基于DM642的橋梁纜索表面缺陷圖像采集及傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)及工作原理
德州儀器公司(TI)推出的TMS320DM642(簡(jiǎn)稱DM642)是專門用于數(shù)字媒體應(yīng)用的TMS320C6000家族中性能最高的定點(diǎn)DSP（最高工作頻率可達(dá)720 MHz，處理能力可達(dá)5 760 MIPS），具有極強(qiáng)的單核處理能力以及高度的靈活性和可編程性。該芯片除了極強(qiáng)的處理能力外，還具有兩級(jí)高速緩存L1 Cache和L2 Cache；64 bit的EDMA控制器，負(fù)責(zé)片內(nèi)L2Cache與其他外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸； 64 bit EMIF(外部存儲(chǔ)器接口)可以方便地與SDRAM、FLASH和UART實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接；3個(gè)視頻專用端口(VP0、VP1、VP2)，可分別配置為2路，最多可實(shí)現(xiàn)6路視頻采集；支持PCI、HPI、IIC和EMAC（以太網(wǎng)），通信便利。其視頻的編解碼均支持NTSC/PAL制式，適用于音視頻數(shù)據(jù)的采集和傳輸、圖像處理、機(jī)器視覺(jué)、多媒體通信應(yīng)用等高速運(yùn)算領(lǐng)域[1，2]。
基于DM642的橋梁纜索表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)主要由以下幾大模塊組成：圖像采集模塊、數(shù)據(jù)及程序存儲(chǔ)模塊、圖像處理模塊、圖像傳輸模塊、系統(tǒng)控制模塊以及接收模塊等。其主要硬件組成為：3路CCD攝像頭、3個(gè)圖像采集的A/D轉(zhuǎn)換芯片SAA7113、高速圖像采集及處理的DSP芯片DM642、圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SDRAM、程序存儲(chǔ)器FLASH、系統(tǒng)控制模塊CPLD芯片EPM3128A、網(wǎng)絡(luò)化傳輸芯片LXT971A、地面接收機(jī)（PC）以及其他功能模塊等。其硬件框圖如圖1所示。
系統(tǒng)工作原理為：3路模擬視頻經(jīng)圖像傳感器（CCD）輸入，經(jīng)過(guò)3路A/D轉(zhuǎn)換芯片SAA7113轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)核心芯片DM642的視頻輸入口(VP0、VP2)進(jìn)入DM642的FIFO(先入先出緩存器)，再傳輸?shù)紻M642片外的同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器中；通過(guò)DM642的壓縮編碼經(jīng)以太網(wǎng)口(EMAC)以及物理層收發(fā)芯片LXT971A傳輸?shù)降孛娣?wù)器(PC)。PC機(jī)接收到圖像數(shù)據(jù)后，便進(jìn)行圖像的解碼，并在屏幕上顯示，通過(guò)圖像處理算法實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)。
本系統(tǒng)選用ALTERA公司MAX3000S系列中的CPLD芯片EPM3128A進(jìn)行控制。CPLD與DM642、SAA7113、LXT971A、SDRAM、FLASH之間均使用通用可編程的I/O口相連，進(jìn)行圖像采集控制、圖像數(shù)據(jù)的重抽樣、地址譯碼、圖像傳輸控制等，以滿足本系統(tǒng)時(shí)序復(fù)雜、邏輯控制精確、可靠采集和傳輸?shù)纫蟆?br />1.1 圖像采集模塊
由于纜索表面近似為圓柱形，系統(tǒng)中沿纜索機(jī)器人均勻布置3個(gè)CCD(每個(gè)CCD之間的夾角為120°)采集同一時(shí)刻纜索表面一周的圖像。而DM642配置有3個(gè)專用的視頻端口，每個(gè)端口可分別配置為2個(gè)通道，最多可實(shí)現(xiàn)6路視頻的采集，故能滿足本系統(tǒng)的要求。
為了同時(shí)支持3路視頻信號(hào)的采集，本系統(tǒng)中DM642的視頻口0（VP0）分成A、B 2個(gè)通道，分別作為2個(gè)8 bit的視頻輸入接口；視頻口2（VP2）選用A通道作為8 bit的視頻輸入口，這樣便實(shí)現(xiàn)了3路視頻信號(hào)的采集。
系統(tǒng)的圖像采集模塊主要由：3路視頻輸入、3路視頻A/D轉(zhuǎn)換芯片SAA7113、視頻端口的FIFO、I2C總線、同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器組成。
