基于DSP和FPGA的通用圖像處理平臺設計

　　1 引言

　　隨著(zhù)數字化技術(shù)不斷發(fā)展和完善，數字圖像處理技術(shù)已廣泛應用于工業(yè)、軍事、生物醫療、電信等領(lǐng)域。實(shí)際應用中能夠運行復雜靈活的圖像處理算法和大數據量的數據傳輸處理能力成為圖像處理平臺穩定運行的前提，而系統實(shí)時(shí)性、體積、功耗等因素也至關(guān)重要。傳統數字圖像處理平臺大多采用通用PC機、高速圖像采集卡和基于VC++的軟件平臺來(lái)實(shí)現，但很難滿(mǎn)足當前對系統體積、功耗和實(shí)時(shí)性要求。因此這里提出的基于DSP和FPGA的通用圖像處理平臺，充分發(fā)揮FPGA靈活性強和DSP運算速度快、尋址方式靈活的優(yōu)點(diǎn)，更好地提高圖像處理系統的集成度，降低系統功耗，并滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。

　　2 高速圖像處理平臺的工作原理

　　為實(shí)現高速圖像的實(shí)時(shí)處理，該系統采用DSP和FPGA線(xiàn)性流水線(xiàn)陣列結構，將FPGA可在通用接口設計和簡(jiǎn)單信號處理等方面的優(yōu)點(diǎn)與DSP的快速數字信號處理能力相結合，充分發(fā)揮這兩者的優(yōu)點(diǎn)。該系統主要由DSP和FPGA的子系統構成，為保證大量圖像數據流快速穩定通訊，DSP與FPGA間通過(guò)外擴的SDRAM實(shí)現大容量數據交換。DSP子系統則實(shí)現較為復雜的圖像處理算法，并提供圖像存儲功能。而FPGA子系統完成CCD傳感器圖像數據的預處理以及微控制器通用接口功能。

　　系統結構原理圖如圖1所示。CCD傳感器輸入的圖像數據經(jīng)FPGA預處理后，將數據傳送至DSP，DSP對輸入數據進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像處理，并將處理后的圖像通過(guò)EMIF接口發(fā)送并保存至外擴SDRAM。同樣，FPGA也能夠讀取外擴SDRAM的圖像數據，通過(guò)VGA接口實(shí)時(shí)顯示。對于少量數據流，如系統參數或圖像數據傳輸的起止信息等，則通過(guò)SPI接口實(shí)現。DSP子系統內部擴展有SD卡接口和USB主機接口，主要用于圖像數據的存儲和傳輸等。FPGA子系統外擴的主要接口包括：I2C、SPI、UART、PS/2和VGA等接口，用于系統升級和調試，提高系統通用性。

　　3 系統硬件結構設計

　　系統硬件設計采用模塊化設計思想，將整個(gè)系統分為DSP子系統和FPGA子系統。這兩者間的數據交換通過(guò)雙端口RAM方式實(shí)現。

　　3.1 器件選型

　　該系統設計選用TI公司的TMS320VC5509A型DSP。該款DSP功耗低，片上資源豐富，主頻最高可達200 MHz，片上帶有128 K×16 bit RAM和32 K×16 bit ROM，內置6個(gè)DMA通道，1個(gè)I2C接口，3個(gè)McBSP接口，1個(gè)RTC模塊，其外部存儲器接口(EMIF)能與SDRAM無(wú)縫連接，同時(shí)還帶有USB接口。FPAG選用ALTERA的Cyclone-II系列處理器，具有強大的邏輯處理能力，從而實(shí)現微處理器通用接口設計和簡(jiǎn)單信息預處理功能。

　　3.2 DSP與FPGA的接口設計

　　為保證系統實(shí)時(shí)性，DSP與FPGA之間的接口需實(shí)現大數據流通訊流暢的功能。將FPGA內部結果緩沖器模擬為SDRAM接口，一端輸入CCD圖像信號，一端輸出圖像數據并連接至DSP數據線(xiàn)。DSP的EMIF接口外接一片4 M×16 bit的SDRAM MT48LC4M16A2-75，通過(guò)將處理后的圖像數據回傳至外擴SDRAM，由FPGA實(shí)時(shí)讀取并通過(guò)VGA接口顯示，從而實(shí)現DSP與FPGA之間數據通訊功能。這兩者之間配置的雙端口RAM連接如圖2所示。

