基于DSP和USB20的高速偏振圖像采集處理系統(tǒng)

1、張偉偉,薛模根,袁魏華 時(shí)間:2009年03月02日 字 體: 大 中 小關(guān)鍵詞:圖像采集處理系統(tǒng)圖像信號(hào)壓縮算法EZ-USB? 摘? 要: 論述了基于DSP和USB2.0接口的高速偏振圖像采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì),詳細(xì)介紹了偏振圖像采集處理的實(shí)現(xiàn)方法和原理。利用TMS320VC5509和USB2.0接口芯片,實(shí)現(xiàn)了偏振圖像的高速采集與處理,完成了圖像的壓縮傳輸。? 關(guān)鍵詞: DSP;USB;偏振圖像采集與處理;圖像壓縮? DSP芯片憑借其強(qiáng)大的功能、越來(lái)越快的速度以及很高的性價(jià)比,被廣泛用于通信、雷達(dá)、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)器人、控制、精密機(jī)械、語(yǔ)音和圖像處理等領(lǐng)域1。USB接口的熱插拔、速度快(速度高達(dá)4

2、80Mb/s)和外設(shè)容量大(理論上可掛接127個(gè)設(shè)備)以及便攜等特性,使其成為PC機(jī)的外圍設(shè)備擴(kuò)展中應(yīng)用日益廣泛的接口標(biāo)準(zhǔn)2?；贒SP強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能和USB接口便攜、高速和易于擴(kuò)展的特點(diǎn),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于TMS320VC5509和USB芯片的一套多功能高速偏振圖像采集處理系統(tǒng),利用圖像壓縮算法實(shí)現(xiàn)了偏振圖像的高速采集。該系統(tǒng)的DSP主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和偏振圖像的合成壓縮處理,采集到的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)USB口傳到PC主機(jī)上進(jìn)行顯示、計(jì)算和分析等。?1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)?1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)? 器件選擇方面,本系統(tǒng)在滿足系統(tǒng)要求的前提下,應(yīng)盡可能減少系統(tǒng)資源的冗余,提高系統(tǒng)的集成度。所以本系

3、統(tǒng)的數(shù)據(jù)源是即得的數(shù)字信號(hào),忽略了由模擬信號(hào)經(jīng)采集、量化編碼得到數(shù)字信號(hào)的過(guò)程。? 整個(gè)偏振圖像采集處理系統(tǒng)的硬件部分包括偏振圖像的采集、存儲(chǔ)、合成壓縮和傳輸四部分。圖1是高速偏振圖像采集系統(tǒng)的原理框圖。? 由于每幅偏振圖像達(dá)到102410248bit,所以在采集端選用了Cypress公司的CY7C68013作為偏振圖像采集端。采集到偏振圖像后存入SDRAM,圖像壓縮算法壓縮后通過(guò)DSP自帶的USB接口傳送到上位機(jī)。?1.2 系統(tǒng)的主要組成部分?1.2.1 DSP處理模塊? 本系統(tǒng)的DSP芯片主要負(fù)責(zé)偏振圖像的采集與處理。選擇DSP處理器時(shí)主要考慮其運(yùn)算速度、總線寬度和性價(jià)比。系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像

4、采集與處理,要求較高的運(yùn)算速度,所以選用了TI公司的TMS320VC5509。TMS320VC5509的CPU的主時(shí)鐘能夠工作在144MHz,利用雙累加器和算術(shù)邏輯單元,每個(gè)周期能執(zhí)行一條指令或并行的兩條指令,具有高達(dá)288MIPS的處理能力。TMS320VC5509啟動(dòng)模式可選,上電后執(zhí)行駐留在低地址空間的BOOTLOADER,然后根據(jù)4個(gè)中斷輸入信號(hào)的狀態(tài)判斷啟動(dòng)模式,可以從RAM、ROM或串行口啟動(dòng)3。本系統(tǒng)選擇從FlashROM加載方式。DSP將采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行偏振圖像的合成壓縮后通過(guò)有線或者無(wú)線的方式傳輸出去。?1.2.2 USB接口模塊? 由于USB協(xié)議非常復(fù)雜,開(kāi)發(fā)者不可能在

