電視圖像處理仿真系統在PCI總線(xiàn)上的實(shí)現

　　隨著(zhù)電子技術(shù)和電視技術(shù)的發(fā)展，電視機由黑白電視機發(fā)展到模擬彩色電視機，現在已發(fā)展到數字彩色電視機。電視機有許多種分類(lèi)方式，如按所處理的信號，可分為模擬電視機和數字電視機； 按組成元件，可分為集成電路電視機和晶體管電視機。隨著(zhù)集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，集成電路電視機由 中規模集成電路、大規模集成電路發(fā)展到現在的超大規模集成電路電視機?，F在已有了許多單片化電視機 及圖像處理的集成芯片，本節主要介紹單片化彩色電視機及圖像處理的集成電路。

　　集成電路彩色電視機按制式可分為：NTSC制、PAL制和SECAM制等。我國采用PAL制式，標準的PAL制式彩 色電視機也稱(chēng)為PAL-D彩色電視機。典型的PAL－D彩色電視機電路主要由公共通道、伴音通道、解碼電路 、圖像重顯電路、控制電路和電源電路等部分組成。

　　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。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，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，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。

　　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。

　　2.2 PCI總線(xiàn)數據采集和信號傳輸

　　PCI是Peripheral Component Interconnect（外設部件互連標準）的縮寫(xiě)，它是目前個(gè)人電腦中使用最為廣泛的接口，幾乎所有的主板產(chǎn)品上都帶有這種插槽。PCI插槽也是主板帶有最多數量的插槽類(lèi)型，在目前流行的臺式機主板上，ATX結構的主板一般帶有5～6個(gè)PCI插槽，而小一點(diǎn)的MATX主板也都帶有2～3個(gè)PCI插槽，可見(jiàn)其應用的廣泛性。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

　　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，利用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。

　　在設計中仍存在以下需要關(guān)注的問(wèn)題：

　?。?）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。

　?。?）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。

　?。?）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。

　　2.2.2 選用PCI總線(xiàn)控制器專(zhuān)用芯片

　　采用專(zhuān)用芯片放置在插卡電路與PCI總線(xiàn)之間，提供傳遞數據和控制信號。如PLX公司開(kāi)發(fā)的PLX9080和PLX9054系列芯片，AMCC公司的S59xx系列等。AMCC公司的S5933是一種功能強、使用靈活的PCI總線(xiàn)控制器接口芯片，采用160PQFP和208TQFP 兩種封裝形式，符合PCI局部總線(xiàn)規范，也可作為PCI總線(xiàn)主控設備（Master）訪(fǎng)問(wèn)其他總線(xiàn)設備。原理框圖如圖2所示。

　　S5933提供了3種物理總線(xiàn)接口：PCI總線(xiàn)接口、ADD-ON總線(xiàn)接口及外部配置存儲器（BIOS-ROM）接口，數據傳輸可以在PCI總線(xiàn)與 ADD-ON總線(xiàn)之間或與外部配置存儲器之間進(jìn)行。PCI總線(xiàn)與ADD-ON總線(xiàn)之間的傳輸可以使用3種通道：信箱寄存器通道、FIFO通道和PASS- THRU通道。

　?。?）信箱寄存器通道。S5933的信箱寄存器（MAILBOXES）提供雙向數據通路，主要用于多路／分路器與AD-DON總線(xiàn)之間傳輸命令和狀態(tài)信息，并可基于指定MAILBOX事件，可在PCI總線(xiàn)或ADD-ON總線(xiàn)產(chǎn)生中斷。

　?。?）FIFO通道。FIFO通道主要包括2個(gè)32×8FIFO，分別實(shí)現從PCI到ADD-ON和ADD-0N到PCI的數據傳輸。

　?。?）PASS-THRU通道。PASS-THRU傳輸通道為PCI總線(xiàn)提供一種寄存的訪(fǎng)問(wèn)端口，通過(guò)握手協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)ADD-ON上的資源。

　　比較以上2種實(shí)現PCI接口的方案可知，用可編程邏輯器件能夠較靈活地實(shí)現所需要的功能。針對本系統PCI接口電路設計，并非要實(shí)現PCI規范中的所有功能，用可編程邏輯器件也可以提供解決問(wèn)題的方案。但為了達到PCI指標的苛刻要求，需要做大量的邏輯驗證和時(shí)序分析工作。

　　3 計算機數據處理

　　為了實(shí)現仿真功能，還需要開(kāi)發(fā)相關(guān)的圖像處理和控制接口軟件。由于Windows操作系統為了保證系統的安全性、穩定性和可移植性，對應用程序訪(fǎng)問(wèn)硬件資源加以限制，因此無(wú)論采用可編程邏輯器件或者使用專(zhuān)用接口芯片實(shí)現PCI接口設計，都需要開(kāi)發(fā)相關(guān)設備驅動(dòng)程序，實(shí)現計算機軟件對PCI硬件設備的訪(fǎng)問(wèn)。

　　3.1 設備驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)

　　開(kāi)發(fā)設備驅動(dòng)程序有多種開(kāi)發(fā)工具可以選擇。主要包括：微軟的軟件包；Numega公司的VtoolsS；KRF-Tech公司的WinDriver。

　　在開(kāi)發(fā)設備驅動(dòng)程序之前首先要對硬件設備特性、總線(xiàn)結構、中斷設置、數據傳輸機制及設備內存等進(jìn)行分析。驅動(dòng)程序要完成的基本功能包括設備的初始化、對端口的讀寫(xiě)操作、中斷的設置、響應和調用以及對內存的直接讀寫(xiě)等。

　　3.2 仿真系統驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)

　　在計算機系統內存中開(kāi)辟一段空間，存儲通過(guò)PCI總線(xiàn)傳輸的數字圖像信息和受控系統反饋量，使用VC++編程實(shí)現計算機內存的讀寫(xiě)操作，憑借計算機高速運算功能，實(shí)現圖像的數字濾波、直方圖統計、二值化處理、邊緣檢測、目標特征選擇等圖像處理算法，并將采集到的圖像、反饋量和處理過(guò)的圖像、反饋量顯示到計算機監視器上，設計人員可以直接獲得圖像處理中間過(guò)程的各種數據，通過(guò)對圖像處理中間過(guò)程的監控，設計人員可以較方便發(fā)現不同圖像處理算法的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　4 結語(yǔ)

　　采用本文方法設計的電視圖像仿真系統已在某武器系統對目標的紅外圖像識別、處理和控制的研制中獲得成功運用。本系統充分利用PCI總線(xiàn)的高速特性和微型計算機的數據處理自由度大，靈活可靠的特點(diǎn)，有效地解決了電視圖像的實(shí)時(shí)采集、傳輸、存儲和實(shí)時(shí)處理等問(wèn)題，同時(shí)為設計人員的技術(shù)儲備和系統前期設計提供幫助，具有很強的應用價(jià)值。