一種基于高速DSP的圖像處理應(yīng)用平臺(tái)的設(shè)計(jì)

完成某一特定任務(wù)的圖像處理系統(tǒng)，其硬件方案大體上有三種：使用通用計(jì)算機(jī)[1]、使用ASIC（Application Specific Integrated Circuit）[2]和使用DSP（Digital Signal Processor）[3]。使用通用計(jì)算機(jī)的方案可以應(yīng)用現(xiàn)有的硬件設(shè)備，選擇合適的操作系統(tǒng)，只需要進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)。其優(yōu)點(diǎn)在于開發(fā)周期短，費(fèi)用較低，而且產(chǎn)品易于維護(hù)和升級(jí)；缺點(diǎn)是運(yùn)算速度受到限制，對(duì)于算法的運(yùn)算量和復(fù)雜度很高的應(yīng)用場(chǎng)合，難以達(dá)到實(shí)時(shí)性要求。該方案有二種應(yīng)用場(chǎng)合：算法開發(fā)初中期階段及一些實(shí)時(shí)性要求不高的領(lǐng)域。使用ASIC的方案中，所有的運(yùn)算都由硬件實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)時(shí)性會(huì)非常好，但硬件的設(shè)計(jì)是一大難點(diǎn)，而且系統(tǒng)一旦定型，不方便對(duì)其進(jìn)行升級(jí)。使用高速DSP可以說(shuō)是二種方案的折衷，一方面在硬件實(shí)現(xiàn)上只需根據(jù)需求進(jìn)行DSP外圍接口電路的設(shè)計(jì)，另一方面，隨著DSP技術(shù)的快速發(fā)展，高性能芯片的不斷推出，其運(yùn)算能力也能滿足一般圖像處理的要求。而且，系統(tǒng)功能由算法軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)也很方便。
本文采用TI公司的多媒體DSP芯片TMS320DM642[4](簡(jiǎn)稱DM642)，實(shí)現(xiàn)了一種圖像處理系統(tǒng)基本功能的應(yīng)用平臺(tái)，包含視頻輸入、視頻輸出以及串行通信等功能。
2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。以DM642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，方便視覺(jué)系統(tǒng)與外界的通信。

圖 1 DSP視覺(jué)系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)中，擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器包括ROM和SDRAM。其中，ROM采用Atmel公司的Flash，型號(hào)是AT49BV1614，其容量為16MBits，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)作為Boot ROM使用；SDRAM由兩片4Banks×512K×32Bits規(guī)格的芯片夠成，型號(hào)是HY57V643220CT，用來(lái)儲(chǔ)存程序、數(shù)據(jù)和視頻。視頻ADC采用Phillips公司的SAA7113，轉(zhuǎn)換精度9Bits，擁有有4個(gè)模擬輸入通道，可輸入4路模擬視頻信號(hào)，輸出接口（VP0）有一個(gè)，支持PAL、NTSC、SECAM這三種主要的模擬視頻制式。視頻輸出DAC芯片采用的是Analog Devices公司推出的ADV7176視頻編碼器，轉(zhuǎn)換精度為10Bits，最高信噪比達(dá)80dB，它在DM642的行、場(chǎng)同步信號(hào)及自己的時(shí)鐘控制下從DM642中讀出數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后輸出到TV顯示器上進(jìn)行顯示。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，硬件上加入一片MAX3323E，實(shí)現(xiàn)CMOS邏輯電平和RS-232邏輯電平之間轉(zhuǎn)換，以滿足與控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通信的要求。
3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
TI為了對(duì)自己的DSP 產(chǎn)品提供軟件開發(fā)支持，推出了DSP /BIOS（Basic Input Output System）搶先型、可裁剪的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，它與CCS(Code Composer Studio)編譯環(huán)境集成在一起。使用DSP/BIOS可以進(jìn)行高效的應(yīng)用程序開發(fā)。本文圖像系統(tǒng)的軟件開發(fā)是基于DSP /BIOS環(huán)境下進(jìn)行的。
3.1 軟件設(shè)計(jì)流程
本文圖像處理系統(tǒng)的軟件流程如圖2所示。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EDMA中斷，并使能EDMA中的I2C通道的中斷；開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SAA7113和視頻編碼芯片ADV7176的寄存器的參數(shù)初始化數(shù)配置；配置和啟動(dòng)VP1和VP2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)VP1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，求出位置和姿態(tài)等參數(shù)，最后將參數(shù)通過(guò)UART傳輸給控制計(jì)算機(jī)。

