基于TMS320C6x11系列DSP的圖像獲取方案

　　本設(shè)計(jì)方案旨在利用上述 的有利條件，提出一套基于TMS320C6x11系列DSP的圖像獲取方案，利用模擬視頻信號(hào)的統(tǒng)一性，實(shí)現(xiàn)隨意更換帶有標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號(hào)輸出接口的圖像設(shè)備而無(wú)需在圖像處理系統(tǒng)的硬件和軟件上作修改。同時(shí)，本方案還需提供一個(gè)相對(duì)通用的數(shù)字視頻接口，可以適應(yīng)TMS320C6xll系列DSP的接口。本設(shè)計(jì)的主要技術(shù)要求有：

　?、僦С謽?biāo)準(zhǔn)的模擬視頻輸入接口，可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的模擬視頻信號(hào)解碼得到數(shù)字圖像數(shù)據(jù);

　?、谠诓唤档蛨D像幅面的前提下，圖像采集速度快，滿足一定的實(shí)時(shí)性要求;

　　③占用CPU時(shí)間少，使得圖像采集過(guò)程在后臺(tái)自主完成;

　　④數(shù)字圖像接口通用性好，可以在TMS320C6u1l系列乎臺(tái)上通用互換。

　　1 總體方案設(shè)計(jì)

　　1.1 方案的選擇

　　目前，解碼模擬視頻信號(hào)主要的方法有：采用A/D采樣模擬視頻信號(hào)和采用專用的模擬視頻信號(hào)解碼器。對(duì)于前一種方案需要的外部芯片較少，只需A/D轉(zhuǎn)換芯片即可;但是需要占用大量的CPU時(shí)間，在采集圖像的過(guò)程中CPU基本沒(méi)有額外的時(shí)間處理圖像。這個(gè)問(wèn)題通常會(huì)導(dǎo)致圖像處理系統(tǒng)處理圖像的時(shí)間嚴(yán)重不足。后一種方案采用專門的模擬視頻信號(hào)解碼器，需要一些額外的接口芯片，但是可以節(jié)約大量的CPU時(shí)間，圖像采集過(guò)程可以全部在后臺(tái)完成，基本上不需要CPU的干預(yù)。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)于圖像處理系統(tǒng)，特別是算法比較復(fù)雜的處理系統(tǒng)(例如視頻監(jiān)控系統(tǒng))有著非常大的吸引力，所以本方案決定采用后者。

　　本方案中一個(gè)難點(diǎn)是：由模擬視頻信號(hào)解碼得出的數(shù)字視頻信號(hào)數(shù)據(jù)量非常大，而且由于是實(shí)時(shí)視頻信號(hào)，所以數(shù)據(jù)輸出速率也非常高;但是相反，DSP外部存儲(chǔ)器接口的讀出速率卻比較慢。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本方案采取了兩種緩沖方式.首先是使用高速FIFO，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行暫存以緩解速度上的差異，但是這樣的緩沖還不足以平衡兩者之間的速度差異。

　　于是在本方案中提出了“隔行采樣”的思想。通常，隔行采樣會(huì)使得分辨率下降，例如每四行采樣一行數(shù)據(jù)，會(huì)使得圖像垂直方向上的行數(shù)下降到原來(lái)的1/4。這不是設(shè)計(jì)所希望的，所以為了保證圖像的分辨率，設(shè)計(jì)中在隔行采樣的同時(shí)，將一整幅圖像的行數(shù)據(jù)交錯(cuò)分多次采樣，然后再重新組合成一幅完整的圖像。這樣既起到了緩沖速度差異的作用，又保證了圖像的分辨率。

　　最后本方案確定的思路是，采用FIFO來(lái)暫存一行圖像數(shù)據(jù)，視頻解碼器直接向FIF0中寫入圖像數(shù)據(jù)。當(dāng)FIFO中寫入了有效圖像數(shù)據(jù)后，由CPLD向DSP發(fā)出中斷請(qǐng)求;同時(shí)，DSP接到中斷請(qǐng)求后，啟動(dòng)DMA方式將一行圖像數(shù)據(jù)從FIFO中讀入到其外部RAM中存放。CPLD主要完成“隔行采樣”的實(shí)現(xiàn)、控制解碼器向FIFO中寫入數(shù)據(jù)以及DSF從FIFO中讀出數(shù)據(jù)。

