采用TMS320VC5509A 圖像采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

摘要： 傳統(tǒng)圖像采集處理系統(tǒng)多以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)， 其圖像處理速度不高， 且體積龐大、功耗大。為克服這些缺點(diǎn)， 介紹了一種成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低的圖像采集處理系統(tǒng)。以TI 公司的T MS320VC5509A 為核心器件， 采用大容量FIFO 完成視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)， 利用CPLD 完成邏輯控制功能。軟件采用C 語(yǔ)言對(duì)5509A 進(jìn)行編程， 完成整個(gè)采集過(guò)程的系統(tǒng)調(diào)度工作及圖像處理算法， 增強(qiáng)了易讀性和可移植性， 提高了圖像處理的速度。

0 引 言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展， 圖像采集和處理技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。DSP( digital signal processor ) 芯片， 也稱數(shù)字信號(hào)處理器， 有很高的集成度， 是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器器件， 它以其獨(dú)特的哈佛結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)以及快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于圖像處理、語(yǔ)音合成等領(lǐng)域。T I 公司推出的高性能、超低功耗和低價(jià)位的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320VC5509A, 具有體積小、處理速度快、使用靈活方便等特點(diǎn)?；贒SP 的圖像采集處理系統(tǒng)能較好地滿足處理數(shù)據(jù)量大、小型化便攜式、高速傳輸以及大容量存儲(chǔ)空間的需求。

1 TMS320VC5509A 簡(jiǎn)介

作為本系統(tǒng)的核心器件， 5509A 內(nèi)核工作頻率可達(dá)到144 MHz( 6. 94 ns) , 內(nèi)核供電為1. 6 V。由3 部分組成：中央處理單元( CPU) 、內(nèi)部存儲(chǔ)器和片內(nèi)外設(shè)。

CPU 內(nèi)部總線由一條讀指令數(shù)據(jù)總線( 32 位) , 1 條讀指令地址總線( 24 位) , 3 條讀數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線( 16 位) , 3 條讀數(shù)據(jù)地址總線( 24 位) , 2 條寫(xiě)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)總線( 16 位) , 2 條寫(xiě)數(shù)據(jù)地址總線( 24 位) 組成。CPU 提供2 個(gè)MAC 單元支持乘加運(yùn)算， 每個(gè)MAC 可以完成一次17 位× 17 位的乘法和一次40 位的加法操作， 結(jié)果送入累加器。采用2 段分離的流水線： 第一段為指令流水線; 第二段為執(zhí)行流水線。

5509A 內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器， 為了減少功耗， 時(shí)鐘發(fā)生器和其他很多模塊一樣具有空閑( IDEL) 模式。5509A 支持2類(lèi)外部存儲(chǔ)器接口， 即異步接口和同步接口。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及原理

硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。本系統(tǒng)主要包括兩個(gè)子系統(tǒng)： 圖像采集系統(tǒng)與圖像處理系統(tǒng)。圖像采集系統(tǒng)包括CCD 攝像頭、視頻采集芯片、緩存以及用于邏輯控制與地址譯碼的CPLD; 圖像處理系統(tǒng)則包括DSP、外擴(kuò)的FLASH 和SDRAM。主要工作流程為： 由CCD 攝像頭攝取視頻圖像， 輸出標(biāo)準(zhǔn)PAL 制視頻信號(hào); 視頻解碼器將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號(hào)并送入緩存， 緩存暫存視頻數(shù)據(jù); 待圖像采集完畢后， DSP 通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口從緩存中讀取圖像數(shù)據(jù)并存入幀存儲(chǔ)器， 以供后續(xù)處理。邏輯控制模塊完成各部分之間的接口邏輯匹配和控制邏輯。電源模塊為系統(tǒng)各部分提供電源。

圖1 硬件電路總體結(jié)構(gòu)

2. 1 圖像采集模塊

2. 1. 1 T VP5150 與AL422B 的接口實(shí)現(xiàn)

