吳國(guó)慶

WU Guo-qing

（青海民族大學(xué) 物理與電子信息工程學(xué)院，西寧 810007）

0 引言

數(shù)字圖像處理是一門(mén)理論和實(shí)踐緊密相結(jié)合的課程，單純采用Matlab軟件的實(shí)驗(yàn)方法拉開(kāi)了理論和應(yīng)用的距離。為了取得面向?qū)嶋H應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)效果，本文設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了一種采用TI公司的多媒體DSP芯片TMS320DM642的圖像處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用高性能的DSP芯片TMS320DM642作為核心處理器，擴(kuò)展了SDRAM和FLASH存儲(chǔ)器，集成了CCD、TV、JTAG仿真接口、UART等外設(shè)，充分利用了片上資源。系統(tǒng)既可以脫機(jī)工作，也可以通過(guò)接口進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，整合到其他系統(tǒng)中去。

圖1 系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。以TMS320DM642為核心，外部擴(kuò)展了存儲(chǔ)器SDRAM和Flash，分別用于程序運(yùn)行和程序存儲(chǔ)；通過(guò)控制視頻編解碼器完成視頻的采集和輸出；并通過(guò)McBSP接口實(shí)現(xiàn)UART，方便系統(tǒng)與外界的通信。

1.1 系統(tǒng)核心處理器

TMS32ODM642是TI公司2003年推出的一款針對(duì)多媒體處理領(lǐng)域應(yīng)用的高速DSP處理器，基于C64X核心架構(gòu)，集成了豐富的外圍設(shè)備和接口，最高主頻達(dá)到了720MHZ，并行處理指令的能力最大可達(dá)每個(gè)指令周期處理8條32位指令，因此最大指令處理速度為5760MIPS。超長(zhǎng)指令字(VLIW)的DM642核具64個(gè)32位字長(zhǎng)的通用寄存器，8個(gè)獨(dú)立的功能單元(.L1,.L2,.S1,.S2,.D1;.D2,.M1和.M2)，2個(gè)寄存器文件(A和B)和2個(gè)數(shù)據(jù)交叉通道(1X和2X)。這些硬件資源對(duì)等分配為兩個(gè)相同的組，每組占用一個(gè)數(shù)據(jù)交叉通道。DM642每周期能夠提供4個(gè)16位MAC，兩級(jí)緩存：一級(jí)程序緩存L1P是一個(gè)128 Kbit的直接映射緩存，另一級(jí)數(shù)據(jù)緩存L1D是一個(gè)128 Kbit雙路結(jié)合設(shè)置緩存。L2緩存器能被配置成映射存儲(chǔ)器、高速緩存或者兩者結(jié)合。TMS32ODM642的一個(gè)很重要的外設(shè)就是VideoPort，它可以很方便的讀寫(xiě)外部的視頻解碼器，TI公司提供了針對(duì)TMS32ODM642的視頻解碼器的驅(qū)動(dòng)程序，用戶只需開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序即可，為系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)帶來(lái)極大的方便[1]。

1.2 外設(shè)主要元器件

在高速圖像采集和存儲(chǔ)系統(tǒng)中因涉及到圖像數(shù)據(jù)輸入和輸出，必然需要大的中間緩存，由于SDRAM具有的大容量、高速度和低價(jià)格的優(yōu)勢(shì)，使用SDRAM作為數(shù)據(jù)緩存是一種非常有效的方法[2]。系統(tǒng)選用的是MICRON公司生產(chǎn)的SDRAM存儲(chǔ)器，SDRAM由1片型號(hào)是MT48LC4M32B2的芯片夠成，用來(lái)儲(chǔ)存程序、數(shù)據(jù)和視頻。Flash選用SST公司推出的多用途、高性能、低電壓、基于CMOS的SST39VF800A，其擦寫(xiě)次數(shù)高達(dá)100000次，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)作為Boot ROM使用。通信接口中利用DM642已有的同步串口McBSP與EDMA實(shí)現(xiàn)UART的方法，以滿足與控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通信的要求。

