基于DM64X的紅外圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李 偉 陳 冬 馬 銳

(海軍91917部隊(duì)1) 北京 102400)(海軍指揮學(xué)院信息戰(zhàn)研究指揮控制系2) 南京 211800)

1 引言

紅外圖像采集系統(tǒng)目前廣泛應(yīng)用在制導(dǎo)、目標(biāo)識(shí)別、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域,它是紅外技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。目前常用的圖像處理核心器件包括ARM、FPGA、DSP三類(lèi)微處理器。ARM 長(zhǎng)于流程控制,因而針對(duì)圖像處理設(shè)計(jì)的ARM內(nèi)核多應(yīng)用于多媒體,娛樂(lè)等系統(tǒng)設(shè)計(jì)中;采用FPGA實(shí)現(xiàn)圖像處理算法具有運(yùn)算速度快的特點(diǎn),但該類(lèi)大規(guī)模FPGA器件相對(duì)價(jià)格較高且設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng);針對(duì)圖像處理而設(shè)計(jì)的DSP處理器不僅有運(yùn)算速度快,配套接口全的特點(diǎn)而且價(jià)格相對(duì)較低,其單周期完成“乘加”運(yùn)算,非常適合應(yīng)用在圖像處理領(lǐng)域。因而本設(shè)計(jì)采用DSP作為核心器件。

TMS320DM64X系列處理器是 TI公司針對(duì)圖像處理領(lǐng)域設(shè)計(jì)的DSP器件,其最高主頻可達(dá)1.2GHz。它不僅能夠高速完成各種圖像運(yùn)算,而且其配套開(kāi)發(fā)軟件具有各種成熟的算法函數(shù)庫(kù),可大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。DM643處理器盡管沒(méi)有DM647/8等新型DSP處理器的運(yùn)算速度快,運(yùn)算效率也沒(méi)有后者高,但它600M的主頻及4800MIPS的性能足以滿足圖像采集、壓縮,傳輸?shù)裙δ?且具有更高的性價(jià)比。因而本設(shè)計(jì)選擇DM643圖像采集的核心器件。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由紅外CCD、視頻解碼器、DSP及附屬電路、視頻編碼器及監(jiān)視器構(gòu)成。并且系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸接口,可完成計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制和采集任務(wù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 紅外CCD

CCD是整個(gè)設(shè)計(jì)的前端部分,對(duì)系統(tǒng)的性能具有非常重要的影響。CCD的選擇主要考慮以下幾個(gè)因素[1]:響應(yīng)波長(zhǎng)、探測(cè)距離、視頻格式等。綜合多種因素,選用紅外CCD指標(biāo)如下:

3.1 編/解碼器

CCD的輸出信號(hào)為PAL或NTSC制式的模擬信號(hào)[2],而處理后的數(shù)據(jù)用作顯示器顯示時(shí)也必須轉(zhuǎn)換為PAL或NTSC制式的信號(hào),因而必須在視頻信號(hào)處理的前端和后端加上解碼器和編碼器。解碼器采用MAXIM公司的芯片MAX9526,編碼器選擇PHILIP公司的SAA7105H芯片。解碼器與DSP的VP1接口連接,編碼器與VP2接口連接,編碼器與解碼器的控制端口采用IIC接口與DSP進(jìn)行通信。

3.2 DSP及附屬電路

3.2.1 電源系統(tǒng)

DSP接口和內(nèi)核采用兩種不同的電壓,同樣解碼器也采用雙電源供電,電路中主要有 1.8V,3.3V和1.4V三種電壓。因而采用TI公司提供的配套線性電源TPS54310和TPS76801,它們可以滿足電路中各芯片的供電需求。電源模塊的設(shè)計(jì)對(duì)于系統(tǒng)的性能十分重要,電源紋波噪聲會(huì)極大影響電路模擬部分的性能,因而必須設(shè)計(jì)濾波器來(lái)解決EMI問(wèn)題[3]。

3.2.2 存儲(chǔ)系統(tǒng)

