PCI與DSP的某型導彈景象匹配制導系統設計

1 引 言

本文從實(shí)時(shí)性和大容量?jì)煞矫娼榻B了在某型導彈景象匹配制導系統中通用計算機上加入DSP加速卡實(shí)現的圖像采集系統。利用DSP芯片的高速處理特性完成大部分的圖像處理工作，上位機只完成輔助操作和存儲系統。這種方法發(fā)揮了DSP的高速性能又具有相當大的靈活性，而且開(kāi)發(fā)工具比較完善。導彈景象匹配制導系統在傳輸實(shí)時(shí)景物圖像時(shí)要求足夠的傳輸速度，PCI總線(xiàn)速度最高可達528MB/S（66MHz、64位）。這是其他總線(xiàn)無(wú)法比擬的速度，如ISA總線(xiàn)速度只有5MB/S。另外，該系統中DSP的可擴展存儲空間高達1GB。這完全可以滿(mǎn)足導彈景象匹配制導系統中圖像處理的需要。

2 基于PCI總線(xiàn)的DSP圖像采集系統

本系統主要用于敏感導彈飛行航線(xiàn)下面或目標地區的實(shí)時(shí)景物圖像，系統拍下敏感到的圖像數據并傳送到DSP進(jìn)行處理，然后經(jīng)PCI總線(xiàn)把處理后的數據上傳到上位機，與預存在相關(guān)器中的基準景物圖像比較，以獲取誤差信號，形成導引指令，控制導彈飛向目標。當然這套系統也可用于其他的視頻會(huì )議、視頻點(diǎn)播以及監控系統，如大型超市監控、寫(xiě)字樓監控等，其硬件系統基本一致，只是軟件功能有所區別。

系統采用了TI公司C6000系列DSP中的TMS320C6211[1] [2]作為系統的CPU。圖像數據通過(guò)光學(xué)成像或微波成像裝置采集并輸出模擬圖像信號。這些信號經(jīng)視頻解碼芯片轉換為數字信號；再經(jīng)FIFO輸入DSP進(jìn)行圖像的增強、分割、特征提取和數據壓縮等；然后輸出信號經(jīng)PCI解碼芯片轉換為符合PCI總線(xiàn)規范的標準信號，通過(guò)PCI總線(xiàn)接口傳到上位機。系統的控制邏輯由EPLD（Erasable Programmable Logic Device）控制器實(shí)現。系統結構圖如圖１所示：

（1）視頻解碼芯片

系統中采集的圖像信號采用Philips公司的SAA7111A[3]完成A/D轉換。SAA7111A允許四路模擬視頻輸入，具有兩個(gè)模擬處理通道，支持四路CVBS模擬信號或二路Y/C模擬信號或二路CVBS信號和一路Y/C信號。SAA7111A對攝像頭輸入的標準PAL格式的模擬圖像信號進(jìn)行A/D轉換，然后輸出符合CCIR601格式的4:2:2的16位YUV數據到FIFO。其中亮度信號Y為8位、色度信號Cr和Cb合為8位數據。FIFO采用IDT公司的IDT72V215LB芯片，FIFO的深度為512×18bit，支持STANDARD（標準）和FWFT（First Word Fall－Through，首字直接通過(guò)）兩種工作模式。按照CCIR601[4]格式，YUV圖像分辨率為720×576象素，當按行輸出時(shí)，SAA7111A輸出數據流大小為：720×16＝1440bit。因為DSP通過(guò)32位的SBSRAM接口與FIFO通信，故YUV數據寫(xiě)入FIFO時(shí)需要在FIFO之間實(shí)現乒乓切換。這時(shí)一行720×16bit的數據在兩片FIFO中存儲變?yōu)?60×32bit。兩片FIFO可以滿(mǎn)足上述要求。FIFO的初始化及時(shí)序由

EPLD實(shí)現。

(2)DSP圖像處理模塊

TMS320C6211是TI公司發(fā)布的面向視頻處理領(lǐng)域的新款高速數字處理芯片，適用于移動(dòng)通信基站、圖像監控、雷達系統等對速度要求高和高度智能化的應用領(lǐng)域。存儲空間分兩部分：

運行過(guò)程的臨時(shí)數據存在Winbond公司的兩片128Mbit的W981216BH[5]中；系統程序則固化在FLASH存儲器中，該存儲器選用AMD公司生產(chǎn)的8Mbit的AM29LV800B。Flash存儲器具有在線(xiàn)重寫(xiě)入功能。這對系統啟動(dòng)程序的修改和升級都帶來(lái)了很大的方便?；赥MS320C6211的圖像處理系統框圖如圖2所示：

TMS320C6211 DSP的高速性能主要體現在以下方面：

①TMS320C6211的存儲空間最大可擴展到1GB，完全可以滿(mǎn)足各種圖像處理系統所需的內存空間，而且其最高時(shí)鐘可達200MHz，峰值性能可達1600MIPS（百萬(wàn)條指令/秒）、2400MOPS（百萬(wàn)次操作/秒）。

