基于DSP的實(shí)時(shí)圖像數據采集系統設計

1 TMS320C6416處理器特點(diǎn)
TMS320C6416是TI公司推出的TMS320C6000平臺上高性能定點(diǎn)系列處理器。適合實(shí)時(shí)圖像處理的內部結構主要特點(diǎn)包括：
①定點(diǎn)／浮點(diǎn)系列兼容DSP、CPU主頻達到720MHz；
②具有VelociTI先進(jìn)VLIW結構內核；
③片內集成大容量SRAMt，最大可達8Mb；
④16／32／64位高能外部存儲器接口(EMIF)提供了同步／異步存儲器的直接接口；
⑤片內提供多種集成外設。

2 系統硬件設計
2.1硬件設計所用器件
采用TI公司的TMS320C6416DSK開(kāi)發(fā)板作為DSP平臺。開(kāi)發(fā)板提供的三排擴展引腳連接器，針對應用設計的子板可以插入引腳連接器，利用TMS320C6416DSK板提供的硬件設計資源。擴展引腳類(lèi)型包括存儲器信號引、外圍設備信號引腳和主機端口接口信號引腳。存儲器信號引腳提供DSP異步EMIF信號訪(fǎng)問(wèn)存儲器或者存F器映射設備。外圍設備信號引腳提供DSP外圍設備信號.例如多道緩沖串行El(MCBSP)、時(shí)鐘(TIMER)。這兩類(lèi)型的引腳連接器提供子板的電源和地信號。采用美國Syscan公司的黑白線(xiàn)陣CIS圖像傳感器SV253A4，分辨率為200dpi，掃描長(cháng)度為216ram，掃描速度為0.36ms／行，單一模擬視頻輸出信號。采用美國Exar公司的高速線(xiàn)陣CIS／CCD傳感器處理器XRD98L23ACD完成對CIS圖像傳感器輸出信號的放大、A／D等處理，其分辨率為8位，具有6位程控增益放大器，8位程控偏移調節器。采用緩沖器74HC244完成傳感器處理器輸出數據的緩沖。
2.2硬件設計框圖
利用DSP芯片支持庫開(kāi)發(fā)方法，將軟件模塊對應為硬件模塊，系統的框圖如圖1所示。由TMS320C6416DSK開(kāi)發(fā)板定時(shí)器(TIMER)模塊提供圖像傳感器SV253A4和傳感器處理器XRD98L23ACD的時(shí)鐘信號。通用輸入輸出口(GPIO)模塊和多道緩沖串行口(MCBSP)模塊配合，模擬傳感器處理器XRD98L2 3ACD控制字的寫(xiě)入時(shí)序，完成控制字的寫(xiě)入。EDMA模塊和EMIFA模塊配合采用EDMA方式讀取外部存儲器數據的方法讀取緩沖器74HC244內數據到DSP內部存儲器。中斷模塊完成TIMER模塊的時(shí)鐘中斷設置，該時(shí)鐘中斷觸發(fā)EDMA模塊相應通道完成數據讀取。

2.3硬件設計電路
硬件電路如圖2所示，圖像傳感器SV253A4的VOUT引腳信號為輸出視頻信號， CP引腳信號為時(shí)鐘脈沖輸入信號， SP引腳信號為開(kāi)始脈沖信號。