存儲(chǔ)器包括ROM和RAM兩部分。RAM的讀寫(xiě)速度較快,但其屬于易失存儲(chǔ)介質(zhì)斷電后無(wú)法保存數(shù)據(jù),因而用作計(jì)算時(shí)把它用做內(nèi)存,而程序被燒錄在由FLASH芯片構(gòu)成的ROM中。DM643處理器的EMIF接口可以方便的和各種類(lèi)型存儲(chǔ)芯片無(wú)縫連接。程序RAM可以有SRAM,SDRAM等多種選擇,相對(duì)而言SDRAM的存儲(chǔ)速度最快。因而本設(shè)計(jì)選用兩塊大小為4M×32Bit的HY57V643220C存儲(chǔ)器構(gòu)成4M×64Bit的存儲(chǔ)空間。而ROM芯片選用大小4M×8Bit型號(hào)為AM29LV033C的FLASH芯片。

3.2.3 接口選擇

實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)量大,UART等慢速接口通常無(wú)法滿足需求。USB接口具有傳輸速度快的優(yōu)點(diǎn),完全可以滿足圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆５鋫鬏斁嚯x較短,無(wú)信號(hào)增強(qiáng)處理時(shí)其傳輸距離最多僅僅可以達(dá)到數(shù)米,因而USB接口也難以滿足要求。EMAC接口的傳輸速度不及USB接口,但它完全可以滿足設(shè)計(jì)的需求,而且它的傳輸距離可達(dá)100米甚至更長(zhǎng)。因而設(shè)計(jì)中選擇EMAC接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4 程序設(shè)計(jì)

因DM643片內(nèi)沒(méi)有ROM,程序需存儲(chǔ)在片外的EMIF接口上的FLASH芯片中。C6000系列DSP具有三種上電引導(dǎo)方式[4],本系統(tǒng)很方便采用8位FLASH引導(dǎo)方式。因程序空間限制,全部程序無(wú)法一次搬運(yùn)至片內(nèi)存儲(chǔ)器中,因而設(shè)計(jì)引導(dǎo)程序進(jìn)行二次引導(dǎo)。即系統(tǒng)上電復(fù)位后首先將搬運(yùn)程序引導(dǎo)至片內(nèi),然后跳轉(zhuǎn)至搬運(yùn)程序再由它將全部程序搬運(yùn)至片內(nèi)存儲(chǔ)器。

系統(tǒng)采用TI公司具有實(shí)時(shí)特性DSP/BIOS作為操作系統(tǒng)。因而程序設(shè)計(jì)就變成了對(duì)各任務(wù)程序的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要任務(wù)包括圖像采集、圖像處理及圖像數(shù)據(jù)輸出三個(gè)部分,因而系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)并行的任務(wù)。三個(gè)任務(wù)模塊在操作系統(tǒng)的調(diào)配下依次獲得內(nèi)核資源,各任務(wù)模塊間通過(guò)信號(hào)量進(jìn)行通信。程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

工程實(shí)踐表明該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)完成圖像采集處理工作,并且在應(yīng)用圖像消噪、邊緣檢測(cè)、圖像增強(qiáng)等算法[5]時(shí)可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的實(shí)時(shí)性。采用兩套該采集系統(tǒng),分別選用紅外波段和可見(jiàn)光波段的CCD,可以構(gòu)成雙波段圖像融合系統(tǒng)[6]。如需要單塊電路實(shí)現(xiàn)多通道圖像采集任務(wù),則可選用視頻接口(VP)更多的DM642器件而無(wú)需對(duì)硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行大范圍調(diào)整。

[1]Jan Fischer,Tomas Radil.DSP Based Measuring Linescan CCD Camera[C]//IEEE International Workshop on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems:Technology and Applications.Lviv,U-kraine,2003:345～348

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[3]關(guān)永,張杰,劉維民,等.低噪聲視頻圖象采集系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)[J].電子器件,2005,28(2):355～357

[4]欒璟明,雷志勇.基于DSP的圖像采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用,2008,10(1):8～11

[5]陳冰,王興國(guó),劉濟(jì)林.基于DSP TMS320C6x的實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)[J].光電工程,2000,27(6):37～42

[6]王毅,倪國(guó)強(qiáng),李勇量.基于 TMS320C6x的雙波段圖像高速融合系統(tǒng)[J].中國(guó)圖形圖像學(xué)報(bào),2002,2(10):1038～1042