PCI與DSP的某型導彈景象匹配制導系統(tǒng)設計

1 引 言

本文從實時性和大容量兩方面介紹了在某型導彈景象匹配制導系統(tǒng)中通用計算機上加入DSP加速卡實現(xiàn)的圖像采集系統(tǒng)。利用DSP芯片的高速處理特性完成大部分的圖像處理工作，上位機只完成輔助操作和存儲系統(tǒng)。這種方法發(fā)揮了DSP的高速性能又具有相當大的靈活性，而且開發(fā)工具比較完善。導彈景象匹配制導系統(tǒng)在傳輸實時景物圖像時要求足夠的傳輸速度，PCI總線速度最高可達528MB/S（66MHz、64位）。這是其他總線無法比擬的速度，如ISA總線速度只有5MB/S。另外，該系統(tǒng)中DSP的可擴展存儲空間高達1GB。這完全可以滿足導彈景象匹配制導系統(tǒng)中圖像處理的需要。

2 基于PCI總線的DSP圖像采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要用于敏感導彈飛行航線下面或目標地區(qū)的實時景物圖像，系統(tǒng)拍下敏感到的圖像數(shù)據(jù)并傳送到DSP進行處理，然后經(jīng)PCI總線把處理后的數(shù)據(jù)上傳到上位機，與預存在相關器中的基準景物圖像比較，以獲取誤差信號，形成導引指令，控制導彈飛向目標。當然這套系統(tǒng)也可用于其他的視頻會議、視頻點播以及監(jiān)控系統(tǒng)，如大型超市監(jiān)控、寫字樓監(jiān)控等，其硬件系統(tǒng)基本一致，只是軟件功能有所區(qū)別。

系統(tǒng)采用了TI公司C6000系列DSP中的TMS320C6211[1] [2]作為系統(tǒng)的CPU。圖像數(shù)據(jù)通過光學成像或微波成像裝置采集并輸出模擬圖像信號。這些信號經(jīng)視頻解碼芯片轉換為數(shù)字信號；再經(jīng)FIFO輸入DSP進行圖像的增強、分割、特征提取和數(shù)據(jù)壓縮等；然后輸出信號經(jīng)PCI解碼芯片轉換為符合PCI總線規(guī)范的標準信號，通過PCI總線接口傳到上位機。系統(tǒng)的控制邏輯由EPLD（Erasable Programmable Logic Device）控制器實現(xiàn)。系統(tǒng)結構圖如圖１所示：

（1）視頻解碼芯片

系統(tǒng)中采集的圖像信號采用Philips公司的SAA7111A[3]完成A/D轉換。SAA7111A允許四路模擬視頻輸入，具有兩個模擬處理通道，支持四路CVBS模擬信號或二路Y/C模擬信號或二路CVBS信號和一路Y/C信號。SAA7111A對攝像頭輸入的標準PAL格式的模擬圖像信號進行A/D轉換，然后輸出符合CCIR601格式的4:2:2的16位YUV數(shù)據(jù)到FIFO。其中亮度信號Y為8位、色度信號Cr和Cb合為8位數(shù)據(jù)。FIFO采用IDT公司的IDT72V215LB芯片，F(xiàn)IFO的深度為512×18bit，支持STANDARD（標準）和FWFT（First Word Fall－Through，首字直接通過）兩種工作模式。按照CCIR601[4]格式，YUV圖像分辨率為720×576象素，當按行輸出時，SAA7111A輸出數(shù)據(jù)流大小為：720×16＝1440bit。因為DSP通過32位的SBSRAM接口與FIFO通信，故YUV數(shù)據(jù)寫入FIFO時需要在FIFO之間實現(xiàn)乒乓切換。這時一行720×16bit的數(shù)據(jù)在兩片F(xiàn)IFO中存儲變?yōu)?60×32bit。兩片F(xiàn)IFO可以滿足上述要求。FIFO的初始化及時序由

EPLD實現(xiàn)。

(2)DSP圖像處理模塊

TMS320C6211是TI公司發(fā)布的面向視頻處理領域的新款高速數(shù)字處理芯片，適用于移動通信基站、圖像監(jiān)控、雷達系統(tǒng)等對速度要求高和高度智能化的應用領域。存儲空間分兩部分：

運行過程的臨時數(shù)據(jù)存在Winbond公司的兩片128Mbit的W981216BH[5]中；系統(tǒng)程序則固化在FLASH存儲器中，該存儲器選用AMD公司生產(chǎn)的8Mbit的AM29LV800B。Flash存儲器具有在線重寫入功能。這對系統(tǒng)啟動程序的修改和升級都帶來了很大的方便。基于TMS320C6211的圖像處理系統(tǒng)框圖如圖2所示：