傳感器處理器XRD98L23ACD的RED引腳信號為紅分量輸入信號，DB0~DB4引腳信號為數據輸出位0~4信號，復用DB5／SCLK引腳信號數據輸出位5或者數據輸入SCLK信號，復用DB6／SDA7A引腳信號數據輸出位6或者數據輸入SDATA信號，復用DB7／LD引腳信號數據輸出位7或者LD信號，ADCCLK引腳信號為A／D轉換時(shí)鐘信號，CLAMP引腳信號為鉗位和視頻采樣信號，SYNCH引腳信號為新行開(kāi)始和串行數據輸入控制信號。
緩沖器74HC244的1A1~1A4和2A1~2A4引腳信號為兩組數據輸入信號， 1Y1~1Y4和2Y1~2Y4引腳信號為兩組數據輸出信號， 1G和2G引腳信號為低電平有效使能信號。
TMS320C6416DSK的T0UT0和T0UTl引腳信號為定時(shí)器0和定時(shí)器1輸出信號，CLKX0引腳信號為MCBSP0傳輸時(shí)鐘信號，DX0引腳信號為MCBSP0傳輸數據信號，GPIOx引腳信號為通用輸入輸出信號，AED0~AED7引唧信號為EMIF數據引唧0~數據引腳7信號，AARE引腳信號為EMIF異步讀使能信號， AEA21引腳信號為EMlF地址引腳21信號。
TMS320C6416DSK的TOUT0輸出引腳為傳感器處理器XRD98L23ACD提供占空比為50％的10MHz時(shí)鐘ADCCLK輸入信號，TOUTl輸出引腳為圖像傳h器SV253A4提供占空比為25％的5MHz時(shí)鐘CP輸入信號；CLKX0、DX0、GPIOx輸出引腳分別為傳感器處理器XRD98L23ACD提供控制字寫(xiě)入時(shí)序的SCLK、SDATA、LD、SYNCH輸入信號；GPIOx輸出引腳提供圖像傳感器SV253A4的SP輸入信號和傳感器處理器XRD98L23ACD的鉗位和視頻采樣CLAMP輸入信號；AARE、AEA2l輸出引腳與邏輯組合提供緩沖器74HC244的1G和2G輸入信號：AED0~AED7輸入引ソ郵棧撼迤74HC244的lYl~2Y4輸出信號。
圖像傳感器SV253A4的VOUT輸出信號為傳h器處理器XRD98L23ACD提供單通道RED輸入信號。傳感器處理器XRD98L23ACD的DB0~DB7輸出信號為緩沖器74HC244提供1A1~2A4輸入信號。
2.4 硬件工作流程
系統上電后，TMS320C6416DSK由MSBSP和GPIO模塊按照傳感器處理器XRD98L23ACD寫(xiě)入時(shí)序寫(xiě)入控制字，使傳感器處理器開(kāi)始工作。GPIO模塊發(fā)送SP輸入信號，使圖像傳感器開(kāi)始行采集；TIMER模塊發(fā)送CP輸入信號模塊，使圖像傳感器開(kāi)始采集一個(gè)點(diǎn)，同時(shí)產(chǎn)生時(shí)鐘中斷事件， 觸發(fā)EDMA模塊的時(shí)鐘中斷事件通道完成一次EDMA操作，即EDMA模塊通過(guò)EMIF模塊使能緩沖器， 讀取經(jīng)過(guò)傳感器處理器A／D轉Q過(guò)采集點(diǎn)的數字信號。 然后觸發(fā)EDMA中斷，完成對采集到的數據處理、修改EDMA目的地址和其它計算。當采集了一行后， 發(fā)送SP輸入信號開(kāi)始新的一行采集， 工作時(shí)序如圖3所示。

3 系統軟件設計
軟件采用TI公司提供的Code Composer Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境，用TMS320C6416芯片支持庫API開(kāi)發(fā)方式，C語(yǔ)言編程開(kāi)發(fā)。軟件設計包括CMD連接命令設計、中斷服務(wù)表設計、主程序設計。
3.1 連接命令設計
由于采用TMS320C6416DSK硬件平臺，根據其存儲器映射，如表1所列，使用連接器偽指令MEMORY定義了5個(gè)區域反映TMS320C6416DSK存儲器映射情況，然后使用連接器偽指令SECTIONS把目標文件的各個(gè)代碼段和數據段分配到上述5個(gè)區域。采用Daughter Card區域的EMIFA CE2區域的首地址OxA0000000作為緩沖器74HC244的地址。
3.2中斷服務(wù)表設計
中斷服務(wù)表包含中斷服務(wù)代碼的取址包的一個(gè)地址表，當CPU開(kāi)始處理一個(gè)中斷時(shí)，參照中斷服務(wù)表進(jìn)行。C6000的CPU有3種類(lèi)型中斷：RESET(復位)、不可屏蔽中斷(NMI)和可屏蔽中斷(INT4一INTl5)。中斷服務(wù)表包含16個(gè)連續取指包，每個(gè)中斷服務(wù)取指包都包含8條指令。需要設置REsET復位向量指向C運行環(huán)境的入口點(diǎn)_c_int00。由于系統使用的時(shí)鐘中斷和EDMA中斷，需要設置時(shí)鐘中斷和EDMA中斷向量指向各自中斷服務(wù)程序的入口。設置其它中斷向量指向虛擬中斷服務(wù)程序入口，即不作任何處理，直接中斷返回。

