基于PCI總線的嵌入式實時DSP圖像采集系統(tǒng)

1、基于PCI總線的嵌入式實時DSP圖像采集系統(tǒng)    摘要：以交通十字路口實時DSP圖像采集系統(tǒng)為例，說明了基于PCI總線的DSP圖像采集系統(tǒng)的優(yōu)點，并詳細闡明了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和基于VxWorks操作平臺的軟件實現(xiàn)，最后介紹了系統(tǒng)實現(xiàn)的效果。 關(guān)鍵詞：PCI總線 DSP VxWorks操作系統(tǒng) 圖像采集系統(tǒng)本文從實時性和大容量兩方面介紹了在通用計算機上加入加速卡實現(xiàn)的圖像采集系統(tǒng)。利用芯片的高速處理特性完成大部分的圖像處理工作，上位機只完成輔助操作和存儲系統(tǒng)。這種方法發(fā)揮了的高速性能又具有相當大的靈活性，而且開發(fā)工具比較完善。實時性要求足夠的傳輸速度，總線

2、速度最高可達（、位）。這是其他總線無法比擬的速度，如總線速度只有。另外，系統(tǒng)中的可擴展存儲空間高達。這完全可以滿足一般圖像處理系統(tǒng)的需要。 基于總線的圖像采集系統(tǒng)本系統(tǒng)主要用于路口違章車輛抓拍，包括闖紅燈抓拍、超速行駛抓拍等。通過攝像頭對車流進行監(jiān)測，當有車輛在紅燈期間越過停止線或在限速地段超速行駛，系統(tǒng)拍下車輛的行為并把數(shù)據(jù)傳送到進行處理，然后經(jīng)總線把處理后的數(shù)據(jù)上傳到上位機。當然這套系統(tǒng)也可用于其他的監(jiān)控系統(tǒng)，如樓宇監(jiān)控等，其硬件系統(tǒng)基本一致，只是軟件功能有所區(qū)別。本系統(tǒng)采用公司系列中的作為系統(tǒng)的。圖像數(shù)據(jù)通過攝像機采集并輸出模擬圖像信號。這些信號經(jīng)視頻解碼芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；再經(jīng)輸入進行

3、圖像的增強、分割、特征提取和數(shù)據(jù)壓縮等；然后輸出信號經(jīng)解碼芯片轉(zhuǎn)換為符合總線規(guī)范的標準信號，通過總線接口傳到上位機。系統(tǒng)的控制邏輯由（ ）控制器實現(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖。（）視頻解碼芯片系統(tǒng)中采集的圖像信號采用公司的完成轉(zhuǎn)換。允許四路模擬視頻輸入，具有兩個模擬處理通道，支持四路模擬信號或二路模擬信號或二路信號和一路信號。對攝像頭輸入的標準格式的模擬圖像信號進行轉(zhuǎn)換，然后輸出符合格式的：2：2的位數(shù)據(jù)到。其中亮度信號為位、色度信號和合為位數(shù)據(jù)。采用公司的芯片，的深度為×，支持（標準）和（ ，首字直接通過）兩種工作模式。按照格式，圖像分辨率為×象素，當按行輸出時，輸出數(shù)據(jù)流大小為：

4、×。因為通過位的接口與通信，故數(shù)據(jù)寫入時需要在之間實現(xiàn)乒乓切換。這時一行×的數(shù)據(jù)在兩片中存儲變?yōu)?#215;。兩片可以滿足上述要求。的初始化及時序由實現(xiàn)。（）圖像處理模塊是公司發(fā)布的面向視頻處理領(lǐng)域的新款高速數(shù)字處理芯片，適用于移動通信基站、圖像監(jiān)控、雷達系統(tǒng)等對速度要求高和高度智能化的應用領(lǐng)域。存儲空間分兩部分：運行過程的臨時數(shù)據(jù)存在公司的兩片的中；系統(tǒng)程序則固化在存儲器中，該存儲器選用公司生產(chǎn)的的。存儲器具有在線重寫入功能。這對系統(tǒng)啟動程序的修改和升級都帶來了很大的方便。處理模塊結(jié)構(gòu)如圖所示。圖中的（ ）為主機口；（ ）為外部存儲器接口，兼容同步異步傳輸方式。 的高速性

