基于PCI總線(xiàn)的電視圖像處理仿真系統

隨著(zhù)電視圖像處理系統性能的提高，設計人員需要不斷采納新的數字圖像處理算法，如何對這些新算法進(jìn)行評估，如何將理論設計轉化成工程應用成為設計人員關(guān)心的首要問(wèn)題。

實(shí)現電視圖像信號處理需要設計一套復雜的電路系統，且硬件電路的設計應綜合考慮高速DSP芯片的開(kāi)發(fā)、超大規模集成電路設計、視頻轉換、接口等復雜電路。設計印刷電路板和調試將占用設計人員較多的工作時(shí)間，較長(cháng)的研制周期和較高的研制經(jīng)費均不利于圖像處理新思路、新算法向工程應用的轉化。仿真系統能較大程度降低硬件電路設計的復雜性，縮短研制周期，有利于科研設計人員集中精力對新算法進(jìn)行評估和測試。

能否實(shí)時(shí)采集和實(shí)時(shí)處理電視圖像信號是設計仿真系統的關(guān)鍵問(wèn)題。鑒于微型計算機運算速度的提高和PCI總線(xiàn)的高速特性，基于PCI總線(xiàn)設計電視圖像處理系統的實(shí)時(shí)仿真系統成為了可能。本系統使用微型計算機仿真電視圖像處理系統來(lái)對圖像進(jìn)行處理，使用PCI插卡電路，實(shí)現圖像數據采集數據的實(shí)時(shí)采集和發(fā)送。PCI總線(xiàn)的發(fā)展，打破了傳統微型計算機數據傳送的瓶頸，傳統微型計算機總線(xiàn)的最大缺點(diǎn)是傳輸速率太低，不能實(shí)現圖像數據的實(shí)時(shí)傳輸，更不能滿(mǎn)足圖像處理系統和大型應用程序的要求。PCI總線(xiàn)作為一種同步，且獨立于處理器的32位局部總線(xiàn)，其最高工作頻率為33 MHz，數據傳輸峰值吞吐率可達132Mb／s。因而用PCI總線(xiàn)傳送1場(chǎng)(256×256×32位數據)信號的時(shí)間不大于20 ms。由于電視信號存在空間和時(shí)間上的冗余，如對信號進(jìn)行壓縮，則傳送一場(chǎng)信號所需的時(shí)間將會(huì )更短。因此，在仿真系統中，利用PCI總線(xiàn)將數據圖像信息直接傳輸到系統內存中，對數據進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸、存儲和處理是可能的。

1 系統的結構與功能

由于采用了微型計算機作為數據處理系統，因而可使硬件電路設計的工作量大大降低，仿真系統僅需要設計一PCI插卡，就可實(shí)現圖像數據的適時(shí)采集和處理。系統的原理框圖如圖1所示。

采用PCI總線(xiàn)視頻處理卡對圖像進(jìn)行預處理和視頻A／D轉換，再通過(guò)PCI總線(xiàn)將數字圖像信息寫(xiě)入計算機系統內存，使用高級語(yǔ)言編程，實(shí)現數字圖像的預處理、分割、目標圖像處理、匹配等算法。

2 PCI總線(xiàn)視頻信號處理卡

PCI總線(xiàn)視頻處理卡由模擬視頻信號處理、視頻信號A／D轉換、PCI總線(xiàn)數據采集和信號傳輸等部分組成。

2．1 視頻處理和視頻A／D轉換

視頻信號經(jīng)過(guò)電纜傳輸后有一定的衰減并且迭加上噪聲信號，對A／D轉換前的原始視頻信號進(jìn)行放大和濾波處理，可以有效增強視頻信息，降低噪聲干擾。視頻A／D轉換芯片可供選擇的種類(lèi)比較多，如SAA7111，BT218等。

2．2 PCI總線(xiàn)數據采集和信號傳輸

PCI總線(xiàn)是成組數據的瘁發(fā)傳輸，每組數據是由一個(gè)地址信號和一系列的數據信號組成，PCI總線(xiàn)采用地址和數據復用結構，大大減少了信號數量，但PCI總線(xiàn)規范仍然十分復雜，其接口的實(shí)現比傳統ISA、EISA總線(xiàn)困難，連接到PCI總線(xiàn)上的設備可分為主控設備和目標設備兩類(lèi)，目標設備最少需要47個(gè)信號，主控設備最少需要49個(gè)信號，其中包括數據／地址復用總線(xiàn)、接口控制線(xiàn)、仲裁、總線(xiàn)命令、系統線(xiàn)等。在設計中，可采用以下兩種方案實(shí)現PCI總線(xiàn)的接口設計：

2．2．1 采用可編程邏輯器件實(shí)現PCI接口設計

目前幾乎所有的可編程邏輯器件廠(chǎng)商均有用于微型計算機接口的典型的PLD產(chǎn)品。多數廠(chǎng)家還提供用VHDL、Verilog、AHDL編制的PCI總線(xiàn)接口核心設計模塊。利用這些模塊可編程邏輯器件可以實(shí)現簡(jiǎn)單的PCI總線(xiàn)接口設計。由于可編程邏輯器件自身的特點(diǎn)，設計人員實(shí)現PCI接口設計時(shí)有更多的思維想象空間。

雖然使用可編程邏輯器件設計PCI接口具有靈活的特點(diǎn)，但在設計中仍存在以下需要關(guān)注的問(wèn)題：

(1)PCI具有順從性的特點(diǎn)，幾乎所有包含高性能數據和控制路徑中的邏輯都需要1個(gè)PCI系統時(shí)間的拷貝，這與PCI苛刻的負載要求相矛盾。另外，在完成某些功能如數據突發(fā)傳送時(shí)，往往需要很多時(shí)鐘負載，而時(shí)鐘上升沿到輸出有效時(shí)間必須小于11 ns，這進(jìn)一步加重時(shí)鐘扇出問(wèn)題。

(2)PCI規范對傳輸數據的7 ns建立時(shí)間要求苛刻，有時(shí)在設計中要使用模擬延遲來(lái)解決。

(3)任何完善的PCI接口器件都必須提供PCI配置空間，實(shí)現PCI規定功能需要完成邏輯校驗、地址譯碼、實(shí)現配置所需的各類(lèi)寄存器等基本要求，選用的可編程器件對其邏輯門(mén)的容量有較大的要求。

此外，在使用可編程邏輯器件設計插卡電路時(shí)還需加入FIFO、用戶(hù)寄存器、后端設備接口等電路，在一定程度上增大了電路設計的難度。