3.3主程序設計
主程序描述了完成系統功能的變量、常量、main函數、EDMA中斷服務(wù)程序和系統初始化程序的定義。系統初始化函數完成芯片支持庫、中斷服務(wù)表、中斷模塊、GPl0模塊、EDMA模塊、MCBSP模塊、EMIFA模塊、定時(shí)器模塊和傳感器處理器XRD98L23ACD的初始化。E3MA中斷服務(wù)程序完成EDMA目標地址參數的修改和相關(guān)變量計算。Main函數調用系統初始化函數，然后啟動(dòng)定時(shí)器，響應EDMA中斷。
使用芯片支持庫編程必須首先初始化芯片支持庫，調用芯片支持庫API函數CSL―init完成。
調用芯片支持庫API函數IRQ_setVecs完成中斷服務(wù)表初始化，參數為連接命令文件定義的中斷服務(wù)表全局標識符。
調用芯片支持庫API函數IRQ_globalEnable、IRQ_nmiEnable分別使能全局中斷和不可屏蔽中斷。這樣系統才能響應EDMA中斷，調用支持庫API函數IRQ_enable使能EDMA中斷。參數為IRQ_EVT_ EDMANT表示響應EDMA中斷事件。
使用GPIO設備前，必須調用芯片支持庫API函數GPIO_open打開(kāi)GPIO設備，然后調用芯片支持庫API函數GPIO―configArgs設置GPIO模式，參數為GPIO相關(guān)寄存器值。GtIO模式主要包括各GPIO的使能、方向和初值。
使用EDMA設備前必須調用EDMA_open打開(kāi)EDMA一個(gè)通道。因為系統使用定時(shí)器l中斷事件作為EDMA的觸發(fā)事件，所以打開(kāi)的通道參數為EDMA_CHATINl 。調用芯片支持庫API函數EI)MA―configArgs設置EDMA定時(shí)器1通道，參數為EDMA相關(guān)寄存器值。通道設置主要包括EDMA的數據單元的字長(cháng)為8位、傳輸結束中斷使能、事件鏈接不使能、源地址為OxA0000000、數據單元數為l、目的地址為存儲數組首地址。目前是用定時(shí)器l中斷事件觸發(fā)EDMA傳輸一采集點(diǎn)數據，同時(shí)定時(shí)器l中斷事件產(chǎn)生TINTl輸出信號也是CP輸入信號，這樣EDMA觸發(fā)時(shí)序和CP輸入信號同步。只要傳感器處理器能夠在兩次CP信號間隔內完成一次采集點(diǎn)A／D等處理，就可以實(shí)現圖像傳感器采集一個(gè)點(diǎn)后，進(jìn)行一次EDMA傳輸，確保EDMA傳輸采集點(diǎn)無(wú)重復無(wú)遺漏。如果采用定時(shí)器l中斷事件觸發(fā)方式，即CP輸入信號同步方式，那么數據單元數為l，使能傳輸結束中斷。在完成一次傳輸后，觸發(fā)EDMA傳輸完成事件中斷，完成目的地址的修改和其它計算。因為需要采集的點(diǎn)很多，遠遠超過(guò)參數鏈接的數目限制，不能靜態(tài)設置參數鏈接，只能動(dòng)態(tài)修改EDMA目的地址，所以不使能事件鏈接。
可以采用SP輸入信號作為外中斷事件觸發(fā)信號，觸發(fā)EDMA外中斷事件通道傳輸一行采集點(diǎn)數據。數據單元數為一行采集點(diǎn)數，根據數據單元字長(cháng)設置自動(dòng)修改EDMA目的地址。采用這種觸發(fā)方式后，EDMA目的地址修改和各采集點(diǎn)傳輸可以自動(dòng)完成，為了確保EDMA傳輸采集點(diǎn)無(wú)重復無(wú)遺漏，必須控制EDMA與圖像傳感器時(shí)序同步。同步的含義是考慮到傳感器處理器A／D等處理的延時(shí)的同步，可這樣的外中斷事件觸發(fā)方式需要考慮到TMS320C6416DSK的EMDA的工作時(shí)序、圖像傳感器工作時(shí)序和傳感器處理器工作時(shí)序，不如定時(shí)器中斷事件觸發(fā)容易實(shí)現，但是數據傳輸性能要高。
使用MCBSP設備前必須調用芯片支持庫API函數MCBSP_open打開(kāi)MCBSP的一個(gè)設備，因為系統使用MCBSPO的CLKXO引腳信號和DXO引腳信號，所以打開(kāi)的設備參數為MCBSP_DEV0。調用芯片支持庫API函數McBSP_configArgs設置MCBSPO設備，參數為MCBSP相關(guān)寄存器值。設備設置主要包括，根據傳感器控制器控制字寫(xiě)入時(shí)序的SCLK信號，設置采樣頻率發(fā)生器時(shí)鐘模式為內部時(shí)鐘和分頻值。 由GPIO模塊產(chǎn)生控制器控制字寫(xiě)入時(shí)序的SYNcH信號和LD信號，由MCBSP模塊產(chǎn)生控制器控制字寫(xiě)入時(shí)序的SCLK信號和SDATA信號，將控制字寫(xiě)入到傳感器處理器?？刂谱譃?1位，前三位S2、S1、SO組合表示寫(xiě)入寄存器的編碼，D7～DO表示寫(xiě)入寄存器的8位數據。傳感器控制器XRD98123ACD寫(xiě)入時(shí)序如圖4所示。

