guò)程數(shù)據(jù)交換部分用一個(gè) 4K 雙口 RAM 作為圖像 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū) , 。 , 應(yīng), 4K 的雙口 RAM 劃分成兩塊圖像 緩存區(qū)域 , 假設(shè)前 2K 為 RAM 1, 后 2K 為 RAM 2, 每塊大小為 2K , 在系統(tǒng)工

9、作的任一時(shí)刻 , 一塊緩存用于圖像的采集 , 采集部分向該存儲(chǔ)區(qū)寫圖像數(shù) 據(jù) ; 另一塊用于外部對(duì)圖像的讀取 , D SP 可以讀取 該存儲(chǔ)區(qū)中的圖像數(shù)據(jù) 。 雙緩存結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特 點(diǎn)在于 D SP 對(duì)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)操作是隨著雙口 RAM 存 儲(chǔ) 地 址 來(lái) 回 切 換 的 。 當(dāng) A D 轉(zhuǎn) 換 數(shù) 據(jù) 寫 滿 RAM 1時(shí) , FPGA 會(huì)向 D SP 發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào) , 此時(shí) , D SP 讀取 RAM 1中的數(shù)據(jù) , 同時(shí) , A D 轉(zhuǎn)換數(shù) 據(jù)寫入 RAM 2, 當(dāng) RAM 2中的數(shù)據(jù)寫滿時(shí) , FP 2GA 會(huì)向 D SP 發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào) , 此時(shí) , D SP 讀取 RAM

10、2中 的 數(shù) 據(jù) , 同 時(shí) , A D 轉(zhuǎn) 換 數(shù) 據(jù) 寫 入 RAM 1, 如此交替 , 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入與讀取同時(shí)進(jìn)行 。由于 D SP 讀取雙口 RAM 中數(shù)據(jù)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大 于 A D 轉(zhuǎn)換寫入數(shù)據(jù)的速度 , 為允許采集與外部訪 問(wèn)的同時(shí)進(jìn)行 , 實(shí)現(xiàn)兩塊存儲(chǔ)區(qū)操作的乒乓式切換 , 滿足數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換的要求 。系統(tǒng)的工作過(guò)程為 :(1 D SP 通過(guò) ENAD 信號(hào)控制采集系統(tǒng)的運(yùn)行 , 當(dāng) ENAD =1時(shí) , 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始工作 , 則數(shù) 據(jù)通過(guò) A D 不斷地送入雙口 RAM , 且雙口 RAM 每隔 2K 發(fā)出一個(gè)中斷 , 通知 D SP 讀取前一段已完成轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù) 。(2 當(dāng)

11、 ENAD =0即系統(tǒng)停止工作時(shí) , 采集時(shí) 248壓電與聲光 2002年鐘為低電平 , 存儲(chǔ)器片選均為低電平 (片選為高電平 有效 , 整個(gè)系統(tǒng)處于低能耗的待命狀態(tài) 。 314 FPGA 采集控制部分的邏輯結(jié)構(gòu)實(shí)際上一場(chǎng)視頻圖像有 31215行 , 場(chǎng)消隱期寬 度為 25個(gè)行周期 , 為使圖像的采集行范圍不落入場(chǎng) 消隱期中 , 我們確定一場(chǎng)的采集從場(chǎng)同步滯后 32個(gè) H S 脈沖開始 , 采集 256行后停止 , 這樣可保證不會(huì)采到消隱電平 。 圖像每行時(shí)間為 64s , 其中行消隱 期寬度為 12s , 行消隱期中有 417s 的行同步頭 , 行同步頭在消隱期中的位置一般靠前 。 我們確定

12、從采集行行同步滯后 7s 后開始采集 (滯后時(shí)間可視 具體信號(hào)稍加調(diào)整 , 采集時(shí)鐘為 5M H z , 采 256個(gè) 點(diǎn)需要 5112s ?？梢杂靡粋€(gè) 8分頻的計(jì)數(shù)器 , 將 40M 的輸入時(shí)鐘 CLOCK 變換為 5M 的采集時(shí)鐘 AD CL K 。根據(jù) 313中說(shuō)明的系統(tǒng)工作過(guò)程 , FPGA 的控 制邏輯過(guò)程為 :當(dāng) ENAD =0時(shí) , 采 集 系 統(tǒng) 停 作 , L I N E =0, EN = 當(dāng) ENAD =1時(shí) , 系統(tǒng)處于采集狀態(tài) , 采集一場(chǎng) 圖像的過(guò)程為首先 ENAD 與 H S 通過(guò) A D 啟動(dòng)控制部分合 成后 , 使啟動(dòng) A D , 只有 H S 上升沿到來(lái)后 ,