5、底層基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)選用CYPRESS公司的帶單片機(jī)內(nèi)核的EZ-USB FX2系列的CY7C68013。該芯片遵從USB2.0規(guī)范(480Mb/s),將8051單片機(jī)內(nèi)核、智能USB接口引擎、USB收發(fā)模塊、存儲(chǔ)器、串行口等集成,從而減少芯片接口時(shí)序。CY7C68013有兩種接口方式,設(shè)計(jì)采用的是外部主控制器(VC33),就像對(duì)普通的FIFO一樣對(duì)FX2的多層緩沖FIFO進(jìn)行讀寫(xiě)。? DSP與USB接口原理圖如圖2所示。USB接口芯片CY7C68013由3.3V供電,XTALIN、XTALOUT連接無(wú)源晶振,晶振選擇24MHz。DPLUS、DMINUS為USB差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸線。EA是外部程序

6、存儲(chǔ)器和片上程序存儲(chǔ)器選擇輸入控制位,1表示選擇外部程序存儲(chǔ)器方式,0表示選擇片上程序存儲(chǔ)器方式。PAO/INTO#選擇INTO#工作方式,其中斷級(jí)別最高。當(dāng)FIFO全滿造成數(shù)據(jù)溢出導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí),該中斷請(qǐng)求發(fā)生,系統(tǒng)通知數(shù)據(jù)溢出錯(cuò)誤,并停止數(shù)據(jù)采集。RESET#為USB接口芯片復(fù)位輸入。?1.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊? 在緩沖器件的選擇上,可以使用雙端口器件(如FIFO、雙口RAM等)、SDRAM等方法。首先考慮采用雙端口器件,原因是雙端口器件在軟硬件設(shè)計(jì)上很容易實(shí)現(xiàn),但由于原始偏振圖像太大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有技術(shù)條件下所能制造出的雙端口器件的最大容量,因此雙端口器件不適用于該設(shè)計(jì)。其次考

7、慮SDRAM,原因是它擁有足夠的存儲(chǔ)深度,且價(jià)格便宜,便于采購(gòu),適合本模塊的需要。? 在實(shí)時(shí)圖像數(shù)字處理器中,采用SDRAM存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):一是速度高,由于同步存儲(chǔ),存取時(shí)間可達(dá)6ns7ns;二是單片容量大,有利于減少直觀圖像處理系統(tǒng)的體積。? 由于TMS320VC5509只支持16bit的數(shù)據(jù)寬度,因此需要將DSP的BE1、BE0分別和SDRAM的DQMH、DQML對(duì)接,實(shí)現(xiàn)DSP和MT48LC4M16A2的無(wú)縫連接。其A10管腳對(duì)應(yīng)precharge,因此和DSP的SDA10相連,CKE需要用一個(gè)上拉電阻拉為高電平。在采用CE0、CE1片選空間合并使用,只將CE0與SDRAM的片選

8、信號(hào)連接,在CE0的空間寄存器中,存儲(chǔ)器類(lèi)型MTYPE=011b。DSP與SDRAM的連接圖如圖3所示。?2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)? 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括DSP圖像采集和處理程序設(shè)計(jì)、Firmware固件設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)程序和上層應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)流程圖如圖4所示。?2.1 Firmware固件設(shè)計(jì)? Cypress公司針對(duì)其EZ-USB FX2系列的USB芯片給出了一個(gè)Firmware庫(kù)和Firmware框架,均是用KeilC51開(kāi)發(fā)的。Firmware庫(kù)提供了一些常量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、宏、函數(shù)來(lái)簡(jiǎn)化對(duì)芯片的使用。用戶只需要在源程序中包含fx2.h、fx2 regs.h和fx2 sdly.h,并把Ezusb.