5、能主要體現(xiàn)在以下方面：的存儲空間最大可擴展到，完全可以滿足各種圖像處理系統(tǒng)所需的內(nèi)存空間，而且其最高時鐘可達，峰值性能可達（百萬條指令秒）、（百萬次操作秒）。并行處理結(jié)構(gòu)。芯片內(nèi)有個并行處理單元，分為相同的兩組，并行結(jié)構(gòu)大大提高芯片的性能。芯片體系采用結(jié)構(gòu)。是一種高性能的甚長指令字（）結(jié)構(gòu)，單指令字字長為，個指令組成一個指令包，總字長為。即每秒鐘可以執(zhí)行條指令。結(jié)構(gòu)大大提高了芯片的性能。采用流水線操作實現(xiàn)高速度、高效率。只有在流水線充分發(fā)揮作用的情況下，才能達到最高的峰值性能。與其他系列相比，優(yōu)勢在于簡化了流水線的控制以消除流水線互鎖，并增加流水線的深度來消除傳統(tǒng)流水線的取指、數(shù)據(jù)訪問和乘法操

6、作上的瓶頸。本系統(tǒng)主要完成從讀出數(shù)據(jù)的處理以及壓縮等。數(shù)據(jù)處理由自行編寫的算法實現(xiàn)，數(shù)據(jù)壓縮算法采用（ ）標準。當攝像頭采集速度為每秒幀圖像時，它留給處理的時間最多為每幀。如果考慮系統(tǒng)有一定的延時以及處理后圖像的存儲時間，那么處理一幅圖像時間不能超過。按照的處理速度，在內(nèi)可以處理（×）條指令。讀出中的行數(shù)據(jù)并存入，一幀圖像有行，在最后一行時會收到系統(tǒng)的幀中斷，這時中的圖像數(shù)據(jù)總共有×。讓用條指令周期的時間處理的數(shù)據(jù)顯然綽綽有余。粗略的計算過程如下：系統(tǒng)采用快速（離散余弦變換），每×矩陣需要次乘法、次加法，因此一幀圖像的，共需要（）×××

7、;個指令周期；對于量化模塊，每×矩陣需要個量化指令周期，一幀需要×××個指令周期；對于編碼部分，假設(shè)編碼后非元素占，對每×矩陣進行掃描、編碼估計需要個指令周期，則共需×××個指令周期。按以上計算，在系統(tǒng)中進行編碼大約需要個指令周期，耗時（工作在時）?？梢钥闯?，實際需要的指令遠小于條，而時間也遠小于，完全可以實時處理從傳過來的數(shù)據(jù)。（）總線模塊總線規(guī)范吸引人的地方不僅是其高速度，更在于它適應了現(xiàn)代設(shè)備對系統(tǒng)的要求，對擴展卡及器件能進行全自動配置，并且只需很少的接口邏輯就可以實現(xiàn)并支持其他總線系統(tǒng)。的口不支持總線的無縫

8、接口。本系統(tǒng)采用公司的實現(xiàn)的與總線的連接。處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)口輸出到進行解碼，然后輸出到總線上。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖所示。是公司設(shè)計的專門用來完成系列和系列與總線進行接口的專用芯片。符合局部總線規(guī)范，能夠方便地實現(xiàn)總線與或 的接口的無縫連接?？梢约嫒莺?，以適應不同的總線電壓。與之間不需要信號的電平轉(zhuǎn)換，也不需要額外的控制邏輯電路，接口電路十分簡單。在本系統(tǒng)中，上存在兩種電壓：和。其中是口電壓，是總線電壓。啟動時需要對其總線寄存器和寄存器參數(shù)進行預加載。系統(tǒng)中解碼模塊包括一塊配置，屬于型，便于對配置參數(shù)修改和升級。當系統(tǒng)啟動時，存儲在的數(shù)據(jù)下載到的寄存器中并進行配置。圖中:、:、:、:分別與四片中的相應信