②并行處理結構。TMS320C6211芯片內有8個(gè)并行處理單元，分為相同的兩組，并行結構大大提高芯片的性能。

③芯片體系采用VelociTI結構。VelociTI是一種高性能的甚長(cháng)指令字（VLIW）結構，單指令字字長(cháng)為32bit，8個(gè)指令組成一個(gè)指令包，總字長(cháng)為256bit。即每秒鐘可以執行8條指令。VelociTI結構大大提高了DSP芯片的性能。

④采用流水線(xiàn)操作實(shí)現高速度、高效率。TMS320C6211只有在流水線(xiàn)充分發(fā)揮作用的情況下，才能達到最高的峰值性能。與其他系列DSP相比，優(yōu)勢在于簡(jiǎn)化了流水線(xiàn)的控制以消除流水線(xiàn)互鎖，并增加流水線(xiàn)的深度來(lái)消除傳統流水線(xiàn)的取指、數據訪(fǎng)問(wèn)和乘法操作上的瓶頸。

本系統DSP主要完成從FIFO讀出數據的處理以及壓縮等。數據處理由自行編寫(xiě)的算法實(shí)現，數據壓縮算法采用JPEG（Joint Photographic Expert Group）標準。當光學(xué)成像或微波成像裝置采集速度為每秒25幀圖像時(shí)，它留給DSP處理的時(shí)間最多為每幀40ms。如果考慮系統有一定的延時(shí)以及處理后圖像的存儲時(shí)間，那么DSP處理一幅圖像時(shí)間不能超過(guò)30ms。按照C6211的處理速度，在30ms內可以處理48M（0.03×1600MIPS）條指令。DSP讀出FIFO中的行數據并存入SDRAM，一幀圖像有576行，在最后一行時(shí)會(huì )收到系統的幀中斷，這時(shí)SDRAM中的圖像數據總共有1440×576=810KB。讓C6211用36M條指令周期的時(shí)間處理810KB的數據顯然綽綽有余。粗略的計算過(guò)程如下：

系統采用快速DCT（離散余弦變換），每8×8矩陣需要11次乘法、29次加法，因此一幀圖像的FDCT，共需要（11＋29）×720×576×2/64=518400個(gè)指令周期；對于量化模塊，每8×8矩陣需要64個(gè)量化指令周期，一幀需要64×720×576×2/64=829440個(gè)指令周期；對于編碼部分，假設編碼后非0元素占25％，對每8×8矩陣進(jìn)行Zig－Zag掃描、編碼估計需要120個(gè)指令周期，則共需120×720×576×2/64=1555200個(gè)指令周期。按以上計算，在系統中進(jìn)行JPEG編碼大約需要2903040個(gè)指令周期，耗時(shí)19.3536ms（TMS320C6211工作在150MHz時(shí)）?？梢钥闯?，實(shí)際需要的指令遠小于36M條，而時(shí)間也遠小于30ms，DSP完全可以實(shí)時(shí)處理從FIFO傳過(guò)來(lái)的數據。

(3)PCI總線(xiàn)模塊

PCI總線(xiàn)規范吸引人的地方不僅是其高速度，更在于它適應了現代I/O設備對系統的要求，對PCI擴展卡及器件能進(jìn)行全自動(dòng)配置，并且只需很少的接口邏輯就可以實(shí)現并支持其他總線(xiàn)系統。TMS320C6211的HPI口不支持PCI總線(xiàn)的無(wú)縫接口。

本系統采用TI公司的PCI2040實(shí)現DSP的HPI與PCI總線(xiàn)的連接。DSP處理后的數據經(jīng)HPI口輸出到PCI2040進(jìn)行解碼，然后輸出到PCI總線(xiàn)上。其邏輯結構如圖3所示：

PCI2040是TI公司設計的專(zhuān)門(mén)用來(lái)完成C5000系列和C6000系列DSP與PCI總線(xiàn)進(jìn)行接口的專(zhuān)用芯片。PCI2040符合PCI局部總線(xiàn)2.2規范[6]，能夠方便地實(shí)現PCI總線(xiàn)與TMS320C54X或TMS320C6X DSP的HPI接口的無(wú)縫連接。PCI2040可以兼容3.3V和5V，以適應不同的PCI總線(xiàn)電壓。PCI2040與C6211之間不需要信號的電平轉換，也不需要額外的控制邏輯電路，接口電路十分簡(jiǎn)單。

在本系統中，PCI2040上存在兩種電壓：5V和3.3V。其中3.3V是HPI口電壓，5V是PCI總線(xiàn)電壓。PCI2040啟動(dòng)時(shí)需要對其PCI總線(xiàn)寄存器和HPI寄存器參數進(jìn)行預加載。系統中PCI解碼模塊包括一塊配置ROM—AT24C08A，屬于EEPROM型ROM，便于對配置參數修改和升級。當系統啟動(dòng)時(shí)，存儲在A(yíng)T24C08A的數據下載到PCI2040的寄存器中并進(jìn)行配置。

