基于DSP和FPGA的實(shí)時(shí)圖像壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 目前使用的圖像采集系統(tǒng)輸入信號(hào)通常為PAL或者NTSL制式的CVBS復(fù)合信號(hào)，壓縮速度25幀/s(PAL)或者30幀/s(NTSC)。但在工業(yè)控制、航天以及安防領(lǐng)域，有時(shí)需要監(jiān)測(cè)快速移動(dòng)的目標(biāo)，或者瞬間發(fā)生的物理現(xiàn)象，事后還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理。為了提高測(cè)量精度，通常需要采用高頻幀圖像采集系統(tǒng)。本文針對(duì)某Camera Link接口的圖像傳感器，設(shè)計(jì)了一個(gè)高頻幀圖像采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠每秒采集100幀，并對(duì)其進(jìn)行JPEG壓縮，壓縮完的數(shù)據(jù)通過(guò)RS422傳輸至遠(yuǎn)處的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)工作原理及硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)由Camera Link接口模塊、以FPGA為核心的圖像采集預(yù)處理與傳輸單元、以DSP為核心的圖像壓縮單元以及RS422遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸單元組成。由于采集、處理均需要訪問(wèn)存儲(chǔ)器，為了降低成本，采用普通的異步SRAM，按功能區(qū)分可分為采集SRAM和壓縮處理SRAM。讀寫(xiě)邏輯由FPGA控制，采用乒乓機(jī)制進(jìn)行切換。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    系統(tǒng)工作過(guò)程：圖像信號(hào)經(jīng)由LVDS轉(zhuǎn)換芯片后轉(zhuǎn)換成LVTTL信號(hào)，直接傳送至FPGA解碼為8位數(shù)據(jù)，以字節(jié)方式一行一行寫(xiě)入SRAM靜態(tài)存儲(chǔ)器(存儲(chǔ)器由兩部分組成)，用于乒乓緩存輸入數(shù)據(jù)，每部分滿(mǎn)1幀后由FPGA控制送出幀中斷給DSP，DSP啟動(dòng)EDMA讀入1幀數(shù)據(jù)，采用JPEG2000方式編碼后連續(xù)寫(xiě)入到FIFO_OUT，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)從FIFO_OUT讀出數(shù)據(jù)，非空即讀，緩存積累不會(huì)超過(guò)1幀數(shù)據(jù)。讀出的數(shù)據(jù)另行打包后以9 Mb/s的碼率通過(guò)DS26LV31 422接口芯片從out1接口輸出，或者分流后從out1和out2以各4.5 Mb/s的碼率輸出。
2 FPGA功能模塊設(shè)計(jì)
2.1 Camera Link接口模塊
    Camera Link接口模塊負(fù)責(zé)對(duì)高頻幀數(shù)字?jǐn)z像頭輸出的LVDS信號(hào)轉(zhuǎn)換為T(mén)TL標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。
    關(guān)于Camera Link的采集數(shù)據(jù)的邏輯代碼，關(guān)鍵之處在于產(chǎn)生存儲(chǔ)器的地址信號(hào)、存儲(chǔ)器寫(xiě)信號(hào)以及在對(duì)應(yīng)的地址處將數(shù)據(jù)穩(wěn)定地寫(xiě)進(jìn)存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)用像素時(shí)鐘產(chǎn)生列地址計(jì)數(shù)器、行同步信號(hào)產(chǎn)生行地址計(jì)數(shù)器，兩者拼接產(chǎn)生存儲(chǔ)器的地址信號(hào)。這樣產(chǎn)生的有效地址雖然不連續(xù)，但意義明確，而且有利于顯示部分的隔行隔列顯示。對(duì)于8 bit的數(shù)據(jù)，可將2個(gè)有效數(shù)據(jù)拼接成16 bit后再存儲(chǔ)，這樣可以提高FPGA讀寫(xiě)存儲(chǔ)器的速度。
    Camera Link接口時(shí)序如圖2所示。

