基于DSP的實時圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

引言
    TI推出的C6000系列DSP，將數(shù)字信號處理器的處理能力提高到了一個新的境界。實際上，C6000系列的高速處理能力以及其出色的對外接口能力，使它在圖像處理領域具有非常大的應用潛力。DSP芯片的功能越來越強大，使信號處理系統(tǒng)的研究重點又回到軟件算法上，而且隨著DSP運算能力的不斷提高，能夠?qū)崟r處理信號帶寬也大大增加，數(shù)字信號處理的研究重點也由初的非實時應用轉(zhuǎn)向高速實時應用。

1 TMS320C6416處理器特點
    TMS320C6416是TI公司推出的TMS320C6000平臺上高性能定點系列處理器。適合實時圖像處理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要特點包括：
    ①定點／浮點系列兼容DSP、CPU主頻達到720MHz；
    ②具有VelociTI先進VLIW結(jié)構(gòu)內(nèi)核；
    ③片內(nèi)集成大容量SRAMt，最大可達8Mb；
    ④16／32／64位高能外部存儲器接口(EMIF)提供了同步／異步存儲器的直接接口；
    ⑤片內(nèi)提供多種集成外設。

2 系統(tǒng)硬件設計
2.1硬件設計所用器件
    采用TI公司的TMS320C6416DSK開發(fā)板作為DSP平臺。開發(fā)板提供的三排擴展引腳連接器，針對應用設計的子板可以插入引腳連接器，利用TMS320C6416DSK板提供的硬件設計資源。擴展引腳類型包括存儲器信號引、外圍設備信號引腳和主機端口接口信號引腳。存儲器信號引腳提供DSP異步EMIF信號訪問存儲器或者存镕器映射設備。外圍設備信號引腳提供DSP外圍設備信號.例如多道緩沖串行El(MCBSP)、時鐘(TIMER)。這兩類型的引腳連接器提供子板的電源和地信號。采用美國Syscan公司的黑白線陣CIS圖像傳感器SV253A4，分辨率為200dpi，掃描長度為216ram，掃描速度為0.36ms／行，單一模擬視頻輸出信號。采用美國Exar公司的高速線陣CIS／CCD傳感器處理器XRD98L23ACD完成對CIS圖像傳感器輸出信號的放大、A／D等處理，其分辨率為8位，具有6位程控增益放大器，8位程控偏移調(diào)節(jié)器。采用緩沖器74HC244完成傳感器處理器輸出數(shù)據(jù)的緩沖。
2.2硬件設計框圖
    利用DSP芯片支持庫開發(fā)方法，將軟件模塊對應為硬件模塊，系統(tǒng)的框圖如圖1所示。由TMS320C6416DSK開發(fā)板定時器(TIMER)模塊提供圖像傳感器SV253A4和傳感器處理器XRD98L23ACD的時鐘信號。通用輸入輸出口(GPIO)模塊和多道緩沖串行口(MCBSP)模塊配合，模擬傳感器處理器XRD98L2 3ACD控制字的寫入時序，完成控制字的寫入。EDMA模塊和EMIFA模塊配合采用EDMA方式讀取外部存儲器數(shù)據(jù)的方法讀取緩沖器74HC244內(nèi)數(shù)據(jù)到DSP內(nèi)部存儲器。中斷模塊完成TIMER模塊的時鐘中斷設置，該時鐘中斷觸發(fā)EDMA模塊相應通道完成數(shù)據(jù)讀取。

2.3硬件設計電路
    硬件電路如圖2所示，圖像傳感器SV253A4的VOUT引腳信號為輸出視頻信號， CP引腳信號為時鐘脈沖輸入信號， SP引腳信號為開始脈沖信號。

