關鍵詞：PCI總線 DSP VxWorks操作系統 圖像采集系統

本文從實時性和大容量兩方面介紹了在通用計算機上加入ＤＳＰ加速卡實現的圖像采集系統。利用ＤＳＰ芯片的高速處理特性完成大部分的圖像處理工作，上位機只完成輔助操作和存儲系統。這種方法發揮了ＤＳＰ的高速性能又具有相當大的靈活性，而且開發工具比較完善。

實時性要求足夠的傳輸速度，ＰＣＩ總線速度最高可達５２８ＭＢ／ｓ（６６ＭＨｚ、６４位）。這是其他總線無法比擬的速度，如ＩＳＡ總線速度只有５ＭＢ／ｓ。另外，系統中ＤＳＰ的可擴展存儲空間高達１ＧＢ。這完全可以滿足一般圖像處理系統的需要。

１ 基于ＰＣＩ總線的ＤＳＰ圖像采集系統

本系統主要用于路口違章車輛抓拍，包括闖紅燈抓拍、超速行駛抓拍等。通過攝像頭對車流進行監測，當有車輛在紅燈期間越過停止線或在限速地段超速行駛，系統拍下車輛的行為并把數據傳送到ＤＳＰ進行處理，然后經ＰＣＩ總線把處理后的數據上傳到上位機。當然這套系統也可用于其他的監控系統，如樓宇監控等，其硬件系統基本一致，只是軟件功能有所區別。

    本系統采用ＴＩ公司Ｃ６０００系列ＤＳＰ中的ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１作為系統的ＣＰＵ。圖像數據通過攝像機采集并輸出模擬圖像信號。這些信號經視頻解碼芯片轉換為數字信號；再經ＦＩＦＯ輸入ＤＳＰ進行圖像的增強、分割、特征提取和數據壓縮等；然后輸出信號經ＰＣＩ解碼芯片轉換為符合ＰＣＩ總線規范的標準信號，通過ＰＣＩ總線接口傳到上位機。系統的控制邏輯由ＥＰＬＤ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）控制器實現。系統結構圖如圖１。

（１）視頻解碼芯片

系統中采集的圖像信號采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＳＡＡ７１１１Ａ完成Ａ／Ｄ轉換。ＳＡＡ７１１１Ａ允許四路模擬視頻輸入，具有兩個模擬處理通道，支持四路ＣＶＢＳ模擬信號或二路Ｙ／Ｃ模擬信號或二路ＣＶＢＳ信號和一路Ｙ／Ｃ信號。ＳＡＡ７１１１Ａ對攝像頭輸入的標準ＰＡＬ格式的模擬圖像信號進行Ａ／Ｄ轉換，然后輸出符合ＣＣＩＲ６０１格式的４：2：2的１６位ＹＵＶ數據到ＦＩＦＯ。其中亮度信號Ｙ為８位、色度信號Ｃｒ和Ｃｂ合為８位數據。ＦＩＦＯ采用ＩＤＴ公司的ＩＤＴ７２Ｖ２１５ＬＢ芯片，ＦＩＦＯ的深度為５１２×１８ｂｉｔ，支持ＳＴＡＮＤＡＲＤ（標準）和ＦＷＦＴ（Ｆｉｒｓｔ Ｗｏｒｄ Ｆａｌｌ－Ｔｈｒｏｕｇｈ，首字直接通過）兩種工作模式。按照ＣＣＩＲ６０１格式，ＹＵＶ圖像分辨率為７２０×５７６象素，當按行輸出時，ＳＡＡ７１１１Ａ輸出數據流大小為：７２０×１６＝１４４０ｂｉｔ。因為ＤＳＰ通過３２位的ＳＢＳＲＡＭ接口與ＦＩＦＯ通信，故ＹＵＶ數據寫入ＦＩＦＯ時需要在ＦＩＦＯ之間實現乒乓切換。這時一行７２０×１６ｂｉｔ的數據在兩片ＦＩＦＯ中存儲變為３６０×３２ｂｉｔ。兩片ＦＩＦＯ可以滿足上述要求。ＦＩＦＯ的初始化及時序由ＥＰＬＤ實現。

