關鍵詞： dsp , RFID , 模擬視頻 , 數字圖像

引 言

圖像處理系統中圖像源獲取手段有很多種，同樣圖像的傳感器也是多種多樣的。現在比較流行的傳感器有CCD、CMOS、CIS等等。這些傳感器對于圖像數據輸出的格式各不相同，例如CCD輸出的是模擬信號，需要通過A／D的采樣才能得到圖像處理所需要的數字圖像信號；而CMOS傳感器則直接輸出數字信號。這樣必然會對圖像處理系統的通用性造成很大的影響。當圖像傳感器更改或者圖像的分辨率發生更改以后，都會導致圖像處理系統做出相應的修改，這樣在很大程度上限制了專用圖像處理板的應用范圍以及通用性。

由于電視技術早已得到了廣泛的普及，為了保證電視的通用性，世界上早已對其可以使用的模擬視頻信號做出了統一的規定。在歐洲以及中國，模擬視頻信號主要采取的是PAL制式；而在北美以及日本，模擬視頻信號主要采取的是NTSC制式。正是由于模擬視頻信號制式的統一，所以導致很多技術成熟的圖像獲取設備，例如攝像機、照相機等都有模擬視頻信號的輸出接口。

本設計方案旨在利用上述 的有利條件，提出一套基于TMS320C6x11系列DSP的圖像獲取方案，利用模擬視頻信號的統一性，實現隨意更換帶有標準模擬視頻信號輸出接口的圖像設備而無需在圖像處理系統的硬件和軟件上作修改。同時，本方案還需提供一個相對通用的數字視頻接口，可以適應TMS320C6xll系列DSP的接口。本設計的主要技術要求有：

①支持標準的模擬視頻輸入接口，可以對標準的模擬視頻信號解碼得到數字圖像數據；

②在不降低圖像幅面的前提下，圖像采集速度快，滿足一定的實時性要求；

③占用CPU時間少，使得圖像采集過程在后臺自主完成；

④數字圖像接口通用性好，可以在TMS320C6u1l系列乎臺上通用互換。

1 總體方案設計

1.1 方案的選擇

目前，解碼模擬視頻信號主要的方法有：采用A／D采樣模擬視頻信號和采用專用的模擬視頻信號解碼器。對于前一種方案需要的外部芯片較少，只需A／D轉換芯片即可；但是需要占用大量的CPU時間，在采集圖像的過程中CPU基本沒有額外的時間處理圖像。這個問題通常會導致圖像處理系統處理圖像的時間嚴重不足。后一種方案采用專門的模擬視頻信號解碼器，需要一些額外的接口芯片，但是可以節約大量的CPU時間，圖像采集過程可以全部在后臺完成，基本上不需要CPU的干預。這個優點對于圖像處理系統，特別是算法比較復雜的處理系統（例如視頻監控系統）有著非常大的吸引力，所以本方案決定采用后者。

本方案中一個難點是：由模擬視頻信號解碼得出的數字視頻信號數據量非常大，而且由于是實時視頻信號，所以數據輸出速率也非常高；但是相反，DSP外部存儲器接口的讀出速率卻比較慢。為了解決這個問題，本方案采取了兩種緩沖方式．首先是使用高速FIFO，對數據進行暫存以緩解速度上的差異，但是這樣的緩沖還不足以平衡兩者之間的速度差異。

于是在本方案中提出了“隔行采樣”的思想。通常，隔行采樣會使得分辨率下降，例如每四行采樣一行數據，會使得圖像垂直方向上的行數下降到原來的1／4。這不是設計所希望的，所以為了保證圖像的分辨率，設計中在隔行采樣的同時，將一整幅圖像的行數據交錯分多次采樣，然后再重新組合成一幅完整的圖像。這樣既起到了緩沖速度差異的作用，又保證了圖像的分辨率。

最后本方案確定的思路是，采用FIFO來暫存一行圖像數據，視頻解碼器直接向FIF0中寫入圖像數據。當FIFO中寫入了有效圖像數據后，由CPLD向DSP發出中斷請求；同時，DSP接到中斷請求后，啟動DMA方式將一行圖像數據從FIFO中讀入到其外部RAM中存放。CPLD主要完成“隔行采樣”的實現、控制解碼器向FIFO中寫入數據以及DSF從FIFO中讀出數據。