　　另外，本方案目前主要是針對(duì)PAL制式模擬信號(hào)的。PAL制模擬信號(hào)傳輸?shù)膱D像幅面大小為720×576像素。下面的設(shè)計(jì)主要針對(duì)該格式的視頻信號(hào)展開。如果需要對(duì)NSTC等其他制式視頻信號(hào)解碼，只需要在軟件上作一些修改即可。

　　1.2 系統(tǒng)框圖

　　在本方案中，模擬視頻信號(hào)解碼器采用的是Philips公司的SAA7111A。對(duì)于PAL制式模擬視頻信號(hào)，l行圖像數(shù)據(jù)有720個(gè)像素;同時(shí)由于YUV分量采用了4：2：2抽樣，所以需要1440字節(jié)的存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)1行數(shù)據(jù)。由于本方案中需要用到FIFO對(duì)1行數(shù)據(jù)暫存，所以FIFO的存儲(chǔ)深度必須大于1440字節(jié)，最后選定高速FIFO采用IDT公司的IDT72V23l，其具有2K×9位的存儲(chǔ)深度。同時(shí)還使用了Laittice公司的CPLD——LC4128V，作為中間邏輯接口控制“隔行采樣”的完成、解碼器對(duì)FIFO的寫操作以及DSP對(duì)FIFO的讀操作，系統(tǒng)框圖如圖l所示。

　　2 硬件方案設(shè)計(jì)

　　2.1 芯片介紹

　　本方案選用SAA7111A作為前端視頻解碼器。SAA71llA視頻解碼器是雙通道模擬預(yù)處理電路、自動(dòng)鉗位和增益控制電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路、數(shù)字多標(biāo)準(zhǔn)解碼器、亮度/對(duì)比度/飽和度控制電路、彩色空間矩陣的組合，是一款功能完善的視頻處理器。SAA711lA只需要單一的3.3V電源供電，與C6x11的I/O電壓一 致。SAA7111A接收CVBS(復(fù)合視頻)或S-video模擬視頻輸入，可以將PAL、SECAM、NTSC模式的彩色視頻信號(hào)解碼為CCIR-60l/656兼容的彩色數(shù)字分量值，器件功能通過(guò)I2C接口控制。

　　SAA7111A的主要性能特點(diǎn)如下：

　　◆4路模擬輸入一一4路CVBS或2路Y/C或1路Y/C和2路CVBS;

　　◆主通道靜態(tài)增益可編程，自動(dòng)增益控制選擇的CVBS或Y/C通道;

　　◆2個(gè)8位視頻CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器;

　　◆片上時(shí)鐘產(chǎn)生器，只需要24.576 MHz單一時(shí)鐘輸入;

　　◆自動(dòng)探測(cè)50 Hz和60 Hz場(chǎng)頻，自動(dòng)在PAL和NTSC標(biāo)準(zhǔn)間切換;

　　◆可以處理PALBGHI、PALN、PAL M、NTSC M、NTSC N、NTSC 4.43、NTSC-Japan和SECAM信號(hào)。從以上特點(diǎn)可以看出，SAA7111A功能強(qiáng)大，性能全面，可以滿足各種視頻轉(zhuǎn)換處理的需要，完全符合本系統(tǒng)的要求。SAA7111A已經(jīng)在各種視頻處理系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，技術(shù)性能已得到充分的證明。采用SAA7111A具有很高的性價(jià)比。

　　2.2 DSP與FOFO接口技術(shù)

　　TMS320C6xll的外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)提供了功能十分強(qiáng)大的外部接口，可以實(shí)現(xiàn)與諸多種類的存儲(chǔ)器的無(wú)縫接口，如SBSRAM、SDRAM、SRAM、ROM等等。但是其對(duì)FIFO的接口并不能做到真正的無(wú)縫接口，需要增加一些外部邏輯來(lái)調(diào)整它們之間的時(shí)序。

　　本方案中采用的FIFO一一IDT72V23，是標(biāo)準(zhǔn)的同步FIFO，具有兩個(gè)獨(dú)立的讀寫時(shí)鐘——RCLK、WCLK;同時(shí)還具有讀寫控制信號(hào)WENl、WEN2、REN1和REN2。