    圖2中：VD為幀同步信號(hào)，電平模式，高電平有效；HD為行同步信號(hào)，脈沖模式，上升沿有效；PCLK為像素同步時(shí)鐘，脈沖模式；DATA為10 bit圖像數(shù)據(jù)，在PCLK的下降沿推出，接收端在PCLK上升沿采集，PCLK為常運(yùn)行模式。每個(gè)VD有效期內(nèi)有480個(gè)HD有效信號(hào)，在第0~478個(gè)HD有效時(shí)，每個(gè)HD有效期間有600個(gè)有效圖像數(shù)據(jù)，第479個(gè)HD(即每幀的最后1行)有效時(shí)，前600個(gè)DATA為有效圖像數(shù)據(jù)，600個(gè)DATA后預(yù)留6個(gè)字節(jié)輸出圖像相關(guān)信息，即第D600~D605為預(yù)留字節(jié)。
2.2 SRAM乒乓緩存
    在圖像采集處理系統(tǒng)中，DSP的壓縮算法在實(shí)現(xiàn)時(shí)間上往往并不是固定不變的，然而前端的采集模塊卻使用均勻速度對(duì)圖像進(jìn)行采集，這樣存在時(shí)間上的不同步，有可能會(huì)導(dǎo)致圖像數(shù)據(jù)的丟失和影響幀數(shù)據(jù)的完整性[2]。為此，本系統(tǒng)在采集和壓縮模塊之間增加1個(gè)緩沖電路來(lái)解決這一問(wèn)題。
    常用的緩沖電路主要有3種[3]：雙口RAM結(jié)構(gòu)、FIFO結(jié)構(gòu)和乒乓結(jié)構(gòu)。由于乒乓結(jié)構(gòu)可以使用相對(duì)比較便宜的高速大容量SRAM，而且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)性，因此本系統(tǒng)采用了乒乓結(jié)構(gòu)雙SRAM作為視頻數(shù)據(jù)的緩沖。在將1幀圖像的數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)完以后，DSP再利用很短的時(shí)間直接將1幀圖像數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)，這樣既可以保證不丟失像素?cái)?shù)據(jù)、DSP可以連續(xù)采集每1幀像素?cái)?shù)據(jù)，又能為DSP留出更多空余時(shí)間，為后面進(jìn)行圖像處理提供可能。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的完整性，必須保證讀取數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)要高于寫(xiě)數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)，所以本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入輸出單元是根據(jù)數(shù)據(jù)處理流程來(lái)進(jìn)行切換的。[!--empirenews.page--]
    乒乓控制模塊按照功能還分為：S0、S1、S2、S3 4個(gè)轉(zhuǎn)換狀態(tài)。其中，狀態(tài)S0為初始化狀態(tài)(所有信號(hào)都處于初始化狀態(tài))，系統(tǒng)加電或者復(fù)位后進(jìn)入此狀態(tài)；在S1狀態(tài)，主要負(fù)責(zé)對(duì)SRAM0的寫(xiě)入，不可以對(duì)SRAM1進(jìn)行讀操作；在S2狀態(tài)，主要負(fù)責(zé)對(duì)SRAM1進(jìn)行寫(xiě)操作，對(duì)SRAM0進(jìn)行讀操作，當(dāng)SRAM1寫(xiě)完后，如果SRAM0未讀完，則繼續(xù)處于狀態(tài)S2，如果SRAM0讀完，則進(jìn)入狀態(tài)S3；在S3狀態(tài)，主要負(fù)責(zé)對(duì)SRAM0進(jìn)行寫(xiě)操作，對(duì)SRAM1進(jìn)行讀操作，當(dāng)SRAM0寫(xiě)完后，如果SRAM1未讀完，則繼續(xù)處于狀態(tài)S3，如果SRAM1讀完，則進(jìn)入狀態(tài)S2。乒乓控制模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

    SRAM乒乓電路如圖4所示。圖中，wr_data為Camera Link接口接收到的只包含灰度信號(hào)的圖像數(shù)據(jù)。為了方便圖像數(shù)據(jù)的管理，每個(gè)像素、每行的像素都對(duì)應(yīng)到了SRAM的固定地址，所以wr_addr為該像素在SRAM中的地址，同時(shí)也可以表示該像素在一幅圖像中的位置。CHANNEL_SEL為讀SRAM的標(biāo)志位，0代表SRAM0，1代表SRAM1。

