一種基于高速DSP的圖像處理應用平臺的設計

完成某一特定任務的圖像處理系統(tǒng)，其硬件方案大體上有三種：使用通用計算機[1]、使用ASIC（Application Specific Integrated Circuit）[2]和使用DSP（Digital Signal Processor）[3]。使用通用計算機的方案可以應用現(xiàn)有的硬件設備，選擇合適的操作系統(tǒng)，只需要進行應用程序的開發(fā)。其優(yōu)點在于開發(fā)周期短，費用較低，而且產品易于維護和升級；缺點是運算速度受到限制，對于算法的運算量和復雜度很高的應用場合，難以達到實時性要求。該方案有二種應用場合：算法開發(fā)初中期階段及一些實時性要求不高的領域。使用ASIC的方案中，所有的運算都由硬件實現(xiàn)，因此實時性會非常好，但硬件的設計是一大難點，而且系統(tǒng)一旦定型，不方便對其進行升級。使用高速DSP可以說是二種方案的折衷，一方面在硬件實現(xiàn)上只需根據(jù)需求進行DSP外圍接口電路的設計，另一方面，隨著DSP技術的快速發(fā)展，高性能芯片的不斷推出，其運算能力也能滿足一般圖像處理的要求。而且，系統(tǒng)功能由算法軟件來實現(xiàn)，對系統(tǒng)的維護和升級也很方便。
本文采用TI公司的多媒體DSP芯片TMS320DM642[4](簡稱DM642)，實現(xiàn)了一種圖像處理系統(tǒng)基本功能的應用平臺，包含視頻輸入、視頻輸出以及串行通信等功能。
2、系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。以DM642為核心，外部擴展了存儲器SDRAM和Flash，分別用于程序運行和程序存儲；通過控制視頻編解碼器完成視頻的采集和輸出；并通過McBSP接口實現(xiàn)UART，方便視覺系統(tǒng)與外界的通信。

圖 1 DSP視覺系統(tǒng)硬件組成結構圖
系統(tǒng)中，擴展的外部存儲器包括ROM和SDRAM。其中，ROM采用Atmel公司的Flash，型號是AT49BV1614，其容量為16MBits，在系統(tǒng)啟動時作為Boot ROM使用；SDRAM由兩片4Banks×512K×32Bits規(guī)格的芯片夠成，型號是HY57V643220CT，用來儲存程序、數(shù)據(jù)和視頻。視頻ADC采用Phillips公司的SAA7113，轉換精度9Bits，擁有有4個模擬輸入通道，可輸入4路模擬視頻信號，輸出接口（VP0）有一個，支持PAL、NTSC、SECAM這三種主要的模擬視頻制式。視頻輸出DAC芯片采用的是Analog Devices公司推出的ADV7176視頻編碼器，轉換精度為10Bits，最高信噪比達80dB，它在DM642的行、場同步信號及自己的時鐘控制下從DM642中讀出數(shù)據(jù)，經過D/A轉換后輸出到TV顯示器上進行顯示。通信接口中利用DM642已有的同步串口McBSP與EDMA實現(xiàn)UART的方法，硬件上加入一片MAX3323E，實現(xiàn)CMOS邏輯電平和RS-232邏輯電平之間轉換，以滿足與控制計算機進行串口通信的要求。
3、系統(tǒng)軟件設計
TI為了對自己的DSP 產品提供軟件開發(fā)支持，推出了DSP /BIOS（Basic Input Output System）搶先型、可裁剪的實時多任務操作系統(tǒng)，它與CCS(Code Composer Studio)編譯環(huán)境集成在一起。使用DSP/BIOS可以進行高效的應用程序開發(fā)。本文圖像系統(tǒng)的軟件開發(fā)是基于DSP /BIOS環(huán)境下進行的。
3.1 軟件設計流程
本文圖像處理系統(tǒng)的軟件流程如圖2所示。應用主程序需要先完成CSL（Chip Support Library）庫的初始化，以便在程序中能調用相關的芯片級支持庫函數(shù)。隨后，開EDMA中斷，并使能EDMA中的I2C通道的中斷；開VP1、VP2口中斷；初始化并啟動I2C的數(shù)據(jù)傳輸，完成對視頻解碼芯片SAA7113和視頻編碼芯片ADV7176的寄存器的參數(shù)初始化數(shù)配置；配置和啟動VP1和VP2視頻口；最后進入空閑等待循環(huán)。視頻的采集以中斷的方式進行，當一幀圖像采集完后，觸發(fā)VP1中斷，系統(tǒng)調用相應的中斷子程序對圖像數(shù)據(jù)進行處理計算，求出位置和姿態(tài)等參數(shù)，最后將參數(shù)通過UART傳輸給控制計算機。