　　對(duì)于本設(shè)計(jì)而言，要求DSP從FIFO中將數(shù)據(jù)讀出，故關(guān)鍵考慮DSP對(duì)IDT72V23l的讀時(shí)序。圖2是IDT72V31數(shù)據(jù)讀出的時(shí)序。

　　圖2中，tENS為REN1(REN2)的最短建立時(shí)間(SETUP)，tDS為數(shù)據(jù)的最短建立時(shí)間(SETUP)。由圖2可以看出IDT72V231與一般SRAM讀時(shí)序的一個(gè)很大區(qū)別是：當(dāng)RCLK上升沿到來(lái)以后，需要有一個(gè)比較長(zhǎng)的延時(shí)tA才會(huì)有有效數(shù)據(jù)出現(xiàn)在總線上。此前一段時(shí)間內(nèi)總線上的數(shù)據(jù)是不穩(wěn)定的，并且該延時(shí)最長(zhǎng)可達(dá)到12ns。

　　但是對(duì)于TMS320C6x11而言，數(shù)據(jù)的讀入是在ARE信號(hào)的上升沿完成的，故這里設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題是FIFO的RCLK時(shí)鐘怎樣提供。本設(shè)計(jì)中采用的解決辦法如下：

　　RCLK=!(ARE)

　　REN1&REN2=CEx+AOE+Address

　　也就是說(shuō)，RCLK是由DSP的ARE信號(hào)取反得到的，而REN1和REN2信號(hào)是由DSP的AOE信號(hào)經(jīng)過(guò)地址譯碼后提供。這樣設(shè)計(jì)的TMS320C6xll與FIFO接口為了配合FIFO讀出時(shí)序的要求，還必須要求DSP的讀時(shí)序(主要是Setup/Strobe/Hold三個(gè)時(shí)序段)滿足以下要求：

　　Setup≥(tENS+tSKEW)/tcyc

　　Strobe≥(tA+tDS)/tcyc

　　Strobe≥(tCLKH(min)/tcyc

　　Hold+Setup≥(tCLKL(min)/tcyc

　　Setup+Strobe+Setup≥(trc(min)/tcyc

　　從時(shí)序圖上的數(shù)據(jù)可以看出，tENS≥5ns，tA≤12 ns，tDS≥5 ns;同時(shí)，由于IDT72V23l的要求，RCLK高電平時(shí)間(tCLKH(min)大于等于8ns、RCLK低電平時(shí)間(tCLKL(min)大于等于8 ns以及讀寫周期(trc(min)必須大于等于20ns。加上一定的冗余，最后計(jì)算可以得到：

　　Setup≥20ns

　　Strobe≥30 ns

　　Hold≥l0ns

　　在本設(shè)計(jì)的TMS320C6211的系統(tǒng)板上，EMIF的外部時(shí)鐘頻率是100 MHz，所以tcyc=10ns。這樣可以得出DSP中CExCTL寄存器中Setup值設(shè)置為2，Strobe值設(shè)置為3，Hold值設(shè)置為1。

　　實(shí)際系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)證明。通過(guò)這樣的硬件接口設(shè)計(jì)后，TMS320C621l可以很穩(wěn)定地從FIF0中讀出數(shù)據(jù)。

　　2.3 隔行采樣技術(shù)

　　由于DSP接口與FIFO的接口速度只能達(dá)到15MB/s的速度，同時(shí)當(dāng)DSP把圖像數(shù)據(jù)從FIFO中讀出來(lái)以后還需要將數(shù)據(jù)存入其外部存儲(chǔ)器中，這樣DSP與FIFO的接口速度是完全不可能跟上解碼器SAA7111A的有效數(shù)據(jù)輸出速度(最低19.8 MB/s)的，所以DSP無(wú)法實(shí)時(shí)地從視頻流中抓出一幅完整的圖像。 因此，在DSP與SAA711lA的接口之間采用高速FIFO進(jìn)行緩沖的同時(shí)，還采取了“隔行采樣”的方法來(lái)緩沖速度上的差異。通過(guò)計(jì)算得出DSP每隔4行有效視頻信號(hào)采1行視頻數(shù)據(jù)是合理的。(把DSP將獲取的數(shù)據(jù)存人其外部存儲(chǔ)器中所需要的時(shí)間考慮在內(nèi)。)