    傳感器處理器XRD98L23ACD的RED引腳信號為紅分量輸入信號，DB0~DB4引腳信號為數(shù)據(jù)輸出位0~4信號，復用DB5／SCLK引腳信號數(shù)據(jù)輸出位5或者數(shù)據(jù)輸入SCLK信號，復用DB6／SDA7A引腳信號數(shù)據(jù)輸出位6或者數(shù)據(jù)輸入SDATA信號，復用DB7／LD引腳信號數(shù)據(jù)輸出位7或者LD信號，ADCCLK引腳信號為A／D轉(zhuǎn)換時鐘信號，CLAMP引腳信號為鉗位和視頻采樣信號，SYNCH引腳信號為新行開始和串行數(shù)據(jù)輸入控制信號。
    緩沖器74HC244的1A1~1A4和2A1~2A4引腳信號為兩組數(shù)據(jù)輸入信號， 1Y1~1Y4和2Y1~2Y4引腳信號為兩組數(shù)據(jù)輸出信號， 1G和2G引腳信號為低電平有效使能信號。
    TMS320C6416DSK的T0UT0和T0UTl引腳信號為定時器0和定時器1輸出信號，CLKX0引腳信號為MCBSP0傳輸時鐘信號，DX0引腳信號為MCBSP0傳輸數(shù)據(jù)信號，GPIOx引腳信號為通用輸入輸出信號，AED0~AED7引唧信號為EMIF數(shù)據(jù)引唧0~數(shù)據(jù)引腳7信號，AARE引腳信號為EMIF異步讀使能信號， AEA21引腳信號為EMlF地址引腳21信號。
    TMS320C6416DSK的TOUT0輸出引腳為傳感器處理器XRD98L23ACD提供占空比為50％的10MHz時鐘ADCCLK輸入信號，TOUTl輸出引腳為圖像傳慼器SV253A4提供占空比為25％的5MHz時鐘CP輸入信號；CLKX0、DX0、GPIOx輸出引腳分別為傳感器處理器XRD98L23ACD提供控制字寫入時序的SCLK、SDATA、LD、SYNCH輸入信號；GPIOx輸出引腳提供圖像傳感器SV253A4的SP輸入信號和傳感器處理器XRD98L23ACD的鉗位和視頻采樣CLAMP輸入信號；AARE、AEA2l輸出引腳與邏輯組合提供緩沖器74HC244的1G和2G輸入信號：AED0~AED7輸入引啣接收緩沖器74HC244的lYl~2Y4輸出信號。
    圖像傳感器SV253A4的VOUT輸出信號為傳慼器處理器XRD98L23ACD提供單通道RED輸入信號。傳感器處理器XRD98L23ACD的DB0~DB7輸出信號為緩沖器74HC244提供1A1~2A4輸入信號。
2.4 硬件工作流程
    系統(tǒng)上電后，TMS320C6416DSK由MSBSP和GPIO模塊按照傳感器處理器XRD98L23ACD寫入時序?qū)懭肟刂谱?，使傳感器處理器開始工作。GPIO模塊發(fā)送SP輸入信號，使圖像傳感器開始行采集；TIMER模塊發(fā)送CP輸入信號模塊，使圖像傳感器開始采集一個點，同時產(chǎn)生時鐘中斷事件， 觸發(fā)EDMA模塊的時鐘中斷事件通道完成一次EDMA操作，即EDMA模塊通過EMIF模塊使能緩沖器， 讀取經(jīng)過傳感器處理器A／D轉(zhuǎn)換過采集點的數(shù)字信號。 然后觸發(fā)EDMA中斷，完成對采集到的數(shù)據(jù)處理、修改EDMA目的地址和其它計算。當采集了一行后， 發(fā)送SP輸入信號開始新的一行采集， 工作時序如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設計
    軟件采用TI公司提供的Code Composer Studio開發(fā)環(huán)境，用TMS320C6416芯片支持庫API開發(fā)方式，C語言編程開發(fā)。軟件設計包括CMD連接命令設計、中斷服務表設計、主程序設計。
3.1 連接命令設計
    由于采用TMS320C6416DSK硬件平臺，根據(jù)其存儲器映射，如表1所列，使用連接器偽指令MEMORY定義了5個區(qū)域反映TMS320C6416DSK存儲器映射情況，然后使用連接器偽指令SECTIONS把目標文件的各個代碼段和數(shù)據(jù)段分配到上述5個區(qū)域。采用Daughter Card區(qū)域的EMIFA CE2區(qū)域的首地址OxA0000000作為緩沖器74HC244的地址。
3.2中斷服務表設計
    中斷服務表包含中斷服務代碼的取址包的一個地址表，當CPU開始處理一個中斷時，參照中斷服務表進行。C6000的CPU有3種類型中斷：RESET(復位)、不可屏蔽中斷(NMI)和可屏蔽中斷(INT4一INTl5)。中斷服務表包含16個連續(xù)取指包，每個中斷服務取指包都包含8條指令。需要設置REsET復位向量指向C運行環(huán)境的入口點_c_int00。由于系統(tǒng)使用的時鐘中斷和EDMA中斷，需要設置時鐘中斷和EDMA中斷向量指向各自中斷服務程序的入口。設置其它中斷向量指向虛擬中斷服務程序入口，即不作任何處理，直接中斷返回。