（２）ＤＳＰ圖像處理模塊

ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１是ＴＩ公司發布的面向視頻處理領域的新款高速數字處理芯片，適用于移動通信基站、圖像監控、雷達系統等對速度要求高和高度智能化的應用領域。存儲空間分兩部分：運行過程的臨時數據存在Ｗｉｎｂｏｎｄ公司的兩片１２８Ｍｂｉｔ的Ｗ９８１２１６ＢＨ中；系統程序則固化在ＦＬＡＳＨ存儲器中，該存儲器選用ＡＭＤ公司生產的８Ｍｂｉｔ的ＡＭ２９ＬＶ８００Ｂ。Ｆｌａｓｈ存儲器具有在線重寫入功能。這對系統啟動程序的修改和升級都帶來了很大的方便。ＤＳＰ處理模塊結構如圖２所示。圖２中的ＨＰＩ（Ｈｏｓｔ Ｐｏｒｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）為主機口；ＥＭＩＦ（Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｍｅｍｏｒｙ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）為外部存儲器接口，兼容同步／異步傳輸方式。

ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１ ＤＳＰ的高速性能主要體現在以下方面：①ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１的存儲空間最大可擴展到１ＧＢ，完全可以滿足各種圖像處理系統所需的內存空間，而且其最高時鐘可達２００ＭＨｚ，峰值性能可達１６００ＭＩＰＳ（百萬條指令／秒）、２４００ＭＯＰＳ（百萬次操作／秒）。②并行處理結構。ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１芯片內有８個并行處理單元，分為相同的兩組，并行結構大大提高芯片的性能。③芯片體系采用ＶｅｌｏｃｉＴＩ結構。ＶｅｌｏｃｉＴＩ是一種高性能的甚長指令字（ＶＬＩＷ）結構，單指令字字長為３２ｂｉｔ，８個指令組成一個指令包，總字長為２５６ｂｉｔ。即每秒鐘可以執行８條指令。ＶｅｌｏｃｉＴＩ結構大大提高了ＤＳＰ芯片的性能。④采用流水線操作實現高速度、高效率。ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１只有在流水線充分發揮作用的情況下，才能達到最高的峰值性能。與其他系列ＤＳＰ相比，優勢在于簡化了流水線的控制以消除流水線互鎖，并增加流水線的深度來消除傳統流水線的取指、數據訪問和乘法操作上的瓶頸。

本系統ＤＳＰ主要完成從ＦＩＦＯ讀出數據的處理以及壓縮等。數據處理由自行編寫的算法實現，數據壓縮算法采用ＪＰＥＧ（Ｊｏｉｎｔ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｉｃ Ｅｘｐｅｒｔ Ｇｒｏｕｐ）標準。當攝像頭采集速度為每秒２５幀圖像時，它留給ＤＳＰ處理的時間最多為每幀４０ｍｓ。如果考慮系統有一定的延時以及處理后圖像的存儲時間，那么ＤＳＰ處理一幅圖像時間不能超過３０ｍｓ。按照Ｃ６２１１的處理速度，在３０ｍｓ內可以處理４８Ｍ（０．０３×１６００ＭＩＰＳ）條指令。ＤＳＰ讀出ＦＩＦＯ中的行數據并存入ＳＤＲＡＭ，一幀圖像有５７６行，在最后一行時會收到系統的幀中斷，這時ＳＤＲＡＭ中的圖像數據總共有１４４０×５７６＝８１０ＫＢ。讓Ｃ６２１１用３６Ｍ條指令周期的時間處理８１０ＫＢ的數據顯然綽綽有余。粗略的計算過程如下：

系統采用快速ＤＣＴ（離散余弦變換），每８×８矩陣需要１１次乘法、２９次加法，因此一幀圖像的ＦＤＣＴ，共需要（１１＋２９）×７２０×５７６×２／６４＝５１８４００個指令周期；對于量化模塊，每８×８矩陣需要６４個量化指令周期，一幀需要６４×７２０×５７６×２／６４＝８２９４４０個指令周期；對于編碼部分，假設編碼后非０元素占２５％，對每８×８矩陣進行Ｚｉｇ－Ｚａｇ掃描、編碼估計需要１２０個指令周期，則共需１２０×７２０×５７６×２／６４＝１５５５２００個指令周期。按以上計算，在系統中進行ＪＰＥＧ編碼大約需要２９０３０４０個指令周期，耗時１９．３５３６ｍｓ（ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１工作在１５０ＭＨｚ時）。可以看出，實際需要的指令遠小于３６Ｍ條，而時間也遠小于３０ｍｓ，ＤＳＰ完全可以實時處理從ＦＩＦＯ傳過來的數據。

（３）ＰＣＩ總線模塊

ＰＣＩ總線規范吸引人的地方不僅是其高速度，更在于它適應了現代Ｉ／Ｏ設備對系統的要求，對ＰＣＩ擴展卡及器件能進行全自動配置，并且只需很少的接口邏輯就可以實現并支持其他總線系統。

