基于DSP的最小圖像采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 采用TI公司的TMS320C6713，通過地址譯碼和總線隔離，直接將數(shù)字圖像傳感器芯片OV7620接入；利用EDMA獨(dú)立傳送的特點(diǎn)，在不增加DSP軟件開銷和對(duì)總線占用的情況下，實(shí)現(xiàn)視頻圖像的實(shí)時(shí)采集和處理。經(jīng)過驗(yàn)證，系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、成本低、開發(fā)周期短的特點(diǎn)。通過總線隔離和數(shù)據(jù)鎖存實(shí)現(xiàn)了DSP與低速LCD顯示模塊的接口。針對(duì)具體的硬件電路給出了驅(qū)動(dòng)例程。
關(guān)鍵詞 DSP嵌入式系統(tǒng) 圖像采集 圖像處理

引 言
    在以DSP為核心的視頻處理系統(tǒng)中，視頻采集的方法通?？梢苑譃閮纱箢悾鹤詣?dòng)的視頻采集和基于DSP的視頻采集。前者通常采用CPLD／FPGA控制視頻解碼芯片，通過FIFO或者雙口RAM向DSP傳送數(shù)據(jù)，特點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集模塊獨(dú)立運(yùn)行，占用DSP資源少，但實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜，成本偏高；后者通常由DSP控制視頻解碼芯片并同步各種時(shí)序，將視頻數(shù)據(jù)讀入。其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本有所降低，但對(duì)視頻解碼芯片的控制較為復(fù)雜，占用DSP處理時(shí)間。
    如果通過適當(dāng)?shù)倪壿嬰娐纷寯?shù)字圖像傳感器芯片直接接入DSP，則可省去視頻控制解碼芯片、CPLD／FPGA、FIFO或雙口RAM，在不增加DSP軟件開銷的情況下，大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本，縮短開發(fā)周期。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。DSP采用TI公司發(fā)布的C6000系列高速浮點(diǎn)型信號(hào)處理器TMS320C6713，其峰值處理速度達(dá)l350 MFLOPS(百萬次浮點(diǎn)每秒)。其外部存儲(chǔ)器接口EMIF(External Memory Interface)包括4個(gè)CE空間，其中CE0被配置為16位同步空間，接SDRAM；CEl為16位異步空間，接Flash；CE2為16位異步空間，經(jīng)過地址譯碼和總線緩沖將數(shù)字圖像傳感器OV7620接入；CE3為8位異步空間，經(jīng)過數(shù)據(jù)鎖存和總線隔離將LCD顯示模塊接入。

1．2 OV7620的配置和硬件連接
    OV7620是OmniVision公司生產(chǎn)的CMOS彩色／黑白圖像傳感器，在本系統(tǒng)中被配置為16位逐行掃描QVGA方式，RGB原始數(shù)據(jù)輸出，分辨率為320×240，SCCB總線，內(nèi)部默認(rèn)的行曝光方式；同時(shí)使能HREF信號(hào)對(duì)PCLK進(jìn)行門控，即只有當(dāng)HREF有效時(shí)像素時(shí)鐘信號(hào)才被輸出到PCLK引腳上，否則該引腳保持無效。這樣EDMA可以始終處在使能狀態(tài)，從而簡(jiǎn)化采集過程。
    OV7620與DSP的硬件連接框圖如圖2所示。在對(duì)OV7620復(fù)位結(jié)束后，DSP通過GPIO模擬SCCB總線完成對(duì)OV7620內(nèi)部功能寄存器的配置，之后數(shù)幀內(nèi)圖像數(shù)據(jù)和同步信號(hào)將逐漸穩(wěn)定。Y通道和U／V通道在分別經(jīng)過74HC244總線緩沖器之后接入EMIF低16位數(shù)據(jù)總線。CE2與地址線EA20、EA21經(jīng)過譯碼產(chǎn)生2片74HC244的選通信號(hào)，此時(shí)OV7620的讀地址為
0xA0000000。

