采用MPC5200實(shí)現(xiàn)高速視頻探測(cè)的車內(nèi)應(yīng)用

  汽車廠商正越來(lái)越多地通過(guò)對(duì)車內(nèi)和車外捕捉到的高速視頻影像進(jìn)行處理，來(lái)提高汽車的安全性。舉例來(lái)說(shuō)，安裝在車內(nèi)的攝像機(jī)可用于確定乘客在車內(nèi)的位置，從而以最佳方式配置氣囊并避免乘客受到傷害。安裝在車內(nèi)不同位置的攝像機(jī)還可以用于車道偏離監(jiān)測(cè)、碰撞前警示、避免碰撞、后倒車燈警示和車距計(jì)算等。這些應(yīng)用中有很多需要以非常高的速率來(lái)捕捉視頻影像。相應(yīng)地，視頻影像必須通過(guò)實(shí)時(shí)的復(fù)雜算法進(jìn)行處理，從而為車內(nèi)的安全控制系統(tǒng)提供反饋。這是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)，它可以避免發(fā)生碰撞，或在車輛發(fā)生碰撞的瞬間決定車內(nèi)乘客的位置。而且，該項(xiàng)技術(shù)要要求司機(jī)側(cè)的引擎絕熱板必須能承受最高85℃的高溫，而在車內(nèi)的其他部位則需要承受最高達(dá)105℃的高溫。

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    當(dāng)前，汽車廠商們面臨的挑戰(zhàn)是擁有一種經(jīng)濟(jì)高效的技術(shù)：強(qiáng)大的處理能力、豐富的接口、良好的環(huán)境適應(yīng)性和低功率運(yùn)行。來(lái)自于飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MPC5200高性能嵌入式處理器能滿足所有這些設(shè)計(jì)要求，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

---MPC5200集成了一個(gè)高性能的MPC603e核心，該核心在400MHz的工作頻率和-40～85℃的溫度范圍內(nèi)，可達(dá)到760MIPS的處理能力。高性能、雙倍精度的浮點(diǎn)單元(FPU)可加快與其他關(guān)鍵任務(wù)平行的復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算的速度，可運(yùn)行在105℃條件下的型號(hào)還可用于司機(jī)座位以外可能需要更高溫度級(jí)別的地方。

---在FPU的幫助下，MPC5200處理能力可為大多數(shù)視頻探測(cè)算法提供足夠的支持。集成的PCI接口則為CMOS圖像傳感器提供標(biāo)準(zhǔn)化的高速接口，CMOS圖像傳感器能以每秒80至100幀的速率將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)組PC5200中，具體視PCI時(shí)鐘和照片的分辨率而定。

---BestComm智能DMA控制器能加快攝像機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存中進(jìn)行處理的速度，從而最大程度地減輕MPC603e主處理器核心上的負(fù)荷，使其可以解放出來(lái)，處理視頻探測(cè)算法等任務(wù)。此外，BestComm控制器的使用還可以降低主核心上的總體中斷負(fù)荷，繼而加速總體吞吐量。集成的CAN和J1850控制器，再加上外置MOST(面向媒體的系統(tǒng)傳輸)的支持，為汽車安全系統(tǒng)的剩余部分提供了經(jīng)濟(jì)高效的集成，并降低了與這些網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的延遲。

---下面介紹如何通過(guò)PCI接口，為MPC5200設(shè)計(jì)一個(gè)基本的高速攝像機(jī)接口電路。在本例中，使用了飛思卡爾MCM20014 CMOS傳感器，但其他傳感器可以使用幾乎完全相同的接口機(jī)制。該接口非常明了，而且只需較少的接口邏輯就能完成連接。 

使用MPC5200的時(shí)鐘假設(shè)

---最可能的XLB釋放目標(biāo)頻率為132MHz；IPBus為66MHz；PCIclk(外部總線時(shí)鐘)為66MHz；XTAL的預(yù)期輸入頻率為33MHz。對(duì)于本應(yīng)用，最大的PCI頻率為33MHz。

---XLB與IPBus、IPBus與PCIclk間的時(shí)鐘比可能為4:1、2:1或1:1。在XLB為132MHz時(shí)，IPBus必須設(shè)置為4:1或2:1(分別適用于33MHz或66MHz的IPBus)。根據(jù)IPBus 的情況(33MHz、16.5MHz與33MHz IPBus一起工作；或33MHz與66MHz IPBus一起工作)，PCIclk可能支持1:1的比率，也可能支持2:1的比率。在處理器端，可能使用一個(gè)66MHz的PCIclk ，但市場(chǎng)上的圖像傳感器還未達(dá)到該速度。