另外，本方案目前主要是針對PAL制式模擬信號的。PAL制模擬信號傳輸的圖像幅面大小為720×576像素。下面的設計主要針對該格式的視頻信號展開。如果需要對NSTC等其他制式視頻信號解碼，只需要在軟件上作一些修改即可。

1.2 系統框圖

在本方案中，模擬視頻信號解碼器采用的是Philips公司的SAA7111A。對于PAL制式模擬視頻信號，l行圖像數據有720個像素；同時由于YUV分量采用了4：2：2抽樣，所以需要1440字節的存儲空間存儲1行數據。由于本方案中需要用到FIFO對1行數據暫存，所以FIFO的存儲深度必須大于1440字節，最后選定高速FIFO采用IDT公司的IDT72V23l，其具有2K×9位的存儲深度。同時還使用了Laittice公司的CPLD——LC4128V，作為中間邏輯接口控制“隔行采樣”的完成、解碼器對FIFO的寫操作以及DSP對FIFO的讀操作，系統框圖如圖l所示。

2 硬件方案設計

2．1 芯片介紹

本方案選用SAA7111A作為前端視頻解碼器。SAA71llA視頻解碼器是雙通道模擬預處理電路、自動鉗位和增益控制電路、時鐘產生電路、數字多標準解碼器、亮度／對比度／飽和度控制電路、彩色空間矩陣的組合，是一款功能完善的視頻處理器。SAA711lA只需要單一的3．3V電源供電，與C6x11的I／O電壓一 致。SAA7111A接收CVBS(復合視頻)或S-video模擬視頻輸入，可以將PAL、SECAM、NTSC模式的彩色視頻信號解碼為CCIR-60l／656兼容的彩色數字分量值，器件功能通過I2C接口控制。

SAA7111A的主要性能特點如下：

◆4路模擬輸入一一4路CVBS或2路Y／C或1路Y／C和2路CVBS；

◆主通道靜態增益可編程，自動增益控制選擇的CVBS或Y／C通道；

◆2個8位視頻CMOS模數轉換器；

◆片上時鐘產生器，只需要24.576 MHz單一時鐘輸入；

◆自動探測50 Hz和60 Hz場頻，自動在PAL和NTSC標準間切換；

◆可以處理PALBGHI、PALN、PAL M、NTSC M、NTSC N、NTSC 4.43、NTSC-Japan和SECAM信號。從以上特點可以看出，SAA7111A功能強大，性能全面，可以滿足各種視頻轉換處理的需要，完全符合本系統的要求。SAA7111A已經在各種視頻處理系統中得到廣泛的應用，技術性能已得到充分的證明。采用SAA7111A具有很高的性價比。

2.2 DSP與FOFO接口技術

TMS320C6xll的外部存儲器接口(EMIF)提供了功能十分強大的外部接口，可以實現與諸多種類的存儲器的無縫接口，如SBSRAM、SDRAM、SRAM、ROM等等。但是其對FIFO的接口并不能做到真正的無縫接口，需要增加一些外部邏輯來調整它們之間的時序。

本方案中采用的FIFO一一IDT72V23，是標準的同步FIFO，具有兩個獨立的讀寫時鐘——RCLK、WCLK；同時還具有讀寫控制信號WENl、WEN2、REN1和REN2。

對于本設計而言，要求DSP從FIFO中將數據讀出，故關鍵考慮DSP對IDT72V23l的讀時序。圖2是IDT72V31數據讀出的時序。

圖2中，tENS為REN1(REN2)的最短建立時間(SETUP)，tDS為數據的最短建立時間(SETUP)。由圖2可以看出IDT72V231與一般SRAM讀時序的一個很大區別是：當RCLK上升沿到來以后，需要有一個比較長的延時tA才會有有效數據出現在總線上。此前一段時間內總線上的數據是不穩定的，并且該延時最長可達到12ns。

但是對于TMS320C6x11而言，數據的讀入是在ARE信號的上升沿完成的，故這里設計的主要問題是FIFO的RCLK時鐘怎樣提供。本設計中采用的解決辦法如下：

RCLK=!(ARE)

REN1&REN2=CEx+AOE+Address

也就是說，RCLK是由DSP的ARE信號取反得到的，而REN1和REN2信號是由DSP的AOE信號經過地址譯碼后提供。這樣設計的TMS320C6xll與FIFO接口為了配合FIFO讀出時序的要求，還必須要求DSP的讀時序(主要是Setup／Strobe／Hold三個時序段)滿足以下要求：

