MPC5200在汽車高速視頻探測中的應用

　　汽車廠商正越來越多地通過對車內(nèi)和車外捕捉到的高速視頻影像進行處理，來提高汽車的安全性。舉例來說，安裝在車內(nèi)的攝像機可用于確定乘客在車內(nèi)的位置，從而以最佳方式配置氣囊并避免乘客受到傷害。安裝在車內(nèi)不同位置的攝像機還可以用于車道偏離監(jiān)測、碰撞前警示、避免碰撞、后倒車燈警示和車距計算等。這些應用中有很多需要以非常高的速率來捕捉視頻影像。相應地，視頻影像必須通過實時的復雜算法進行處理，從而為車內(nèi)的安全控制系統(tǒng)提供反饋。這是一項非常重要的任務，它可以避免發(fā)生碰撞，或在車輛發(fā)生碰撞的瞬間決定車內(nèi)乘客的位置。而且，該項技術要要求司機側(cè)的引擎絕熱板必須能承受最高85℃的高溫，而在車內(nèi)的其他部位則需要承受最高達105℃的高溫。

　　當前，汽車廠商們面臨的挑戰(zhàn)是擁有一種經(jīng)濟高效的技術：強大的處理能力、豐富的接口、良好的環(huán)境適應性和低功率運行。來自于飛思卡爾半導體公司的MPC5200高性能嵌入式處理器能滿足所有這些設計要求，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　MPC5200集成了一個高性能的MPC603e核心，該核心在400MHz的工作頻率和-40～85℃的溫度范圍內(nèi)，可達到760MIPS的處理能力。高性能、雙倍精度的浮點單元(FPU)可加快與其他關鍵任務平行的復雜數(shù)學運算的速度，可運行在105℃條件下的型號還可用于司機座位以外可能需要更高溫度級別的地方。

　　在FPU的幫助下，MPC5200處理能力可為大多數(shù)視頻探測算法提供足夠的支持。集成的PCI接口則為CMOS圖像傳感器提供標準化的高速接口，CMOS圖像傳感器能以每秒80至100幀的速率將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)組PC5200中，具體視PCI時鐘和照片的分辨率而定。

　　BestComm智能DMA控制器能加快攝像機數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存中進行處理的速度，從而最大程度地減輕MPC603e主處理器核心上的負荷，使其可以解放出來，處理視頻探測算法等任務。此外，BestComm控制器的使用還可以降低主核心上的總體中斷負荷，繼而加速總體吞吐量。集成的CAN和J1850控制器，再加上外置MOST(面向媒體的系統(tǒng)傳輸)的支持，為汽車安全系統(tǒng)的剩余部分提供了經(jīng)濟高效的集成，并降低了與這些網(wǎng)絡進行通信的延遲。

　　下面介紹如何通過PCI接口，為MPC5200設計一個基本的高速攝像機接口電路。在本例中，使用了飛思卡爾MCM20014 CMOS傳感器，但其他傳感器可以使用幾乎完全相同的接口機制。該接口非常明了，而且只需較少的接口邏輯就能完成連接。

　　使用MPC5200的時鐘假設

　　最可能的XLB釋放目標頻率為132MHz；IPBus為66MHz；PCIclk(外部總線時鐘)為66MHz；XTAL的預期輸入頻率為33MHz。對于本應用，最大的PCI頻率為33MHz。

　　XLB與IPBus、IPBus與PCIclk間的時鐘比可能為4:1、2:1或1:1。在XLB為132MHz時，IPBus必須設置為4:1或2:1(分別適用于33MHz或66MHz的IPBus)。根據(jù)IPBus 的情況(33MHz、16.5MHz與33MHz IPBus一起工作；或33MHz與66MHz IPBus一起工作)，PCIclk可能支持1:1的比率，也可能支持2:1的比率。在處理器端，可能使用一個66MHz的PCIclk ，但市場上的圖像傳感器還未達到該速度。

　　如果要求50%的負載循環(huán)，生成HCLK的PWM輸出值只能是IPBus時鐘的偶整數(shù)商。

　　下面介紹幾種可能的時鐘關系。

　　——XTAL：27MHz，XLB：108MHz，IPB：54MHz，PCI：27MHz，HCLK：13.5MHz(來自IPBus時鐘的4/1比率的PWM)
　　——XTAL：33 MHz，XLB：132MHz，IPB：66MHz，PCI：33MHz，HCLK：8.25MHz(來自IPBus時鐘的8/1比率的PWM)
　　——XTAL輸入可以變化，以產(chǎn)生不同的運行頻率，但是8.25 MHz的HCLK應該適用于攝像機，而且它還在DMA時鐘和傳感器數(shù)據(jù)速率(PCIclk到HCLK)之間提供4:1的差異。這對可能發(fā)生的潛在帶寬問題有所幫助。

　　解決方法是在傳感器數(shù)據(jù)總線和PCI數(shù)據(jù)總線之間提供接口邏輯。MPC5200的接口邏輯非常簡單，但還是有一些必須認真考慮的系統(tǒng)應用問題。其中一個值得注意的事項就是，是否將PCI總線用于攝像機數(shù)據(jù)傳輸以外的其他用途。如果需要與其他設備共享PCI總線，接口邏輯就必須與其他PCI目標共存，這就要求有額外的電路。如果不需要與其他任何設備共享PCI總線，接口邏輯就可以認為任何PCI處理都是針對它的，這樣邏輯就變得非常簡單。
　　
　　圖2是MPC5200與接口芯片和CMOS傳感器的連接圖，顯示了連接到必需的接口邏輯或直接連接到傳感器的MPC520 PCI信號。圖2中的粗線表示三態(tài)的情形?？偩€需要外部上拉電阻，這樣在其輸入值中，接口邏輯就會出現(xiàn)一個邏輯數(shù)字“1”。