1．3 EDMA數(shù)據(jù)采集
    在16位逐行掃描方式中，圖像的每行RGB原始數(shù)據(jù)均被OV7620先后輸出兩次，因此，只須讀取其偶數(shù)次HREF信號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)即可獲得整個(gè)圖像信息。這樣可以減少圖像采集所占用的存儲(chǔ)空間和總線資源。OV7620同步和控制信號(hào)與GPIO的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所列。

    本系統(tǒng)采用EDMA的第12個(gè)通道(EDMAl2)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集。該通道被配置為16位一維傳輸方式，中斷禁止，PCLK的上升沿觸發(fā)EDMAl2搬移一個(gè)16位數(shù)據(jù)存入到SDRAM中，每次EDMA任務(wù)搬移一個(gè)HREF(320個(gè)16位)的圖像數(shù)據(jù)。幀同步信號(hào)VSYNC上升沿觸發(fā)DSP中斷，對(duì)EDMA通道進(jìn)行初始化，使能水平參考信號(hào)HREF中斷并關(guān)閉EDMA通道(放棄第1個(gè)HREF、的數(shù)據(jù))，開始一幀的數(shù)據(jù)傳輸。HREF下降沿觸發(fā)DSP產(chǎn)生中斷，標(biāo)志OV7620一次HREF數(shù)據(jù)輸出的結(jié)束。如果接下來一次HREF數(shù)據(jù)需要被讀入，則中斷服務(wù)程序會(huì)對(duì)EDMAl2參數(shù)進(jìn)行修正，使能EDMA12通道，開始下一行數(shù)據(jù)的傳輸；否則，就禁止EDMAl2，放棄下一次HREF數(shù)據(jù)。每接收1幀圖像數(shù)據(jù)共產(chǎn)生240次HREF中斷和120次EDMA數(shù)據(jù)傳輸。以下是OV7620數(shù)據(jù)采集的部分源代碼：

1.4 LCD模塊的驅(qū)動(dòng)
    采用液晶顯示模塊可以使圖像處理結(jié)果實(shí)時(shí)顯示出來，方便調(diào)試和演示，成本也較低。本系統(tǒng)選用北京寧和電子科技發(fā)展有限公司開發(fā)的NHC_34彩色液晶顯示控制模塊。該模塊支持256色彩色顯示，每個(gè)像素點(diǎn)用1個(gè)字節(jié)表示，分辨率為320×234；支持標(biāo)準(zhǔn)Intel 8位異步總線時(shí)序，有2頁顯示緩存，可任意設(shè)定顯示頁和操作頁。
    LCD模塊讀寫周期最短為350ns，而DSP外部總線接口時(shí)鐘頻率一般在100 MHz以上，即小于10ns。通過配置EMIF CE3空間控制寄存器CECTL3(地址為Ox01800014)，可以將CE3空間的讀寫周期延長(zhǎng)，與LCD模塊無縫連接。但這樣液晶模塊的讀寫操作會(huì)過長(zhǎng)地占用系統(tǒng)總線，降低對(duì)其他存儲(chǔ)空間(尤其是對(duì)SDRAM)的訪問效率，進(jìn)而影響系統(tǒng)的整體速度。
    本系統(tǒng)采用了數(shù)據(jù)鎖存和總線緩沖的方法，通過377鎖存器模擬低速總線控制信號(hào)時(shí)序，利用244數(shù)據(jù)緩沖器對(duì)低速總線數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離。圖3給出了DSP與LCD模塊硬件連接圖。系統(tǒng)有2片74HC377(簡(jiǎn)稱為“377”)，一片用來鎖存模擬LCD模塊的讀寫控制信號(hào)(控制377)，另一片用來鎖存寫入數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)377)，由異步寫使能控制線AWE作為377的觸發(fā)沿輸入；CE3和EA20、EA21經(jīng)過譯碼產(chǎn)生2個(gè)377的使能信號(hào)，DSP寫數(shù)據(jù)377的地址為0xB0000000，寫控制377的地址為0xB0040000。數(shù)據(jù)377的輸出經(jīng)一片總線緩沖器HC244(寫出244，HC244簡(jiǎn)稱為“244”)連接到LCD模塊總線上，該244輸出使能信號(hào)來自控制377。另有一片HC244(讀入244)用來將LCD模塊總線接到DSP低8位總線上，其輸出使能信號(hào)同樣由CE3和EA20、EA21經(jīng)過譯碼產(chǎn)生，地址為0xB0080000，是DSP對(duì)LCD模塊的讀地址。

