基于PCI總線的嵌入式實(shí)時(shí)DSP圖像采集系統(tǒng)

1、基于PCI總線的嵌入式實(shí)時(shí)DSP圖像采集系統(tǒng)    摘要：以交通十字路口實(shí)時(shí)DSP圖像采集系統(tǒng)為例，說(shuō)明了基于PCI總線的DSP圖像采集系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并詳細(xì)闡明了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和基于VxWorks操作平臺(tái)的軟件實(shí)現(xiàn)，最后介紹了系統(tǒng)實(shí)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(shí)時(shí)性和大容量?jī)煞矫娼榻B了在通用計(jì)算機(jī)上加入加速卡實(shí)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(jī)只完成輔助操作和存儲(chǔ)系統(tǒng)。這種方法發(fā)揮了的高速性能又具有相當(dāng)大的靈活性，而且開(kāi)發(fā)工具比較完善。實(shí)時(shí)性要求足夠的傳輸速度，總線

2、速度最高可達(dá)（、位）。這是其他總線無(wú)法比擬的速度，如總線速度只有。另外，系統(tǒng)中的可擴(kuò)展存儲(chǔ)空間高達(dá)。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(chē)輛抓拍，包括闖紅燈抓拍、超速行駛抓拍等。通過(guò)攝像頭對(duì)車(chē)流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)有車(chē)輛在紅燈期間越過(guò)停止線或在限速地段超速行駛，系統(tǒng)拍下車(chē)輛的行為并把數(shù)據(jù)傳送到進(jìn)行處理，然后經(jīng)總線把處理后的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。當(dāng)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(guò)攝像機(jī)采集并輸出模擬圖像信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)視頻解碼芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；再經(jīng)輸入進(jìn)行

3、圖像的增強(qiáng)、分割、特征提取和數(shù)據(jù)壓縮等；然后輸出信號(hào)經(jīng)解碼芯片轉(zhuǎn)換為符合總線規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過(guò)總線接口傳到上位機(jī)。系統(tǒng)的控制邏輯由（ ）控制器實(shí)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(hào)采用公司的完成轉(zhuǎn)換。允許四路模擬視頻輸入，具有兩個(gè)模擬處理通道，支持四路模擬信號(hào)或二路模擬信號(hào)或二路信號(hào)和一路信號(hào)。對(duì)攝像頭輸入的標(biāo)準(zhǔn)格式的模擬圖像信號(hào)進(jìn)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(hào)為位、色度信號(hào)和合為位數(shù)據(jù)。采用公司的芯片，的深度為×，支持（標(biāo)準(zhǔn)）和（ ，首字直接通過(guò)）兩種工作模式。按照格式，圖像分辨率為×象素，當(dāng)按行輸出時(shí)，輸出數(shù)據(jù)流大小為：

4、×。因?yàn)橥ㄟ^(guò)位的接口與通信，故數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)需要在之間實(shí)現(xiàn)乒乓切換。這時(shí)一行×的數(shù)據(jù)在兩片中存儲(chǔ)變?yōu)?#215;。兩片可以滿足上述要求。的初始化及時(shí)序由實(shí)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(dòng)通信基站、圖像監(jiān)控、雷達(dá)系統(tǒng)等對(duì)速度要求高和高度智能化的應(yīng)用領(lǐng)域。存儲(chǔ)空間分兩部分：運(yùn)行過(guò)程的臨時(shí)數(shù)據(jù)存在公司的兩片的中；系統(tǒng)程序則固化在存儲(chǔ)器中，該存儲(chǔ)器選用公司生產(chǎn)的的。存儲(chǔ)器具有在線重寫(xiě)入功能。這對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)程序的修改和升級(jí)都帶來(lái)了很大的方便。處理模塊結(jié)構(gòu)如圖所示。圖中的（ ）為主機(jī)口；（ ）為外部存儲(chǔ)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(chǔ)空間最大可擴(kuò)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(shí)鐘可達(dá)，峰值性能可達(dá)（百萬(wàn)條指令秒）、（百萬(wàn)次操作秒）。并行處理結(jié)構(gòu)。芯片內(nèi)有個(gè)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(zhǎng)指令字（）結(jié)構(gòu)，單指令字字長(zhǎng)為，個(gè)指令組成一個(gè)指令包，總字長(zhǎng)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(shí)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(dá)到最高的峰值性能。與其他系列相比，優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)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(lái)消除傳統(tǒng)流水線的取指、數(shù)據(jù)訪問(wèn)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(xiě)的算法實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)壓縮算法采用（ ）標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)攝像頭采集速度為每秒幀圖像時(shí)，它留給處理的時(shí)間最多為每幀。如果考慮系統(tǒng)有一定的延時(shí)以及處理后圖像的存儲(chǔ)時(shí)間，那么處理一幅圖像時(shí)間不能超過(guò)。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(shí)會(huì)收到系統(tǒng)的幀中斷，這時(shí)中的圖像數(shù)據(jù)總共有×。讓用條指令周期的時(shí)間處理的數(shù)據(jù)顯然綽綽有余。粗略的計(jì)算過(guò)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(gè)指令周期；對(duì)于量化模塊，每×矩陣需要個(gè)量化指令周期，一幀需要×××個(gè)指令周期；對(duì)于編碼部分，假設(shè)編碼后非元素占，對(duì)每×矩陣進(jìn)行掃描、編碼估計(jì)需要個(gè)指令周期，則共需×××個(gè)指令周期。按以上計(jì)算，在系統(tǒng)中進(jìn)行編碼大約需要個(gè)指令周期，耗時(shí)（工作在時(shí)）?？梢钥闯觯瑢?shí)際需要的指令遠(yuǎn)小于條，而時(shí)間也遠(yuǎn)小于，完全可以實(shí)時(shí)處理從傳過(guò)來(lái)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(yīng)了現(xiàn)代設(shè)備對(duì)系統(tǒng)的要求，對(duì)擴(kuò)展卡及器件能進(jìn)行全自動(dòng)配置，并且只需很少的接口邏輯就可以實(shí)現(xiàn)并支持其他總線系統(tǒng)。的口不支持總線的無(wú)縫