TMS320C6211 DSP的高速性能主要體現(xiàn)在以下方面：

①TMS320C6211的存儲空間最大可擴展到1GB，完全可以滿足各種圖像處理系統(tǒng)所需的內(nèi)存空間，而且其最高時鐘可達200MHz，峰值性能可達1600MIPS（百萬條指令/秒）、2400MOPS（百萬次操作/秒）。

②并行處理結構。TMS320C6211芯片內(nèi)有8個并行處理單元，分為相同的兩組，并行結構大大提高芯片的性能。

③芯片體系采用VelociTI結構。VelociTI是一種高性能的甚長指令字（VLIW）結構，單指令字字長為32bit，8個指令組成一個指令包，總字長為256bit。即每秒鐘可以執(zhí)行8條指令。VelociTI結構大大提高了DSP芯片的性能。

④采用流水線操作實現(xiàn)高速度、高效率。TMS320C6211只有在流水線充分發(fā)揮作用的情況下，才能達到最高的峰值性能。與其他系列DSP相比，優(yōu)勢在于簡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消除傳統(tǒng)流水線的取指、數(shù)據(jù)訪問和乘法操作上的瓶頸。

本系統(tǒng)DSP主要完成從FIFO讀出數(shù)據(jù)的處理以及壓縮等。數(shù)據(jù)處理由自行編寫的算法實現(xiàn)，數(shù)據(jù)壓縮算法采用JPEG（Joint Photographic Expert Group）標準。當光學成像或微波成像裝置采集速度為每秒25幀圖像時，它留給DSP處理的時間最多為每幀40ms。如果考慮系統(tǒng)有一定的延時以及處理后圖像的存儲時間，那么DSP處理一幅圖像時間不能超過30ms。按照C6211的處理速度，在30ms內(nèi)可以處理48M（0.03×1600MIPS）條指令。DSP讀出FIFO中的行數(shù)據(jù)并存入SDRAM，一幀圖像有576行，在最后一行時會收到系統(tǒng)的幀中斷，這時SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)總共有1440×576=810KB。讓C6211用36M條指令周期的時間處理810KB的數(shù)據(jù)顯然綽綽有余。粗略的計算過程如下：

系統(tǒng)采用快速DCT（離散余弦變換），每8×8矩陣需要11次乘法、29次加法，因此一幀圖像的FDCT，共需要（11＋29）×720×576×2/64=518400個指令周期；對于量化模塊，每8×8矩陣需要64個量化指令周期，一幀需要64×720×576×2/64=829440個指令周期；對于編碼部分，假設編碼后非0元素占25％，對每8×8矩陣進行Zig－Zag掃描、編碼估計需要120個指令周期，則共需120×720×576×2/64=1555200個指令周期。按以上計算，在系統(tǒng)中進行JPEG編碼大約需要2903040個指令周期，耗時19.3536ms（TMS320C6211工作在150MHz時）?？梢钥闯觯瑢嶋H需要的指令遠小于36M條，而時間也遠小于30ms，DSP完全可以實時處理從FIFO傳過來的數(shù)據(jù)。

(3)PCI總線模塊

PCI總線規(guī)范吸引人的地方不僅是其高速度，更在于它適應了現(xiàn)代I/O設備對系統(tǒng)的要求，對PCI擴展卡及器件能進行全自動配置，并且只需很少的接口邏輯就可以實現(xiàn)并支持其他總線系統(tǒng)。TMS320C6211的HPI口不支持PCI總線的無縫接口。

本系統(tǒng)采用TI公司的PCI2040實現(xiàn)DSP的HPI與PCI總線的連接。DSP處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)HPI口輸出到PCI2040進行解碼，然后輸出到PCI總線上。其邏輯結構如圖3所示：

PCI2040是TI公司設計的專門用來完成C5000系列和C6000系列DSP與PCI總線進行接口的專用芯片。PCI2040符合PCI局部總線2.2規(guī)范[6]，能夠方便地實現(xiàn)PCI總線與TMS320C54X或TMS320C6X DSP的HPI接口的無縫連接。PCI2040可以兼容3.3V和5V，以適應不同的PCI總線電壓。PCI2040與C6211之間不需要信號的電平轉換，也不需要額外的控制邏輯電路，接口電路十分簡單。

在本系統(tǒng)中，PCI2040上存在兩種電壓：5V和3.3V。其中3.3V是HPI口電壓，5V是PCI總線電壓。PCI2040啟動時需要對其PCI總線寄存器和HPI寄存器參數(shù)進行預加載。系統(tǒng)中PCI解碼模塊包括一塊配置ROM—AT24C08A，屬于EEPROM型ROM，便于對配置參數(shù)修改和升級。當系統(tǒng)啟動時，存儲在AT24C08A的數(shù)據(jù)下載到PCI2040的寄存器中并進行配置。

