嵌入式機器視覺(jué)系統中ARM與DSP的數據通信方法

DSP對數字信號和數值算法具有強大的運算處理能力，因而在信號采集與處理中被廣泛應用，但其在任務(wù)管理、實(shí)時(shí)控制、人機交互等方面不占優(yōu)勢。而ARM微控制器則控制功能強大，可以加載嵌入式操作系統，且能夠提供良好的人機交互、任務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò )通信等方面功能。因此，發(fā)揮DSP和ARM處理器各自的優(yōu)勢，采用ARM+DSP結構的設計方案已成為嵌入式系統的研究熱點(diǎn)，倍受關(guān)注。通過(guò)嵌入式機器視覺(jué)系統的設計實(shí)例，闡述ARM與DSP有機結合的設計思想，重點(diǎn)研究ARM與DSP之間的數據通信。

1 嵌入式機器視覺(jué)系統總體方案
采用ARM+DSP結構的機器視覺(jué)系統總體結構如圖l所示。以三星公司高性能ARM處理器S3C2440作為主控制器，配置并移植Linux操作系統，同時(shí)以TI公司的DSP芯片TMS320C5402為圖像處理的協(xié)處理器，通過(guò)對DSP芯片自帶的HPI接口的硬件連接方案和驅動(dòng)程序設計，將二者有機地結合起來(lái)，各自發(fā)揮其獨特優(yōu)勢，協(xié)調配合，完成目標采集、處理與視覺(jué)跟蹤。

首先由智能攝像機采集現場(chǎng)運動(dòng)目標的圖像，由ARM控制將數據存放在A(yíng)RM與DSP的公共存儲區域中，并通知信號處理模塊DSP調用各種算法(幀間差分、圖像分割、特征提取、形心計算等)對視頻圖像進(jìn)行處理，完成目標的識別與定位，并將結果信息傳給ARM處理器，由ARM控制步進(jìn)電機，調整PTZ攝像機位姿(水平轉動(dòng)P-Pan、垂直轉動(dòng)T-Tilt、景深伸縮Z-Zoom)，使其對準運動(dòng)目標，實(shí)現實(shí)時(shí)跟蹤。此外，ARM處理器還負責多任務(wù)管理、人機交互及中斷報警等。
作為雙核系統，雙核各自擁有很好的性能，于是主機ARM與協(xié)處理器DSP之間能否進(jìn)行快速可靠的數據交換，直接決定機器視覺(jué)系統的運行效率。在硬件設計方面，采用主機并行接口HPI實(shí)現主機ARM與協(xié)處理器DSP之間的硬件直連，設計簡(jiǎn)單方便，時(shí)鐘頻率可達到DSP時(shí)鐘頻率的1／5，能夠支持DSP與主機之間的高速數據傳輸。在軟件設計方面，則移植嵌入式Linux操作系統，將HPI看作字符設備完成了驅動(dòng)程序的設計。

2 雙機通信硬件設計
2．1 HPI接口簡(jiǎn)介
主機接口(HPI)是TI公司C54x系列定點(diǎn)信號處理器(DSP)內部自帶的接口部件，通過(guò)它可以方便地實(shí)現DSP與其他主機連接。C54x中的主機接口主要有3種類(lèi)型：標準8位主機接口HPI-8，增強8位主機接口HPI-8，增強16位主機接口HPI-16。增強型的HPI可以允許主機訪(fǎng)問(wèn)DSP所有的片上RAM單元，而標準主機接口只允許訪(fǎng)問(wèn)固定的2 K片上RAM。本文中用到的TMS320C5402擁有增強HPI-16主機接口。它由以下5部分組成：
1)HPI存儲器(DARAM) 傳送主機與DSP之間的數據，在一個(gè)機器周期內能被訪(fǎng)問(wèn)2次，可以用作通用的雙導址數據RAM或者程序RAM。
2)HPI地址寄存器(HPIA) 只有主機能對其進(jìn)行直接訪(fǎng)問(wèn)。該寄存器中存放著(zhù)當前尋址的HPI存儲單元的地址。
3)HPI控制寄存器(HPIC) 地址002CH，主機和DSP都能對他直接訪(fǎng)問(wèn)，用來(lái)保存HPI操作的控制和狀態(tài)位。
4)HPI數據鎖存器(HPID) 只有主機能對它進(jìn)行直接訪(fǎng)問(wèn)。如果當前進(jìn)行的是讀操作，則HPID中存放的是要從HPI存儲器中讀出的數據；如果當前進(jìn)行寫(xiě)操作，則HPID中存放的是將要寫(xiě)到HPI存儲器的數據。
5)HPI控制邏輯 處理HPI與主機之間的接口信號。
接口電路中使用的引腳及其作用是：HD[15：O]：并行、雙向、三態(tài)的數據總線(xiàn)，不傳遞數據時(shí)為高阻態(tài)；HHWIL：半字定義選擇引腳，用來(lái)表示第一或者第二半字。當低電平時(shí)表示第一半字；當高電平時(shí)表示第二半字。：讀／寫(xiě)輸入信號。高電平表示主機要讀HPI，低電平表示寫(xiě)HPI。若主機沒(méi)有讀／寫(xiě)選通，則可以用一根地址線(xiàn)代替。HCNTL0和HCNTLl控制引腳表示訪(fǎng)問(wèn)那個(gè)內部HPI寄存器和訪(fǎng)問(wèn)寄存器的類(lèi)型。表l是具體功能說(shuō)明。：輸入主要作為HPI的使能信號，而信號控制HPI數據傳遞；它們三者生成內部選通信號。就緒信號引腳，高電平表示HPI已經(jīng)準備好執行1次數據傳送；低電平表示HPI正忙。HINT：主機外部中斷信號，用于HPI向主機發(fā)出中斷。地址選通信號，僅用于復用方式。對于地址／數據總線(xiàn)分開(kāi)的主機，必須把信號連接到高電平。

2．2 接口電路及其工作原理
S3C2440與TMS320C5402通過(guò)HPI連接的接口電路如圖2所示，二者連接簡(jiǎn)潔方便，不必使用任何的附加電路。工作時(shí)，ARM首先初始化控制寄存器HPIC和地址寄存器HPIA，然后對HPID進(jìn)行讀寫(xiě)。初始化HPIC、HPIA時(shí)，通過(guò)A2、A3、A4、A5對應的地址進(jìn)行操作，設置寄存器訪(fǎng)問(wèn)控制HCNTL0、HCNTL1、讀寫(xiě)控制和半字訪(fǎng)問(wèn)HHWIL，配置好HPIC，并在HPIA中寫(xiě)入HPI存儲器的起始地址。因為ARM主機具有獨立的地址總線(xiàn)和數據總線(xiàn)，采用非復用方式，所以將HAS信號接高電平(VCC)。S3C2440的nWAIT信號與HPI的信號邏輯上反向，之間用反相器連接。 S3C2440通過(guò)片選信號nGCS2、讀使能信號nOE、寫(xiě)使能信號nWE三者生成內部選通信號，控制對HPI的讀寫(xiě)。