9、號相連。即可以同時與四片接口。 系統(tǒng)的軟件設(shè)計本軟件系統(tǒng)包括兩部分，即底層軟件和系統(tǒng)軟件。底層軟件主要是圖像處理算法以及啟動等運行程序。這些程序主要在環(huán)境下由語言編寫并進行匯編優(yōu)化。即 ，是公司發(fā)布的軟件運行環(huán)境。在系統(tǒng)軟件方面，基于總線的圖像處理系統(tǒng)面臨的難點頗多，其中難度最大的是驅(qū)動問題。當然這對于不同的系統(tǒng)軟件可能難度各異。若在操作系統(tǒng)下，可以充分利用的窗口特性：一方面，因為技術(shù)成熟，軟件編寫相對比較簡單；另一方面，在平臺下，驅(qū)動無需開發(fā)，可以直接利用的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)圖像卡的驅(qū)動。但是操作系統(tǒng)比較龐大，而且無法依照系統(tǒng)的需要進行自由裁減，不適合做成嵌入式系統(tǒng)。這里主要闡述在操作系統(tǒng)下的軟件

10、設(shè)計方法。相對于操作系統(tǒng)，的優(yōu)點表現(xiàn)在：系統(tǒng)具有較好的可裁減性，可裁剪的組件超過個，用戶可根據(jù)自己系統(tǒng)的功能目標通過交叉開發(fā)環(huán)境方便地配置；支持應用程序的動態(tài)鏈接和動態(tài)下載，開發(fā)者省去了每次調(diào)試都將應用程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核進行鏈接和下載的步驟，縮短了編輯調(diào)試周期；具有較好的兼容性，它是最早兼容標準的嵌入式實時操作系統(tǒng)之一；具有很高的可靠性和穩(wěn)定性；具有很好的實時性，實時性的強弱以完成規(guī)定功能和做出響應時間的長短來衡量。的多任務(wù)機制對任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級搶占（ ）和輪轉(zhuǎn)調(diào)度（ ）機制。這充分保證了可靠的實時性，使同樣的硬件配置能滿足更強的實時性要求，為應用的開發(fā)留下更大的余地。為闡明如何在操作系

11、統(tǒng)下實現(xiàn)總線的驅(qū)動，還需了解設(shè)備的配置空間。設(shè)備有三種物理存儲空間：配置空間、存儲器空間和空間。配置空間是長度為字節(jié)的一段連續(xù)空間，空間的定義如圖?眼?演。在配置空間中只讀空間有設(shè)備標識、供應商代碼、修改版本、分類代碼以及頭標類型。其中供應商代碼用來標識設(shè)備供應商的代碼；設(shè)備標識用來標識某一特殊的設(shè)備；修改版本標識設(shè)備的版本號；分類代碼用來標識設(shè)備的種類；而頭標類型用來標識頭類型以及是否為多功能設(shè)備。除供應商代碼之外，其他字段的值由供應商分配。基地址寄存器最重要的功能是分配設(shè)備的系統(tǒng)地址空間。在基地址寄存器中（最低位）用來標識存儲器空間還是地址空間，基地址寄存器映射到存儲器空間時為“”，映射到

12、地址空間時為“”。page_break設(shè)備的驅(qū)動過程主要包括下面幾個步驟：首先，設(shè)備的查找。在嵌入式操作系統(tǒng)中一般提供相應的函數(shù)查找。在操作系統(tǒng)中通過函數(shù)(, , ，_可以找到供應商代碼為、設(shè)備標識為的第（）個設(shè)備，并且返回總線號、設(shè)備號以及功能號，分別保存于、中。其次，設(shè)備的配置。通過操作系統(tǒng)提供的函數(shù)訪問設(shè)備的配置空間，配置設(shè)備基址寄存器的配置、中斷配置、基地址寄存器的配置等，這樣可以得到的存儲器空間和地址空間映射、設(shè)備的中斷號等。在操作系統(tǒng)中訪問設(shè)備配置空間的函數(shù)有、等，它們分別完成對設(shè)備配置空間的讀寫操作。然后，根據(jù)設(shè)備的配置參數(shù)，對不同的設(shè)備編寫初始化程序、中斷服務(wù)程序以及對設(shè)備存儲空間的訪問程序。很顯然，用操作系統(tǒng)實現(xiàn)雖然有一定的難度，但是系統(tǒng)具有很大的靈活性，系統(tǒng)比較小、適應性強，并且可以在工業(yè)控制計算機上運行。圖像采集系統(tǒng)的關(guān)鍵在于如何對大容量的信息進