3.3主程序設計
    主程序描述了完成系統(tǒng)功能的變量、常量、main函數(shù)、EDMA中斷服務程序和系統(tǒng)初始化程序的定義。系統(tǒng)初始化函數(shù)完成芯片支持庫、中斷服務表、中斷模塊、GPl0模塊、EDMA模塊、MCBSP模塊、EMIFA模塊、定時器模塊和傳感器處理器XRD98L23ACD的初始化。E3MA中斷服務程序完成EDMA目標地址參數(shù)的修改和相關變量計算。Main函數(shù)調(diào)用系統(tǒng)初始化函數(shù)，然后啟動定時器，響應EDMA中斷。
    使用芯片支持庫編程必須首先初始化芯片支持庫，調(diào)用芯片支持庫API函數(shù)CSL—init完成。
    調(diào)用芯片支持庫API函數(shù)IRQ_setVecs完成中斷服務表初始化，參數(shù)為連接命令文件定義的中斷服務表全局標識符。
    調(diào)用芯片支持庫API函數(shù)IRQ_globalEnable、IRQ_nmiEnable分別使能全局中斷和不可屏蔽中斷。這樣系統(tǒng)才能響應EDMA中斷，調(diào)用支持庫API函數(shù)IRQ_enable使能EDMA中斷。參數(shù)為IRQ_EVT_ EDMANT表示響應EDMA中斷事件。
    使用GPIO設備前，必須調(diào)用芯片支持庫API函數(shù)GPIO_open打開GPIO設備，然后調(diào)用芯片支持庫API函數(shù)GPIO—configArgs設置GPIO模式，參數(shù)為GPIO相關寄存器值。GtIO模式主要包括各GPIO的使能、方向和初值。
    使用EDMA設備前必須調(diào)用EDMA_open打開EDMA一個通道。因為系統(tǒng)使用定時器l中斷事件作為EDMA的觸發(fā)事件，所以打開的通道參數(shù)為EDMA_CHATINl 。調(diào)用芯片支持庫API函數(shù)EI)MA—configArgs設置EDMA定時器1通道，參數(shù)為EDMA相關寄存器值。通道設置主要包括EDMA的數(shù)據(jù)單元的字長為8位、傳輸結(jié)束中斷使能、事件鏈接不使能、源地址為OxA0000000、數(shù)據(jù)單元數(shù)為l、目的地址為存儲數(shù)組首地址。目前是用定時器l中斷事件觸發(fā)EDMA傳輸一采集點數(shù)據(jù)，同時定時器l中斷事件產(chǎn)生TINTl輸出信號也是CP輸入信號，這樣EDMA觸發(fā)時序和CP輸入信號同步。只要傳感器處理器能夠在兩次CP信號間隔內(nèi)完成一次采集點A／D等處理，就可以實現(xiàn)圖像傳感器采集一個點后，進行一次EDMA傳輸，確保EDMA傳輸采集點無重復無遺漏。如果采用定時器l中斷事件觸發(fā)方式，即CP輸入信號同步方式，那么數(shù)據(jù)單元數(shù)為l，使能傳輸結(jié)束中斷。在完成一次傳輸后，觸發(fā)EDMA傳輸完成事件中斷，完成目的地址的修改和其它計算。因為需要采集的點很多，遠遠超過參數(shù)鏈接的數(shù)目限制，不能靜態(tài)設置參數(shù)鏈接，只能動態(tài)修改EDMA目的地址，所以不使能事件鏈接。
    可以采用SP輸入信號作為外中斷事件觸發(fā)信號，觸發(fā)EDMA外中斷事件通道傳輸一行采集點數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)單元數(shù)為一行采集點數(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)單元字長設置自動修改EDMA目的地址。采用這種觸發(fā)方式后，EDMA目的地址修改和各采集點傳輸可以自動完成，為了確保EDMA傳輸采集點無重復無遺漏，必須控制EDMA與圖像傳感器時序同步。同步的含義是考慮到傳感器處理器A／D等處理的延時的同步，可這樣的外中斷事件觸發(fā)方式需要考慮到TMS320C6416DSK的EMDA的工作時序、圖像傳感器工作時序和傳感器處理器工作時序，不如定時器中斷事件觸發(fā)容易實現(xiàn)，但是數(shù)據(jù)傳輸性能要高。
    使用MCBSP設備前必須調(diào)用芯片支持庫API函數(shù)MCBSP_open打開MCBSP的一個設備，因為系統(tǒng)使用MCBSPO的CLKXO引腳信號和DXO引腳信號，所以打開的設備參數(shù)為MCBSP_DEV0。調(diào)用芯片支持庫API函數(shù)McBSP_configArgs設置MCBSPO設備，參數(shù)為MCBSP相關寄存器值。設備設置主要包括，根據(jù)傳感器控制器控制字寫入時序的SCLK信號，設置采樣頻率發(fā)生器時鐘模式為內(nèi)部時鐘和分頻值。 由GPIO模塊產(chǎn)生控制器控制字寫入時序的SYNcH信號和LD信號，由MCBSP模塊產(chǎn)生控制器控制字寫入時序的SCLK信號和SDATA信號，將控制字寫入到傳感器處理器?？刂谱譃?1位，前三位S2、S1、SO組合表示寫入寄存器的編碼，D7～DO表示寫入寄存器的8位數(shù)據(jù)。傳感器控制器XRD98123ACD寫入時序如圖4所示。