---如果要求50%的負(fù)載循環(huán)，生成HCLK的PWM輸出值只能是IPBus時(shí)鐘的偶整數(shù)商。

---下面介紹幾種可能的時(shí)鐘關(guān)系。

---XTAL：27MHz，XLB：108MHz，IPB：54MHz，PCI：27MHz，HCLK：13.5MHz(來(lái)自IPBus時(shí)鐘的4/1比率的PWM)

---XTAL：33 MHz，XLB：132MHz，IPB：66MHz，PCI：33MHz，HCLK：8.25MHz(來(lái)自IPBus時(shí)鐘的8/1比率的PWM)

---XTAL輸入可以變化，以產(chǎn)生不同的運(yùn)行頻率，但是8.25 MHz的HCLK應(yīng)該適用于攝像機(jī)，而且它還在DMA時(shí)鐘和傳感器數(shù)據(jù)速率(PCIclk到HCLK)之間提供4:1的差異。這對(duì)可能發(fā)生的潛在帶寬問(wèn)題有所幫助。

---解決方法是在傳感器數(shù)據(jù)總線和PCI數(shù)據(jù)總線之間提供接口邏輯。MPC5200的接口邏輯非常簡(jiǎn)單，但還是有一些必須認(rèn)真考慮的系統(tǒng)應(yīng)用問(wèn)題。其中一個(gè)值得注意的事項(xiàng)就是，是否將PCI總線用于攝像機(jī)數(shù)據(jù)傳輸以外的其他用途。如果需要與其他設(shè)備共享PCI總線，接口邏輯就必須與其他PCI目標(biāo)共存，這就要求有額外的電路。如果不需要與其他任何設(shè)備共享PCI總線，接口邏輯就可以認(rèn)為任何PCI處理都是針對(duì)它的，這樣邏輯就變得非常簡(jiǎn)單。

---圖2是MPC5200與接口芯片和CMOS傳感器的連接圖，顯示了連接到必需的接口邏輯或直接連接到傳感器的MPC520 PCI信號(hào)。圖2中的粗線表示三態(tài)的情形?？偩€需要外部上拉電阻，這樣在其輸入值中，接口邏輯就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)邏輯數(shù)字“1”。

---傳感器在其幀有效時(shí)段中顯示：傳感器上有一幀正準(zhǔn)備進(jìn)行傳輸。該信號(hào)將通過(guò)IRQ線連接到MPC5200，幀傳輸需要由MPC5200 PCI控制器驅(qū)動(dòng)，信號(hào)時(shí)序如圖3所示，具體步驟如下。

● MPC5200 PCI使Frame_b輸出低電平，以開(kāi)始進(jìn)行處理。AD線由MPC5200通過(guò)地址信息進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。接口邏輯可以忽略這一階段。

● MPC5200 PCI 使Irdy_b輸出低電平，以啟動(dòng)數(shù)據(jù)階段。AD線仍然由MPC5200推動(dòng)，直到目標(biāo)(接口邏輯)判斷Devsel_b“要求”該處理。

● 只要目標(biāo)保持Trdy_b處于高狀態(tài)，MPC5200 PCI就能使AD總線處于三態(tài)之一(tri-state)，并保持在等待狀態(tài)。

● 在任何剛出現(xiàn)的PCIclk邊緣，其中Trdy_b被探測(cè)為低，PCI就會(huì)捕捉到數(shù)據(jù)并認(rèn)為要傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)拍。

● 在完成了下一個(gè)到最后一個(gè)數(shù)據(jù)拍后，MPC5200 PCI使Frame_b輸出低電平，這表示正在請(qǐng)求最后一個(gè)數(shù)據(jù)拍。

● 當(dāng)目標(biāo)傳輸完最后一個(gè)數(shù)據(jù)拍(以Trdy_b變低為標(biāo)志)后，MPC5200 PCI使Irdy_b輸出低電平，處理完畢。