3 系統(tǒng)的軟件設計

本嵌入式圖像采集系統(tǒng)軟件包括兩部分：底層軟件和系統(tǒng)軟件。

底層軟件主要是DSP圖像處理算法以及啟動等運行程序。這些程序主要在CCS環(huán)境下由C語言編寫并進行匯編優(yōu)化。CCS即Code Composer Studio，是TI公司發(fā)布的DSP軟件運行環(huán)境。

系統(tǒng)軟件方面，在Windows操作系統(tǒng)下，可以充分利用Windows的窗口特性，一方面，因為Windows技術成熟，軟件編寫相對比較簡單；另一方面，在Windows平臺下，PCI驅動無需開發(fā)，可以直接利用Windows的PCI驅動程序實現(xiàn)圖像卡的驅動。但是Windows操作系統(tǒng)比較龐大，而且無法依照系統(tǒng)的需要進行自由裁減，不適合做成嵌入式系統(tǒng)。因而本系統(tǒng)采用了VxWorks[7]操作系統(tǒng)。相對于Windows操作系統(tǒng)，VxWorks的優(yōu)點表現(xiàn)在：

●VxWorks系統(tǒng)具有較好的可裁減性，可裁剪的組件超過80個，用戶可根據(jù)自己系統(tǒng)的功能目標通過交叉開發(fā)環(huán)境方便地配置。

●VxWorks支持應用程序的動態(tài)鏈接和動態(tài)下載，開發(fā)者省去了每次調(diào)試都將應用程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核進行鏈接和下載的步驟，縮短了編輯/調(diào)試周期。

●VxWorks具有較好的兼容性，它是最早兼容POSIX1003.1b標準的嵌入式實時操作系統(tǒng)之一。

●VxWorks具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。

●VxWorks具有很好的實時性，實時性的強弱以完成規(guī)定功能和做出響應時間的長短來衡量。VxWorks的多任務機制對任務的控制采用了優(yōu)先級搶占（Preemptive Priority Scheduling）和輪轉調(diào)度（Round－Robin Scheduling）機制。這充分保證了可靠的實時性，使同樣的硬件配置能滿足更強的實時性要求，為應用的開發(fā)留下更大的余地。

PCI設備的驅動過程主要包括下面幾個步驟：

首先，PCI設備的查找。在嵌入式操作系統(tǒng)中一般提供相應的API函數(shù)查找。在VxWorks操作系統(tǒng)中通過函數(shù)pci FindDevice　(PCI＿VENDOR＿ID，PCI＿DEVICE，index, ＆pci Bus，＆pci Device，＆pci Func_可以找到供應商代碼為PCI＿VENDOR＿ID、設備標識為PCI＿DEVICE的第n（index＋1）個設備，并且返回總線號、設備號以及功能號，分別保存于＆pci Bus、＆pci Device、＆pci Func中。

其次，PCI設備的配置。通過操作系統(tǒng)提供的API函數(shù)訪問PCI設備的配置空間，配置PCI設備基址寄存器的配置、中斷配置、ROM基地址寄存器的配置等，這樣可以得到PCI的存儲器空間和I/O地址空間映射、設備的中斷號等。在VxWorks操作系統(tǒng)中訪問PCI設備配置空間的API函數(shù)有pciConfigOutLong、pciConfigInLong等，它們分別完成對PCI設備配置空間的讀寫操作。

最后，根據(jù)PCI設備的配置參數(shù)，對不同的設備編寫初始化程序、中斷服務程序以及對PCI設備存儲空間的訪問程序。

很顯然，用VxWorks操作系統(tǒng)實現(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、適應性強，并且可以在工業(yè)控制計算機上運行。

5 結束語

圖像采集系統(tǒng)的關鍵在于如何對大容量的信息進行暫存、壓縮和傳輸?shù)葐栴}進行處理。本文作者的創(chuàng)新點是在某型導彈景象匹配制導系統(tǒng)中通用計算機上加入DSP加速卡實現(xiàn)的圖像采集系統(tǒng)實現(xiàn)了實時圖像采集、傳輸以及處理功能，解決了以往導彈景象匹配制導系統(tǒng)中圖像采集不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸速度慢、暫時緩存處理能力低等問題。本系統(tǒng)既可以作為視頻圖像采集使用，也可以進行視頻壓縮、匹配跟蹤等圖像處理的算法驗證,具有使用靈活的特點。