圖2 主程序流程
DM642 的EDMA 控制器負責片內L2存儲器與其它設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。能提供超過2Gb/s 的外部帶寬，有64 個通道, 每1個通道都有1個事件與之關聯(lián)，由這些事件觸發(fā)相應通道的傳輸。上面流程中A/D、D/A的芯片初始化的參數(shù)傳輸和視頻數(shù)據(jù)的采集都是通過EDMA來實現(xiàn)的。
3.2 A/D和D/A芯片的初始化
A/D和D/A芯片的初始化過程通過EDMA中的I2C通道來實現(xiàn)。要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)參數(shù)在EDMA 的參數(shù)RAM表中進行配置，其中主要包括源數(shù)據(jù)起始地址、目的地址、地址的修改方式、要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式和大小。對二個芯片的初始化數(shù)據(jù)參數(shù)分別配置在二個不同的RAM表中。第一次I2C通道的EDMA數(shù)據(jù)傳輸完畢后由EDMA控制器向CPU發(fā)出中斷，中斷處理程序載入第二次I2C傳輸?shù)腞AM參數(shù)表，啟動第二次傳輸過程。從而完成二個芯片的初始化過程。
3.3 視頻采集與輸出
對應于YUV 4：2：2的格式視頻數(shù)據(jù)采集，EDMA中用于VP1的數(shù)據(jù)傳輸有三個通道。系統(tǒng)中將視頻端口VP1配置為連續(xù)幀采集的方式，也就是啟動第一幀的采集后，后面幀的采集連續(xù)進行不需要另外的幀同步信號。
在隔行掃描模式下，每幀分為兩場，兩場在時域上是分開的，通過EDMA 鏈表可自動實現(xiàn)場合成，不需占用額外的CPU 時間。EDMA 的參數(shù)RAM 存放了有關的傳輸參數(shù), 這些參數(shù)用于產生EDMA 讀寫操作所需要的地址。在使用EDMA 通道傳輸奇數(shù)場與偶數(shù)場時，分別使用不同的EDMA 參數(shù)RAM。兩組參數(shù)RAM 的目的地址分別指向存儲圖像的第一行與第二行象素的首地址, 并且兩組參數(shù)RAM 通過鏈接地址（Linking Address）循環(huán)相連，并將源地址傳輸方式設置為1維的，目標地址方式設置為2維的。在EDMA 通道的傳輸中，奇數(shù)場傳輸任務的結束會自動地根據(jù)當前參數(shù)RAM的鏈接地址裝載傳輸偶數(shù)場的參數(shù)RAM,進行偶數(shù)場的傳輸。通過設定幀索引（Frame Index）值可以讓奇數(shù)場與偶數(shù)場數(shù)據(jù)在幀緩沖區(qū)中被隔行存儲，這樣在無需占用額外CPU 時間的前提下就實現(xiàn)了場合成。另外，由于兩組參數(shù)RAM 通過鏈接地址循環(huán)相連，則奇數(shù)場與偶數(shù)場的數(shù)據(jù)傳輸連續(xù)不斷地交替進行下去，這就形成了連續(xù)幀的數(shù)據(jù)采集。每一幀數(shù)據(jù)通過EDMA傳輸至SDRAM完畢之后，VP1會向CPU發(fā)出一個中斷，相應的中斷程序對會對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行處里。
大批量的圖像數(shù)據(jù)傳輸和復雜算法的處理一直是高速數(shù)字圖像處理器的速度瓶頸，從上面的數(shù)據(jù)傳輸過程上可以看出， 利用DM642 的EDMA 功能可以在不中斷DSP算法處理工作的同時完成圖像數(shù)據(jù)的搬移，在有效地解決了大批量圖像數(shù)據(jù)傳輸速度瓶頸的同時，又能讓DSP 的處理器核專門從事算法處理工作，極大地提高了系統(tǒng)的并行性能。
視頻輸出功能在本系統(tǒng)中主要用于早期開發(fā)階段的調試。實際應用中可以根據(jù)需要將中間處理圖像結果數(shù)據(jù)通過EDMA中的VP2通道直接寫入視頻FIFO。
3.4 通信接口功能的實現(xiàn)
系統(tǒng)中，通過軟件的方法，不增加硬件的復雜度，利用已有的McBSP和EDMA實現(xiàn)UART功能。
同步串口依賴三條分離的信號線（數(shù)據(jù)、幀同步和時鐘）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，而異步通信只是在一根信號線上進行。要用同步串口實現(xiàn)異步傳輸，需要通過在數(shù)據(jù)的首尾加入起始位和停止位，讓接收方知道數(shù)據(jù)傳輸何時開始和停止。用McBSP實現(xiàn)UART功能，除了對McBSP進行正確設置外，還需要正確設置EDMA，對McBSP收發(fā)數(shù)據(jù)進行軟件處理。EDMA實現(xiàn)內存到McBSP之間的高效數(shù)據(jù)搬移，數(shù)據(jù)處理軟件對待發(fā)送的數(shù)據(jù)進行編碼，對接收到的數(shù)據(jù)進行解碼。對McBSP和EDMA的設置及編解碼程序的設計詳見文獻[5]。
4、結論
研究了一種基于DM642的圖像處理應用平臺的設計與實現(xiàn)，其實現(xiàn)的基本功能包括視頻輸入和輸出，與外界的UART接口通信等。介紹了系統(tǒng)硬件組成，以及軟件功能模塊的實現(xiàn)。由于軟件采用了模塊化設計，針對具體的功能需求，通過配置不同的客戶程序，可以實現(xiàn)特定的應用，因而系統(tǒng)具有好的應用前景。