由于本系統(tǒng)中從TV P5150 輸出的數(shù)字視頻碼流是由AL422B 緩沖的， 故需要將5150 的輸出端口與A L422B 的寫(xiě)入端口相連。5150 的數(shù)據(jù)總線除了要與A L422B 的數(shù)據(jù)總線相連， 同時(shí)5150 還需要為AL422B 提供寫(xiě)時(shí)鐘WCK, 寫(xiě)指針復(fù)位信號(hào)/ WRST 以及寫(xiě)使能信號(hào)/WE。

TV P5150 有兩種標(biāo)準(zhǔn)輸出格式8 位ITU??R BT. 656 格式的數(shù)字信號(hào)和8 位YU V4: 2: 2 的數(shù)字信號(hào)。在本系統(tǒng)中采用后一種輸出格式( 通過(guò)I2C 配置5150 芯片) , 數(shù)據(jù)總線寬度是8 位。

2. 1. 2 TMS320VC5509A 與AL422B 接口實(shí)現(xiàn)

當(dāng)緩存中的數(shù)據(jù)存滿后， 5509A 需要讀取FIFO 里的數(shù)據(jù)， 因此要連接5509A 的EMIF 接口與AL422B 的讀數(shù)據(jù)端口。5509A 的EMIF 接口可以連接各種異步或同步存儲(chǔ)器， 根據(jù)EMIF 接口的特性， 本系統(tǒng)采用異步接口模式。5509A 的數(shù)據(jù)總線需與AL422B 的數(shù)據(jù)總線相連的同時(shí)， 要向A L422B 提供讀使能信號(hào)/ RE、讀時(shí)鐘信號(hào)RCK 以及輸出使能信號(hào)/ OE。將AL422B 的數(shù)據(jù)輸出，通過(guò)EMIF 將數(shù)據(jù)傳輸至SDRAM。AL422B 外擴(kuò)在/CE2 這個(gè)空間， 當(dāng)/ CE2 和/ AOE 都為低電平時(shí)， 則使AL422B 的輸出使能/OE 有效， 但是要等到/ ARE 變?yōu)榈碗娖降臅r(shí)候， 才能使讀使能/RE 有效， DSP 開(kāi)始讀取AL422B 中的數(shù)據(jù)。5509A 與FIF0 接口圖如圖2 所示。

圖2 5509A 與FIFO 接口

對(duì)于5509A 與A L422B 的接口， 有以下邏輯關(guān)系：

RCK = CLK OUT ( 1)OE = CE2+ AOE ( 2)RE = CE2+ ARE ( 3)式中： RCK 為FIFO 的讀時(shí)鐘信號(hào)引腳; CLKOUT 為DSP 輸出時(shí)鐘; / OE 為FIFO 的輸出使能信號(hào); / AOE 為EMIF 接口的輸出使能信號(hào); /RE 為FIFO 的讀使能信號(hào); / ARE 為EMIF 接口的讀使能信號(hào)。

2. 2 圖像處理模塊

2. 2. 1 TMS320VC5509A 與SDRAM 的接口實(shí)現(xiàn)

SDRAM 即同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器， 外部接口采用同步和流水線技術(shù)， 具有較高的數(shù)據(jù)吞吐率。因此能滿足圖像處理高速以及大容量存儲(chǔ)的要求。5509A 的EMIF能與SDRAM 進(jìn)行無(wú)縫連接， 即不需要任何外加邏輯。

由于本系統(tǒng)SDRAM 存儲(chǔ)容量為64 M, 而5509A 的每一個(gè)CE 空間是32 Mbit, 因此其實(shí)是將其擴(kuò)在CE0 到CE1空間上。但是EMIF 的特性決定了只要選中CE0 也就選中了該SDRAM, 所以只需要將CE0 與SDRAM 的片選信號(hào)引腳連接上即可。SDRAM 外擴(kuò)在CE0 空間， 對(duì)CE01 寄存器需要相應(yīng)的配置， 配置MTYPE 域?yàn)?11, 用來(lái)指示該外部存儲(chǔ)器類(lèi)型是SDRAM。對(duì)于把CE 空間配置為SDRAM類(lèi)型的存儲(chǔ)器， EMIF 必須完成對(duì)SDRAM 初始化的工作。