基于BF533的嵌入式智能視覺(jué)監控系統設計

1 系統硬件平臺設計

系統使用的主芯片是ADI公司Blackfin系列DSP中的BF533，這是一款專(zhuān)門(mén)面向視頻應用的DSP，擁有豐富的外設接口和較好的系統擴展性。本系統利用BF533的PPI接口采集數字圖像，利用芯片的EBIU總線(xiàn)，擴展SDRAM和網(wǎng)絡(luò )芯片。BF533工作在600MHz頻率，單個(gè)芯片即可完成對運動(dòng)目標跟蹤和網(wǎng)絡(luò )傳輸等功能?；贐F533的嵌入式系統的外圍電路主要可分為三個(gè)部分：圖像采集部分，網(wǎng)絡(luò )傳輸部分，存儲器部分。系統硬件框圖如圖1：

圖1 系統硬件框圖

圖像采集電路部分采用了TI公司的TVP5150A型視頻解碼芯片，它將NTSC/PAL/SECAM制式的視頻信號轉換成8bits的ITU-656格式，并按照YCbCr格式以4:2:2的比例轉化成數字信號，支持兩路模擬輸入，解碼芯片通過(guò)I2C串行接口編程。

網(wǎng)絡(luò )傳輸部分采用LAN91C111芯片。這是SMSC公司為嵌入式應用系統推出的第三代快速以太網(wǎng)控制器。本系統中，LAN91C111被當作了是異步存儲空間，利用AMS3把它映射在BF533的0x20300000地址空間。這樣就可以通過(guò)DMA操作實(shí)現對LAN91C111內部存儲空間讀寫(xiě)操作，提高了傳輸效率并使復雜的網(wǎng)絡(luò )數據傳輸過(guò)程簡(jiǎn)單化。

存儲器部分BF533的存儲結構是統一的4GB尋址空間。同步存儲器、異步存儲器、外設存儲空間和片內存儲器全部統一映射在4GB的空間。BF533的EBIU接口中有專(zhuān)門(mén)的SDRAM控制單元SDC，可以和SDRAM無(wú)縫連接。BF533支持的SDRAM地址是從0x00000000到0x08000000的空間，最大128MB。本系統中使用MICRON公司的MT48LC系列SDRAM，存儲空間32MB，用于存儲圖像處理中的中間結果。另外，BF533支持四塊連續的異步存儲空間，每塊空間大小為1MB，地址從0x20000000到0x20400000，由相應的AMS0-AMS3引腳選擇使能。本系統使用的是ST公司的M29W系列FLASH，大小1MB。由AMS0片選使能，映射在BF533的第一塊異步存儲空間。

2 ucos-ii的移植

ucos-ii是一種具有可剝奪實(shí)時(shí)內核的實(shí)時(shí)操作系統，而且是免費公開(kāi)源代碼、結構小巧。其內核提供任務(wù)調度與管理、時(shí)間管理、任務(wù)間同步與通信、內存管理和中斷服務(wù)等功能，具有執行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴展性強等特點(diǎn)。最小內核可編譯至2KB，適合小型控制系統。與CPU 硬件相關(guān)的部分用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，其他絕大部分代碼采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。ucos-ii在硬件平臺上的移植主要分為兩大步驟：ucos-ii中與處理器相關(guān)的程序的修改、應用程序的添加。

2.1 ucos-ii與嵌入式監控系統的軟硬件架構

所有的嵌入式操作系統都是與CPU密切相關(guān)的，做移植前需要熟悉被移植CPU平臺的硬件架構和ucos-ii的運行原理，圖2是ucos-ii與本嵌入式監控系統的軟硬件架構。

圖2 系統架構圖

2.2 基于BF533的ucos-ii的移植

移植ucos-ii需要理解處理器及C編譯器的技術(shù)細節。處理器和編譯器滿(mǎn)足了ucos-ii的要求，并且已經(jīng)有了必要工具。移植工作通常包括以下幾個(gè)內容：

A 用#define設置一個(gè)常量的值（OS_CPU.H）;

B 聲明10個(gè)數據類(lèi)型（OS_CPU.H）;

C 用#define聲明三個(gè)宏（OS_CPU.H）;