本系統(tǒng)選用的視頻編碼器是Philips公司的可編程視頻輸入處理芯片SAA7111A，它通過(guò)簡(jiǎn)潔的I2C 總線與其它器件和設(shè)備連接可以將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為多種格式的數(shù)字信號(hào)。 SAA7111A采用CMOS工藝，內(nèi)部包含兩路模擬處理通道，可以選擇視頻源并可抗混疊濾波，同時(shí)還可以進(jìn)行模數(shù)變換、自動(dòng)鉗位、自動(dòng)增益控制、時(shí)鐘產(chǎn)生、多制式解碼等，另外還可以對(duì)亮度、對(duì)比度和飽和度進(jìn)行控制。系統(tǒng)內(nèi)部鎖相環(huán)技術(shù)的集成使得其可靠性有了很大的提高，并極大地降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度。本系統(tǒng)選擇了ADI公司的ADV7171作為視頻解碼芯片，可以將數(shù)字視頻信號(hào)編碼成普通電視所能接收的NTSC 或 PAL 制式的復(fù)合電視信號(hào)。該編碼器可以接收或者產(chǎn)生HSYNC,VSYNC或者FIELD 等時(shí)序信號(hào)。當(dāng)編碼器處于主動(dòng)模式，可以通過(guò)調(diào)節(jié)這些信號(hào)來(lái)改變脈沖的寬度和位置。ADV7171的設(shè)置是通過(guò)有兩個(gè)從地址的雙線，串行，雙向輸入輸出口來(lái)完成的（和I2C兼容）。

無(wú)論是在普通模式還是省電或者睡眠模式，先進(jìn)的電源管理使得電能的消耗得到最佳的控制。DM642需要高精度、穩(wěn)定的雙電源供電。本系統(tǒng)采用的TPS54310 ，3V 至 6V 輸入，0.9V 到 3.3V 可調(diào)輸出，連續(xù)額定電流達(dá)3A。TMS320DM642 芯片需要兩種電源，分別為 CPU核心（CVDD）和外圍 IO 接口（DVDD）供電。本系統(tǒng)采用了一個(gè)5V 電源驅(qū)動(dòng)兩個(gè) MOSFET的開(kāi)關(guān)電源(TPS54310)分別供給CPU核心電壓CVDD(1.4V)和外圍電壓 DVDD(3.3V)，完全滿足DM642 正常工作的要求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

TI對(duì)自己的DSP產(chǎn)品提供軟件開(kāi)發(fā)支持，本系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)是在CCS(Code Composer Studio)編譯環(huán)境下，基于DSP/BIOS環(huán)境下進(jìn)行的。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)主要用于數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)，所以軟件采用了模塊化設(shè)計(jì)，針對(duì)具體的功能需求，通過(guò)配置不同的客戶程序，可以實(shí)現(xiàn)特定的應(yīng)用。

2.1 系統(tǒng)初始化

應(yīng)用主程序需要先完成CSL（Chip Support Library）庫(kù)的初始化，以便在程序中能調(diào)用相關(guān)的芯片級(jí)支持庫(kù)函數(shù)。隨后，開(kāi)EDMA中斷，并使能EDMA中的I2C通道的中斷；開(kāi)VP1、VP2口中斷；初始化并啟動(dòng)I2C的數(shù)據(jù)傳輸，完成對(duì)視頻解碼芯片SAA7111A和視頻編碼芯片ADV7171的寄存器的參數(shù)初始化數(shù)配置；配置和啟動(dòng)VP0和VP1視頻口；最后進(jìn)入空閑等待循環(huán)。視頻的采集以中斷的方式進(jìn)行，當(dāng)一幀圖像采集完后，觸發(fā)VP0中斷，系統(tǒng)調(diào)用相應(yīng)的中斷子程序?qū)D像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，最后將參數(shù)通過(guò)UART傳輸給控制計(jì)算機(jī)。

DM642的EDMA控制器負(fù)責(zé)片內(nèi)L2存儲(chǔ)器與其它設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。能提供超過(guò)2Gb/s的外部帶寬，有64個(gè)通道,每1個(gè)通道都有1個(gè)事件與之關(guān)聯(lián)，由這些事件觸發(fā)相應(yīng)通道的傳輸。A/D和D/A芯片的初始化過(guò)程通過(guò)EDMA中的I2C通道來(lái)實(shí)現(xiàn)。要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)參數(shù)在EDMA的參數(shù)RAM表中進(jìn)行配置，其中主要包括源數(shù)據(jù)起始地址、目的地址、地址的修改方式、要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式和大小。對(duì)二個(gè)芯片的初始化數(shù)據(jù)參數(shù)分別配置在二個(gè)不同的RAM表中。第一次I2C通道的EDMA數(shù)據(jù)傳輸完畢后由EDMA控制器向CPU發(fā)出中斷，中斷處理程序載入第二次I2C傳輸?shù)腞AM參數(shù)表，啟動(dòng)第二次傳輸過(guò)程。從而完成二個(gè)芯片的初始化過(guò)程。