　　3.3 DSP子系統

　　DSP子系統主要包括電源管理單元、EMIF接口、SD卡接口、USB接口、JTAG調試接口和引導裝載(Bootload)電路等。電源管理單元主要為系統提供穩定電源;EMIF接口主要用于外部擴展存儲器;SD卡接口用于掉電后圖像數據的存儲;USB接口用于外接其他外設;JTAG接口用于電路調試等。

　　3.3.1 電源管理單元

　　DSP子系統供電可分為1.6 V和3.3 V兩種，DSP內核需1.6 V供電，外設及I/O端口采用3.3 V供電，并需保證內核先于I/O上電，I/O先于內核掉電。該系統采用電源器件TPS767D301配置不同電壓值。該器件包括兩路電壓輸出，每路最大輸出電流可達1 A.輸出電壓穩定。圖3為電源管理單元電路。

　　3.3.2 外部存儲器接口

　　TMS320VC5509A內部集成的EMIF接口除了支持異步存儲器，還支持同步突發(fā)靜態(tài)存儲器(SBSRAM)和同步動(dòng)態(tài)存儲器(SDRAM)。在此通過(guò)編程寄存器配置EMIF和SDRAM的連接。設置CE空間控制寄存器1的MTYPE=011b表明連接存儲器是SDRAM。圖4為配置的4 M×16 bit的SDRAM MT48LC4M16A2-75的連接電路。由于單個(gè)CE空間的限制是4 MB，故使用2個(gè)CE空間，并將CEO引腳作為片選，CE1引腳懸空。外擴的SDRAM主要用于存儲處理后的圖像數據。

　　3.3.3 SD卡接口

　　TMS320VC5509A內置MMC控制器支持對MMC卡和SD卡的讀寫(xiě)，支持MMC/SD協(xié)議和SPI協(xié)議，MMC控制器的運行頻率可通過(guò)程序設置，并與McBSP接口引腳復用，使用時(shí)需設置外部總線(xiàn)選擇寄存器(EBSR)。圖5所示為MMC控制器與SD卡信號連接圖，連接信號有：時(shí)鐘信號(CLK)、控制信號(CMD)和數據信號(DAT0～DAT3)。

　　3.3.4 Bootload電路

　　Bootload的功能是在系統上電后，將用戶(hù)程序從片外的慢速存儲器加載至片內RAM中，并使其高速運行。這里選用EEPROM作為外部非易失性程序存儲器。TMS320VC5509A的Bootload方式支持EMIF模式，SPI模式和McBSP模式等。其中SPI模式的EEPROM自舉有兩種，一種是基于16位字節地址，最大可達64 K尋址空間;另一種是基于24位字節地址，最大可達16 M尋址空間。在此選用第一種方式，并引出Bootload模式選擇引腳BOOTM[3：0]，便于系統升級。

　　3.4 FPGA子系統組成及功能

　　為實(shí)現該圖像處理平臺通用性和實(shí)時(shí)性，FPGA子系統需實(shí)現的功能包括：開(kāi)放式的圖像數據采集總線(xiàn)，DSP圖像處理實(shí)時(shí)數據總線(xiàn)，100 MB以太網(wǎng)接口，UART接口，VGA實(shí)時(shí)顯示模塊，I2C存儲器接口和PS/2接口等。其中UART接口方便系統軟件開(kāi)發(fā)及調試，VGA接口用于圖像數據實(shí)時(shí)顯示，I2C接口外接EEPROM用于系統參數的掉電存儲。為實(shí)現多個(gè)系統的網(wǎng)絡(luò )化，FPGA子系統還設有以太網(wǎng)接口，用于多個(gè)系統將處理結果回傳至PC端口。PS/2接口為預留端口，后期根據需要增加鍵盤(pán)等輸入設備。