Setup≥(tENS+tSKEW)／tcyc
Strobe≥(tA+tDS)／tcyc
Strobe≥(tCLKH（min）/tcyc
Hold+Setup≥(tCLKL（min）/tcyc
Setup+Strobe+Setup≥(trc（min）/tcyc

從時序圖上的數據可以看出，tENS≥5ns，tA≤12 ns，tDS≥5 ns；同時，由于IDT72V23l的要求，RCLK高電平時間(tCLKH（min）大于等于8ns、RCLK低電平時間(tCLKL（min）大于等于8 ns以及讀寫周期(trc（min）必須大于等于20ns。加上一定的冗余，最后計算可以得到：

Setup≥20ns

Strobe≥30 ns

Hold≥l0ns

在本設計的TMS320C6211的系統板上，EMIF的外部時鐘頻率是100 MHz，所以tcyc=10ns。這樣可以得出DSP中CExCTL寄存器中Setup值設置為2，Strobe值設置為3，Hold值設置為1。

實際系統實現證明。通過這樣的硬件接口設計后，TMS320C621l可以很穩定地從FIF0中讀出數據。

2.3 隔行采樣技術

由于DSP接口與FIFO的接口速度只能達到15MB／s的速度，同時當DSP把圖像數據從FIFO中讀出來以后還需要將數據存入其外部存儲器中，這樣DSP與FIFO的接口速度是完全不可能跟上解碼器SAA7111A的有效數據輸出速度(最低19.8 MB／s)的，所以DSP無法實時地從視頻流中抓出一幅完整的圖像。 因此，在DSP與SAA711lA的接口之間采用高速FIFO進行緩沖的同時，還采取了“隔行采樣”的方法來緩沖速度上的差異。通過計算得出DSP每隔4行有效視頻信號采1行視頻數據是合理的。(把DSP將獲取的數據存人其外部存儲器中所需要的時間考慮在內。)

“隔行采樣”的結果會導致所獲取的圖像垂直分辨率下降(對于PAL制式視頻信號由原來的576行／幅下降到144行／幅)。為了保證圖像的分辨率，本設計中將每幅圖像分成連續的4次采樣．在連續的4次采樣中，分別抓取圖像中不同的144行數據，也就是說，現在DSP抓取1幅完整幅面(720×576)大小的圖像需要分4次獲取，然后對數據重排組合得到完整的圖像。PAL制信號是按照50Hz的場頻對圖像進行輸出的，即每秒種可以傳輸25幅圖像，現在由于“隔行采樣”的原因，DSP每秒鐘可以從PAL制信號中解碼出6.25幅完整幅面大小的圖像。這個速度完全可以滿足很多實時系統的要求，如視頻監控系統。

“隔行采樣”功能的具體實現是由CPLD配合SAA7111A輸出的同步信號(行同步、場同步信號)來完成的。由于IDT72V231(FIFO)的寫入控制是通過WEN信號完成的，因此CPLD可以通過控制WEN信號來實現圖像的隔四行一采樣。具體WEN信號的產生邏輯如圖3所示。  

  
由圖3可以清晰地看出，通過這種采樣方式以后，每次輸出的圖像行是隔4行輸出l行，而連續4次獲取的圖像則是一整幅圖像576行圖像數據中互不相同的144行數據，這四部分圖像按照一定規律組合便可以得到一幅幅面為720×576像素的完整數宇圖像。

另外由圖3可以看出，SAA7111A每向FIFO中寫入一行圖像數據(需要53.3μs)，DSP則有相當于4行圖像數據輸出的時間(約256μs)來讀出這一行圖像數據。因此“隔行采樣”有效地緩沖了數據輸出和數據讀入速度上的差距。

3 軟件方案設計

解碼器DSP方軟件的設計主要分成兩個部分：①將圖像數據從FIFO中讀出來存人到DSP的外部RAM中去；②對讀出的數據進行重排，組合成完整的圖像。下面分成兩部分來說明。