8、接口。本系統(tǒng)采用公司的實(shí)現(xiàn)的與總線的連接。處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)口輸出到進(jìn)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(jì)的專(zhuān)門(mén)用來(lái)完成系列和系列與總線進(jìn)行接口的專(zhuān)用芯片。符合局部總線規(guī)范，能夠方便地實(shí)現(xiàn)總線與或 的接口的無(wú)縫連接。可以兼容和，以適應(yīng)不同的總線電壓。與之間不需要信號(hào)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(jiǎn)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(dòng)時(shí)需要對(duì)其總線寄存器和寄存器參數(shù)進(jìn)行預(yù)加載。系統(tǒng)中解碼模塊包括一塊配置，屬于型，便于對(duì)配置參數(shù)修改和升級(jí)。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，存儲(chǔ)在的數(shù)據(jù)下載到的寄存器中并進(jìn)行配置。圖中:、:、:、:分別與四片中的相應(yīng)信

9、號(hào)相連。即可以同時(shí)與四片接口。 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(dòng)等運(yùn)行程序。這些程序主要在環(huán)境下由語(yǔ)言編寫(xiě)并進(jìn)行匯編優(yōu)化。即 ，是公司發(fā)布的軟件運(yùn)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(diǎn)頗多，其中難度最大的是驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。當(dāng)然這對(duì)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?yàn)榧夹g(shù)成熟，軟件編寫(xiě)相對(duì)比較簡(jiǎn)單；另一方面，在平臺(tái)下，驅(qū)動(dòng)無(wú)需開(kāi)發(fā)，可以直接利用的驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)圖像卡的驅(qū)動(dòng)。但是操作系統(tǒng)比較龐大，而且無(wú)法依照系統(tǒng)的需要進(jìn)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(jì)方法。相對(duì)于操作系統(tǒng)，的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：系統(tǒng)具有較好的可裁減性，可裁剪的組件超過(guò)個(gè)，用戶可根據(jù)自己系統(tǒng)的功能目標(biāo)通過(guò)交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境方便地配置；支持應(yīng)用程序的動(dòng)態(tài)鏈接和動(dòng)態(tài)下載，開(kāi)發(fā)者省去了每次調(diào)試都將應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的嵌入式實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性，實(shí)時(shí)性的強(qiáng)弱以完成規(guī)定功能和做出響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)衡量。的多任務(wù)機(jī)制對(duì)任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級(jí)搶占（ ）和輪轉(zhuǎn)調(diào)度（ ）機(jī)制。這充分保證了可靠的實(shí)時(shí)性，使同樣的硬件配置能滿足更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性要求，為應(yīng)用的開(kāi)發(fā)留下更大的余地。為闡明如何在操作系

11、統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)總線的驅(qū)動(dòng)，還需了解設(shè)備的配置空間。設(shè)備有三種物理存儲(chǔ)空間：配置空間、存儲(chǔ)器空間和空間。配置空間是長(zhǎng)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(biāo)識(shí)、供應(yīng)商代碼、修改版本、分類(lèi)代碼以及頭標(biāo)類(lèi)型。其中供應(yīng)商代碼用來(lái)標(biāo)識(shí)設(shè)備供應(yīng)商的代碼；設(shè)備標(biāo)識(shí)用來(lái)標(biāo)識(shí)某一特殊的設(shè)備；修改版本標(biāo)識(shí)設(shè)備的版本號(hào)；分類(lèi)代碼用來(lái)標(biāo)識(shí)設(shè)備的種類(lèi)；而頭標(biāo)類(lèi)型用來(lái)標(biāo)識(shí)頭類(lèi)型以及是否為多功能設(shè)備。除供應(yīng)商代碼之外，其他字段的值由供應(yīng)商分配?；刂芳拇嫫髯钪匾墓δ苁欠峙湓O(shè)備的系統(tǒng)地址空間。在基地址寄存器中（最低位）用來(lái)標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)器空間還是地址空間，基地址寄存器映射到存儲(chǔ)器空間時(shí)為“”，映射到

12、地址空間時(shí)為“”。page_break設(shè)備的驅(qū)動(dòng)過(guò)程主要包括下面幾個(gè)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(yīng)的函數(shù)查找。在操作系統(tǒng)中通過(guò)函數(shù)(, , ，_可以找到供應(yīng)商代碼為、設(shè)備標(biāo)識(shí)為的第（）個(gè)設(shè)備，并且返回總線號(hào)、設(shè)備號(hào)以及功能號(hào)，分別保存于、中。其次，設(shè)備的配置。通過(guò)操作系統(tǒng)提供的函數(shù)訪問(wèn)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(chǔ)器空間和地址空間映射、設(shè)備的中斷號(hào)等。在操作系統(tǒng)中訪問(wèn)設(shè)備配置空間的函數(shù)有、等，它們分別完成對(duì)設(shè)備配置空間的讀寫(xiě)操作。然后，根據(jù)設(shè)備的配置參數(shù)，對(duì)不同的設(shè)備編寫(xiě)初始化程序、中斷服務(wù)程序以及對(duì)設(shè)備存儲(chǔ)空間的訪問(wèn)程序。很顯然，用操作系統(tǒng)實(shí)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(yīng)性強(qiáng)，并且可以在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。圖像采集系統(tǒng)的關(guān)鍵在于如何對(duì)大容量的信息進(jìn)