　　4 系統軟件設計

　　4.1 軟件開(kāi)發(fā)開(kāi)具

　　該系統軟件設計采用TI公司CCS3.1(Code ComposerStudio)作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，并利用CCS自帶的DSP/BIOS實(shí)時(shí)操作系統進(jìn)行設計。在CCS中完成軟件的編輯、編譯、調試、代碼性能測試和項目管理等工作。通過(guò)使用DSP/BIOS提供的一系列豐富的內核服務(wù)，快速創(chuàng )建滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性能要求的精細復雜的多任務(wù)應用程序。DSP/BIOS內核具有跨平臺的標準API接口，能被用戶(hù)程序調用，易于移植。此外，這些服務(wù)除支持多線(xiàn)程調度管理外，還支持系統實(shí)時(shí)分析以及資料管理。DSP/BIOS內核具有很大的尺寸伸縮性，多線(xiàn)程配置下的內核鏡像的代碼量最小僅有1 K字，占用DSP資源非常少。

　　4.2 軟件系統總體設計

　　在硬件平臺基礎上，利用CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中的DSP/BIOS實(shí)時(shí)操作系統內核，開(kāi)發(fā)具有可擴展性的軟件系統。系統軟件部分采用模塊化和層次化設計思想。軟件結構主要包括：設備驅動(dòng)層、操作系統層、應用程序接口(API)層和應用層。設備驅動(dòng)層負責與硬件有關(guān)的各個(gè)模塊或外設的驅動(dòng)程序設計;操作系統層負責嵌人式實(shí)時(shí)操作系統移植;應用程序接口層完成系統控制功能、數據讀寫(xiě)等，并實(shí)現硬件無(wú)關(guān)性;應用層則設計與系統應用背景有關(guān)的控制程序。圖6為系統軟件運行流程。軟件設計主要分為CCD圖像預處理后的接收任務(wù)、快速數字圖像處理任務(wù)、邏輯控制任務(wù)和圖像數據回傳任務(wù)。系統上電后，程序首先執行DSP的初始化和DSP/BIOS初始化，接著(zhù)執行函數主體并啟動(dòng)DSP/BIOS操作系統，以后的任務(wù)均由操作系統進(jìn)行調度。采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統DSP/BIOS構建的圖像處理軟件平臺能較好滿(mǎn)足任務(wù)對實(shí)時(shí)性的要求，且結構穩定緊湊，可移植性高。

　　5 實(shí)驗結果

　　為驗證該系統的通用性與實(shí)時(shí)性，將其應用于某型號貼片機的器件檢測中，并進(jìn)行以下3個(gè)實(shí)驗：DMA方式下大容量數據傳輸實(shí)驗，閾值分割測試實(shí)驗和模板匹配測試實(shí)驗。其中DMA方式下大容量數據傳輸實(shí)驗，通過(guò)DMA方式將片內數據傳輸至片外SDRAM內部，圖像大小為600×480字節。閾值分割和模板匹配實(shí)驗則直接讀取片外SDRAM中的圖像數據，并對圖像分別進(jìn)行閾值分割和8×8模板匹配實(shí)驗，圖像處理算法采用TI公司圖像處理庫甬數。IMG threshold()和IMG_mad_8×8()。設置DSP運行時(shí)鐘為208 MHz，采用定時(shí)器0計時(shí)，DMA通道選用通道0，圖像數據大小為600×480字節。實(shí)驗結果如表1所示。

　　以上實(shí)驗數據表明,當采用600×480面陣CCD數據采集，并要求每幀圖像處理時(shí)間限定在30 ms以?xún)葧r(shí)，該系統能很好滿(mǎn)足當前系統需要。

　　6 結論

　　系統能夠滿(mǎn)足600×480面陣CCD和普通線(xiàn)陣CCD傳感器對系統處理能力的需要，具有較強的通過(guò)性和實(shí)時(shí)性。其設計創(chuàng )新之處在于，充分運用DSP的強大運算能力和靈活的尋址方式，結合FPGA在通用接口設計和簡(jiǎn)單信號處理速度方面的優(yōu)點(diǎn)，采用基于DSP/BIOS的軟件架構，使得系統集成度高，功耗低，具備更高的實(shí)時(shí)性和可移植性。