3．1 QDMA方式數據的讀入

由于DSP將數據從外部讀人到RAM中通常是圖像處理系統的一個圖像獲取過程，所以如果使CPU一直處于讀入數據的操作中，顯然是不合理的。

為了保證盡可能少地占用CPU時間，即在第n幅圖像讀入到RAM中的同時，DSP仍然可以有足夠的時間來處理第n-1幅圖像（對其做需要的處理，例如去噪、壓縮、識別等等）。本設計中采取了下面這種讀出方式：視頻解碼器通過一個中斷信號通知DSP目前已有數據寫入到FIFO中，然后DSP在中斷中采用DMA方式，將數據從FIFO中成塊地搬移到RAM中去。

這種操作的好處是顯而易見的：當DSP正在處理某一幀圖像時，如果有數據需要讀入，那么DSP將進入中斷，然后僅僅只需要開啟DMA讀出操作便可退出中斷服務于程序，繼續沒有處理完的工作；而DMA控制器則在后臺將一塊區域連續的圖像數據讀入到RAM中。這樣圖像的獲取可以實規在后臺完成，圖像的處理和圖像的獲取很好地并行進行，大大提高了CPU的利用率。

具體在本方案中，由于使用的FIFO的深度是2 K×9位，所以采取的是DMA每次搬移一行圖像數據(也就是720×2=1440字節)到RAM中去。同時，TMS320C6x11提供了 十分強大的EDMA功能。為了加快DSP在中斷中開啟DMA讀出操作的速度，本設計采用了其QDMA的功能．這樣申請一次QDMA僅僅需要幾條指令即可。具體申請QDMA的操作代碼如下：

QSRC="SourceAddress"，
／／設置FIFO在系統中的地址
QCNT="0x000005A0"；
／／設置一次需要讀出的數據量
／／(1440)
QDST=(int)DesAddress； ／／設置數據讀出的目的地址
QIDX="0x00000001"； ／／設置QDMA傳送的間距
DesAddress="DesAddress"+0x5A0；
／／更新數據讀出目的地址
QSOPT="0x30300000"； ／／啟動QDMA通道傳輸

3.2 圖像數據的重排

由于本方案中采用了隔四行一采樣的方法來平衡速度上的差異，所以最后載人RAM中的數據需要重排。這個重排可以在讀入FIFO中的數據時就進行，也可以在所有數據全部讀人到RAM中后再進行重排；但是重排的方案和流程是一樣的。

如果是采用全部數據都讀完后再重排，由于隔四行采樣的原因，圖像數據是分四個連續的數據塊存放的，并且每個數據塊中是按照奇偶場分布的。那么，以第一個數據塊為例，它的奇場部分存儲的實際上是圖像的第1，9，17，…，561，569行數據；而其偶場部分存儲的實際上是圖像的第2，10，18，…，562，570行數據。另外，三個數據塊里面存儲的圖像數據在整幅圖像中的行數分布依此類推。具體分布和重排過程如圖4所示。

  
通過圖4所示方式的重排處理以后，全部圖像數據分成了兩大塊：奇場區和偶場區。這時可以根據需要來處理這兩個區域。本設計中采用的是將奇偶場合并，同時將YUV分量分開到三個獨立的存儲區域中去，程序流程如圖5所示。

4 總結及展望

本文提出了一種基于TMS320C6xll接口的圖像獲取方案。它利用目前大多數成熟的圖像獲取設備都配備了通用的模擬視頻輸出接口這一特點，提出了一個從模擬編碼的視頻信號中抓出靜止的數字圖像的方案。由于其數字部分接口非常通用(8位)，使得可以很容易地在通用圖像處理系統中加入實時圖像獲取接口。通過具體實現證明此方案可行、穩定、高效；可以實現每秒鐘6.25幅720×576幅面的彩色圖像的獲取，具有通用性好、性能穩定、占用CPU時間少等特點。防碰撞模塊對SELECT命令的響應是正確的。

5 結 語

A型卡RFID技術已經廣泛應用于智能卡、票物、安檢、物流和防偽等領域。本文根據RFID防碰撞協議規定，在數字硬件上實現了A型卡的防碰撞模塊，用VHDL語言進行了仿真和綜合后，通過了Xilinx公司的XC4010XLFPGA驗證，電路規模5000門左右，達到預定指標要求。最后，采用O.35μm的工藝與電子防偽標簽的其他模塊一起進行了MPW流片，實際應用測試證明，該模塊運行正確、穩定。