3 系統的軟件設計

本嵌入式圖像采集系統軟件包括兩部分：底層軟件和系統軟件。

底層軟件主要是DSP圖像處理算法以及啟動(dòng)等運行程序。這些程序主要在CCS環(huán)境下由C語(yǔ)言編寫(xiě)并進(jìn)行匯編優(yōu)化。CCS即Code Composer Studio，是TI公司發(fā)布的DSP軟件運行環(huán)境。

系統軟件方面，在Windows操作系統下，可以充分利用Windows的窗口特性，一方面，因為Windows技術(shù)成熟，軟件編寫(xiě)相對比較簡(jiǎn)單；另一方面，在Windows平臺下，PCI驅動(dòng)無(wú)需開(kāi)發(fā)，可以直接利用Windows的PCI驅動(dòng)程序實(shí)現圖像卡的驅動(dòng)。但是Windows操作系統比較龐大，而且無(wú)法依照系統的需要進(jìn)行自由裁減，不適合做成嵌入式系統。因而本系統采用了VxWorks[7]操作系統。相對于Windows操作系統，VxWorks的優(yōu)點(diǎn)表現在：

●VxWorks系統具有較好的可裁減性，可裁剪的組件超過(guò)80個(gè)，用戶(hù)可根據自己系統的功能目標通過(guò)交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境方便地配置。

●VxWorks支持應用程序的動(dòng)態(tài)鏈接和動(dòng)態(tài)下載，開(kāi)發(fā)者省去了每次調試都將應用程序與操作系統內核進(jìn)行鏈接和下載的步驟，縮短了編輯/調試周期。

●VxWorks具有較好的兼容性，它是最早兼容POSIX1003.1b標準的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統之一。

●VxWorks具有很高的可靠性和穩定性。

●VxWorks具有很好的實(shí)時(shí)性，實(shí)時(shí)性的強弱以完成規定功能和做出響應時(shí)間的長(cháng)短來(lái)衡量。VxWorks的多任務(wù)機制對任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級搶占（Preemptive Priority Scheduling）和輪轉調度（Round－Robin Scheduling）機制。這充分保證了可靠的實(shí)時(shí)性，使同樣的硬件配置能滿(mǎn)足更強的實(shí)時(shí)性要求，為應用的開(kāi)發(fā)留下更大的余地。

PCI設備的驅動(dòng)過(guò)程主要包括下面幾個(gè)步驟：

首先，PCI設備的查找。在嵌入式操作系統中一般提供相應的API函數查找。在VxWorks操作系統中通過(guò)函數pci FindDevice　(PCI＿VENDOR＿ID，PCI＿DEVICE，index, ＆pci Bus，＆pci Device，＆pci Func_可以找到供應商代碼為PCI＿VENDOR＿ID、設備標識為PCI＿DEVICE的第n（index＋1）個(gè)設備，并且返回總線(xiàn)號、設備號以及功能號，分別保存于＆pci Bus、＆pci Device、＆pci Func中。

其次，PCI設備的配置。通過(guò)操作系統提供的API函數訪(fǎng)問(wèn)PCI設備的配置空間，配置PCI設備基址寄存器的配置、中斷配置、ROM基地址寄存器的配置等，這樣可以得到PCI的存儲器空間和I/O地址空間映射、設備的中斷號等。在VxWorks操作系統中訪(fǎng)問(wèn)PCI設備配置空間的API函數有pciConfigOutLong、pciConfigInLong等，它們分別完成對PCI設備配置空間的讀寫(xiě)操作。

最后，根據PCI設備的配置參數，對不同的設備編寫(xiě)初始化程序、中斷服務(wù)程序以及對PCI設備存儲空間的訪(fǎng)問(wèn)程序。

很顯然，用VxWorks操作系統實(shí)現雖然有一定的難度，但是系統具有很大的靈活性，系統比較小、適應性強，并且可以在工業(yè)控制計算機上運行。

5 結束語(yǔ)

圖像采集系統的關(guān)鍵在于如何對大容量的信息進(jìn)行暫存、壓縮和傳輸等問(wèn)題進(jìn)行處理。本文作者的創(chuàng )新點(diǎn)是在某型導彈景象匹配制導系統中通用計算機上加入DSP加速卡實(shí)現的圖像采集系統實(shí)現了實(shí)時(shí)圖像采集、傳輸以及處理功能，解決了以往導彈景象匹配制導系統中圖像采集不穩定、數據傳輸速度慢、暫時(shí)緩存處理能力低等問(wèn)題。本系統既可以作為視頻圖像采集使用，也可以進(jìn)行視頻壓縮、匹配跟蹤等圖像處理的算法驗證,具有使用靈活的特點(diǎn)。