基于PCI總線的電視圖像處理仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為便于科研人員在電視圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)圖像處理的新算法進(jìn)行評(píng)估和測(cè)試，降低評(píng)估測(cè)試板硬件電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，在此提出了解決方案，并實(shí)現(xiàn)了基于PCI總線的電視圖像實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)首先通過(guò)PCI插卡實(shí)現(xiàn)對(duì)電視圖像進(jìn)行采集、預(yù)處理和視頻A／D轉(zhuǎn)換，然后選用具有高速特性的PCI總線將數(shù)字化后的數(shù)字圖像信息寫(xiě)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存，最后在計(jì)算機(jī)終端上，使用高級(jí)語(yǔ)言編程，完成圖像處理和控制接口軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)PCI硬件設(shè)備的訪問(wèn)，數(shù)字圖像的實(shí)時(shí)處理、分割、匹配等算法仿真。
關(guān)鍵詞：PCI總線；電視圖像；實(shí)時(shí)處理；數(shù)字圖像

0 引言
    隨著電視圖像處理系統(tǒng)性能的提高，設(shè)計(jì)人員需要不斷采納新的數(shù)字圖像處理算法，如何對(duì)這些新算法進(jìn)行評(píng)估，如何將理論設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成工程應(yīng)用成為設(shè)計(jì)人員關(guān)心的首要問(wèn)題。
    實(shí)現(xiàn)電視圖像信號(hào)處理需要設(shè)計(jì)一套復(fù)雜的電路系統(tǒng)，且硬件電路的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮高速DSP芯片的開(kāi)發(fā)、超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)、視頻轉(zhuǎn)換、接口等復(fù)雜電路。設(shè)計(jì)印刷電路板和調(diào)試將占用設(shè)計(jì)人員較多的工作時(shí)間，較長(zhǎng)的研制周期和較高的研制經(jīng)費(fèi)均不利于圖像處理新思路、新算法向工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。仿真系統(tǒng)能較大程度降低硬件電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，縮短研制周期，有利于科研設(shè)計(jì)人員集中精力對(duì)新算法進(jìn)行評(píng)估和測(cè)試。
    能否實(shí)時(shí)采集和實(shí)時(shí)處理電視圖像信號(hào)是設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。鑒于微型計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高和PCI總線的高速特性，基于PCI總線設(shè)計(jì)電視圖像處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)成為了可能。本系統(tǒng)使用微型計(jì)算機(jī)仿真電視圖像處理系統(tǒng)來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行處理，使用PCI插卡電路，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和發(fā)送。 PCI總線的發(fā)展，打破了傳統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳送的瓶頸，傳統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)總線的最大缺點(diǎn)是傳輸
速率太低，不能實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，更不能滿足圖像處理系統(tǒng)和大型應(yīng)用程序的要求。PCI總線作為一種同步，且獨(dú)立于處理器的32位局部總線，其最高工作頻率為33 MHz，數(shù)據(jù)傳輸峰值吞吐率可達(dá)132Mb／s。因而用PCI總線傳送1場(chǎng)(256×256×32位數(shù)據(jù))信號(hào)的時(shí)間不大于20 ms。由于電視信號(hào)存在空間和時(shí)間上的冗余，如對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮，則傳送一場(chǎng)信號(hào)所需的時(shí)間將會(huì)更短。因此，在仿真系統(tǒng)中，利用PCI總線將數(shù)據(jù)圖像信息直接傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)存中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸、存儲(chǔ)和處理是可能的。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能
    由于采用了微型計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，因而可使硬件電路設(shè)計(jì)的工作量大大降低，仿真系統(tǒng)僅需要設(shè)計(jì)一PCI插卡，就可實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的適時(shí)采集和處理。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。


    采用PCI總線視頻處理卡對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理和視頻A／D轉(zhuǎn)換，再通過(guò)PCI總線將數(shù)字圖像信息寫(xiě)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存，使用高級(jí)語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的預(yù)處理、分割、目標(biāo)圖像處理、匹配等算法。