D 用C語(yǔ)言編寫(xiě)六個(gè)簡(jiǎn)單的函數（OS_CPU_C.C）;

E 編寫(xiě)四個(gè)匯編語(yǔ)言函數（OS_CPU_A.ASM）;

針對不同的CPU平臺，移植ucos-ii的過(guò)程也會(huì )有稍許不同。在本系統中，移植過(guò)程大致分為兩大部分：1）修改部分文件使ucos-ii與DSP能夠實(shí)現良好的接口（主要指ucos-ii對DSP硬件架構的支持）;2）添加針對嵌入式監控系統硬件平臺的初始化及驅動(dòng)代碼。

2.2.1 針對BF533的ucos-ii的代碼修改

由于BF533是基于MSA（微信號架構）的16位定點(diǎn)DSP，為了能與ucos-ii數據處理單位統一，需要在OS_CPU.H文件中設置BF533的數據單元長(cháng)度。部分宏定義代碼如下：

typedef bool BOOLEAN;

typedef signed char INT8S;

typedef signed short int INT16S;

typedef signed int INT32S;

另外在OS_CPU.H文件中還需設置幾個(gè)堆棧的參數如堆棧的增長(cháng)方向、堆棧的操作單位等。BF533支持的是自頂向下的堆棧增長(cháng)方式，即堆?？臻g從高地址向低地址增長(cháng)。單次堆棧操作單位是INT32U。最后在OS_CPU.H還要對三個(gè)函數進(jìn)行宏定義：屏蔽所有中斷，恢復所有中斷，進(jìn)行任務(wù)切換。這三個(gè)函數在ucos-ii中十分重要，前兩個(gè)是為了保證一些重要函數或任務(wù)運行中的數據不會(huì )被改變（即通常所說(shuō)的代碼臨界段），第三個(gè)是用于ucos-ii的任務(wù)切換，在ucos-ii中要求任務(wù)的切換就好象是剛發(fā)生過(guò)一次中斷一樣。在本系統中首先假設申請切換的任務(wù)已經(jīng)把相關(guān)的寄存器變量等參數保存，并將堆棧指針指向了優(yōu)先級高的任務(wù)。這樣任務(wù)切換函數就只需要完成中斷返回操作。

開(kāi)發(fā)軟件采用VisualDSP++，它的編譯器支持在C語(yǔ)言中嵌入匯編，因此我們把這個(gè)宏定義直接寫(xiě)成了一條軟件中斷指令：raise 14。這樣一旦系統進(jìn)行任務(wù)切換，實(shí)際上引起了一個(gè)中斷操作，在OS_CPU_A.ASM文件中我們在此中斷操作中完成任務(wù)切換前的保存寄存器等工作，最后是一條中斷返回指令：RTS。這樣優(yōu)先級更高的任務(wù)運行時(shí)就會(huì )好像剛從中斷返回一樣。

在文件OS_CPU_A.ASM中還需要編寫(xiě)幾個(gè)匯編函數來(lái)實(shí)現ucos-ii的時(shí)鐘節拍、正常任務(wù)切換、中斷級任務(wù)切換、初始化任務(wù)堆棧等功能。

在ucos-ii中，我們可以把時(shí)鐘節拍TICKS比做是它的心臟節拍。TICKS為系統提供了一個(gè)時(shí)間基準并為各個(gè)任務(wù)提供了時(shí)間等待等服務(wù)。本系統使用BF533的核心定時(shí)器來(lái)完成系統時(shí)鐘節拍的功能。系統TICKS設定的是100mS。以下是部分初始化核心定時(shí)器的匯編代碼：

_CoreTimerInit:

p1.H = （ TCNTL >>16 ）; //設置時(shí)間控制寄存器

p1.L = （ TCNTL 0xFFFF ）;

r3 = 1;

[ p1 ] = r3;

p1.H = （ TCOUNT >>16 ）; //裝載計數值

p1.L = （ TCOUNT 0xFFFF ）;

[ p1 ] = r1;

p1.H = （ TCNTL >>16 ）; //開(kāi)啟定時(shí)器

p1.L = （ TCNTL 0xFFFF ）;

r1 = 0x07;

