基于FPGA+DSP的實時圖像處理平臺的設計與實現(xiàn)

2 采集模塊
通常的多路數(shù)據(jù)采集方案^[2]是：(1)采用多片ADC器件，每路模擬輸入對應1片ADC。(2)采用1片高速ADC器件，由多路開關選擇后送給ADC。一般采用CPLD或FPGA控制各ADC或多路開關的方式達到高速采集的目的。但是，采用以上的方案均存在一些問題：相應外圍電路龐大，接口復雜；一般都外掛數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，降低了系統(tǒng)的傳輸速度，同時對于高精度、多通道、并行轉換A/D系統(tǒng)，使接入FPGA的管腳數(shù)增多，這樣造成FPGA等系統(tǒng)資源的嚴重浪費和成本的增加。
本系統(tǒng)采用了一種共享總線、同步采集、分時讀取的方法^[3]，提高了系統(tǒng)采集和傳輸速度，達到對多通道、高分辨率并行A/D同步采集的有效控制，合理利用了FPGA系統(tǒng)資源，降低了硬件成本?？偩€共享、同步采集、分時讀取的方法主要是借鑒了分時操作系統(tǒng)的思想，按照時間片對A/D轉換結果進行輪循讀取。從圖1可知，在硬件設計上，多路A/D轉換器共享采樣時鐘信號CLK、讀寫控制信號AD_wr、片選信號ADC_cs；A/D1、A/D3、A/D5共享一路數(shù)據(jù)總線ADCB14～27，A/D0、A/D2、A/D4共享另一路數(shù)據(jù)總線ADCB0～13；A/D0、A/D1共享輸出使能信號ADC_OE0，A/D2、A/D3共享輸出使能信號ADC_OE1，A/D4、A/D5共享輸出使能信號ADC_
OE2。多路A/D轉換器共享采樣時鐘信號ADC_clk、片選信號ADC_CS，保證了采樣的同步問題；共享數(shù)據(jù)總線節(jié)約了FPGA管腳，合理利用了FPGA資源，通過分別使能ADC_OE信號，在A/D轉換完成后數(shù)據(jù)有效的時間內，分時讀取轉換結果，達到了并行采集的目的；不同數(shù)據(jù)總線的二路A/D轉換器共享使能信號，保證在同一時間片內并行讀取二路A/D轉換結果。
ADC的選擇如下：
該系統(tǒng)要求在線檢測速度達到25瓶/s，也就是每個瓶的檢測時間為40ms。另外，對藥用管制瓶的檢測其精確度是考慮的重要因素。這對ADC的轉換精度和轉換時間要求較高。
本文A/D轉換芯片采用TI公司的ADS8364芯片，它是專為高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計的高速、低功耗、六通道同步采樣的16位A/D轉換芯片，共有64個引腳，適用于噪聲比較大的環(huán)境，其最大采樣率為250KS/s；每個輸入端都有一個ADC保持信號，用來保證幾個通道能同時進行采樣和轉換，可以對單極性或雙極性輸入電壓進行A/D轉換；三個保持信號(HOLDA、HOLDB、HOLDC)可以啟動指定通道的轉換。當三個保持信號同時被選通時，其轉換結果將保存在六個寄存器中；當ADS8364芯片采用5MHz的外部時鐘來控制轉換時，它的取樣率是250kHz，采樣和轉換可以在20個時鐘周期內完成；對于每一個讀操作，ADS8364芯片均輸出十六位數(shù)據(jù)；地址/模式信號(A0、A1、A2)決定如何從ADS8364芯片中讀取數(shù)據(jù),可以選擇單通道、周期或FIFO模式；在ADS8364芯片的HOLDX保持至少20ns的低電平時，轉換開始。這個低電平可使各個通道的采樣保持放大器同時處于保持狀態(tài)從而使每個通道同時開始轉換。當轉換結果被存人輸出寄存器后，引腳EOC的輸出將保持半個時鐘周期的低電平；ADS8364芯片采用+5V工作電壓,并帶有80dB共模抑制的全差分輸入通道以及六個4Ls連續(xù)逼近的模數(shù)轉換器、六個差分采樣放大器。另外，在REFIN和REFOUT引腳內部還帶有+2.5V參考電壓以及高速并行接口。ADS8364芯片的差分輸入可在-VREF～+VREF之間變化。在信號輸入端采用差動運放將模擬輸入信號以差分方式輸入ADS8364芯片，以有效地減少共模噪聲，實現(xiàn)較高的有效采集精度。通過同時置/RD和/CS為低電平可使數(shù)據(jù)讀出到并行輸出總線。