　　傳感器在其幀有效時段中顯示：傳感器上有一幀正準備進行傳輸。該信號將通過IRQ線連接到MPC5200，幀傳輸需要由MPC5200 PCI控制器驅(qū)動，信號時序如圖3所示，具體步驟如下。

• MPC5200 PCI使Frame_b輸出低電平，以開始進行處理。AD線由MPC5200通過地址信息進行驅(qū)動。接口邏輯可以忽略這一階段。
• MPC5200 PCI 使Irdy_b輸出低電平，以啟動數(shù)據(jù)階段。AD線仍然由MPC5200推動，直到目標(接口邏輯)判斷Devsel_b“要求”該處理。
• 只要目標保持Trdy_b處于高狀態(tài)，MPC5200 PCI就能使AD總線處于三態(tài)之一(tri-state)，并保持在等待狀態(tài)。
• 在任何剛出現(xiàn)的PCIclk邊緣，其中Trdy_b被探測為低，PCI就會捕捉到數(shù)據(jù)并認為要傳輸一個數(shù)據(jù)拍。
• 在完成了下一個到最后一個數(shù)據(jù)拍后，MPC5200 PCI使Frame_b輸出低電平，這表示正在請求最后一個數(shù)據(jù)拍。
• 當目標傳輸完最后一個數(shù)據(jù)拍(以Trdy_b變低為標志)后，MPC5200 PCI使Irdy_b輸出低電平，處理完畢。
• 還有其他一些信號與PCI處理有關，但它們用于PCI傳輸錯誤的情況中，在本應用中不作要求。

　　如果HCLK與PCIclk的比率為2:1，則PCIclk與接口邏輯的連接就沒有必要。如果PCIclk與HCLK的比率為4:1的話(人們更期望這樣)，需要一個觸發(fā)器來延遲和縮短PCI信號Trdy_b的持續(xù)時間。

　　當兼容3.3伏的CMOS攝像機傳感器三態(tài)其數(shù)據(jù)總線時，傳感器的數(shù)據(jù)線路就與PCI AD總線進行直接、有效的連接。否則，在這一設計中需要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)器。在對傳感器的LineValid信號進行判斷時，該傳感器只應該驅(qū)動數(shù)據(jù)線路。圖4是27MHz的PCIclk與13.5MHz(或相似頻率)HCLK的2:1邏輯關系圖。

　　只有在沒有其他真正的PCI目標設備連接到PCI接口上時，該示例接口才發(fā)揮作用。否則，某些支持的類型需要通知接口邏輯響應即將到來的PCI處理。

　　33MHz的PCIclk和8.25MHz(或相似頻率)的HCLK的2:1邏輯關系如圖5所示。

• 在2:1的情況中，當HCLK低時，傳感器數(shù)據(jù)有效，并隨HCLK的再次出現(xiàn)而作為下一個數(shù)據(jù)拍，下一個出現(xiàn)的PCIclk邊緣就會捕捉數(shù)據(jù)。
  ---PCI處理必須在LineValid判斷之前進行。PCI處理在LineValid變高時，一直由Trdy_b保持等待狀態(tài)。由于5200的使能信號要求拒絕幾次循環(huán)，在PCI處理結(jié)束時可能還需要額外的電路來關閉此電路。在這一過程中，人們可能會要求進行非攝像機的PCI處理(該接口邏輯絕不能響應)。
• 由于HCLK源自MPC5200 PWM，HCLK處理發(fā)生在PCIclk邊緣后(根據(jù)設計，PCIclk應提前到達總線)。
• 當HCLK下降時，Trdy_b的判斷要延遲一個PCIclk。
• 當HCLK升高時，Trdy_b也立刻升高。
• 在PCIclk邊緣創(chuàng)建了PCI數(shù)據(jù)拍捕捉，然后，PCIclk邊緣再創(chuàng)建不斷上升的HCLK，因為像素在不斷增加。

　　控制傳感器數(shù)據(jù)讀取的BestComm任務非常靈活，能根據(jù)傳感器的大小進行調(diào)節(jié)。在基于飛思卡爾CMOS傳感器的本例中，傳感器的分辨率為640×480像素，每像素10bit。在每一行后面，脈沖停止，BestComm任務會自動開始下一行的讀取，直到完成整幅圖片。這種方法具有很高的幀速率，每行的開銷為15個時鐘。

　　傳輸640像素數(shù)據(jù)的開銷為640個時鐘，加上一行的開銷15個時鐘，則傳輸一行像素的總開銷為655個時鐘。每幀畫面有480行，則所需的時鐘為655×480=314400。如果采用33MHz的PCI時鐘，則傳輸每幀畫面需要9.52ms，即每秒可傳輸105幀。從這里可以看出，幀速率取決于時鐘和傳感器的分辨率。

　　為完成一幅完整的圖片而讀取的脈沖的長度和行數(shù)，就是BestComm的參數(shù)，這些參數(shù)可以根據(jù)每種傳感器的類型進行調(diào)整。采用接口實現(xiàn)的幀吞吐量比該應用的幀速率要高得多。限制因素是用于算法所需的計算能力，該算法與應用的關系非常緊密。