9、lib和USBJmpTb.OBJ添加到項(xiàng)目中即可。Firmware框架實(shí)現(xiàn)了初始化芯片、處理USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求以及掛起下的電源管理功能。該框架不需添加任何代碼,編譯后產(chǎn)生的.HEX文件下載到芯片就能與主機(jī)進(jìn)行基本的USB通信,只是不能完成用戶特定的任務(wù)。對(duì)于用戶而言,主要的工作就是選擇適當(dāng)?shù)膫鬏敺绞?添加需要使用的端點(diǎn)(Endpoint),在主要關(guān)心的TD_Init()、TD_Poll()等函數(shù)中添加初始化代碼和完成特定的功能代碼即可。由于系統(tǒng)要求的實(shí)時(shí)性較高,且對(duì)采集到的數(shù)據(jù)的正確性有嚴(yán)格要求,故采用了具有出錯(cuò)重傳機(jī)制的BULK塊傳輸模式和自動(dòng)打包(AUTO IN=1),以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?/p>

10、5。由于代碼相對(duì)簡(jiǎn)單就不作特殊說(shuō)明。?2.2 驅(qū)動(dòng)程序及主機(jī)端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)? Cypress FX2開(kāi)發(fā)包中提供了一個(gè)通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序ezusb.sys,可用于基于EZ-USB系列的芯片,且不需修改直接使用,完成基本的USB接口通信任務(wù)。開(kāi)發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般有兩種有效、快速的方法:一是根據(jù)芯片公司提供的通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)結(jié)合自己的要求,用DDK等工具修改通用驅(qū)動(dòng)源碼以達(dá)到目的,例如將Cypress公司提供ezusb.sys驅(qū)動(dòng)中一些不常用的讀取描述符的函數(shù)去掉,添加一些和本設(shè)計(jì)有關(guān)的函數(shù)等;二是利用第三方提供的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)軟件如Windriver、DriverStudio等,生成USB 驅(qū)動(dòng)程

11、序基本框架,再添加一些具體函數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能。? 主機(jī)端應(yīng)用程序主要實(shí)現(xiàn)從USB 接口芯片中讀取采樣和分析數(shù)據(jù)及發(fā)送一些設(shè)置參數(shù)和DA 數(shù)據(jù)。Cypress FX2開(kāi)發(fā)包提供的EZ-USB通用驅(qū)動(dòng)程序?yàn)橹鳈C(jī)端的用戶態(tài)應(yīng)用程序提供了USB 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求和數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?。所有用戶程序訪問(wèn)EZ-USB通用驅(qū)動(dòng)程序都是通過(guò)I/O Control調(diào)用的。用戶程序首先通過(guò)調(diào)用Win32函數(shù)CreateFile()得到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的句柄;然后調(diào)用Win32函數(shù)Device IOControl(),通過(guò)得到的句柄把I/O Control Code(IOCTL)和相關(guān)的輸入輸出緩沖區(qū)提交給驅(qū)動(dòng)程序。EZ-USB通

12、用驅(qū)動(dòng)程序支持的IOCTLs和它們相應(yīng)的輸入輸出結(jié)構(gòu)都定義在開(kāi)發(fā)包提供的頭文件ezusbsys.h中,用戶在使用時(shí)需要包含這個(gè)頭文件。?2.3 系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)? 在完成硬件和軟件的綜合調(diào)試后,用偏振圖像采集處理模塊與偏振相機(jī)連接進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn),并對(duì)模塊的幾個(gè)重要指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試分析。? 其中,偏振相機(jī)與偏振圖像采集處理模塊連接,構(gòu)成任務(wù)端部分?？刂贫藙t用一臺(tái)P4計(jì)算機(jī)構(gòu)成。在實(shí)際應(yīng)用中,任務(wù)端與控制端之間的通信方式視具體運(yùn)用環(huán)境而定,既可通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)行通信,也可通過(guò)有線方式進(jìn)行通信。而在實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件下,主要目的是為了檢驗(yàn)?zāi)K工作性能。因此,用簡(jiǎn)便可靠的有線通信代替無(wú)線通信。為與偏振圖像采集