　　ADS8364芯片轉換過程為：當ADS8364芯片的/HOLDX保持至少20ns的低電平時，轉換開始。當轉換結果被存入輸出寄存器后，引腳/EOC的輸出將保持半個時鐘周期的低電平，以提示數(shù)據(jù)分析處理器進行轉換結果的接收，處理器通過置/RD和/CS為低電平可使數(shù)據(jù)通過并行輸出總線讀出。在轉換數(shù)據(jù)的接收過程中，ADS8364芯片各管腳工作的時序安排很重要。
3 FPGA邏輯控制功能的實現(xiàn)
FPGA是整個采集、處理和顯示系統(tǒng)的邏輯控制核心，主要包括A/D陣列采集控制、數(shù)據(jù)存儲與傳輸控制、圖像的預處理、同步時序產(chǎn)生與控制、圖像顯示控制、EMIF總線接口邏輯。
根據(jù)以上控制要求，系統(tǒng)中采用Altera公司的ACEX1K系列EP1K50芯片。EP1K50芯片是一款適合復雜邏輯以及有存儲、緩沖功能的FPGA芯片，最高工作頻率可達250MHz。該系列芯片具有效率高而又廉價的結構，其特點是將LUT(查找表)和EAB(嵌入式陣列)相結合。基于LUT的邏輯對數(shù)據(jù)路徑管理、寄存器強度、數(shù)學計算或數(shù)字信號處理的設計提供優(yōu)化的性能和效率。而EBA可實現(xiàn)RAM、ROM、雙口RAM或FIFO(先入先出存儲器)功能。
3.1 A/D控制^[3]
通過上面對A/D控制的分析可以知道，在采樣時鐘CLK為高電平的半個時鐘周期內，讀取轉換結果是可靠和穩(wěn)定的。由于片選、地址建立時間以及輸出激活時間的要求，在5MHz時鐘信號的半個周期內，以共享總線方式可以控制三路A/D轉換器。因此，通過兩路總線，就可以完成對六路并行數(shù)據(jù)的采集。圖2為三路A/D轉換器共享數(shù)據(jù)總線的控制時序圖，采用QuartusⅡ仿真工具完成。其中，ADC_OE1、ADC_OE2、ADC_OE3為三路A/D輸出使能信號，通過分時有效的方法，讀取各路A/D轉換結果，每個時間片長度為30ns；ADC_clk為A/D采樣時鐘；In_clk為外接時鐘，經(jīng)過PLL輸出Main_clk作為系統(tǒng)的主時鐘，時鐘周期為10ns；ADC_cs為A/D片選信號，該信號建立需要一定時間，為實現(xiàn)多路A/D并行采樣，將六路A/D片選信號連接在一起，一直有效；Reset為FPGA復位信號。

來自CCD傳感器的圖像信號經(jīng)過ADS8364芯片進行轉換，轉換結果連同分離出的行同步信號、場同步信號、奇偶場信號進入FPGA。紅外光電感應信號也送入FPGA，與同步信號一起作為系統(tǒng)采集與邏輯控制的依據(jù)。
3.2 數(shù)據(jù)存儲和傳輸控制
藥用管制瓶檢測系統(tǒng)對精度和速度有較高的要求，為了使系統(tǒng)做到高速數(shù)據(jù)采集和實時數(shù)據(jù)處理，即采集與處理并行運行，需要在A/D和DSP之間加入緩存設備。一般采用雙端口存儲器或者雙尋址存儲器作為緩沖設備^[4]。利用雙端口RAM雖然硬件設計很方便，但價格較高。而雙尋址方法對硬件設計要求較高。因此，本系統(tǒng)采用在FPGA內部設計嵌入式緩沖存儲器的方案?？紤]到FIFO具有更快的讀寫速度，同時由于采樣寫FIFO速度與DSP讀FIFO速度不一致，所以選擇異步FIFO作為緩存儲器。
異步FIFO存儲器具有以下特點：有兩個端口分別用于讀寫訪問，讀寫速率可以不同，讀寫操作可同時進行而且不必同步； 數(shù)據(jù)的寫入與讀出遵循先進先出的原則，讀寫的次序是確定的，讀寫地址完全由FIFO內的地址指針確定，無需提供外部地址。而DSP的EMIF提供了對FIFO的無縫接口能力，從而使得DMA方式的數(shù)據(jù)傳輸支持電路的實現(xiàn)變得較簡單。