ＴＭＳ３２０Ｃ６２１１的ＨＰＩ口不支持ＰＣＩ總線的無縫接口。本系統采用ＴＩ公司的ＰＣＩ２０４０實現ＤＳＰ的ＨＰＩ與ＰＣＩ總線的連接。ＤＳＰ處理后的數據經ＨＰＩ口輸出到ＰＣＩ２０４０進行解碼，然后輸出到ＰＣＩ總線上。其邏輯結構如圖３所示。

ＰＣＩ２０４０是ＴＩ公司設計的專門用來完成Ｃ５０００系列和Ｃ６０００系列ＤＳＰ與ＰＣＩ總線進行接口的專用芯片。ＰＣＩ２０４０符合ＰＣＩ局部總線２．２規范，能夠方便地實現ＰＣＩ總線與ＴＭＳ３２０Ｃ５４Ｘ或ＴＭＳ３２０Ｃ６Ｘ ＤＳＰ的ＨＰＩ接口的無縫連接。ＰＣＩ２０４０可以兼容３．３Ｖ和５Ｖ，以適應不同的ＰＣＩ總線電壓。ＰＣＩ２０４０與Ｃ６２１１之間不需要信號的電平轉換，也不需要額外的控制邏輯電路，接口電路十分簡單。

在本系統中，ＰＣＩ２０４０上存在兩種電壓：５Ｖ和３．３Ｖ。其中３．３Ｖ是ＨＰＩ口電壓，５Ｖ是ＰＣＩ總線電壓。ＰＣＩ２０４０啟動時需要對其ＰＣＩ總線寄存器和ＨＰＩ寄存器參數進行預加載。系統中ＰＣＩ解碼模塊包括一塊配置ＲＯＭ——ＡＴ２４Ｃ０８Ａ，屬于ＥＥＰＲＯＭ型ＲＯＭ，便于對配置參數修改和升級。當系統啟動時，存儲在ＡＴ２４Ｃ０８Ａ的數據下載到ＰＣＩ２０４０的寄存器中并進行配置。

圖３中ＨＩＮＴ[３:０]、ＨＣＳ[３:０]、ＨＲＤＹ[３:０]、ＨＲＳＴ[３:０]分別與四片ＤＳＰ中的相應信號相連。即ＰＣＩ２０４０可以同時與四片ＤＳＰ接口。

２ 系統的軟件設計

本軟件系統包括兩部分，即底層軟件和系統軟件。

底層軟件主要是ＤＳＰ圖像處理算法以及啟動等運行程序。這些程序主要在ＣＣＳ環境下由Ｃ語言編寫并進行匯編優化。ＣＣＳ即Ｃｏｄｅ Ｃｏｍｐｏｓｅｒ Ｓｔｕｄｉｏ，是ＴＩ公司發布的ＤＳＰ軟件運行環境。

在系統軟件方面，基于ＰＣＩ總線的圖像處理系統面臨的難點頗多，其中難度最大的是ＰＣＩ驅動問題。當然這對于不同的系統軟件可能難度各異。若在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統下，可以充分利用Ｗｉｎｄｏｗｓ的窗口特性：一方面，因為Ｗｉｎｄｏｗｓ技術成熟，軟件編寫相對比較簡單；另一方面，在Ｗｉｎｄｏｗｓ平臺下，ＰＣＩ驅動無需開發，可以直接利用Ｗｉｎｄｏｗｓ的ＰＣＩ驅動程序實現圖像卡的驅動。但是Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統比較龐大，而且無法依照系統的需要進行自由裁減，不適合做成嵌入式系統。這里主要闡述在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統下的軟件設計方法。

相對于Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統，ＶｘＷｏｒｋｓ的優點表現在：①ＶｘＷｏｒｋｓ系統具有較好的可裁減性，可裁剪的組件超過８０個，用戶可根據自己系統的功能目標通過交叉開發環境方便地配置；②ＶｘＷｏｒｋｓ支持應用程序的動態鏈接和動態下載，開發者省去了每次調試都將應用程序與操作系統內核進行鏈接和下載的步驟，縮短了編輯／調試周期；③ＶｘＷｏｒｋｓ具有較好的兼容性，它是最早兼容ＰＯＳＩＸ１００３．１ｂ標準的嵌入式實時操作系統之一；④ＶｘＷｏｒｋｓ具有很高的可靠性和穩定性；⑤ＶｘＷｏｒｋｓ具有很好的實時性，實時性的強弱以完成規定功能和做出響應時間的長短來衡量。ＶｘＷｏｒｋｓ的多任務機制對任務的控制采用了優先級搶占（Ｐｒｅｅｍｐｔｉｖｅ Ｐｒｉｏｒｉｔｙ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）和輪轉調度（Ｒｏｕｎｄ－Ｒｏｂｉｎ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）機制。這充分保證了可靠的實時性，使同樣的硬件配置能滿足更強的實時性要求，為應用的開發留下更大的余地。