13、處理模接口保持一致,并保證較高的傳輸速率,有線通信采用了USB通信方式。在控制端,運(yùn)行的是人機(jī)交互控制程序。?2.4 偏振圖像的壓縮傳輸? 由于系統(tǒng)的需要,在模塊得到原始圖像后要進(jìn)行合成處理,合成處理就是通過(guò)已得到的數(shù)學(xué)公式將三幅原始偏振光強(qiáng)度圖像信號(hào)合成為另外五路圖像信號(hào):強(qiáng)度圖像信號(hào)I、偏振度圖像信號(hào)P、偏振角圖像信號(hào)A、Q圖、U圖。? 對(duì)合成處理后得到的偏振圖像要分別進(jìn)行有損壓縮和無(wú)損壓縮,以增強(qiáng)模塊的工作效率,如圖5所示。? 在有損壓縮算法的選取上,選擇了目前較為常用的JPEG算法。JPEG算法的實(shí)現(xiàn)通常有三種方式6,即普通PC機(jī)上的純軟件實(shí)現(xiàn)法,基于DSP數(shù)字信號(hào)處理器件的實(shí)現(xiàn)法和基

14、本可編程邏輯器件的專用集成電路實(shí)現(xiàn)法。其中,基于PC機(jī)的純軟件實(shí)現(xiàn)法不適用于小型化的軍用裝備,基于可編程邏輯器件的專用集成電路實(shí)現(xiàn)法具有更好的實(shí)時(shí)性和更高的運(yùn)行效率,但程序復(fù)雜。基于DSP的實(shí)現(xiàn)方式,由于DSP具有較高的運(yùn)行效率且算法實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。本文就是利用基于DSP的實(shí)現(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)了JPEG壓縮算法,達(dá)到了偏振圖像的壓縮要求。? 對(duì)于合成處理后得到的偏振度圖像和偏振角圖像,必須采用無(wú)信息丟失的無(wú)損壓縮,力求增強(qiáng)模塊的工作效率,縮短模塊響應(yīng)時(shí)間。在無(wú)損壓縮算法上采用了現(xiàn)階段較為常用的LZW壓縮算法。其基本原理是7:LZW把每一個(gè)第一次出現(xiàn)的字符串用一個(gè)數(shù)值來(lái)編碼,在還原程序中再將這個(gè)數(shù)值還成原

15、來(lái)的字符串。例如:用數(shù)值0x100代替字符串“abccddeee”,每當(dāng)出現(xiàn)該字符串時(shí),都用0x100代替,這樣就起到了壓縮作用。至于0x100與字符串的對(duì)應(yīng)關(guān)系則是在壓縮過(guò)程中動(dòng)態(tài)生成的,而且這種對(duì)應(yīng)關(guān)系隱含在壓縮數(shù)據(jù)中,隨著解壓縮的進(jìn)行,這張編碼表會(huì)從壓縮數(shù)據(jù)中逐步得到恢復(fù),后面的壓縮數(shù)據(jù)再根據(jù)前面數(shù)據(jù)產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)關(guān)系產(chǎn)生更多的對(duì)應(yīng)關(guān)系,直到壓縮文件結(jié)束為止。? 實(shí)驗(yàn)表明,PC機(jī)處理后的偏振度圖與系統(tǒng)處理后得到的偏振度圖。在不放大的情況下肉眼無(wú)法分辨壓縮圖像質(zhì)量與原圖的區(qū)別。? 本文介紹了基于USB2.0 接口和DSP 的高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成、硬件連接以及USB2. 0驅(qū)動(dòng)程序和固件程序的開(kāi)發(fā)以及模塊的圖像處理程序。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,本系統(tǒng)運(yùn)行可靠,是一種比較好的高速偏振圖像采集與處理的解決方案。?參考文獻(xiàn)?1 王念旭.DSP基礎(chǔ)與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001.?2 俞平,秦樹(shù)人.基于DSP和USB2.0高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)J.重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2005,(5).?3 Texas instruments Co.Using the TMS320VC5509 Bootloade.?4