基于DM642的橋梁纜索表面缺陷圖像采集及傳輸系統(tǒng)設(shè)
1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計及工作原理
德州儀器公司(TI)推出的TMS320DM642(簡稱DM642)是專門用于數(shù)字媒體應(yīng)用的TMS320C6000家族中性能最高的定點(diǎn)DSP(最高工作頻率可達(dá)720 MHz,處理能力可達(dá)5 760 MIPS),具有極強(qiáng)的單核處理能力以及高度的靈活性和可編程性。該芯片除了極強(qiáng)的處理能力外,還具有兩級高速緩存L1 Cache和L2 Cache;64 bit的EDMA控制器,負(fù)責(zé)片內(nèi)L2Cache與其他外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸; 64 bit EMIF(外部存儲器接口)可以方便地與SDRAM、FLASH和UART實(shí)現(xiàn)無縫連接;3個視頻專用端口(VP0、VP1、VP2),可分別配置為2路,最多可實(shí)現(xiàn)6路視頻采集;支持PCI、HPI、IIC和EMAC(以太網(wǎng)),通信便利。其視頻的編解碼均支持NTSC/PAL制式,適用于音視頻數(shù)據(jù)的采集和傳輸、圖像處理、機(jī)器視覺、多媒體通信應(yīng)用等高速運(yùn)算領(lǐng)域[1,2]。
基于DM642的橋梁纜索表面缺陷檢測系統(tǒng)主要由以下幾大模塊組成:圖像采集模塊、數(shù)據(jù)及程序存儲模塊、圖像處理模塊、圖像傳輸模塊、系統(tǒng)控制模塊以及接收模塊等。其主要硬件組成為:3路CCD攝像頭、3個圖像采集的A/D轉(zhuǎn)換芯片SAA7113、高速圖像采集及處理的DSP芯片DM642、圖像數(shù)據(jù)存儲器SDRAM、程序存儲器FLASH、系統(tǒng)控制模塊CPLD芯片EPM3128A、網(wǎng)絡(luò)化傳輸芯片LXT971A、地面接收機(jī)(PC)以及其他功能模塊等。其硬件框圖如圖1所示。本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/188271.htm
系統(tǒng)工作原理為:3路模擬視頻經(jīng)圖像傳感器(CCD)輸入,經(jīng)過3路A/D轉(zhuǎn)換芯片SAA7113轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,經(jīng)過核心芯片DM642的視頻輸入口(VP0、VP2)進(jìn)入DM642的FIFO(先入先出緩存器),再傳輸?shù)紻M642片外的同步動態(tài)存儲器中;通過DM642的壓縮編碼經(jīng)以太網(wǎng)口(EMAC)以及物理層收發(fā)芯片LXT971A傳輸?shù)降孛娣?wù)器(PC)。PC機(jī)接收到圖像數(shù)據(jù)后,便進(jìn)行圖像的解碼,并在屏幕上顯示,通過圖像處理算法實(shí)現(xiàn)缺陷檢測。
本系統(tǒng)選用ALTERA公司MAX3000S系列中的CPLD芯片EPM3128A進(jìn)行控制。CPLD與DM642、SAA7113、LXT971A、SDRAM、FLASH之間均使用通用可編程的I/O口相連,進(jìn)行圖像采集控制、圖像數(shù)據(jù)的重抽樣、地址譯碼、圖像傳輸控制等,以滿足本系統(tǒng)時序復(fù)雜、邏輯控制精確、可靠采集和傳輸?shù)纫蟆?br />1.1 圖像采集模塊
由于纜索表面近似為圓柱形,系統(tǒng)中沿纜索機(jī)器人均勻布置3個CCD(每個CCD之間的夾角為120°)采集同一時刻纜索表面一周的圖像。而DM642配置有3個專用的視頻端口,每個端口可分別配置為2個通道,最多可實(shí)現(xiàn)6路視頻的采集,故能滿足本系統(tǒng)的要求。
為了同時支持3路視頻信號的采集,本系統(tǒng)中DM642的視頻口0(VP0)分成A、B 2個通道,分別作為2個8 bit的視頻輸入接口;視頻口2(VP2)選用A通道作為8 bit的視頻輸入口,這樣便實(shí)現(xiàn)了3路視頻信號的采集。
系統(tǒng)的圖像采集模塊主要由:3路視頻輸入、3路視頻A/D轉(zhuǎn)換芯片SAA7113、視頻端口的FIFO、I2C總線、同步動態(tài)存儲器組成。
經(jīng)攝像頭(CCD)輸出3路復(fù)合視頻信號(CVBS),采用SAA7113專用視頻解碼芯片完成視頻信號解碼和轉(zhuǎn)換功能[3,4]。在數(shù)字化過程中,由DM642的I2C總線進(jìn)行控制,其輸出格式可由I2C初始化其寄存器來設(shè)置。由于DM642的視頻輸入口只能接收標(biāo)準(zhǔn)的BT656-YUV4:2:2(8 bit)信號,故在I2C初始化時設(shè)置SAA7113的數(shù)字化輸出格式為BT656的格式,可通過寫IIC的寄存器來實(shí)現(xiàn)。進(jìn)入視頻端口的數(shù)據(jù)通過CPLD進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換(Y:U:V 4:2:2轉(zhuǎn)換為4:2:0),當(dāng)內(nèi)部FIFO緩存器滿時,產(chǎn)生中斷,DM642通知EDMA(增強(qiáng)直接存儲器存?。┛刂破魍ㄟ^EDMA方式將圖像數(shù)據(jù)存儲到SDRAM(同步動態(tài)存儲器)中。
