基于TMS320C6711的線陣CCD采集與處理系統(tǒng)

摘要：一種基于DSP的CCD采集與處理系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中DSP（TMS320C6711）進(jìn)行高速、大數(shù)據(jù)量的數(shù)字信號(hào)處理、MCU（89C52）完成人機(jī)界面處理。文中給出該系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用：靜止懸浮式激光散射法血細(xì)胞分類計(jì)數(shù)儀中光電信號(hào)的采集和處理。將該系統(tǒng)做適當(dāng)修改，同樣也可適用于其它光電信號(hào)的采集處理。

    關(guān)鍵詞：TMS320C6711 CCD 89C52 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理

引言

TMS320C6711是TI公司推出的DSP芯片。其數(shù)據(jù)處理功能非常強(qiáng)大，時(shí)鐘速度可大100M（或者150M），但是其I/O功能要求有限。因此，采用MCU（89C52）作為人機(jī)接口，構(gòu)成雙CPU（MCU和DSP）系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文所介紹的CCD采集系統(tǒng)是在32位浮點(diǎn)DSP（TMS320C6711）上實(shí)現(xiàn)的。如圖1所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)89C52負(fù)責(zé)接受鍵盤輸入，并在液晶顯示器上顯示處理的結(jié)果信息；CCD在光點(diǎn)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換器后在異步FIFO中緩存；DSP是系統(tǒng)的信息處理中心，它讀取FIFO中的數(shù)據(jù)后經(jīng)過處理，將結(jié)果傳給89C52，由液晶顯示器顯示信息。

DSP（TMS320C6711）是整個(gè)硬件系統(tǒng)的信號(hào)處理中心。它接受CCD傳來的采集信號(hào)，加以處理并將結(jié)果傳給單片機(jī)。DSP還完成對(duì)Flash和SDRAM的控制。

MCU（89C52）主要充當(dāng)人機(jī)界面的角色，接受外部鍵盤的輸入，將DSP傳輸未來的結(jié)果用數(shù)據(jù)和圖文的形式在液晶顯示器上顯示出來。

    *8KB的可編程Flash Memory；

*可以寫/擦1000次以上；

*內(nèi)置256×8位RAM；

*32個(gè)可編程I/O口。

圖3 信號(hào)雙向緩沖器隔離圖

    由于DSP計(jì)算能力很強(qiáng)，但I(xiàn)/O控制能力有限，因此89C52的以上性能可以保障系統(tǒng)控制能力，提供人機(jī)接口之便。

CCD（TCD132D）是一種新型的固體成像器件。特別適合各種精密圖像傳感和無接觸工件尺寸的在線測(cè)量。TCD132D是具有1024個(gè)像素的二相線性CCD。

IDT7204是4K×9位的異步FIFO，讀寫操作會(huì)自動(dòng)訪問存儲(chǔ)器中連續(xù)的存儲(chǔ)單元。從FIFO中讀出的數(shù)據(jù)和寫入的順序相同，地址的順序在內(nèi)部已經(jīng)預(yù)先定義好。芯片對(duì)讀寫指針提供復(fù)位功能，使內(nèi)部讀寫指針同時(shí)設(shè)置到初始位置。另外，它還可以對(duì)已經(jīng)讀出的數(shù)據(jù)通過將讀指針重新設(shè)置到初始位置而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的重新讀取。該器件用9位數(shù)據(jù)寬度，第9位可以根據(jù)用戶需要作控制位或者校驗(yàn)位。IDT7204的存取速率可達(dá)12ns。

    A/D轉(zhuǎn)換器（AD7821）是Analog公司出品的高速8位A/D轉(zhuǎn)換器件；Flash采用AMD公司4Mbit的Flash Memory AM29LV400B；SDRAM采用了4片Micron公司生產(chǎn)的高速SDRAM芯片MT48LC2M8A；液晶顯示采用T6963C控制器點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊。

2 系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)和主要芯片的互連互控

2.1 CCD以及A/D模塊

采用TCD132D線性CCD，光電轉(zhuǎn)換后用三極管放大，如圖2所示。三極管放大后用LF357進(jìn)行濾波處理，然后再送A/D模塊濾波、轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換使用AD7821，采用READ方式讀取數(shù)據(jù)。

2.2 DSP與SDRAM、FIF0的互連和信號(hào)完整性設(shè)計(jì)

由于TMS320C6711的時(shí)鐘頻率在100MHz以上，時(shí)鐘沿時(shí)間為10ns或者以下，系統(tǒng)構(gòu)成中除有DSP芯片本身外，還有SDRAM、Flash、FIFO等。故必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分割，主要目的是保護(hù)高速部分，即SDRAM部分。