　　“隔行采樣”的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致所獲取的圖像垂直分辨率下降(對(duì)于PAL制式視頻信號(hào)由原來(lái)的576行/幅下降到144行/幅)。為了保證圖像的分辨率，本設(shè)計(jì)中將每幅圖像分成連續(xù)的4次采樣.在連續(xù)的4次采樣中，分別抓取圖像中不同的144行數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)，現(xiàn)在DSP抓取1幅完整幅面(720×576)大小的圖像需要分4次獲取，然后對(duì)數(shù)據(jù)重排組合得到完整的圖像。PAL制信號(hào)是按照50Hz的場(chǎng)頻對(duì)圖像進(jìn)行輸出的，即每秒種可以傳輸25幅圖像，現(xiàn)在由于“隔行采樣”的原因，DSP每秒鐘可以從PAL制信號(hào)中解碼出6.25幅完整幅面大小的圖像。這個(gè)速度完全可以滿足很多實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求，如視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

　　“隔行采樣”功能的具體實(shí)現(xiàn)是由CPLD配合SAA7111A輸出的同步信號(hào)(行同步、場(chǎng)同步信號(hào))來(lái)完成的。由于IDT72V231(FIFO)的寫入控制是通過(guò)WEN信號(hào)完成的，因此CPLD可以通過(guò)控制WEN信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的隔四行一采樣。具體WEN信號(hào)的產(chǎn)生邏輯如圖3所示。

　　由圖3可以清晰地看出，通過(guò)這種采樣方式以后，每次輸出的圖像行是隔4行輸出l行，而連續(xù)4次獲取的圖像則是一整幅圖像576行圖像數(shù)據(jù)中互不相同的144行數(shù)據(jù)，這四部分圖像按照一定規(guī)律組合便可以得到一幅幅面為720×576像素的完整數(shù)宇圖像。

　　另外由圖3可以看出，SAA7111A每向FIFO中寫入一行圖像數(shù)據(jù)(需要53.3μs)，DSP則有相當(dāng)于4行圖像數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間(約256μs)來(lái)讀出這一行圖像數(shù)據(jù)。因此“隔行采樣”有效地緩沖了數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)讀入速度上的差距。

　　3 軟件方案設(shè)計(jì)

　　解碼器DSP方軟件的設(shè)計(jì)主要分成兩個(gè)部分：①將圖像數(shù)據(jù)從FIFO中讀出來(lái)存人到DSP的外部RAM中去;②對(duì)讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行重排，組合成完整的圖像。下面分成兩部分來(lái)說(shuō)明。

　　3.1 QDMA方式數(shù)據(jù)的讀入

　　由于DSP將數(shù)據(jù)從外部讀人到RAM中通常是圖像處理系統(tǒng)的一個(gè)圖像獲取過(guò)程，所以如果使CPU一直處于讀入數(shù)據(jù)的操作中，顯然是不合理的。

　　為了保證盡可能少地占用CPU時(shí)間，即在第n幅圖像讀入到RAM中的同時(shí)，DSP仍然可以有足夠的時(shí)間來(lái)處理第n-1幅圖像(對(duì)其做需要的處理，例如去噪、壓縮、識(shí)別等等)。本設(shè)計(jì)中采取了下面這種讀出方式：視頻解碼器通過(guò)一個(gè)中斷信號(hào)通知DSP目前已有數(shù)據(jù)寫入到FIFO中，然后DSP在中斷中采用DMA方式，將數(shù)據(jù)從FIFO中成塊地搬移到RAM中去。

　　這種操作的好處是顯而易見的：當(dāng)DSP正在處理某一幀圖像時(shí)，如果有數(shù)據(jù)需要讀入，那么DSP將進(jìn)入中斷，然后僅僅只需要開啟DMA讀出操作便可退出中斷服務(wù)于程序，繼續(xù)沒(méi)有處理完的工作;而DMA控制器則在后臺(tái)將一塊區(qū)域連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)讀入到RAM中。這樣圖像的獲取可以實(shí)規(guī)在后臺(tái)完成，圖像的處理和圖像的獲取很好地并行進(jìn)行，大大提高了CPU的利用率。

　　具體在本方案中，由于使用的FIFO的深度是2 K×9位，所以采取的是DMA每次搬移一行圖像數(shù)據(jù)(也就是720×2=1440字節(jié))到RAM中去。同時(shí)，TMS320C6x11提供了 十分強(qiáng)大的EDMA功能。為了加快DSP在中斷中開啟DMA讀出操作的速度，本設(shè)計(jì)采用了其QDMA的功能.這樣申請(qǐng)一次QDMA僅僅需要幾條指令即可。具體申請(qǐng)QDMA的操作代碼如下：