2.2 視頻采集與輸出

對(duì)應(yīng)于YUV4：2：2的格式視頻數(shù)據(jù)采集，EDMA中用于VP0的數(shù)據(jù)傳輸有三個(gè)通道。系統(tǒng)中將視頻端口VP0配置為連續(xù)幀采集的方式，也就是啟動(dòng)第一幀的采集后，后面幀的采集連續(xù)進(jìn)行不需要另外的幀同步信號(hào)。在隔行掃描模式下，每幀分為兩場(chǎng)，兩場(chǎng)在時(shí)域上是分開(kāi)的，通過(guò)EDMA鏈表可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)合成，不需占用額外的CPU時(shí)間。EDMA的參數(shù)RAM存放了有關(guān)的傳輸參數(shù),這些參數(shù)用于產(chǎn)生EDMA讀寫(xiě)操作所需要的地址。在使用EDMA通道傳輸奇數(shù)場(chǎng)與偶數(shù)場(chǎng)時(shí)，分別使用不同的EDMA參數(shù)RAM。每一幀數(shù)據(jù)通過(guò)EDMA傳輸至SDRAM完畢之后，VP0會(huì)向CPU發(fā)出一個(gè)中斷，相應(yīng)的中斷程序?qū)?huì)對(duì)采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處里。DM642的視頻采集端口VP0的FIFO中采集的數(shù)據(jù)超過(guò)了門(mén)限值寄存器中設(shè)定的門(mén)限值時(shí)，觸發(fā)一個(gè)EDMA傳輸，將數(shù)據(jù)從采集FIFO搬移到采集緩存區(qū)給DSP進(jìn)行處理[3]。

當(dāng)視頻顯示端口VP1的FIFO中數(shù)據(jù)為空時(shí)，觸發(fā)1個(gè)EDMA傳輸，將處理后數(shù)據(jù)從顯示緩沖區(qū)搬移到該FIFO中，并經(jīng)SAA7171轉(zhuǎn)化為模擬視頻數(shù)字信號(hào)，然后等待中斷顯示圖像。視頻輸出功能在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要將中間處理圖像結(jié)果數(shù)據(jù)通過(guò)EDMA中的VP1通道直接寫(xiě)入視頻FIFO。

2.3 通信接口

系統(tǒng)中通過(guò)軟件的方法實(shí)現(xiàn)通信接口功能，利用已有的McBSP和EDMA實(shí)現(xiàn)UART功能[4]。同步串口依賴三條分離的信號(hào)線（數(shù)據(jù)、幀同步和時(shí)鐘）來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，而異步通信只是在一根信號(hào)線上進(jìn)行。要用同步串口實(shí)現(xiàn)異步傳輸，需要通過(guò)在數(shù)據(jù)的首尾加入起始位和停止位，讓接收方知道數(shù)據(jù)傳輸何時(shí)開(kāi)始和停止。用McBSP實(shí)現(xiàn)UART功能，除了對(duì)McBSP進(jìn)行正確設(shè)置外，還需要正確設(shè)置EDMA，對(duì)McBSP收發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件處理。EDMA實(shí)現(xiàn)內(nèi)存到McBSP之間的高效數(shù)據(jù)搬移，數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)待發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。

3 應(yīng)用舉例

以下是學(xué)生利用本系統(tǒng)作的課程設(shè)計(jì)，汽車(chē)牌照的識(shí)別系統(tǒng)。通過(guò)JTAG口把程序下載到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)上進(jìn)行脫機(jī)運(yùn)行。該系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)圖像處理與字符識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用，它主要由牌照?qǐng)D像的采集和預(yù)處理、牌照區(qū)域的定位和提取、牌照字符的分割和識(shí)別等幾個(gè)部分組成，如圖2 所示。

圖2 牌照識(shí)別處理過(guò)程

由于牌照污漬、牌照字符的分割失敗、部分字符的形狀相似性等許多原因使得系統(tǒng)識(shí)別效果并不是始終如一的理想。圖3 為系統(tǒng)處理后的一個(gè)比較理想結(jié)果。

圖3 處理后的字符圖像

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于DM642的圖像處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，由于開(kāi)放的軟硬件設(shè)計(jì)，使其可用于實(shí)現(xiàn)多種數(shù)字圖像處理的場(chǎng)合，軟件采用了模塊化設(shè)計(jì)，針對(duì)具體的功能需求，通過(guò)配置不同的客戶程序?qū)崿F(xiàn)特定的應(yīng)用，可以廣泛應(yīng)用在學(xué)生的實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中。

[1] 卞紅雨,等.Texas Instruments.TMS320C6000系列DSP的CPU與外設(shè)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2007.

[2] 張偉偉,薛模根,袁魏華.基于DSP和USB2.0的高速偏振圖像采集處理系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2008(9)：54-56.

[3] Texas Instruments Incorporated.TMS 320 DM642 data sheet[S].Houston：Texas,2007.

[4] 王曉劍,潘順良,沈?yàn)槿?等.TMS320DM642中利用McBSP與EDMA實(shí)現(xiàn)UART[J].電子測(cè)量與技術(shù).2008.31(2)：103-105.