    設(shè)計(jì)中高速部分（SDRAM部分）要求信號(hào)線盡量短，盡量靠近DSP。本系統(tǒng)中需要使用大量存儲(chǔ)器（4片SDRAM）。DSP與SDRAM的時(shí)鐘接口速度很高，為保障信號(hào)的完整性，如圖3所示，采用圖4所示的時(shí)鐘緩沖器產(chǎn)生4個(gè)相同、延遲極小并且一致的時(shí)鐘，分別接到4片SDRAM上。這樣不但增加了時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)還很好地保證了信號(hào)的完整性。

為了保護(hù)高速信號(hào)部分，同時(shí)為了防止DSP外設(shè)驅(qū)動(dòng)能力的不足，用74LVT162245雙向緩沖器實(shí)現(xiàn)Flash和異步FIFO數(shù)據(jù)線的職責(zé)離。

FIFO芯片IDT7204與DSP連接中圖5所示。FIFO是異步器件，所以放到CE1空間上。FIFO的讀信號(hào)由XARE#、XCE1#、XA20、XA21控制。當(dāng)AD7821信號(hào)轉(zhuǎn)換害完成后， 由DB_INT向WE#寫信號(hào)線開始寫入FIFO；而當(dāng)FIFO半滿后，由HF#向DSP的X_INT4請(qǐng)求寫入DSP。

2.3 DSP與MCU的互連

由于DSP的McBSP接口和MCU（89C52）的UART接口并不一致，所以不能直接把McBSP當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)的UART來應(yīng)用。McBSP和UART連接有兩種方式：一種是Serial Port方式，硬件連接如圖6所示；另一種是將McBSP設(shè)置成GPIO方式，其硬件連接如圖7所示。

3 系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用舉例

利用靜止懸浮式（非流式）激光散射法血細(xì)胞分類計(jì)數(shù)測(cè)定法對(duì)血細(xì)胞分類計(jì)數(shù)，不需要固定和染色樣品，不需要導(dǎo)電介質(zhì)，更不需要昂貴的流式裝置，可以方便、快捷地對(duì)血細(xì)胞分類計(jì)數(shù)。這不但大大降低了儀器造價(jià)，滿足于血液常規(guī)的檢驗(yàn)，而且還可以針對(duì)病人的不同要求分別檢驗(yàn)，減輕病人負(fù)擔(dān)。

3.2 軟件及其優(yōu)化

本系統(tǒng)的軟件分為兩部分：一是以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)控制程序，主要是人機(jī)接口程序；二是以DSP為核心的數(shù)據(jù)處理程序。下面就分別對(duì)這兩部分進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

（1）以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)控制程序

單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心負(fù)責(zé)液晶的顯示、鍵盤的掃描及系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。圖8是這部分的程序流程圖。

    （2）以DSP為核心的數(shù)據(jù)處理程序

DSP子系統(tǒng)接受單片機(jī)傳遞的操作指令和參數(shù)，啟動(dòng)CCD工作，然后，通過QDMA方式從FIFO（數(shù)據(jù)緩沖作用）里面讀取光強(qiáng)數(shù)據(jù)，調(diào)用NNLS算法計(jì)算血細(xì)胞的尺寸分布。最后，把結(jié)果傳遞給單片機(jī)。

圖9是這部分程序的流程圖。程序采用C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言混合編寫。C語(yǔ)言構(gòu)成程序的主框架。

程序的優(yōu)化包數(shù)據(jù)預(yù)處理和采用浮點(diǎn)運(yùn)算器TMS320C6711的各種優(yōu)化方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

由于測(cè)得的散射光強(qiáng)分布信息的數(shù)字化信號(hào)往往帶有電路噪聲和隨機(jī)誤差，影響到測(cè)量的精度。為使這些數(shù)據(jù)能更好地反映實(shí)際情況，通常要對(duì)它們進(jìn)行一定的預(yù)處理，這樣才能作為數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)一步計(jì)算的原始數(shù)據(jù)。我們采集50組光學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，來減小相對(duì)誤差。由于CCD光學(xué)探測(cè)器的各像元具有空間等間隔特點(diǎn)，故采用五點(diǎn)三次平滑濾波獲取血液樣品的徑向散射光強(qiáng)。

4 結(jié)論

線陣CCD采集和處理系統(tǒng)采用DSP（TMS320C6711）和MCU（89C52）的雙CPU處理系統(tǒng)。將DSP的數(shù)據(jù)處理速度快和MCU的I/O控制能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，外加高速AD轉(zhuǎn)化器、異步FIFO，構(gòu)成了功能強(qiáng)大、計(jì)算速度快的光電采集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在工業(yè)信號(hào)采集處理、醫(yī)學(xué)信號(hào)采集處理等領(lǐng)域都有很廣的應(yīng)用前景。