● 還有其他一些信號(hào)與PCI處理有關(guān)，但它們用于PCI傳輸錯(cuò)誤的情況中，在本應(yīng)用中不作要求。

---如果HCLK與PCIclk的比率為2:1，則PCIclk與接口邏輯的連接就沒(méi)有必要。如果PCIclk與HCLK的比率為4:1的話(人們更期望這樣)，需要一個(gè)觸發(fā)器來(lái)延遲和縮短PCI信號(hào)Trdy_b的持續(xù)時(shí)間。

---當(dāng)兼容3.3伏的CMOS攝像機(jī)傳感器三態(tài)其數(shù)據(jù)總線時(shí)，傳感器的數(shù)據(jù)線路就與PCI AD總線進(jìn)行直接、有效的連接。否則，在這一設(shè)計(jì)中需要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器。在對(duì)傳感器的LineValid信號(hào)進(jìn)行判斷時(shí)，該傳感器只應(yīng)該驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)線路。圖4是27MHz的PCIclk與13.5MHz(或相似頻率)HCLK的2:1邏輯關(guān)系圖。

---只有在沒(méi)有其他真正的PCI目標(biāo)設(shè)備連接到PCI接口上時(shí)，該示例接口才發(fā)揮作用。否則，某些支持的類型需要通知接口邏輯響應(yīng)即將到來(lái)的PCI處理。

---33MHz的PCIclk和8.25MHz(或相似頻率)的HCLK的2:1邏輯關(guān)系如圖5所示。

● 在2:1的情況中，當(dāng)HCLK低時(shí)，傳感器數(shù)據(jù)有效，并隨HCLK的再次出現(xiàn)而作為下一個(gè)數(shù)據(jù)拍，下一個(gè)出現(xiàn)的PCIclk邊緣就會(huì)捕捉數(shù)據(jù)。

---PCI處理必須在LineValid判斷之前進(jìn)行。PCI處理在LineValid變高時(shí)，一直由Trdy_b保持等待狀態(tài)。由于5200的使能信號(hào)要求拒絕幾次循環(huán)，在PCI處理結(jié)束時(shí)可能還需要額外的電路來(lái)關(guān)閉此電路。在這一過(guò)程中，人們可能會(huì)要求進(jìn)行非攝像機(jī)的PCI處理(該接口邏輯絕不能響應(yīng))。

● 由于HCLK源自MPC5200 PWM，HCLK處理發(fā)生在PCIclk邊緣后(根據(jù)設(shè)計(jì)，PCIclk應(yīng)提前到達(dá)總線)。

● 當(dāng)HCLK下降時(shí)，Trdy_b的判斷要延遲一個(gè)PCIclk。

● 當(dāng)HCLK升高時(shí)，Trdy_b也立刻升高。

● 在PCIclk邊緣創(chuàng)建了PCI數(shù)據(jù)拍捕捉，然后，PCIclk邊緣再創(chuàng)建不斷上升的HCLK，因?yàn)橄袼卦诓粩嘣黾印?/p>

---控制傳感器數(shù)據(jù)讀取的BestComm任務(wù)非常靈活，能根據(jù)傳感器的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。在基于飛思卡爾CMOS傳感器的本例中，傳感器的分辨率為640×480像素，每像素10bit。在每一行后面，脈沖停止，BestComm任務(wù)會(huì)自動(dòng)開(kāi)始下一行的讀取，直到完成整幅圖片。這種方法具有很高的幀速率，每行的開(kāi)銷為15個(gè)時(shí)鐘。

---傳輸640像素?cái)?shù)據(jù)的開(kāi)銷為640個(gè)時(shí)鐘，加上一行的開(kāi)銷15個(gè)時(shí)鐘，則傳輸一行像素的總開(kāi)銷為655個(gè)時(shí)鐘。每幀畫面有480行，則所需的時(shí)鐘為655×480=314400。如果采用33MHz的PCI時(shí)鐘，則傳輸每幀畫面需要9.52ms，即每秒可傳輸105幀。從這里可以看出，幀速率取決于時(shí)鐘和傳感器的分辨率。

---為完成一幅完整的圖片而讀取的脈沖的長(zhǎng)度和行數(shù)，就是BestComm的參數(shù)，這些參數(shù)可以根據(jù)每種傳感器的類型進(jìn)行調(diào)整。采用接口實(shí)現(xiàn)的幀吞吐量比該應(yīng)用的幀速率要高得多。限制因素是用于算法所需的計(jì)算能力，該算法與應(yīng)用的關(guān)系非常緊密。