DM642嵌入式圖像融合處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)研究

郝雅婷，馬立新

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，北京，100083）

在工業(yè)監(jiān)督控制、機(jī)器視覺、醫(yī)學(xué)影像處理領(lǐng)域會(huì)應(yīng)用一些復(fù)雜的算法來進(jìn)行多圖像處理數(shù)據(jù)，基于這樣的要求傳統(tǒng)的圖像處理系統(tǒng)很難滿足系統(tǒng)處理要求。文章面向?qū)崟r(shí)圖像處理，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想以新一代高性能多媒體專用DSP芯片DM642為核心，打造了體積小、能耗低、應(yīng)用性強(qiáng)的嵌入式實(shí)時(shí)圖像處理可拓展硬件平臺(tái)。

1 DM642嵌入式圖像融合處理系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

DM642嵌入式圖像融合處理系統(tǒng)是基于專用數(shù)字媒體應(yīng)用的高性能32位定點(diǎn)芯片DM642進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的，系統(tǒng)以DM642為核心，由 圖 像 采 集 模 塊、圖像處理模塊、圖像存儲(chǔ)模塊以及電源模塊等構(gòu)成。系統(tǒng) 的具體工作原理如下所示：在系統(tǒng)通電之后 從 FLASH 加載程序， 完成對(duì)DM642 的 初 始 化 并 通 過 I2C 總線來實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻編解碼芯片的參數(shù)設(shè)定。在設(shè)定好參數(shù)之后開展進(jìn)行圖像信息的采集整理，從四路圖像傳感器采集到的模擬圖像信號(hào)經(jīng)過解碼轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)后會(huì)通過DM642視頻接口傳送到DSP中，再經(jīng)由內(nèi)部圖像處理后，通過DM642視頻接口解碼傳出顯示。

DM642嵌入式圖像融合處理系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 DM642嵌入式圖像融合處理系統(tǒng)架構(gòu)

2 DM642嵌入式圖像融合處理系統(tǒng)的內(nèi)部配置

■2.1 系統(tǒng)存儲(chǔ)空間

DM642嵌入式圖像融合處理系統(tǒng)程序或者數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間地址以字節(jié)為基本單位進(jìn)行統(tǒng)一編寫，整個(gè)尋址空間的大小為4G，片上存儲(chǔ)器、片上外設(shè)、外部的儲(chǔ)存器都能夠映射到4G的字節(jié)空間中。DM642通過EMIF接口訪問片外存儲(chǔ)器。

CEO空間，DM642嵌入式圖像融合處理系統(tǒng)CEO子空間會(huì)被配置成64位的SDRAM接口，在配置之后信息會(huì)同時(shí)外擴(kuò)給SDRAM使用。

CEI空間，DM642嵌入式圖像融合處理系統(tǒng)的CEI空間配置為八位異步靜態(tài)存儲(chǔ)器接口，將接口信息分配給系統(tǒng)的Flash、狀態(tài)控制寄存器使用。

■2.2 Video Port的配置

DM642嵌入式圖像融合處理系統(tǒng)設(shè)置了三個(gè)視頻口，其中的VP2是單一功能的視頻口，VP0和VP1則是與McBSP或McASP復(fù)用。其功能選擇由DM462上的外設(shè)配置寄存器進(jìn)行配置管理。VP0配置VP0A和VP0B為兩個(gè)八位BT.656視頻輸入口，用來連接兩路BT.656標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻輸入信號(hào)。VP1配置VP1A和VP1B為兩個(gè)八位BT.656視頻輸入口，用來接通兩路BT.656標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻輸入信息。VP2配置VP2A為一個(gè)八位BT.656視頻輸出口，用來輸出一路BT656標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻輸入信息。

■2.3 I2C總線配置

DM642嵌入式圖像融合處理系統(tǒng)上集成一條I2C總線，在總線系統(tǒng)中的每一個(gè)設(shè)備都會(huì)有一個(gè)對(duì)應(yīng)的唯一地址，可以根據(jù)此地址來判斷信號(hào)對(duì)應(yīng)哪一個(gè)設(shè)備。I2C總線對(duì)設(shè)置為從模式的SAA7121H和TVP5150PBS進(jìn)行配置。

3 DM642嵌入式圖像融合處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

DM642嵌入式圖像融合處理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

■3.1 視頻編解碼芯片的選擇

DM642嵌入式圖像融合處理系統(tǒng)的視頻解碼芯片選擇有TVP5150芯片、SAA7115芯片、ADV7181芯片，文章現(xiàn)就這幾種視頻解碼芯片的使用進(jìn)行綜合分析。從市場(chǎng)價(jià)格上來看，TVP5150芯片的價(jià)格相對(duì)較低，其價(jià)格大約上是另外兩種視頻解碼芯片價(jià)格的三分之一。從大小上來看，TVP5150芯片的封裝較小，在使用的時(shí)候具備連線操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。從性能上看，TVP5150芯片的性能雖然沒有SAA7115芯片、ADV7181芯片的性能理想，但是它也相對(duì)耗能低。在選擇芯片的時(shí)候需要綜合考慮封裝大小、功能要求、成本、耗能等因素。所以，本設(shè)計(jì)應(yīng)用四片TVP5150芯片用于視頻輸入和一片SAA7115芯片用于視頻輸出以適用于對(duì)能耗消耗要求比較高的便攜電子產(chǎn)品。

