電視圖像處理仿真系統(tǒng)在PCI總線上的實現(xiàn)

　　隨著電子技術(shù)和電視技術(shù)的發(fā)展，電視機由黑白電視機發(fā)展到模擬彩色電視機，現(xiàn)在已發(fā)展到數(shù)字彩色電視機。電視機有許多種分類方式，如按所處理的信號，可分為模擬電視機和數(shù)字電視機； 按組成元件，可分為集成電路電視機和晶體管電視機。隨著集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，集成電路電視機由 中規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路發(fā)展到現(xiàn)在的超大規(guī)模集成電路電視機?，F(xiàn)在已有了許多單片化電視機 及圖像處理的集成芯片，本節(jié)主要介紹單片化彩色電視機及圖像處理的集成電路。

　　集成電路彩色電視機按制式可分為：NTSC制、PAL制和SECAM制等。我國采用PAL制式，標準的PAL制式彩 色電視機也稱為PAL-D彩色電視機。典型的PAL－D彩色電視機電路主要由公共通道、伴音通道、解碼電路 、圖像重顯電路、控制電路和電源電路等部分組成。

　　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。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，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，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。

　　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。

　　2.2 PCI總線數(shù)據(jù)采集和信號傳輸

　　PCI是Peripheral Component Interconnect（外設(shè)部件互連標準）的縮寫，它是目前個人電腦中使用最為廣泛的接口，幾乎所有的主板產(chǎn)品上都帶有這種插槽。PCI插槽也是主板帶有最多數(shù)量的插槽類型，在目前流行的臺式機主板上，ATX結(jié)構(gòu)的主板一般帶有5～6個PCI插槽，而小一點的MATX主板也都帶有2～3個PCI插槽，可見其應(yīng)用的廣泛性。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

　　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，利用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。

　　在設(shè)計中仍存在以下需要關(guān)注的問題：

　?。?）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載，而時鐘上升沿到輸出有效時間必須小于11 ns，這進一步加重時鐘扇出問題。

　?。?）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。

　?。?）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。

　　2.2.2 選用PCI總線控制器專用芯片

　　采用專用芯片放置在插卡電路與PCI總線之間，提供傳遞數(shù)據(jù)和控制信號。如PLX公司開發(fā)的PLX9080和PLX9054系列芯片，AMCC公司的S59xx系列等。AMCC公司的S5933是一種功能強、使用靈活的PCI總線控制器接口芯片，采用160PQFP和208TQFP 兩種封裝形式，符合PCI局部總線規(guī)范，也可作為PCI總線主控設(shè)備（Master）訪問其他總線設(shè)備。原理框圖如圖2所示。

　　S5933提供了3種物理總線接口：PCI總線接口、ADD-ON總線接口及外部配置存儲器（BIOS-ROM）接口，數(shù)據(jù)傳輸可以在PCI總線與 ADD-ON總線之間或與外部配置存儲器之間進行。PCI總線與ADD-ON總線之間的傳輸可以使用3種通道：信箱寄存器通道、FIFO通道和PASS- THRU通道。

　?。?）信箱寄存器通道。S5933的信箱寄存器（MAILBOXES）提供雙向數(shù)據(jù)通路，主要用于多路／分路器與AD-DON總線之間傳輸命令和狀態(tài)信息，并可基于指定MAILBOX事件，可在PCI總線或ADD-ON總線產(chǎn)生中斷。

　　（2）FIFO通道。FIFO通道主要包括2個32×8FIFO，分別實現(xiàn)從PCI到ADD-ON和ADD-0N到PCI的數(shù)據(jù)傳輸。

　?。?）PASS-THRU通道。PASS-THRU傳輸通道為PCI總線提供一種寄存的訪問端口，通過握手協(xié)議訪問ADD-ON上的資源。

　　比較以上2種實現(xiàn)PCI接口的方案可知，用可編程邏輯器件能夠較靈活地實現(xiàn)所需要的功能。針對本系統(tǒng)PCI接口電路設(shè)計，并非要實現(xiàn)PCI規(guī)范中的所有功能，用可編程邏輯器件也可以提供解決問題的方案。但為了達到PCI指標的苛刻要求，需要做大量的邏輯驗證和時序分析工作。

　　3 計算機數(shù)據(jù)處理

　　為了實現(xiàn)仿真功能，還需要開發(fā)相關(guān)的圖像處理和控制接口軟件。由于Windows操作系統(tǒng)為了保證系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可移植性，對應(yīng)用程序訪問硬件資源加以限制，因此無論采用可編程邏輯器件或者使用專用接口芯片實現(xiàn)PCI接口設(shè)計，都需要開發(fā)相關(guān)設(shè)備驅(qū)動程序，實現(xiàn)計算機軟件對PCI硬件設(shè)備的訪問。

　　3.1 設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)

　　開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序有多種開發(fā)工具可以選擇。主要包括：微軟的軟件包；Numega公司的VtoolsS；KRF-Tech公司的WinDriver。

　　在開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序之前首先要對硬件設(shè)備特性、總線結(jié)構(gòu)、中斷設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸機制及設(shè)備內(nèi)存等進行分析。驅(qū)動程序要完成的基本功能包括設(shè)備的初始化、對端口的讀寫操作、中斷的設(shè)置、響應(yīng)和調(diào)用以及對內(nèi)存的直接讀寫等。

　　3.2 仿真系統(tǒng)驅(qū)動程序的開發(fā)

　　在計算機系統(tǒng)內(nèi)存中開辟一段空間，存儲通過PCI總線傳輸?shù)臄?shù)字圖像信息和受控系統(tǒng)反饋量，使用VC++編程實現(xiàn)計算機內(nèi)存的讀寫操作，憑借計算機高速運算功能，實現(xiàn)圖像的數(shù)字濾波、直方圖統(tǒng)計、二值化處理、邊緣檢測、目標特征選擇等圖像處理算法，并將采集到的圖像、反饋量和處理過的圖像、反饋量顯示到計算機監(jiān)視器上，設(shè)計人員可以直接獲得圖像處理中間過程的各種數(shù)據(jù)，通過對圖像處理中間過程的監(jiān)控，設(shè)計人員可以較方便發(fā)現(xiàn)不同圖像處理算法的優(yōu)缺點。

　　4 結(jié)語

　　采用本文方法設(shè)計的電視圖像仿真系統(tǒng)已在某武器系統(tǒng)對目標的紅外圖像識別、處理和控制的研制中獲得成功運用。本系統(tǒng)充分利用PCI總線的高速特性和微型計算機的數(shù)據(jù)處理自由度大，靈活可靠的特點，有效地解決了電視圖像的實時采集、傳輸、存儲和實時處理等問題，同時為設(shè)計人員的技術(shù)儲備和系統(tǒng)前期設(shè)計提供幫助，具有很強的應(yīng)用價值。