2 PCI總線視頻信號(hào)處理卡
    PCI總線視頻處理卡由模擬視頻信號(hào)處理、視頻信號(hào)A／D轉(zhuǎn)換、PCI總線數(shù)據(jù)采集和信號(hào)傳輸?shù)炔糠纸M成。
2．1 視頻處理和視頻A／D轉(zhuǎn)換
    視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)電纜傳輸后有一定的衰減并且迭加上噪聲信號(hào)，對(duì)A／D轉(zhuǎn)換前的原始視頻信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理，可以有效增強(qiáng)視頻信息，降低噪聲干擾。視頻A／D轉(zhuǎn)換芯片可供選擇的種類(lèi)比較多，如SAA7111，BT218等。
2．2 PCI總線數(shù)據(jù)采集和信號(hào)傳輸
    PCI總線是成組數(shù)據(jù)的瘁發(fā)傳輸，每組數(shù)據(jù)是由一個(gè)地址信號(hào)和一系列的數(shù)據(jù)信號(hào)組成，PCI總線采用地址和數(shù)據(jù)復(fù)用結(jié)構(gòu)，大大減少了信號(hào)數(shù)量，但PCI總線規(guī)范仍然十分復(fù)雜，其接口的實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)ISA、EISA總線困難，連接到PCI總線上的設(shè)備可分為主控設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備兩類(lèi)，目標(biāo)設(shè)備最少需要47個(gè)信號(hào)，主控設(shè)備最少需要49個(gè)信號(hào)，其中包括數(shù)據(jù)／地址復(fù)用總線、接口控制線、仲裁、總線命令、系統(tǒng)線等。在設(shè)計(jì)中，可采用以下兩種方案實(shí)現(xiàn)PCI總線的接口設(shè)計(jì)：
2．2．1 采用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)PCI接口設(shè)計(jì)
    目前幾乎所有的可編程邏輯器件廠商均有用于微型計(jì)算機(jī)接口的典型的PLD產(chǎn)品。多數(shù)廠家還提供用VHDL、Verilog、AHDL編制的PCI總線接口核心設(shè)計(jì)模塊。利用這些模塊可編程邏輯器件可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的PCI總線接口設(shè)計(jì)。由于可編程邏輯器件自身的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)PCI接口設(shè)計(jì)時(shí)有更多的思維想象空間。
    雖然使用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)PCI接口具有靈活的特點(diǎn)，但在設(shè)計(jì)中仍存在以下需要關(guān)注的問(wèn)題：
    (1)PCI具有順從性的特點(diǎn)，幾乎所有包含高性能數(shù)據(jù)和控制路徑中的邏輯都需要1個(gè)PCI系統(tǒng)時(shí)間的拷貝，這與PCI苛刻的負(fù)載要求相矛盾。另外，在完成某些功能如數(shù)據(jù)突發(fā)傳送時(shí)，往往需要很多時(shí)鐘負(fù)載，而時(shí)鐘上升沿到輸出有效時(shí)間必須小于11 ns，這進(jìn)一步加重時(shí)鐘扇出問(wèn)題。
    (2)PCI規(guī)范對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的7 ns建立時(shí)間要求苛刻，有時(shí)在設(shè)計(jì)中要使用模擬延遲來(lái)解決。
    (3)任何完善的PCI接口器件都必須提供PCI配置空間，實(shí)現(xiàn)PCI規(guī)定功能需要完成邏輯校驗(yàn)、地址譯碼、實(shí)現(xiàn)配置所需的各類(lèi)寄存器等基本要求，選用的可編程器件對(duì)其邏輯門(mén)的容量有較大的要求。
    此外，在使用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)插卡電路時(shí)還需加入FIFO、用戶(hù)寄存器、后端設(shè)備接口等電路，在一定程度上增大了電路設(shè)計(jì)的難度。
2．2．2 選用PCI總線控制器專(zhuān)用芯片
    采用專(zhuān)用芯片放置在插卡電路與PCI總線之間，提供傳遞數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。如PLX公司開(kāi)發(fā)的PLX9080和PLX9054系列芯片，AMCC公司的S59xx系列等。AMCC公司的S5933是一種功能強(qiáng)、使用靈活的PCI總線控制器接口芯片，采用160PQFP和208TQFP 兩種封裝形式，符合PCI局部總線規(guī)范，即可作為PCI總線目標(biāo)設(shè)備(Slave)，實(shí)現(xiàn)基本的傳送要求，也可作為PCI總線主控設(shè)備(Master)訪問(wèn)其他總線設(shè)備。原理框圖如圖2所示。