經(jīng)攝像頭(CCD)輸出3路復(fù)合視頻信號(hào)(CVBS)，采用SAA7113專用視頻解碼芯片完成視頻信號(hào)解碼和轉(zhuǎn)換功能[3，4]。在數(shù)字化過(guò)程中，由DM642的I2C總線進(jìn)行控制，其輸出格式可由I2C初始化其寄存器來(lái)設(shè)置。由于DM642的視頻輸入口只能接收標(biāo)準(zhǔn)的BT656-YUV4:2:2（8 bit）信號(hào),故在I2C初始化時(shí)設(shè)置SAA7113的數(shù)字化輸出格式為BT656的格式，可通過(guò)寫IIC的寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。進(jìn)入視頻端口的數(shù)據(jù)通過(guò)CPLD進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換(Y:U:V 4:2:2轉(zhuǎn)換為4：2：0)，當(dāng)內(nèi)部FIFO緩存器滿時(shí)，產(chǎn)生中斷，DM642通知EDMA（增強(qiáng)直接存儲(chǔ)器存取）控制器通過(guò)EDMA方式將圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SDRAM(同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器)中。
由于DM642的視頻口VP0分成2個(gè)8 bit的通道A、B，所以SAA7113和DM642的連接方式只能采用最簡(jiǎn)連線的BT656的方式，即不需要水平、垂直、場(chǎng)同步信號(hào)線。圖2所示為VP0端口的一路視頻輸入電路圖，其他2路與該路基本相同。
其中：輸入視頻經(jīng)過(guò)J5接口的信號(hào)線3、上拉電阻(18 Ω)以及電容(47 nF)，與SAA7113的模擬輸入端AI22直接相連；VP0[0-7]為SAA7113的數(shù)據(jù)輸出管腳,與DM642視頻口0中的VP0D[2-9]管腳相連；時(shí)鐘同步信號(hào)LLC與DM642視頻口0的VP0CLK0相連；SCL和SDA作為I2C接口的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線，分別與DM642的I2C總線接口的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線SCL0、SDA0相連；TRST作為復(fù)位信號(hào)與DM642的復(fù)位信號(hào)RESET相連；XTAL與XTAL1的管腳間接24.576 MHz的晶振，在VDDA1管腳上提供+3.3 V的電壓供電，供芯片正常工作。
1.2 圖像存儲(chǔ)模塊
(1)SDRAM
DM642芯片內(nèi)部只集成了256 KB的RAM，因此需要在外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)上擴(kuò)展存儲(chǔ)空間。DM642的EMIF為64 bit的數(shù)據(jù)總線接口，工作的最高頻率為133 MHz，分為4個(gè)存儲(chǔ)空間(CE0-CE3)，每個(gè)有256 MB的尋址空間。它在CE0空間提供了64 bit的SDRAM接口總線(無(wú)縫連接)，分配給外擴(kuò)的SDRAM使用[5-6]。本系統(tǒng)采用了2片32 bit的HY57V283220T-7 SDRAM芯片(為了符合64 bit的接口，必須采用2片32 bit的SDRAM)，在片外擴(kuò)展32 MB的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)空間。
SDRAM在CE0空間的具體定位為：0X80000000-0X81FFFFFF。輸入模擬視頻經(jīng)數(shù)字化后進(jìn)入視頻端口的BT656(Y:U:V 4：2：2)數(shù)據(jù)流，以便于圖像的壓縮編碼。在CPLD控制下實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的重抽樣，之后通過(guò)EDMA的方式存儲(chǔ)到SDRAM中。
(2)FLASH
本系統(tǒng)采用4 M×8 bit的AM29LV320D映射到CE1的低地址空間,用來(lái)存儲(chǔ)程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自啟動(dòng)。它在CE1空間的具體定位為：0X90000000-0X9007FFFF。DM642的CE1空間被配置成8 bit，以適應(yīng)自啟動(dòng)要求。4 MB的存儲(chǔ)空間需要22根地址線來(lái)尋址,而DM642的EMIF口可用地址線只有20條。其中FLASH的最高2根地址線由DM642的GPIO中的GPIO1、GPIO2來(lái)模擬地址線，從而實(shí)現(xiàn)FLASH的頁(yè)選。系統(tǒng)BOOT LOADING時(shí)，先從第一頁(yè)拷貝1 K的啟動(dòng)代碼到DM642，完成芯片初始化，控制GPIO1、GPIO2口線的組合，完成余下代碼的導(dǎo)入。