圖2 主程序流程
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。上面流程中A/D、D/A的芯片初始化的參數(shù)傳輸和視頻數(shù)據(jù)的采集都是通過(guò)EDMA來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
3.2 A/D和D/A芯片的初始化
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。
3.3 視頻采集與輸出
對(duì)應(yīng)于YUV 4：2：2的格式視頻數(shù)據(jù)采集，EDMA中用于VP1的數(shù)據(jù)傳輸有三個(gè)通道。系統(tǒng)中將視頻端口VP1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。兩組參數(shù)RAM 的目的地址分別指向存儲(chǔ)圖像的第一行與第二行象素的首地址, 并且兩組參數(shù)RAM 通過(guò)鏈接地址（Linking Address）循環(huán)相連，并將源地址傳輸方式設(shè)置為1維的，目標(biāo)地址方式設(shè)置為2維的。在EDMA 通道的傳輸中，奇數(shù)場(chǎng)傳輸任務(wù)的結(jié)束會(huì)自動(dòng)地根據(jù)當(dāng)前參數(shù)RAM的鏈接地址裝載傳輸偶數(shù)場(chǎng)的參數(shù)RAM,進(jìn)行偶數(shù)場(chǎng)的傳輸。通過(guò)設(shè)定幀索引（Frame Index）值可以讓奇數(shù)場(chǎng)與偶數(shù)場(chǎng)數(shù)據(jù)在幀緩沖區(qū)中被隔行存儲(chǔ)，這樣在無(wú)需占用額外CPU 時(shí)間的前提下就實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)合成。另外，由于兩組參數(shù)RAM 通過(guò)鏈接地址循環(huán)相連，則奇數(shù)場(chǎng)與偶數(shù)場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳輸連續(xù)不斷地交替進(jìn)行下去，這就形成了連續(xù)幀的數(shù)據(jù)采集。每一幀數(shù)據(jù)通過(guò)EDMA傳輸至SDRAM完畢之后，VP1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。
大批量的圖像數(shù)據(jù)傳輸和復(fù)雜算法的處理一直是高速數(shù)字圖像處理器的速度瓶頸，從上面的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程上可以看出， 利用DM642 的EDMA 功能可以在不中斷DSP算法處理工作的同時(shí)完成圖像數(shù)據(jù)的搬移，在有效地解決了大批量圖像數(shù)據(jù)傳輸速度瓶頸的同時(shí)，又能讓DSP 的處理器核專門從事算法處理工作，極大地提高了系統(tǒng)的并行性能。
視頻輸出功能在本系統(tǒng)中主要用于早期開發(fā)階段的調(diào)試。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VP2通道直接寫入視頻FIFO。
3.4 通信接口功能的實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)中，通過(guò)軟件的方法，不增加硬件的復(fù)雜度，利用已有的McBSP和EDMA實(shí)現(xiàn)UART功能。
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。對(duì)McBSP和EDMA的設(shè)置及編解碼程序的設(shè)計(jì)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。
4、結(jié)論
研究了一種基于DM642的圖像處理應(yīng)用平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)的基本功能包括視頻輸入和輸出，與外界的UART接口通信等。介紹了系統(tǒng)硬件組成，以及軟件功能模塊的實(shí)現(xiàn)。由于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，因而系統(tǒng)具有好的應(yīng)用前景。