基于DM64X的紅外圖像采集系統設計*

李 偉 陳 冬 馬 銳

(海軍91917部隊1) 北京 102400)(海軍指揮學院信息戰研究指揮控制系2) 南京 211800)

1 引言

紅外圖像采集系統目前廣泛應用在制導、目標識別、環境監控等領域,它是紅外技術研究的熱點之一。目前常用的圖像處理核心器件包括ARM、FPGA、DSP三類微處理器。ARM 長于流程控制,因而針對圖像處理設計的ARM內核多應用于多媒體,娛樂等系統設計中;采用FPGA實現圖像處理算法具有運算速度快的特點,但該類大規模FPGA器件相對價格較高且設計過程復雜開發周期較長;針對圖像處理而設計的DSP處理器不僅有運算速度快,配套接口全的特點而且價格相對較低,其單周期完成“乘加”運算,非常適合應用在圖像處理領域。因而本設計采用DSP作為核心器件。

TMS320DM64X系列處理器是 TI公司針對圖像處理領域設計的DSP器件,其最高主頻可達1.2GHz。它不僅能夠高速完成各種圖像運算,而且其配套開發軟件具有各種成熟的算法函數庫,可大大簡化設計方法縮短開發時間。DM643處理器盡管沒有DM647/8等新型DSP處理器的運算速度快,運算效率也沒有后者高,但它600M的主頻及4800MIPS的性能足以滿足圖像采集、壓縮,傳輸等功能,且具有更高的性價比。因而本設計選擇DM643圖像采集的核心器件。

2 系統設計

系統由紅外CCD、視頻解碼器、DSP及附屬電路、視頻編碼器及監視器構成。并且系統提供遠程數據傳輸接口,可完成計算機遠程控制和采集任務。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

3 紅外CCD

CCD是整個設計的前端部分,對系統的性能具有非常重要的影響。CCD的選擇主要考慮以下幾個因素[1]:響應波長、探測距離、視頻格式等。綜合多種因素,選用紅外CCD指標如下:

3.1 編/解碼器

CCD的輸出信號為PAL或NTSC制式的模擬信號[2],而處理后的數據用作顯示器顯示時也必須轉換為PAL或NTSC制式的信號,因而必須在視頻信號處理的前端和后端加上解碼器和編碼器。解碼器采用MAXIM公司的芯片MAX9526,編碼器選擇PHILIP公司的SAA7105H芯片。解碼器與DSP的VP1接口連接,編碼器與VP2接口連接,編碼器與解碼器的控制端口采用IIC接口與DSP進行通信。

3.2 DSP及附屬電路

3.2.1 電源系統

DSP接口和內核采用兩種不同的電壓,同樣解碼器也采用雙電源供電,電路中主要有 1.8V,3.3V和1.4V三種電壓。因而采用TI公司提供的配套線性電源TPS54310和TPS76801,它們可以滿足電路中各芯片的供電需求。電源模塊的設計對于系統的性能十分重要,電源紋波噪聲會極大影響電路模擬部分的性能,因而必須設計濾波器來解決EMI問題[3]。

3.2.2 存儲系統

存儲器包括ROM和RAM兩部分。RAM的讀寫速度較快,但其屬于易失存儲介質斷電后無法保存數據,因而用作計算時把它用做內存,而程序被燒錄在由FLASH芯片構成的ROM中。DM643處理器的EMIF接口可以方便的和各種類型存儲芯片無縫連接。程序RAM可以有SRAM,SDRAM等多種選擇,相對而言SDRAM的存儲速度最快。因而本設計選用兩塊大小為4M×32Bit的HY57V643220C存儲器構成4M×64Bit的存儲空間。而ROM芯片選用大小4M×8Bit型號為AM29LV033C的FLASH芯片。

3.2.3 接口選擇

實時圖像數據量大,UART等慢速接口通常無法滿足需求。USB接口具有傳輸速度快的優點,完全可以滿足圖像數據傳輸的要求。但其傳輸距離較短,無信號增強處理時其傳輸距離最多僅僅可以達到數米,因而USB接口也難以滿足要求。EMAC接口的傳輸速度不及USB接口,但它完全可以滿足設計的需求,而且它的傳輸距離可達100米甚至更長。因而設計中選擇EMAC接口進行數據傳輸。

4 程序設計

因DM643片內沒有ROM,程序需存儲在片外的EMIF接口上的FLASH芯片中。C6000系列DSP具有三種上電引導方式[4],本系統很方便采用8位FLASH引導方式。因程序空間限制,全部程序無法一次搬運至片內存儲器中,因而設計引導程序進行二次引導。即系統上電復位后首先將搬運程序引導至片內,然后跳轉至搬運程序再由它將全部程序搬運至片內存儲器。

系統采用TI公司具有實時特性DSP/BIOS作為操作系統。因而程序設計就變成了對各任務程序的設計。系統主要任務包括圖像采集、圖像處理及圖像數據輸出三個部分,因而系統設計三個并行的任務。三個任務模塊在操作系統的調配下依次獲得內核資源,各任務模塊間通過信號量進行通信。程序結構如圖2所示。

圖2 系統工作流程圖

5 結語

工程實踐表明該系統可以實時完成圖像采集處理工作,并且在應用圖像消噪、邊緣檢測、圖像增強等算法[5]時可以達到設計要求的實時性。采用兩套該采集系統,分別選用紅外波段和可見光波段的CCD,可以構成雙波段圖像融合系統[6]。如需要單塊電路實現多通道圖像采集任務,則可選用視頻接口(VP)更多的DM642器件而無需對硬件和軟件設計進行大范圍調整。

[1]Jan Fischer,Tomas Radil.DSP Based Measuring Linescan CCD Camera[C]//IEEE International Workshop on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems:Technology and Applications.Lviv,U-kraine,2003:345～348

[2]邵丹,韓家偉.YUV與RGB之間的轉換[J].長春大學學報,2004,14(4):51～53

[3]關永,張杰,劉維民,等.低噪聲視頻圖象采集系統電源設計[J].電子器件,2005,28(2):355～357

[4]欒璟明,雷志勇.基于DSP的圖像采集與處理系統的設計[J].電子元器件應用,2008,10(1):8～11

[5]陳冰,王興國,劉濟林.基于DSP TMS320C6x的實時圖像處理系統[J].光電工程,2000,27(6):37～42

[6]王毅,倪國強,李勇量.基于 TMS320C6x的雙波段圖像高速融合系統[J].中國圖形圖像學報,2002,2(10):1038～1042