    由于系統(tǒng)分配緩沖器地址為OxAOOOOOOO，即EMIFACE2首地址，所以需要調(diào)用芯片支持庫API函數(shù)EMIFA_configArgs設置EMIFA。設置主要包括CE2的讀圖4傳感器控制器XRD98L23ACD寫入時序?qū)懡r間、觸發(fā)時間、保持時間和存儲器類型為8位異步類型。因為緩沖器可以理解成外部存儲器，但是不是實際的標準存儲器類型，不具有標準的EMIFA引腳連接方式，所以不能按照標準類型進行設置,需要進行實驗調(diào)試設置。
    使用定時器設備前，必須調(diào)用芯片支持庫API函數(shù)TIMER_open，打開TIMER的一個設備。由于系統(tǒng)使用定時器O和定時器1，所以打開的設備參數(shù)為TIMER_DEVO和TIMER_ DEVl。調(diào)用芯片支持庫API函數(shù)TIMER_configArgs設置TIMERO和TIMERl設備，參數(shù)為TIMER相關寄存器值。系統(tǒng)CPU時鐘為72OMHz。TIMERO設置主要包括時鐘源為內(nèi)部時鐘源，頻率為CPU時鐘8分頻，即9OMHz、時鐘模式使能、TOUTO為時鐘輸出引腳和時鐘周期為9。TIMERl設置主要包括時鐘源為外部時鐘源，頻率為2OMHz、脈沖模式使能、脈沖寬度為1、TOUTl為時鐘輸出引腳和時鐘周期為l。通過這樣的設置，TOUTO可以提供1OMHz，50％占空比時鐘輸出信號；TOLTl可以提供5MHz，25％占空比時鐘輸出信號。 

結(jié)語
    本文分析了基于TMS320C6416處理器的嵌入式實時圖像采集系統(tǒng)設計方案，充分利用了TMS32Oc6416DSK硬件和軟件資源，為基于DSP芯片的有關圖像的嵌入式實時系統(tǒng)應用，提供了一個技術參考。