本系統(tǒng)在FPGA內部設計兩個嵌入式緩沖存儲器采集FIFO和顯示FIFO，充分利用了EMIF的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，分別緩沖存儲采集和顯示的圖像數(shù)據(jù)流。大部分視覺處理系統(tǒng)的采集卡均采用擴充的大容量FIFO，或者外擴大量SRAM和擴充SDRAM作為采集幀存的方案，但降低了系統(tǒng)的傳輸速度，同時增加了硬件成本。單個的采集FIFO和顯示FIFO的設計方案體現(xiàn)了本系統(tǒng)的優(yōu)點。通過測試證明，系統(tǒng)單個的采集行FIFO和顯示行FIFO較好地實現(xiàn)了連續(xù)、實時圖像的采集和顯示。
本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的基本流向：多路模擬圖像信號輸入到A/D陣列，F(xiàn)PGA控制A/D陣列中的ADC將其轉換為符合ITU-RBT601標準的16bit數(shù)字圖像流后，經(jīng)過FPGA硬件實現(xiàn)平滑、去噪等預處理，進入FPGA內的采集行FIFO進行數(shù)據(jù)緩沖，然后FIFO的HF等信號作為啟動DSP中DMA中斷的標志信號，請求DSP取走數(shù)據(jù)，并生成中斷信號請求DSP取走數(shù)據(jù)，然后數(shù)據(jù)通過EMIF接口寫入幀存儲器(SDRAM)中,由DSP對其進行相應處理，處理完的數(shù)據(jù)仍放到SDRAM中。另一方面，由FPGA中主控制模塊產(chǎn)生顯示邏輯生成行中斷信號，DSP響應中斷后，由DMA控制器把數(shù)據(jù)以32bit的寬度寫入顯示行FIFO，在顯示同步時序的控制下，顯示行FIFO輸出到顯示接口，轉換為符合ITU -RBT 標準的8bit數(shù)字圖像信號，最后送解碼器解碼和顯示。
4 基于DSP的圖像處理模塊
基于DSP的圖像處理模塊是實時圖像處理系統(tǒng)的核心。模塊主要包括DSP器件、SDRAM圖像幀存儲器、Flash程序存儲器等。另外，還要有必要的電源控制、JTAG端口、復位控制、時鐘系統(tǒng)等。
系統(tǒng)選用的DSP芯片TMS3206201具有高速處理性能及豐富的片內資源，因此在實時圖像處理中得到了廣泛的應用。TMS3206201是基于TMS320C6X系列的高速定點數(shù)字處理芯片，主頻為200MHz，峰值性能可以達到2 400MOPS。TMS3206201芯片的結構決定其適合實時圖像處理的特點，主要特點[4]有：(1)CPU核由32位通用寄存器及八個功能單元組成，數(shù)據(jù)在多處理單元之間的傳輸依靠32個32位通用寄存器。(2)修正的哈佛總線結構。TMS3206201芯片具有一套256位程序總線，兩套32位數(shù)據(jù)總線和一套32位DMA專用總線。靈活的總線結構緩解了數(shù)據(jù)傳輸瓶頸對系統(tǒng)性能的限制。(3)專用的尋址單元。地址的產(chǎn)生不再額外占用CPU的時間。(4)內部集成有64KB的程序存儲器和64KB數(shù)據(jù)存儲器。如果將圖像放入內存，可以提高CPU讀取數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的速度。
本系統(tǒng)不僅實現(xiàn)圖像采集功能，而且還有圖像顯示功能，因此，對數(shù)據(jù)的處理和傳輸速度都有較高的要求。DSP的DMA傳輸可以間歇地進行，從而能夠讓DSP有時間執(zhí)行數(shù)據(jù)處理等其他任務，從而提高系統(tǒng)性能。DSP芯片C6201DMA控制器具有四個相互獨立的可編程的傳輸通道，允許進行四個不同內容的DMA操作；一個輔助DMA通道負責與主機通信，每個DMA通道可以在沒有CPU參與下完成映射空間的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)的傳輸可以在片內存儲器、片內外設或外部器件之間進行。