    S5933提供了3種物理總線接口：PCI總線接口、ADD-ON總線接口及外部配置存儲(chǔ)器(BIOS-ROM)接口，數(shù)據(jù)傳輸可以在PCI總線與 ADD-ON總線之間或與外部配置存儲(chǔ)器之間進(jìn)行。PCI總線與ADD-ON總線之間的傳輸可以使用3種通道：信箱寄存器通道、FIFO通道和PASS- THRU通道。
    (1)信箱寄存器通道。S5933的信箱寄存器(MAILBOXES)提供雙向數(shù)據(jù)通路，主要用于多路／分路器與AD-DON總線之間傳輸命令和狀態(tài)信息，并可基于指定MAILBOX事件，可在PCI總線或ADD-ON總線產(chǎn)生中斷。
    (2)FIFO通道。FIFO通道主要包括2個(gè)32×8FIFO，分別實(shí)現(xiàn)從PCI到ADD-ON和ADD-0N到PCI的數(shù)據(jù)傳輸。這2個(gè)FIFO均支持PCI總線主設(shè)
備操作，支持突發(fā)傳輸。
    (3)PASS-THRU通道。PASS-THRU傳輸通道為PCI總線提供一種寄存的訪問(wèn)端口，通過(guò)握手協(xié)議訪問(wèn)ADD-ON上的資源。PASS-THRU通道只能作為目標(biāo)設(shè)備，支持突發(fā)傳輸。
    比較以上2種實(shí)現(xiàn)PCI接口的方案可知，用可編程邏輯器件能夠較靈活地實(shí)現(xiàn)所需要的功能。針對(duì)本系統(tǒng)PCI接口電路設(shè)計(jì)，并非要實(shí)現(xiàn)PCI規(guī)范中的所有功能，用可編程邏輯器件也可以提供解決問(wèn)題的方案。但為了達(dá)到PCI指標(biāo)的苛刻要求，需要做大量的邏輯驗(yàn)證和時(shí)序分析工作，采用S5933等PCI專(zhuān)用芯片，可以比較容易地實(shí)現(xiàn)PCI接口設(shè)計(jì)，大大縮短研制周期。

3 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理
    為了實(shí)現(xiàn)仿真功能，還需要開(kāi)發(fā)相關(guān)的圖像處理和控制接口軟件。Windows下的驅(qū)動(dòng)程序包括硬件的驅(qū)動(dòng)程序和文件系統(tǒng)等非物理設(shè)備的虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。由于Windows操作系統(tǒng)為了保證系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可移植性，對(duì)應(yīng)用程序訪問(wèn)硬件資源加以限制，因此無(wú)論采用可編程邏輯器件或者使用專(zhuān)用接口芯片實(shí)現(xiàn)PCI接口設(shè)計(jì)，都需要開(kāi)發(fā)相關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)PCI硬件設(shè)備的訪問(wèn)。
3．1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)
    開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有多種開(kāi)發(fā)工具可以選擇。主要包括：微軟的軟件包(device drtver K6t，ddK)；Numega公司的VtoolsS；KRF-Tech公司的WinDriver。
    在開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之前首先要對(duì)硬件設(shè)備特性、總線結(jié)構(gòu)、中斷設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制及設(shè)備內(nèi)存等進(jìn)行分析。驅(qū)動(dòng)程序要完成的基本功能包括設(shè)備的初始化、對(duì)端口的讀寫(xiě)操作、中斷的設(shè)置、響應(yīng)和調(diào)用以及對(duì)內(nèi)存的直接讀寫(xiě)等。
3．2 仿真系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)
    使用微軟公司功能強(qiáng)大的VC++高級(jí)編程語(yǔ)言編寫(xiě)圖像處理軟件。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存中開(kāi)辟一段空間，存儲(chǔ)通過(guò)PCI總線傳輸?shù)臄?shù)字圖像信息和受控系統(tǒng)反饋量，使用VC++編程實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)內(nèi)存的讀寫(xiě)操作，憑借計(jì)算機(jī)高速運(yùn)算功能，實(shí)現(xiàn)圖像的數(shù)字濾波、直方圖統(tǒng)計(jì)、二值化處理、邊緣檢測(cè)、目標(biāo)特征選擇等圖像處理算法，并將采集到的圖像、反饋量和處理過(guò)的圖像、反饋量顯示到計(jì)算機(jī)監(jiān)視器上，設(shè)計(jì)人員可以直接獲得圖像處理中間過(guò)程的各種數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)圖像處理中間過(guò)程的監(jiān)控，設(shè)計(jì)人員可以較方便發(fā)現(xiàn)不同圖像處理算法的優(yōu)缺點(diǎn)，從而進(jìn)行各種圖像處理算法的優(yōu)化改進(jìn)。

4 結(jié)語(yǔ)
    采用本文方法設(shè)計(jì)的電視圖像仿真系統(tǒng)已在某武器系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的紅外圖像識(shí)別、處理和控制的研制中獲得成功運(yùn)用。本系統(tǒng)充分利用PCI總線的高速特性和微型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理自由度大，靈活可靠的特點(diǎn)，有效地解決了電視圖像的實(shí)時(shí)采集、傳輸、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)處理等問(wèn)題，同時(shí)為設(shè)計(jì)人員的技術(shù)儲(chǔ)備和系統(tǒng)前期設(shè)計(jì)提供幫助，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。