13、 才讓 H S 通過(guò) , 從而保證采集的圖像為完整的一幀圖像 。 同時(shí) H S 上升沿到來(lái)后 , 對(duì)所有計(jì)數(shù)器及觸發(fā)器清零 。 H S上升沿后 , 場(chǎng)消隱延時(shí)用來(lái)對(duì) CSO 計(jì)數(shù) , 以保證計(jì) 數(shù) 32周期后 , 此時(shí)場(chǎng)消隱期已過(guò) , 可以采集圖像了 。 行同步計(jì)數(shù)器對(duì) CSO 進(jìn)行計(jì)數(shù) 。 在計(jì)數(shù)的每一行 中 , 當(dāng) CSO 上升沿到來(lái)時(shí) , 行消隱延時(shí)對(duì) AD CL K 計(jì)數(shù) , 計(jì)數(shù)在到 32時(shí) , 此時(shí)行消隱已過(guò) , 點(diǎn)同步計(jì)數(shù) 器開始對(duì) AD CL K 計(jì)數(shù) 。 當(dāng)行同步計(jì)數(shù)達(dá)到 256后 停止計(jì)數(shù) , 此時(shí)一幀圖像采集完畢 。等待下一個(gè) H S 到來(lái) 。圖 4為 FPGA 。設(shè) ,

14、 本系統(tǒng)選 Spartan XL 系列 在 Foundati on 3. 1I 上完成設(shè)計(jì) , 且下載到芯片驗(yàn)證 。圖 4 FPGA 采集控制部邏邏輯原理框圖315 D SP 實(shí)現(xiàn)中斷控制取數(shù)FPGA 發(fā)出的 AD I N T 與 D SP 的外部 I N T 7相連 , 用于實(shí)現(xiàn) D SP 的中斷取數(shù) , 由于 FPGA 每隔 2K 發(fā)出一個(gè)中斷 , 因雙口 RAM 的大小為 4K , 因而必須采用中斷實(shí)現(xiàn)取數(shù) 。 具體實(shí)現(xiàn)為在 D SP 內(nèi)設(shè) 置中斷 , 當(dāng)外部中斷信號(hào)來(lái)到時(shí) , 則響應(yīng)中斷服務(wù)程 序 , 執(zhí)行中斷響應(yīng) 。 如此反復(fù) , 直到完成一幀圖像采 集 。用 C 語(yǔ)言編寫的 D S

15、P 中斷主程序及中斷響應(yīng) 服務(wù)程序如下 (讀取一幀圖像 :flag =0; coun t =32;vo id m ain ( I CR =0x 80;IER =0x 0083; enable in t 7(start in t CSR =1;3(un signed vo latile in t 3 ADADDR =0x 1F ; ad startw h ile (1 w aitng fo r in trup t第 3期 張曉飛等 :基于 D SP 成像系統(tǒng)的視頻圖像采集部分的實(shí)現(xiàn) 249if (coun t =0 break ; 3(un signed vo latile in t 3 ADA

16、DDR =0x 0; ad stopCSR =0x 100; disable all in terrup tsIER =1; disable all in terrup ts excep t NM I I CR =0xffff ; clear all pending in terrup ts in terrup t vo id start in t ( 3中斷服務(wù)程度 3 if (flag =0 w h ile (b 00x 2000 3(un signed vo latile in t 3 (0x 400000+b 1 =3(un signed vo latile in t 3 (0x 14

17、00000+b 0 & 0xFFF ; b 0=b 0+4; b 1=b 1+4; flag =1; else if (flag =1 w h ile (b 00x 4000 3(un t 3=3(un 0x +b 0 & 0xFFF ; b 0=b 0+4; b 1=b 1+4; b 0=0; flag =0; coun t 22;在中斷矢量表中要中斷 7處進(jìn)行設(shè)置 , 以便有外 部中斷時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程度 , 設(shè)置語(yǔ)句為 : I N T 7:b start in t程序中 I CR 為中斷設(shè)置寄存器 , IER 為中斷使 能寄存器 , CSR 為控制狀態(tài)寄存器 。 ADADDR 為 A

18、D 啟動(dòng) 關(guān)閉控制字 。 F lag 標(biāo)記用于識(shí)別讀取的數(shù) 據(jù)是 4K 雙口 RAM 的前或后 2K 的標(biāo)記 。 coun t 用于 一幀中斷次數(shù)的記數(shù) (2K 332=64K , 雙口 RAM 在 D SP 和 存 儲(chǔ) 器 中 對(duì) 應(yīng) 的 存 儲(chǔ) 器 位 置 為 0x 1400000, 因而在搬數(shù)時(shí) , 對(duì) 0x 1400000進(jìn)行操作 。4結(jié)束語(yǔ)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò) PC I 口實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 交 換 , 由 于 PC I 口 實(shí) 現(xiàn) 交 換 數(shù) 據(jù) 快 (可 高 達(dá) 120 M byte s , 且可方便地讀取板卡上內(nèi)存處的數(shù)據(jù)實(shí) 現(xiàn)數(shù)據(jù)交換 , 便于系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 。 圖 5是系統(tǒng)通過(guò) PC I 口實(shí)現(xiàn)讀數(shù)和顯示獲得的 256256點(diǎn) , 按 256級(jí)灰度 顯示所得的圖像 。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明 , 該系統(tǒng)可以獲得理 想清晰的平滑圖像 , 實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為滿意 。圖 5采集得到的 256256點(diǎn) , 按 256級(jí)灰度圖像 參考文獻(xiàn) :1ZHAN G X iao 2fei , L