為了保證圖像的連續(xù)采集和連續(xù)顯示，在DSP外擴展的SDRAM中設置了三個幀存儲區(qū)；利用DMA通道在采集行FIFO與SDRAM之間和顯示行FIFO與SDRAM之間進行DMA傳輸。圖3為幀存儲調度與DMA事件鏈接機制原理示意圖。在采集行FIFO與SDRAM之間，源地址固定不變，目標地址索引加1，利用通道DMA0執(zhí)行DMA傳輸，在一幀圖像數(shù)據(jù)存滿以后，利用DMA的事件鏈接機制，使通道DMA0重載事件B1的鏈接參數(shù)寄存器的值，開始接收來自于采集FIFO新的一幀圖像數(shù)據(jù)，且將數(shù)據(jù)存入SDRAM的幀2中；在存滿以后，又重載事件C1的鏈接參數(shù)寄存器的值，接收第三幀圖像數(shù)據(jù)到幀3中，最后再次重載事件A1的鏈接參數(shù)寄存器的值。如此循環(huán)，從而實現(xiàn)連續(xù)圖像數(shù)據(jù)的采集。同理，在顯示FIFO與SDRAM之間，源地址索引加1，目標地址不變，利用通道DMA1執(zhí)行DMA傳輸，從SDRAM的幀1、幀2和幀3中，在中斷事件的觸發(fā)下每次讀取一行數(shù)據(jù)，寫入FPGA內的顯示行FIFO中。利用DMA的事件鏈接機制，在一幀傳輸完以后，通道DMA1的鏈接參數(shù)寄存器自動重載事件A2、事件B2、事件C2中的鏈接參數(shù)，實現(xiàn)顯示的數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸，從而能夠連續(xù)顯示。

經(jīng)過實踐驗證，本系統(tǒng)基本滿足藥用管制瓶檢測系統(tǒng)的精度和速度要求，達到了良好的效果。在應用過程中發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)需要進一步研究的工作是：DSP編程需要考慮系統(tǒng)軟、硬件資源，應具有實時操作系統(tǒng)的部分功能。因此，算法編程要有很大的技巧，以進一步提高系統(tǒng)性能。
另外，硬件設計方面存在以下幾個問題及解決方法：(1)A/D采樣電路參考時鐘所引入的孔徑抖動對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，所以考慮選用孔徑抖動更小的ECL或PECL門電路來減少孔徑抖動的問題。(2)由于FPGA的互連是分布式的，其硬件傳輸延遲與系統(tǒng)布局有關，會產(chǎn)生一定的毛刺，直接導致產(chǎn)生許多有害的尖峰脈沖。所以，有害尖脈沖的慮除很重要，簡單的方法就是加D鎖存器。(3)噪聲惡化了圖像質量，使原本均勻、連續(xù)變化的灰度突然變大或變小，形成一些虛假的物體邊緣或者輪廓，造成圖像模糊、淹沒特征，給圖像的分析造成困難?？梢钥紤]通過圖像預處理來完成，只要圖像噪聲不是太嚴重，完全可以通過平滑、去噪的手段達到改善圖像質量的目的。
參考文獻
[1] 沈蘭蓀.高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理與應用[M].北京：人民郵電出版社，1995.
[2] 張貴清，朱磊.基于FPGA的多路同步實時數(shù)據(jù)采集方案設計與實現(xiàn)[J].測控技術，2005，24(12).
[3] 張東升，張東來.基于FPGA的高速采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].電子技術應用，2006，32(5).
[4] 李方慧，王飛.TMS320C6000系列DSPs原理與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.
[5] Texas Instruments.TMS320C6000 Imaging Developer′s Kit(IDK) User′s Guide[R/OL].2004.