嵌入式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中ARM與DSP的數(shù)據(jù)通信方法

DSP對(duì)數(shù)字信號(hào)和數(shù)值算法具有強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，因而在信號(hào)采集與處理中被廣泛應(yīng)用，但其在任務(wù)管理、實(shí)時(shí)控制、人機(jī)交互等方面不占優(yōu)勢(shì)。而ARM微控制器則控制功能強(qiáng)大，可以加載嵌入式操作系統(tǒng)，且能夠提供良好的人機(jī)交互、任務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)通信等方面功能。因此，發(fā)揮DSP和ARM處理器各自的優(yōu)勢(shì)，采用ARM+DSP結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案已成為嵌入式系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)，倍受關(guān)注。通過(guò)嵌入式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例，闡述ARM與DSP有機(jī)結(jié)合的設(shè)計(jì)思想，重點(diǎn)研究ARM與DSP之間的數(shù)據(jù)通信。

1 嵌入式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)總體方案
采用ARM+DSP結(jié)構(gòu)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖l所示。以三星公司高性能ARM處理器S3C2440作為主控制器，配置并移植Linux操作系統(tǒng)，同時(shí)以TI公司的DSP芯片TMS320C5402為圖像處理的協(xié)處理器，通過(guò)對(duì)DSP芯片自帶的HPI接口的硬件連接方案和驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，將二者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，各自發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，協(xié)調(diào)配合，完成目標(biāo)采集、處理與視覺(jué)跟蹤。

首先由智能攝像機(jī)采集現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的圖像，由ARM控制將數(shù)據(jù)存放在ARM與DSP的公共存儲(chǔ)區(qū)域中，并通知信號(hào)處理模塊DSP調(diào)用各種算法(幀間差分、圖像分割、特征提取、形心計(jì)算等)對(duì)視頻圖像進(jìn)行處理，完成目標(biāo)的識(shí)別與定位，并將結(jié)果信息傳給ARM處理器，由ARM控制步進(jìn)電機(jī)，調(diào)整PTZ攝像機(jī)位姿(水平轉(zhuǎn)動(dòng)P-Pan、垂直轉(zhuǎn)動(dòng)T-Tilt、景深伸縮Z-Zoom)，使其對(duì)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤。此外，ARM處理器還負(fù)責(zé)多任務(wù)管理、人機(jī)交互及中斷報(bào)警等。
作為雙核系統(tǒng)，雙核各自擁有很好的性能，于是主機(jī)ARM與協(xié)處理器DSP之間能否進(jìn)行快速可靠的數(shù)據(jù)交換，直接決定機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。在硬件設(shè)計(jì)方面，采用主機(jī)并行接口HPI實(shí)現(xiàn)主機(jī)ARM與協(xié)處理器DSP之間的硬件直連，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便，時(shí)鐘頻率可達(dá)到DSP時(shí)鐘頻率的1／5，能夠支持DSP與主機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。在軟件設(shè)計(jì)方面，則移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)，將HPI看作字符設(shè)備完成了驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。