1.3 圖像傳輸模塊
在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，3路CCD采集的纜索1周的圖像，經(jīng)數(shù)字化后同時(shí)送入DM642的視頻端口，并且隨著纜索爬升裝置的爬升，不斷重復(fù)采集。采集的圖像數(shù)據(jù)量很大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。如果DM642通過(guò)圖像處理算法，實(shí)時(shí)檢測(cè)圖像的缺陷，便要運(yùn)行大量的算法程序，這就給DM642造成了很大的負(fù)擔(dān)，因此本系統(tǒng)DM642只是對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，并實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛娴姆?wù)器（PC），具體圖像識(shí)別算法在PC機(jī)上進(jìn)行，這就大大減輕了DM642的負(fù)擔(dān)，提高了DM642實(shí)時(shí)采集、傳輸?shù)男省?br /> 鑒于高速、大量圖像數(shù)據(jù)的采集，系統(tǒng)采用DM642的網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)傳輸。該系統(tǒng)中圖像分辨率為720×576，幀頻為25幀/s，采用H.263壓縮編碼算法，壓縮比可達(dá)100：1，即數(shù)據(jù)流可壓縮為：3×720×576×8×25÷100=2 488 340 b/s，約為2 500 kb/s?？紤]到以太網(wǎng)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸包頭、包尾等附加數(shù)據(jù)，系統(tǒng)最大數(shù)據(jù)流為3 000 kb/s=3 Mb/s，而選用的網(wǎng)絡(luò)接口芯片的傳輸速度為10 Mb/s，故可以實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理與傳輸。
EMAC提供了數(shù)據(jù)鏈路層的功能[7]，所以只需要利用一塊物理層的網(wǎng)絡(luò)芯片——以太網(wǎng)PHY收發(fā)器LXT971ALC轉(zhuǎn)換信號(hào)，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變壓器與Internet相連，從而把采集到的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到地面服務(wù)器(PC)，硬件連接電路圖如圖3。其中：DM642的各信號(hào)線與PHY網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器芯片LXT971ALC的對(duì)應(yīng)信號(hào)線直接連接，輸出數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變壓器13F-60LDNL以及RJ45接口連接到Internet上，從而發(fā)送到PC機(jī)。圖3中DM642的各信號(hào)線說(shuō)明如表1。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件是在TI公司提供的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS下開(kāi)發(fā)的。通過(guò)XDS510 USB2.0仿真器，將在PC上CCS環(huán)境下編寫、調(diào)試完成的程序燒入DM642的FLASH中，便可以在DM642上電后自動(dòng)運(yùn)行執(zhí)行程序，實(shí)現(xiàn)圖像的采集、處理與傳輸，達(dá)到缺陷檢測(cè)的目的。
本系統(tǒng)的主程序完成各種寄存器的初始化工作、實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)攝像機(jī)傳送來(lái)的視頻圖像，經(jīng)過(guò)DM642的壓縮編碼，通過(guò)網(wǎng)口發(fā)送采集的圖像數(shù)據(jù)，通知CPLD繼續(xù)下一次采集直至檢測(cè)結(jié)束。軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。