為闡明如何在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統下實現ＰＣＩ總線的驅動，還需了解ＰＣＩ設備的配置空間。ＰＣＩ設備有三種物理存儲空間：配置空間、存儲器空間和Ｉ／Ｏ空間。配置空間是長度為２５６字節的一段連續空間，空間的定義如圖４?眼１?演。在配置空間中只讀空間有設備標識、供應商代碼、修改版本、分類代碼以及頭標類型。其中供應商代碼用來標識設備供應商的代碼；設備標識用來標識某一特殊的設備；修改版本標識設備的版本號；分類代碼用來標識設備的種類；而頭標類型用來標識頭類型以及是否為多功能設備。除供應商代碼之外，其他字段的值由供應商分配。

基地址寄存器最重要的功能是分配ＰＣＩ設備的系統地址空間。在基地址寄存器中ｂｉｔ０（最低位）用來標識存儲器空間還是Ｉ／Ｏ地址空間，基地址寄存器映射到存儲器空間時ｂｉｔ０為“０”，映射到Ｉ／Ｏ地址空間時ｂｉｔ０為“１”。

    ＰＣＩ設備的驅動過程主要包括下面幾個步驟：

首先，ＰＣＩ設備的查找。在嵌入式操作系統中一般提供相應的ＡＰＩ函數查找。在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統中通過函數ｐｃｉＦｉｎｄＤｅｖｉｃｅ(ＰＣＩ＿ＶＥＮＤＯＲ＿ＩＤ,ＰＣＩ＿ＤＥＶＩＣＥ,ｉｎｄｅｘ, ＆ｐｃｉＢｕｓ, ＆ｐｃｉＤｅｖｉｃｅ，＆ｐｃｉＦｕｎｃ_可以找到供應商代碼為ＰＣＩ＿ＶＥＮＤＯＲ＿ＩＤ、設備標識為ＰＣＩ＿ＤＥＶＩＣＥ的第ｎ（ｉｎｄｅｘ＋１）個設備，并且返回總線號、設備號以及功能號，分別保存于＆ｐｃｉＢｕｓ、＆ｐｃｉＤｅｖｉｃｅ、＆ｐｃｉＦｕｎｃ中。

其次，ＰＣＩ設備的配置。通過操作系統提供的ＡＰＩ函數訪問ＰＣＩ設備的配置空間，配置ＰＣＩ設備基址寄存器的配置、中斷配置、ＲＯＭ基地址寄存器的配置等，這樣可以得到ＰＣＩ的存儲器空間和Ｉ／Ｏ地址空間映射、設備的中斷號等。在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統中訪問ＰＣＩ設備配置空間的ＡＰＩ函數有ｐｃｉＣｏｎｆｉｇＯｕｔＬｏｎｇ、ｐｃｉＣｏｎｆｉｇＩｎＬｏｎｇ等，它們分別完成對ＰＣＩ設備配置空間的讀寫操作。

然后，根據ＰＣＩ設備的配置參數，對不同的設備編寫初始化程序、中斷服務程序以及對ＰＣＩ設備存儲空間的訪問程序。

很顯然，用ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統實現雖然有一定的難度，但是系統具有很大的靈活性，系統比較小、適應性強，并且可以在工業控制計算機上運行。

圖像采集系統的關鍵在于如何對大容量的信息進行暫存、壓縮和傳輸等問題進行處理。本系統很好地解決了這三個難題。在圖像信息暫存方面充分利用了ＤＳＰ存儲空間的可擴展性，保證了系統可暫存的信息量足夠大；信息壓縮是ＤＳＰ最擅長做的事情，可以在很短的時間內完成大量的信息壓縮工作；ＰＣＩ總線的引入保證了信息在足夠的帶寬下進行快速傳輸。采用嵌入式ＶｘＷｏｒｋｓ操作系統實現使得系統具有良好的靈活性和適應性，并大大降低了系統的成本。