2.3 FIFO緩存模塊和RS422傳輸模塊
    由于DSP向RS422模塊傳輸數(shù)據(jù)并不是勻速傳輸，而且傳輸速度比RS422的傳輸速度快很多倍，所以必須采用FIFO模塊。
3 DSP程序設(shè)計(jì)
    TI公司的TMS320DM642芯片是一款高性能視頻處理器，其主頻可以高達(dá)600 MHz，數(shù)字處理能力可以達(dá)到4 800 MI/ps[3]。
    DSP工作流程圖如圖5所示，DSP在相關(guān)外設(shè)與EDMA相關(guān)寄存器初始化完成后，才開(kāi)始響應(yīng)中斷事件觸發(fā)EDMA傳輸，在本系統(tǒng)中由EXITUINT4中斷上升沿觸發(fā)EDMA進(jìn)行傳輸。在接收到FPGA發(fā)送的中斷信號(hào)后，開(kāi)始進(jìn)行EDMA傳輸，整個(gè)EDMA傳輸?shù)倪^(guò)程需要10 ms左右，傳輸完成后觸發(fā)EDMA中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中觸發(fā)1個(gè)軟中斷，在軟中斷服務(wù)函數(shù)中進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的壓縮。

3.1 EDMA乒乓程序設(shè)計(jì)
    在整個(gè)DSP的工作流程中，要實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集、壓縮、傳輸同時(shí)進(jìn)行，則在DSP程序中需要1個(gè)雙緩沖buffer，在向buf1中采集圖像信號(hào)的時(shí)候，DSP可以對(duì)buf2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，而在對(duì)buf2中進(jìn)行采集的時(shí)候，DSP可以對(duì)buf1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。[!--empirenews.page--]
    實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的方法是采用EDMA ping_pong方式。在DSP中使用hEdmaPing和hEdmaPong雙通道EDMA并建立PingBuffer和PongBuffer兩個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。 當(dāng)寫(xiě)完1幀圖像后，F(xiàn)PGA發(fā)送EXTINT4中斷信號(hào)啟動(dòng)hEdmaPing將數(shù)據(jù)搬移到PingBuffer，同時(shí)將通道鏈接至hEdmaPong。在下一個(gè)中斷事件發(fā)生時(shí)將數(shù)據(jù)搬移到PongBuffer中，CPU在hEdmaPong通道完成中斷服務(wù)程序中鏈接hEdmaPing通道。如此往復(fù)，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)搬移和處理連續(xù)進(jìn)行。
3.2 DSP/BIOS調(diào)度程序設(shè)計(jì)
    僅僅采用EDMA乒乓方式進(jìn)行EDMA數(shù)據(jù)傳輸還是不夠的，不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和壓縮同時(shí)進(jìn)行，還需要DSP/BIOS調(diào)度程序。在任務(wù)、硬件中斷、軟件中斷中進(jìn)行調(diào)度，在軟中斷服務(wù)函數(shù)中進(jìn)行圖像壓縮任務(wù)。
    DSP/BIOS是TI公司所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的、尺寸可裁剪的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，通過(guò)使用DSP/BIOS提供的豐富的內(nèi)核服務(wù)，開(kāi)發(fā)者能快速地創(chuàng)建滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性能要求的精細(xì)復(fù)雜的多任務(wù)應(yīng)用程序。
    DSP/BIOS程序編寫(xiě)過(guò)程如下：