[ p1 ] = r1;

_CoreTimerInit.end:

除增加上述功能函數外，在ucos-ii啟動(dòng)代碼的程序中加入BF533的一些必須的初始化程序如CPU頻率的設定等， ucos-ii就可以在本系統上運行起來(lái)。

2.2.2 嵌入式監控系統在ucos-ii中的系統驅動(dòng)程序添加

ucos-ii移植完成后，嵌入式系統要實(shí)現應有的功能還需要添加一些外圍電路的驅動(dòng)程序如：網(wǎng)卡芯片LAN91C111的初始化程序，視頻A/D芯片的初始化程序等。由于Blackfin系列DSP支持存儲空間的DMA操作，為了充分發(fā)揮BF533的硬件優(yōu)勢，本系統專(zhuān)門(mén)建立一個(gè)文件DMA_TRANS.C實(shí)現多個(gè)存儲空間的DMA操作的初始化配置，以方便各個(gè)任務(wù)實(shí)現其功能調用。以下就是實(shí)現網(wǎng)卡芯片DMA存儲操作的部分配置文件：

void init_dma（LAN91C111_DATA ＊d）

｛dev =d; // 為L(cháng)AN91C11設置一個(gè)全局靜態(tài)變量，實(shí)現對它的數據訪(fǎng)問(wèn)

SET_SHORT（（dev->DstStreamBaseAddr+OFFSET_CONFIG）,（unsignedshort）0x0）;

// 對目標地址的配置清零

SET _SHORT（（dev->SrcStreamBaseAddr+OFFSET_CONFIG）,（unsigned short）0x0）;

//對源地址的配置清零

dma_mask_en（1）; //將SIC控制寄存器的相應DMA傳輸位置1。｝

2.3 基于ucos-ii和監控系統的任務(wù)程序添加

在ucos-ii中系統的各個(gè)應用程序被當成是任務(wù)，每個(gè)任務(wù)被分配一個(gè)優(yōu)先級，ucos-ii支持的最大任務(wù)數可在OS_CFG .H文件中指定。ucos-ii可以管理多達64個(gè)任務(wù)，并從中保留了四個(gè)最高優(yōu)先級和四個(gè)最低優(yōu)先級的任務(wù)供自己使用，所以用戶(hù)可以使用的只有56個(gè)任務(wù)。因為ucos-ii不支持相同優(yōu)先級的任務(wù)，所以每建立一個(gè)任務(wù)就需要為任務(wù)分配一個(gè)優(yōu)先級并建立一個(gè)獨立的堆?？臻g。

本智能監控系統主要實(shí)現對運動(dòng)目標的跟蹤監控和將原始數字圖象轉化為BMP格式并向網(wǎng)絡(luò )發(fā)送現場(chǎng)圖片的功能。在ucos-ii中分配了兩個(gè)任務(wù)優(yōu)先級0和1給對運動(dòng)目標的跟蹤和網(wǎng)絡(luò )傳輸。之所以使網(wǎng)絡(luò )傳輸的任務(wù)優(yōu)先級低于對運動(dòng)目標跟蹤的任務(wù)，是因為考慮到網(wǎng)絡(luò )延時(shí)等因素會(huì )造成對運動(dòng)目標跟蹤的實(shí)時(shí)性效果比較差，對圖像做二值化和差分等運算的時(shí)間不大于150mS以及攝像機云臺運動(dòng)一次的時(shí)間大概是500mS。本系統在對運動(dòng)目標跟蹤任務(wù)中采取的策略是：每當任務(wù)完成一次跟蹤，就使自己進(jìn)入掛起狀態(tài)，直到每秒定時(shí)到后，在時(shí)鐘節拍中斷服務(wù)程序中喚醒該任務(wù)使之處于就緒狀態(tài)。

嵌入式系統常用在一些特定專(zhuān)用設備上，通常這些設備的硬件資源（如處理器、存儲器等）非常有限，并且對成本很敏感，實(shí)時(shí)響應要求很高，特別是在面向視頻應用的系統中。嵌入式操作系統具有體積小、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。嵌入式操作系統ucos-ii就是基于任務(wù)優(yōu)先級搶占的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。

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