    DSP根據(jù)LCD模塊總線時(shí)序，通過定時(shí)器延時(shí)中斷來間隔地寫入數(shù)據(jù)到控制377，以模擬相應(yīng)低速總線的控制信號(hào)，并適時(shí)從讀入244讀取數(shù)據(jù)(讀周期)，或者寫入數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)377(寫周期)，就可以完成對(duì)LCD模塊的讀／寫操作。LCD寫周期驅(qū)動(dòng)例程如下(該程序通過延時(shí)來控制時(shí)間間隔)：

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    軟件系統(tǒng)流程如圖4所示。DSP在復(fù)位完成之后首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，配置鎖相環(huán)、EMIF和GPIO，并硬件復(fù)位OV7620，通過GPIO模擬SCCB總線配置其內(nèi)部功能寄存器，之后對(duì)LCD模塊清屏。當(dāng)EDMA沒有被使能時(shí)，OV7620的同步信號(hào)仍能被EDMA事件寄存器捕獲并保持，所以把EDMA的初始化放在OV7620和LCD模塊的初始化之后，并在使能之前清事件標(biāo)志。在中斷被使能之后，OV7620的幀同步信號(hào)會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)中斷，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的循環(huán)采集，并在每幀數(shù)據(jù)采集完成之后置位相應(yīng)標(biāo)志，通知主程序進(jìn)行處理。主程序在接到通知后對(duì)OV7620的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行插值和平滑，生成待處理的RGB24位色圖像數(shù)據(jù)。圖像處理和運(yùn)算的結(jié)果被送到LCD模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，LCD的顯示任務(wù)主要由中斷服務(wù)程序完成，而此時(shí)主程序已開始等待和處理下一幀圖像。

3 結(jié)論
    本系統(tǒng)通過總線隔離和地址譯碼，只使用簡(jiǎn)單的邏輯芯片將OV7620接入DSP，并充分發(fā)揮EDMA獨(dú)立傳送的特點(diǎn)，僅占用DSP少量的軟件開銷和總線資源。就完成圖像數(shù)據(jù)的采集。與采用視頻接口芯片、外圍FIFO和CPLD／FPGA等方案相比，很大程度上降低了系統(tǒng)成本，縮短了開發(fā)周期，而對(duì)系統(tǒng)總線的占用卻并沒有增加。利用數(shù)據(jù)鎖存和總線緩沖實(shí)現(xiàn)了對(duì)LCD模塊異步低速總線的接人；利用EDMA進(jìn)行總線模擬，進(jìn)一步降低DSP對(duì)LCD模塊讀／寫的參與，減少系統(tǒng)中斷次數(shù)，優(yōu)化系統(tǒng)性能，能夠?qū)D像處理的結(jié)果實(shí)時(shí)和直觀地顯示出來。

    與其他DSP嵌入式系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有處理速度快、接口簡(jiǎn)單、成本低、能實(shí)時(shí)顯示的特點(diǎn)，適用于視覺導(dǎo)航、視頻實(shí)時(shí)處理等要求高速處理圖像的場(chǎng)合，以及有實(shí)時(shí)演示要求的場(chǎng)合。