基于PCI總線的電視圖像處理仿真系統(tǒng)

隨著電視圖像處理系統(tǒng)性能的提高，設(shè)計人員需要不斷采納新的數(shù)字圖像處理算法，如何對這些新算法進(jìn)行評估，如何將理論設(shè)計轉(zhuǎn)化成工程應(yīng)用成為設(shè)計人員關(guān)心的首要問題。

實現(xiàn)電視圖像信號處理需要設(shè)計一套復(fù)雜的電路系統(tǒng)，且硬件電路的設(shè)計應(yīng)綜合考慮高速DSP芯片的開發(fā)、超大規(guī)模集成電路設(shè)計、視頻轉(zhuǎn)換、接口等復(fù)雜電路。設(shè)計印刷電路板和調(diào)試將占用設(shè)計人員較多的工作時間，較長的研制周期和較高的研制經(jīng)費均不利于圖像處理新思路、新算法向工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。仿真系統(tǒng)能較大程度降低硬件電路設(shè)計的復(fù)雜性，縮短研制周期，有利于科研設(shè)計人員集中精力對新算法進(jìn)行評估和測試。

能否實時采集和實時處理電視圖像信號是設(shè)計仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。鑒于微型計算機運算速度的提高和PCI總線的高速特性，基于PCI總線設(shè)計電視圖像處理系統(tǒng)的實時仿真系統(tǒng)成為了可能。本系統(tǒng)使用微型計算機仿真電視圖像處理系統(tǒng)來對圖像進(jìn)行處理，使用PCI插卡電路，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)的實時采集和發(fā)送。PCI總線的發(fā)展，打破了傳統(tǒng)微型計算機數(shù)據(jù)傳送的瓶頸，傳統(tǒng)微型計算機總線的最大缺點是傳輸速率太低，不能實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實時傳輸，更不能滿足圖像處理系統(tǒng)和大型應(yīng)用程序的要求。PCI總線作為一種同步，且獨立于處理器的32位局部總線，其最高工作頻率為33 MHz，數(shù)據(jù)傳輸峰值吞吐率可達(dá)132Mb／s。因而用PCI總線傳送1場(256×256×32位數(shù)據(jù))信號的時間不大于20 ms。由于電視信號存在空間和時間上的冗余，如對信號進(jìn)行壓縮，則傳送一場信號所需的時間將會更短。因此，在仿真系統(tǒng)中，利用PCI總線將數(shù)據(jù)圖像信息直接傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)存中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時傳輸、存儲和處理是可能的。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

由于采用了微型計算機作為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，因而可使硬件電路設(shè)計的工作量大大降低，仿真系統(tǒng)僅需要設(shè)計一PCI插卡，就可實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的適時采集和處理。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

采用PCI總線視頻處理卡對圖像進(jìn)行預(yù)處理和視頻A／D轉(zhuǎn)換，再通過PCI總線將數(shù)字圖像信息寫入計算機系統(tǒng)內(nèi)存，使用高級語言編程，實現(xiàn)數(shù)字圖像的預(yù)處理、分割、目標(biāo)圖像處理、匹配等算法。

2 PCI總線視頻信號處理卡

PCI總線視頻處理卡由模擬視頻信號處理、視頻信號A／D轉(zhuǎn)換、PCI總線數(shù)據(jù)采集和信號傳輸?shù)炔糠纸M成。

2．1 視頻處理和視頻A／D轉(zhuǎn)換

視頻信號經(jīng)過電纜傳輸后有一定的衰減并且迭加上噪聲信號，對A／D轉(zhuǎn)換前的原始視頻信號進(jìn)行放大和濾波處理，可以有效增強視頻信息，降低噪聲干擾。視頻A／D轉(zhuǎn)換芯片可供選擇的種類比較多，如SAA7111，BT218等。

2．2 PCI總線數(shù)據(jù)采集和信號傳輸

PCI總線是成組數(shù)據(jù)的瘁發(fā)傳輸，每組數(shù)據(jù)是由一個地址信號和一系列的數(shù)據(jù)信號組成，PCI總線采用地址和數(shù)據(jù)復(fù)用結(jié)構(gòu)，大大減少了信號數(shù)量，但PCI總線規(guī)范仍然十分復(fù)雜，其接口的實現(xiàn)比傳統(tǒng)ISA、EISA總線困難，連接到PCI總線上的設(shè)備可分為主控設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備兩類，目標(biāo)設(shè)備最少需要47個信號，主控設(shè)備最少需要49個信號，其中包括數(shù)據(jù)／地址復(fù)用總線、接口控制線、仲裁、總線命令、系統(tǒng)線等。在設(shè)計中，可采用以下兩種方案實現(xiàn)PCI總線的接口設(shè)計：

2．2．1 采用可編程邏輯器件實現(xiàn)PCI接口設(shè)計

目前幾乎所有的可編程邏輯器件廠商均有用于微型計算機接口的典型的PLD產(chǎn)品。多數(shù)廠家還提供用VHDL、Verilog、AHDL編制的PCI總線接口核心設(shè)計模塊。利用這些模塊可編程邏輯器件可以實現(xiàn)簡單的PCI總線接口設(shè)計。由于可編程邏輯器件自身的特點，設(shè)計人員實現(xiàn)PCI接口設(shè)計時有更多的思維想象空間。

雖然使用可編程邏輯器件設(shè)計PCI接口具有靈活的特點，但在設(shè)計中仍存在以下需要關(guān)注的問題：

(1)PCI具有順從性的特點，幾乎所有包含高性能數(shù)據(jù)和控制路徑中的邏輯都需要1個PCI系統(tǒng)時間的拷貝，這與PCI苛刻的負(fù)載要求相矛盾。另外，在完成某些功能如數(shù)據(jù)突發(fā)傳送時，往往需要很多時鐘負(fù)載，而時鐘上升沿到輸出有效時間必須小于11 ns，這進(jìn)一步加重時鐘扇出問題。

(2)PCI規(guī)范對傳輸數(shù)據(jù)的7 ns建立時間要求苛刻，有時在設(shè)計中要使用模擬延遲來解決。

(3)任何完善的PCI接口器件都必須提供PCI配置空間，實現(xiàn)PCI規(guī)定功能需要完成邏輯校驗、地址譯碼、實現(xiàn)配置所需的各類寄存器等基本要求，選用的可編程器件對其邏輯門的容量有較大的要求。

此外，在使用可編程邏輯器件設(shè)計插卡電路時還需加入FIFO、用戶寄存器、后端設(shè)備接口等電路，在一定程度上增大了電路設(shè)計的難度。