具體工作過(guò)程為：上電后系統(tǒng)程序自動(dòng)從FLASH裝載到DSP的片內(nèi)RAM中，裝載完畢，DM642自動(dòng)調(diào)用程序RAM中的代碼執(zhí)行。首先通過(guò)I2C總線對(duì)A/D芯片SAA7113的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在圖像采集控制電路(由CPLD實(shí)現(xiàn))的作用下，SAA7113按設(shè)定的工作參數(shù)獲取圖像(本系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)據(jù)輸出流為BT656格式即：Y:U:V 4:2:2)，地址譯碼電路（由CPLD實(shí)現(xiàn)）將數(shù)字圖像數(shù)據(jù)重新抽樣后存儲(chǔ)在片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SDRAM中，經(jīng)DM642實(shí)時(shí)壓縮處理后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)芯片接口，TCP/IP協(xié)議傳輸?shù)降孛娴姆?wù)器（PC機(jī)）。PC機(jī)收到圖像信號(hào)后進(jìn)行圖像解碼，在屏幕上顯示并將其保存以供后續(xù)的圖像處理使用。不斷重復(fù)上述操作，直至檢測(cè)完成，便可實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)采集與傳輸。
2.2 圖像壓縮算法設(shè)計(jì)
視頻圖像只有通過(guò)壓縮后才能正確地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸。本系統(tǒng)的圖像壓縮采用H.263數(shù)字圖像壓縮算法，由信號(hào)處理器DM642來(lái)完成。H.263壓縮以幀內(nèi)變換與幀間預(yù)測(cè)相結(jié)合的混合編碼技術(shù)為核心，適合視頻流的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)化傳輸，比H.264算法成熟、穩(wěn)定，且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。
由于H.263壓縮標(biāo)準(zhǔn)只需要CIF格式(Y:U:V 4∶2∶0)的視頻圖像,故需將數(shù)字化的720×576 4∶2∶2的圖像抽樣為352×288 4∶2∶0的視頻圖像，再寫入SDRAM中。此工作由CPLD完成。重新抽樣完成后，再由DM642讀取SDRAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，輸出的視頻碼流經(jīng)網(wǎng)口傳輸?shù)絇C上。
本系統(tǒng)H.263壓縮編碼設(shè)計(jì)流程有：編碼參數(shù)設(shè)置，視頻數(shù)據(jù)輸入，幀內(nèi)編碼，幀間編碼，熵編碼和碼流輸出。編碼流程圖如圖5所示。
3 系統(tǒng)測(cè)試及試驗(yàn)結(jié)果
將檢測(cè)裝置裝在纜索機(jī)器人上，用交叉網(wǎng)線連接DM642以太網(wǎng)口與地面服務(wù)器(PC機(jī))，硬件連接完畢后，準(zhǔn)備測(cè)試。系統(tǒng)上電，隨著纜索機(jī)器人的爬升，3路CCD進(jìn)行圖像采集，經(jīng)DM642的壓縮處理后通過(guò)Internet傳輸?shù)絇C機(jī)上。PC機(jī)接收到圖像信號(hào)后，進(jìn)行圖像解碼，并在屏幕上顯示，完成一次圖像的壓縮與解壓縮過(guò)程。繼續(xù)采集下一次，直至完成檢測(cè)。
網(wǎng)絡(luò)上的用戶也可以直接在遠(yuǎn)端用IE瀏覽器觀看Web服務(wù)器上的攝像機(jī)圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程圖像的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
經(jīng)試驗(yàn)證明，本文介紹的基于DM642的纜索缺陷圖像采集及傳輸系統(tǒng)可以很好地完成纜索表面圖像的采集和網(wǎng)絡(luò)化傳輸功能，并在PC機(jī)上顯示，以供圖像處理，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。該系統(tǒng)具有一定的通用性和擴(kuò)展性，可用作串口、HPI接口、無(wú)線傳輸?shù)榷喾N傳輸方式的擴(kuò)展，同時(shí)也可用作其他目標(biāo)對(duì)象的缺陷檢測(cè)。
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