2 雙機(jī)通信硬件設(shè)計(jì)
2．1 HPI接口簡(jiǎn)介
主機(jī)接口(HPI)是TI公司C54x系列定點(diǎn)信號(hào)處理器(DSP)內(nèi)部自帶的接口部件，通過(guò)它可以方便地實(shí)現(xiàn)DSP與其他主機(jī)連接。C54x中的主機(jī)接口主要有3種類型：標(biāo)準(zhǔn)8位主機(jī)接口HPI-8，增強(qiáng)8位主機(jī)接口HPI-8，增強(qiáng)16位主機(jī)接口HPI-16。增強(qiáng)型的HPI可以允許主機(jī)訪問(wèn)DSP所有的片上RAM單元，而標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)接口只允許訪問(wèn)固定的2 K片上RAM。本文中用到的TMS320C5402擁有增強(qiáng)HPI-16主機(jī)接口。它由以下5部分組成：
1)HPI存儲(chǔ)器(DARAM) 傳送主機(jī)與DSP之間的數(shù)據(jù)，在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)能被訪問(wèn)2次，可以用作通用的雙導(dǎo)址數(shù)據(jù)RAM或者程序RAM。
2)HPI地址寄存器(HPIA) 只有主機(jī)能對(duì)其進(jìn)行直接訪問(wèn)。該寄存器中存放著當(dāng)前尋址的HPI存儲(chǔ)單元的地址。
3)HPI控制寄存器(HPIC) 地址002CH，主機(jī)和DSP都能對(duì)他直接訪問(wèn)，用來(lái)保存HPI操作的控制和狀態(tài)位。
4)HPI數(shù)據(jù)鎖存器(HPID) 只有主機(jī)能對(duì)它進(jìn)行直接訪問(wèn)。如果當(dāng)前進(jìn)行的是讀操作，則HPID中存放的是要從HPI存儲(chǔ)器中讀出的數(shù)據(jù)；如果當(dāng)前進(jìn)行寫操作，則HPID中存放的是將要寫到HPI存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。
5)HPI控制邏輯 處理HPI與主機(jī)之間的接口信號(hào)。
接口電路中使用的引腳及其作用是：HD[15：O]：并行、雙向、三態(tài)的數(shù)據(jù)總線，不傳遞數(shù)據(jù)時(shí)為高阻態(tài)；HHWIL：半字定義選擇引腳，用來(lái)表示第一或者第二半字。當(dāng)?shù)碗娖綍r(shí)表示第一半字；當(dāng)高電平時(shí)表示第二半字。：讀／寫輸入信號(hào)。高電平表示主機(jī)要讀HPI，低電平表示寫HPI。若主機(jī)沒(méi)有讀／寫選通，則可以用一根地址線代替。HCNTL0和HCNTLl控制引腳表示訪問(wèn)那個(gè)內(nèi)部HPI寄存器和訪問(wèn)寄存器的類型。表l是具體功能說(shuō)明。：輸入主要作為HPI的使能信號(hào)，而信號(hào)控制HPI數(shù)據(jù)傳遞；它們?nèi)呱蓛?nèi)部選通信號(hào)。就緒信號(hào)引腳，高電平表示HPI已經(jīng)準(zhǔn)備好執(zhí)行1次數(shù)據(jù)傳送；低電平表示HPI正忙。HINT：主機(jī)外部中斷信號(hào)，用于HPI向主機(jī)發(fā)出中斷。地址選通信號(hào)，僅用于復(fù)用方式。對(duì)于地址／數(shù)據(jù)總線分開(kāi)的主機(jī)，必須把信號(hào)連接到高電平。

2．2 接口電路及其工作原理
S3C2440與TMS320C5402通過(guò)HPI連接的接口電路如圖2所示，二者連接簡(jiǎn)潔方便，不必使用任何的附加電路。工作時(shí)，ARM首先初始化控制寄存器HPIC和地址寄存器HPIA，然后對(duì)HPID進(jìn)行讀寫。初始化HPIC、HPIA時(shí)，通過(guò)A2、A3、A4、A5對(duì)應(yīng)的地址進(jìn)行操作，設(shè)置寄存器訪問(wèn)控制HCNTL0、HCNTL1、讀寫控制和半字訪問(wèn)HHWIL，配置好HPIC，并在HPIA中寫入HPI存儲(chǔ)器的起始地址。因?yàn)锳RM主機(jī)具有獨(dú)立的地址總線和數(shù)據(jù)總線，采用非復(fù)用方式，所以將HAS信號(hào)接高電平(VCC)。S3C2440的nWAIT信號(hào)與HPI的信號(hào)邏輯上反向，之間用反相器連接。 S3C2440通過(guò)片選信號(hào)nGCS2、讀使能信號(hào)nOE、寫使能信號(hào)nWE三者生成內(nèi)部選通信號(hào)，控制對(duì)HPI的讀寫。