基于TMS320DM642的CCD圖像采集系統(tǒng)設(shè)計

1系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以TMS320DM642為核心，采用模塊化設(shè)計思想，整個系統(tǒng)主要由視頻解碼芯片(A/D轉(zhuǎn)換芯片)、可編程邏輯門陣列(OSD FPGA)、TMS320DM642及外圍電路組成。外圍電路主要包括CCD攝像機、SDRAM圖像存儲器、FLASH程序存儲器及TMS320DM642外圍電路(復(fù)位、電源連接等)。圖1為該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

1.2系統(tǒng)工作原理

由CCD攝像頭攝入的PAL制圖像傳送到SAA7115解碼器，SAA7115解碼器將信號轉(zhuǎn)變成并行的BT.656圖像碼流送至TMS320DM642視頻口VP0，TMS320DM642將其再解碼，得到Y(jié)UV(4:2:2)格式的圖像，并通過EDMA傳輸?shù)絼討B(tài)存貯器(SDRAM)中存儲，圖像大小為每場720×288(寬×高)，每幀720×576(寬×高)。CPU通過訪問SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)，依照相應(yīng)的程序進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理。

在實時圖像處理系統(tǒng)中，為了不影響數(shù)據(jù)處理速度，需要在恒速的CCD圖像采集與變速的TMS320DM642圖像處理之間加入緩沖電路，緩沖采用TMS320DM642視頻口的片內(nèi)FIFO和片外SDRAM的乒乓緩存結(jié)構(gòu)。“乒乓操作”是一個經(jīng)常應(yīng)用于數(shù)據(jù)流控制的處理方法，如圖2所示，其處理流程為：輸入數(shù)據(jù)流通過指針等時地將數(shù)據(jù)流分配到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)1、2和3中，在第1幀的時間，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到1;第2幀將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到2，與此同時，將1的數(shù)據(jù)作運算處理。在下個緩沖周期，再次切換，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到3，與此同時，將2的數(shù)據(jù)運算處理。如此循環(huán)，A、B、C、D、E為其5種狀態(tài)。

乒乓操作的最大特點是按節(jié)拍、相互配合地切換，將經(jīng)過緩沖的數(shù)據(jù)流不停頓地進(jìn)行運算及處理。把乒乓操作模塊當(dāng)作一個整體，此模塊兩端的輸入數(shù)據(jù)流與輸出數(shù)據(jù)流均是連續(xù)不斷的，沒有任何停頓，因此非常適合進(jìn)行流水線式處理，完成數(shù)據(jù)的無縫緩沖與處理。

2功能模塊設(shè)計

2.1視頻采集模塊

本系統(tǒng)采用Philips公司的SAA7115視頻解碼芯片將CCD模擬視頻進(jìn)行數(shù)字化，然后傳給TMS320DM642的視頻端口進(jìn)行處理，同時分離水平同步(XRH)和垂直同步(XRV)等信號。

視頻解碼芯片采用SAA7115，省去時鐘同步電路的設(shè)計，簡化接口電路，提高系統(tǒng)的可靠性。由攝像機采集到的模擬信號經(jīng)過視頻端子進(jìn)入到解碼器SAA7115的模擬端Al11，經(jīng)模擬處理和A/D轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生數(shù)字色度信號和亮度信號，分別對其進(jìn)行處理。亮度信號處理的結(jié)果一路送到信號處理器，進(jìn)行綜合處理，產(chǎn)生Y和UV信號，經(jīng)格式化后采用4:2:2 YUV格式從IPD[7-0]輸出直接連接到TMS320DM642視頻口的VP0[9-2]管腳;另一路經(jīng)過同步分離器，由數(shù)字PLL產(chǎn)生相應(yīng)的同步信號與TMS320DM642的VP0CTL0和VP0CTL1相連，同時PLL驅(qū)動時鐘發(fā)生器，產(chǎn)生27 MHz的時鐘同步信號LLC，輸出到TMS320DM642的VP0CLK0管腳。解碼器SAA7115與TMS320DM642的視頻接口的原理如圖3所示。

所有這些功能均在I2C總線控制下完成。SCL作為I2C接口的時鐘線與TMS320DM642的SCL相連，SDA作為I2C接口的數(shù)據(jù)地址線與TMS320DM642的SDA相連。通過SCL和SDA的時序配合，可由TMS320DM642向SAA7115的寄存器寫入數(shù)據(jù)或讀出數(shù)據(jù)。

2.2TMS320DM642圖像處理模塊

本系統(tǒng)中視頻口VP0作為輸入，與視頻解碼器SAA7115的IPD相連。從解碼器SAA7115出來的BT.656數(shù)據(jù)流進(jìn)入VP0口后，經(jīng)由BT.656捕獲通道，進(jìn)入到視頻口緩沖區(qū)中，每個視頻口都有1個5 120 B的視頻輸入/輸出緩沖區(qū)，視頻口輸人的數(shù)據(jù)分別進(jìn)入捕獲FIFO A和FIFO B，其中Y緩存2 560 B，Cb和Cr緩存分別為1 280 B。根據(jù)輸出的同步脈沖產(chǎn)生幀存儲器的地址信號、讀寫和片選等控制信號，將圖像逐幀存入SDRAM存儲器中，通過中斷通知TMS320DM642讀取。TMS320DM642通過EDMA事件實現(xiàn)視頻口緩沖區(qū)和片內(nèi)L2存儲器之間的數(shù)據(jù)傳遞。用戶編程設(shè)定1個緩沖區(qū)閾值用以產(chǎn)生EDMA事件。BT.656格式的數(shù)據(jù)流經(jīng)由捕獲通道分別進(jìn)入各自的緩沖區(qū)，并打包成64 B的雙字。當(dāng)雙字增至緩沖區(qū)閾值時觸發(fā)EDMA事件，存儲器映射寄存器即作為EDMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑吹刂?。為保證每一場的數(shù)據(jù)能夠全部傳完且沒有遺漏，每次EDMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小應(yīng)等于閾值。由于TMS320DM642的強大處理能力，用戶算法作為任務(wù)線程嵌入TMS320DM642軟件系統(tǒng)中。

2.3外圍存儲模塊

本系統(tǒng)的TMS320DM642在視頻圖像的處理時，處理過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，而其內(nèi)部最多僅有256 KB的RAM，所以需要擴展大容量的外部存儲器才能滿足數(shù)據(jù)處理的需要。本系統(tǒng)選用2片SDRAM用于存儲程序、數(shù)據(jù)和緩存數(shù)字視頻信息，選用1片F(xiàn)LASH存儲器用于固化程序和一些掉電后仍需保存的用戶數(shù)據(jù)。SDRAM芯片和FLASH芯片均通過TMS320DM642的EMIF口實現(xiàn)無縫連接[3]。TMS320DM642的EMIF有4個獨立的可設(shè)定地址