由于系統分配緩沖器地址為OxAOOOOOOO，即EMIFACE2首地址，所以需要調用芯片支持庫API函數EMIFA_configArgs設置EMIFA。設置主要包括CE2的讀圖4傳感器控制器XRD98L23ACD寫(xiě)入時(shí)序寫(xiě)建立時(shí)間、觸發(fā)時(shí)間、保持時(shí)間和存儲器類(lèi)型為8位異步類(lèi)型。因為緩沖器可以理解成外部存儲器，但是不是實(shí)際的標準存儲器類(lèi)型，不具有標準的EMIFA引腳連接方式，所以不能按照標準類(lèi)型進(jìn)行設置,需要進(jìn)行實(shí)驗調試設置。
使用定時(shí)器設備前，必須調用芯片支持庫API函數TIMER_open，打開(kāi)TIMER的一個(gè)設備。由于系統使用定時(shí)器O和定時(shí)器1，所以打開(kāi)的設備參數為T(mén)IMER_DEVO和TIMER_ DEVl。調用芯片支持庫API函數TIMER_configArgs設置TIMERO和TIMERl設備，參數為T(mén)IMER相關(guān)寄存器值。系統CPU時(shí)鐘為72OMHz。TIMERO設置主要包括時(shí)鐘源為內部時(shí)鐘源，頻率為CPU時(shí)鐘8分頻，即9OMHz、時(shí)鐘模式使能、TOUTO為時(shí)鐘輸出引腳和時(shí)鐘周期為9。TIMERl設置主要包括時(shí)鐘源為外部時(shí)鐘源，頻率為2OMHz、脈沖模式使能、脈沖寬度為1、TOUTl為時(shí)鐘輸出引腳和時(shí)鐘周期為l。通過(guò)這樣的設置，TOUTO可以提供1OMHz，50％占空比時(shí)鐘輸出信號；TOLTl可以提供5MHz，25％占空比時(shí)鐘輸出信號。

結語(yǔ)
本文分析了基于TMS320C6416處理器的嵌入式實(shí)時(shí)圖像采集系統設計方案，充分利用了TMS32Oc6416DSK硬件和軟件資源，為基于DSP芯片的有關(guān)圖像的嵌入式實(shí)時(shí)系統應用，提供了一個(gè)技術(shù)參考。