　　QSRC="SourceAddress"，

　　//設(shè)置FIFO在系統(tǒng)中的地址

　　QCNT="0x000005A0";

　　//設(shè)置一次需要讀出的數(shù)據(jù)量

　　//(1440)

　　QDST=(int)DesAddress; //設(shè)置數(shù)據(jù)讀出的目的地址

　　QIDX="0x00000001"; //設(shè)置QDMA傳送的間距

　　DesAddress="DesAddress"+0x5A0;

　　//更新數(shù)據(jù)讀出目的地址

　　QSOPT="0x30300000"; //啟動(dòng)QDMA通道傳輸

　　3.2 圖像數(shù)據(jù)的重排

　　由于本方案中采用了隔四行一采樣的方法來(lái)平衡速度上的差異，所以最后載人RAM中的數(shù)據(jù)需要重排。這個(gè)重排可以在讀入FIFO中的數(shù)據(jù)時(shí)就進(jìn)行，也可以在所有數(shù)據(jù)全部讀人到RAM中后再進(jìn)行重排;但是重排的方案和流程是一樣的。

　　如果是采用全部數(shù)據(jù)都讀完后再重排，由于隔四行采樣的原因，圖像數(shù)據(jù)是分四個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)塊存放的，并且每個(gè)數(shù)據(jù)塊中是按照奇偶場(chǎng)分布的。那么，以第一個(gè)數(shù)據(jù)塊為例，它的奇場(chǎng)部分存儲(chǔ)的實(shí)際上是圖像的第1，9，17，…，561，569行數(shù)據(jù);而其偶場(chǎng)部分存儲(chǔ)的實(shí)際上是圖像的第2，10，18，…，562，570行數(shù)據(jù)。另外，三個(gè)數(shù)據(jù)塊里面存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)在整幅圖像中的行數(shù)分布依此類推。具體分布和重排過(guò)程如圖4所示。

　　通過(guò)圖4所示方式的重排處理以后，全部圖像數(shù)據(jù)分成了兩大塊：奇場(chǎng)區(qū)和偶場(chǎng)區(qū)。這時(shí)可以根據(jù)需要來(lái)處理這兩個(gè)區(qū)域。本設(shè)計(jì)中采用的是將奇偶場(chǎng)合并，同時(shí)將YUV分量分開到三個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)區(qū)域中去，程序流程如圖5所示。

　　4 總結(jié)及展望

　　本文提出了一種基于TMS320C6xll接口的圖像獲取方案。它利用目前大多數(shù)成熟的圖像獲取設(shè)備都配備了通用的模擬視頻輸出接口這一特點(diǎn)，提出了一個(gè)從模擬編碼的視頻信號(hào)中抓出靜止的數(shù)字圖像的方案。由于其數(shù)字部分接口非常通用(8位)，使得可以很容易地在通用圖像處理系統(tǒng)中加入實(shí)時(shí)圖像獲取接口。通過(guò)具體實(shí)現(xiàn)證明此方案可行、穩(wěn)定、高效;可以實(shí)現(xiàn)每秒鐘6.25幅720×576幅面的彩色圖像的獲取，具有通用性好、性能穩(wěn)定、占用CPU時(shí)間少等特點(diǎn)。防碰撞模塊對(duì)SELECT命令的響應(yīng)是正確的。

　　5 結(jié) 語(yǔ)

　　A型卡RFID技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于智能卡、票物、安檢、物流和防偽等領(lǐng)域。本文根據(jù)RFID防碰撞協(xié)議規(guī)定，在數(shù)字硬件上實(shí)現(xiàn)了A型卡的防碰撞模塊，用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行了仿真和綜合后，通過(guò)了Xilinx公司的XC4010XLFPGA驗(yàn)證，電路規(guī)模5000門左右，達(dá)到預(yù)定指標(biāo)要求。最后，采用O.35μm的工藝與電子防偽標(biāo)簽的其他模塊一起進(jìn)行了MPW流片，實(shí)際應(yīng)用測(cè)試證明，該模塊運(yùn)行正確、穩(wěn)定。