圖2 DM642嵌入式圖像融合處理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

■3.2 電源模塊設(shè)計(jì)

DM642嵌入式圖像融合處理系統(tǒng)在運(yùn)作的時(shí)候需要得到高精準(zhǔn)度、高穩(wěn)定度的雙電源供電系統(tǒng)支持，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候采用了兩個(gè)5V電源驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源調(diào)整器(TPS54310)分別供給DSP的內(nèi)核電源電壓CVDD(1.4V)和外圍數(shù)字電源電壓DVDD(3.3V)，外部附加簡(jiǎn)單的延時(shí)電路，確保內(nèi)核電壓先于數(shù)字電壓上電。TPS543l0（TI）的輸出精度是1%，完全滿足DSP工作要求。視頻編碼器、時(shí)鐘芯片、通用異步收發(fā)器和CPLD等還需要3.3V和1.8V供電，選用AMSlll7-3.3V和LM1117-1.8為這些器件供電。在PCB設(shè)計(jì)中，需要注意把模擬電源和數(shù)字電源分割開以免造成噪聲干擾。

■3.3 存儲(chǔ)器模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)需要處理大量的圖像數(shù)據(jù)，需要通過EMIF增設(shè)兩塊同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，SDRAM具有容量大、讀寫速度快，成本小的特點(diǎn)。DM642的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制引腳都通過一個(gè)33Ω的電阻與SDRAM相連接，用以高頻噪聲的過濾，保證信號(hào)的平穩(wěn)。DM642同時(shí)需要擴(kuò)展FLASH存儲(chǔ)器存儲(chǔ)斷電后仍需保存的數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH具有容量大、體積小、價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)。

■3.4 I2C接口設(shè)計(jì)

由于一片TVP5150PBS視頻解碼器只能配置為2個(gè)不同的從設(shè)備地址，需要采用一個(gè)I2C通道控制芯片SN74CBTLV3257實(shí)現(xiàn)與四片TVP5150PBS的通訊，從而實(shí)現(xiàn)多路圖像信號(hào)的采集。

■3.5 CPLD模塊設(shè)計(jì)

DM642的GPIO口只有16個(gè)，為進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展本設(shè)計(jì)采用CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件，其型號(hào)為EPM3064ATC100,有73個(gè)引腳可以配置為I/O口，可以滿足許多功能的拓展需求。

■3.6 時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中存在多個(gè)不等的時(shí)鐘頻率，無(wú)法采用標(biāo)準(zhǔn)晶振達(dá)到理想效果，因此選用可編程時(shí)鐘芯片CY22381，可以通過編程提供所需多路時(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)還能節(jié)省電路板的面積。

■3.7 串口模塊設(shè)計(jì)

UART是一種不帶同步調(diào)制的全雙工串行傳送方式，為了能夠?qū)崿F(xiàn)DM642嵌入式圖像融合處理系統(tǒng)和PC機(jī)的實(shí)時(shí)性通信獲得理想的數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)選擇應(yīng)用具有較高數(shù)據(jù)傳輸速率的通用異步收發(fā)器TL16C752B，運(yùn)行速率能夠達(dá)到3.125Mbp，在順利連接之后能夠完成RS285/RS422電平轉(zhuǎn)換。

■3.8 JTAG接口模塊設(shè)計(jì)

DM642的JTAG為14pin雙排插口，DM642可以通過TRST#引腳復(fù)位，使DSP初始化。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章所研究的DM642嵌入式圖像融合處理系統(tǒng)在運(yùn)作的時(shí)候具備成本低、體積小、可拓展性強(qiáng)、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，圖像通過視頻的解碼芯片能夠?qū)⒛M圖像信息轉(zhuǎn)換為一種DM642能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。在DM642嵌入式圖像融合處理系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)過高效率的圖像識(shí)別算法處理能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)預(yù)定目標(biāo)信息的融合處理，處理之后的數(shù)字信號(hào)會(huì)被視頻解碼芯片轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，之后在顯示器上輸出。本設(shè)計(jì)基于DM642將信號(hào)格式擴(kuò)展到四路視頻采集整理，由此擴(kuò)大了視角的范圍。未來還可根據(jù)應(yīng)用實(shí)際情況，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上在預(yù)留的存儲(chǔ)器空間和I/O口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更深入的拓展，因此本設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值和推廣意義。