由于DM642的視頻口VP0分成2個8 bit的通道A、B,所以SAA7113和DM642的連接方式只能采用最簡連線的BT656的方式,即不需要水平、垂直、場同步信號線。圖2所示為VP0端口的一路視頻輸入電路圖,其他2路與該路基本相同。
其中:輸入視頻經(jīng)過J5接口的信號線3、上拉電阻(18 Ω)以及電容(47 nF),與SAA7113的模擬輸入端AI22直接相連;VP0[0-7]為SAA7113的數(shù)據(jù)輸出管腳,與DM642視頻口0中的VP0D[2-9]管腳相連;時鐘同步信號LLC與DM642視頻口0的VP0CLK0相連;SCL和SDA作為I2C接口的時鐘線和數(shù)據(jù)線,分別與DM642的I2C總線接口的時鐘和數(shù)據(jù)線SCL0、SDA0相連;TRST作為復(fù)位信號與DM642的復(fù)位信號RESET相連;XTAL與XTAL1的管腳間接24.576 MHz的晶振,在VDDA1管腳上提供+3.3 V的電壓供電,供芯片正常工作。
1.2 圖像存儲模塊
(1)SDRAM
DM642芯片內(nèi)部只集成了256 KB的RAM,因此需要在外部存儲器接口(EMIF)上擴(kuò)展存儲空間。DM642的EMIF為64 bit的數(shù)據(jù)總線接口,工作的最高頻率為133 MHz,分為4個存儲空間(CE0-CE3),每個有256 MB的尋址空間。它在CE0空間提供了64 bit的SDRAM接口總線(無縫連接),分配給外擴(kuò)的SDRAM使用[5-6]。本系統(tǒng)采用了2片32 bit的HY57V283220T-7 SDRAM芯片(為了符合64 bit的接口,必須采用2片32 bit的SDRAM),在片外擴(kuò)展32 MB的動態(tài)存儲空間。
SDRAM在CE0空間的具體定位為:0X80000000-0X81FFFFFF。輸入模擬視頻經(jīng)數(shù)字化后進(jìn)入視頻端口的BT656(Y:U:V 4:2:2)數(shù)據(jù)流,以便于圖像的壓縮編碼。在CPLD控制下實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的重抽樣,之后通過EDMA的方式存儲到SDRAM中。
(2)FLASH
本系統(tǒng)采用4 M×8 bit的AM29LV320D映射到CE1的低地址空間,用來存儲程序,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自啟動。它在CE1空間的具體定位為:0X90000000-0X9007FFFF。DM642的CE1空間被配置成8 bit,以適應(yīng)自啟動要求。4 MB的存儲空間需要22根地址線來尋址,而DM642的EMIF口可用地址線只有20條。其中FLASH的最高2根地址線由DM642的GPIO中的GPIO1、GPIO2來模擬地址線,從而實(shí)現(xiàn)FLASH的頁選。系統(tǒng)BOOT LOADING時,先從第一頁拷貝1 K的啟動代碼到DM642,完成芯片初始化,控制GPIO1、GPIO2口線的組合,完成余下代碼的導(dǎo)入。
1.3 圖像傳輸模塊
在所設(shè)計的系統(tǒng)中,3路CCD采集的纜索1周的圖像,經(jīng)數(shù)字化后同時送入DM642的視頻端口,并且隨著纜索爬升裝置的爬升,不斷重復(fù)采集。采集的圖像數(shù)據(jù)量很大,持續(xù)時間較長。如果DM642通過圖像處理算法,實(shí)時檢測圖像的缺陷,便要運(yùn)行大量的算法程序,這就給DM642造成了很大的負(fù)擔(dān),因此本系統(tǒng)DM642只是對采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼,并實(shí)時傳輸?shù)降孛娴姆?wù)器(PC),具體圖像識別算法在PC機(jī)上進(jìn)行,這就大大減輕了DM642的負(fù)擔(dān),提高了DM642實(shí)時采集、傳輸?shù)男省?br /> 鑒于高速、大量圖像數(shù)據(jù)的采集,系統(tǒng)采用DM642的網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)傳輸。該系統(tǒng)中圖像分辨率為720×576,幀頻為25幀/s,采用H.263壓縮編碼算法,壓縮比可達(dá)100:1,即數(shù)據(jù)流可壓縮為:3×720×576×8×25÷100=2 488 340 b/s,約為2 500 kb/s。考慮到以太網(wǎng)傳輸,數(shù)據(jù)傳輸包頭、包尾等附加數(shù)據(jù),系統(tǒng)最大數(shù)據(jù)流為3 000 kb/s=3 Mb/s,而選用的網(wǎng)絡(luò)接口芯片的傳輸速度為10 Mb/s,故可以實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時處理與傳輸。
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