    (1)在DSP/BIOS配置面板中添加1個(gè)軟中斷jpeg_swi，并將該軟中斷的服務(wù)函數(shù)設(shè)置為jpeg。
    (2)添加軟中斷服務(wù)函數(shù)jpeg()；代碼如下：
    void jpeg(void)
    {
      Uint32 i；
      if(pingpong)
      bitstream_length=my_jpegenc->fxns->encode(my_jpegenc，(XDAS_Int8**)buf0，output_bitstream_buffer)；
      else
      bitstream_length=my_jpegenc->fxns->encode(my_jpegenc，(XDAS_Int8 **)buf1，output_bitstream_buffer)；
      submit_qdma()；
          while(!(EDMA_getPriQStatus()&EDMA_OPT_PRI_HIGH))；
    }
    (3)在EDMA中斷服務(wù)函數(shù)中添加如下代碼：
    SWI_post(&jpeg_swi)；
    該函數(shù)的作用是觸發(fā)jpeg_swi軟中斷。
4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
4.1 時(shí)鐘
    在使用內(nèi)部生成的時(shí)鐘過(guò)程中，可能引起設(shè)計(jì)上的功能和時(shí)限問(wèn)題。組合邏輯產(chǎn)生的時(shí)鐘會(huì)引入毛刺，造成功能問(wèn)題，而引入的延遲則可能會(huì)導(dǎo)致時(shí)限問(wèn)題。
    本設(shè)計(jì)中用到很多全局時(shí)鐘的整數(shù)倍分頻，且由于分頻的整數(shù)倍較大，如果利用FPGA中自帶的DCM模塊很難實(shí)現(xiàn)這樣的功能。因此，采用同步計(jì)數(shù)器的分頻方法，并且在各個(gè)時(shí)鐘信號(hào)輸出之前，再加一級(jí)寄存器輸出，這樣的操作就避免了組合邏輯生成的毛刺被阻擋在寄存器的數(shù)據(jù)輸入端口上。
4.2 DSP與FPGA數(shù)據(jù)交換
    由于壓縮算法采用MECOSO公司的JPEG壓縮算法，經(jīng)過(guò)優(yōu)化和處理后，壓縮1幅圖像僅需要4 ms。所以影響整個(gè)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)高頻幀的關(guān)鍵技術(shù)是EDMA向SDRAM中搬移數(shù)據(jù)的速度，在本設(shè)計(jì)中設(shè)幀圖像的大小為600×480=288 KB，傳輸1幅圖像所需的時(shí)間需要10 ms。影響其速度主要有2個(gè)因素：EMIF所使用的ECLOCK和EMIF相關(guān)設(shè)置的寄存器。
    在本系統(tǒng)中，ECLOCK采用了DSP的CPU4分頻，使EMIF的CLOCK工作在150 MHz，大大提高了搬移速度。由于SRAM映射在DSP的CE2空間，考慮到讀取數(shù)據(jù)需要建立(setup)、選通(Strobe)和保持(Hold)3個(gè)步驟，故將CE2相關(guān)寄存器的建立時(shí)間和選通時(shí)間選擇為1個(gè)clk，經(jīng)Hold時(shí)間設(shè)置為0。這樣設(shè)置后EMIF總線(xiàn)的數(shù)據(jù)吞吐量為：
    
    本文設(shè)計(jì)的圖像壓縮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了分辨率為600×480、幀頻率為100幀/s的視頻信號(hào)輸入的圖像采集，并能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的JPEG壓縮。系統(tǒng)采用DSP+FPGA的方案，雖然是一種較常用的組織方式，但在該系統(tǒng)中解決了一些關(guān)鍵的問(wèn)題，大大提高了圖像壓縮速度及系統(tǒng)的靈活性。本系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于航天領(lǐng)域某監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，效果良好，運(yùn)行穩(wěn)定。
參考文獻(xiàn)
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