??? 摘 要：為能高速、有效、實時采集CCD視頻圖像，提出了一種實時視頻圖像采集和處理系統設計方案。重點介紹其硬件設計原理、關鍵電路的設計，其主要功能是從CCD攝像頭輸出的模擬視頻信號中提取實時圖像，數字化后送入處理器作后期圖像處理和分析。
??? 關鍵詞: 圖像采集；圖像處理；FPGA；TMS320DM642；SAA7115
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??? 當CCD產生的視頻信號為模擬信號對，對其直接傳輸、存儲和處理比較困難，須要將模擬視頻信號轉換為數字視頻信號，以便對其進行處理，并進行高效可靠的傳輸和存儲。當前，數字圖像采集和處理系統不僅要面臨高速寬帶、高精度的挑戰，而且對采樣時機、采樣點數、采樣速率的可控性也提出了較高的要求，本文提出了一種實時圖像采集和處理系統的設計方法，該系統以TMS320DM642[1-2]為核心，結合視頻解碼芯片SAA7115H和OSD FPGA構成實時圖像采集和處理系統電路。
1 系統總體設計
1.1? 系統結構
??? 本系統以TMS320DM642為核心，采用模塊化設計思想，整個系統主要由視頻解碼芯片(A/D轉換芯片)、可編程邏輯門陣列(OSD FPGA)、TMS320DM642及外圍電路組成。外圍電路主要包括CCD攝像機、SDRAM圖像存儲器、FLASH程序存儲器及TMS320DM642外圍電路(復位、電源連接等)。圖1為該系統的結構框圖。
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1.2? 系統工作原理
??? 由CCD攝像頭攝入的PAL制圖像傳送到SAA7115解碼器，SAA7115解碼器將信號轉變成并行的BT.656圖像碼流送至TMS320DM642視頻口VP0，TMS320DM642將其再解碼，得到YUV(4:2:2)格式的圖像，并通過EDMA傳輸到動態存貯器（SDRAM）中存儲，圖像大小為每場720×288（寬×高），每幀720×576（寬×高）。CPU通過訪問SDRAM中的圖像數據，依照相應的程序進行相應的圖像處理。
??? 在實時圖像處理系統中，為了不影響數據處理速度，需要在恒速的CCD圖像采集與變速的TMS320DM642圖像處理之間加入緩沖電路，緩沖采用TMS320DM642視頻口的片內FIFO和片外SDRAM的乒乓緩存結構。“乒乓操作”是一個經常應用于數據流控制的處理方法，如圖2所示，其處理流程為：輸入數據流通過指針等時地將數據流分配到數據緩沖區1、2和3中，在第1幀的時間，將輸入的數據流緩存到1；第2幀將輸入的數據流緩存到2，與此同時，將1的數據作運算處理。在下個緩沖周期，再次切換，將輸入的數據流緩存到3，與此同時，將2的數據運算處理。如此循環，A、B、C、D、E為其5種狀態。
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??? 乒乓操作的最大特點是按節拍、相互配合地切換，將經過緩沖的數據流不停頓地進行運算及處理。把乒乓操作模塊當作一個整體，此模塊兩端的輸入數據流與輸出數據流均是連續不斷的，沒有任何停頓，因此非常適合進行流水線式處理，完成數據的無縫緩沖與處理。
2? 功能模塊設計
2.1 視頻采集模塊
??? 本系統采用Philips公司的SAA7115視頻解碼芯片將CCD模擬視頻進行數字化，然后傳給TMS320DM642的視頻端口進行處理，同時分離水平同步(XRH)和垂直同步(XRV)等信號。
??? 視頻解碼芯片采用SAA7115，省去時鐘同步電路的設計，簡化接口電路，提高系統的可靠性。由攝像機采集到的模擬信號經過視頻端子進入到解碼器SAA7115的模擬端Al11，經模擬處理和A/D轉換后產生數字色度信號和亮度信號，分別對其進行處理。亮度信號處理的結果一路送到信號處理器，進行綜合處理，產生Y和UV信號，經格式化后采用4:2:2 YUV格式從IPD[7-0]輸出直接連接到TMS320DM642視頻口的VP0[9-2]管腳；另一路經過同步分離器，由數字PLL產生相應的同步信號與TMS320DM642的VP0CTL0和VP0CTL1相連，同時PLL驅動時鐘發生器，產生27 MHz的時鐘同步信號LLC，輸出到TMS320DM642的VP0CLK0管腳。解碼器SAA7115與TMS320DM642的視頻接口的原理如圖3所示。
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??? 所有這些功能均在I2C總線控制下完成。SCL作為I2C接口的時鐘線與TMS320DM642的SCL相連，SDA作為I2C接口的數據地址線與TMS320DM642的SDA相連。通過SCL和SDA的時序配合，可由TMS320DM642向SAA7115的寄存器寫入數據或讀出數據。
2.2? TMS320DM642圖像處理模塊
??? 本系統中視頻口VP0作為輸入，與視頻解碼器SAA7115的IPD相連。從解碼器SAA7115出來的BT.656數據流進入VP0口后，經由BT.656捕獲通道，進入到視頻口緩沖區中，每個視頻口都有1個5 120 B的視頻輸入/輸出緩沖區，視頻口輸人的數據分別進入捕獲FIFO A和FIFO B，其中Y緩存2 560 B，Cb和Cr緩存分別為1 280 B。根據輸出的同步脈沖產生幀存儲器的地址信號、讀寫和片選等控制信號，將圖像逐幀存入SDRAM存儲器中，通過中斷通知TMS320DM642讀取。TMS320DM642通過EDMA事件實現視頻口緩沖區和片內L2存儲器之間的數據傳遞。用戶編程設定1個緩沖區閾值用以產生EDMA事件。BT.656格式的數據流經由捕獲通道分別進入各自的緩沖區，并打包成64 B的雙字。當雙字增至緩沖區閾值時觸發EDMA事件，存儲器映射寄存器即作為EDMA數據傳輸的源地址。為保證每一場的數據能夠全部傳完且沒有遺漏，每次EDMA傳輸的數據大小應等于閾值。由于TMS320DM642的強大處理能力，用戶算法作為任務線程嵌入TMS320DM642軟件系統中。
2.3? 外圍存儲模塊
??? 本系統的TMS320DM642在視頻圖像的處理時，處理過程中會產生大量數據，而其內部最多僅有256 KB的RAM，所以需要擴展大容量的外部存儲器才能滿足數據處理的需要。本系統選用2片SDRAM用于存儲程序、數據和緩存數字視頻信息，選用1片FLASH存儲器用于固化程序和一些掉電后仍需保存的用戶數據。SDRAM芯片和FLASH芯片均通過TMS320DM642的EMIF口實現無縫連接[3]。TMS320DM642的EMIF有4個獨立的可設定地址的區域，稱為芯片使能空間（CE0～CE3），當FLASH和FPGA映射到CE1時，SDRAM占據CE0，CE3的一部分被配置給OSD功能的同步操作和擴展的FPGA中的其他同步寄存器操作。本系統合并形成了一個64 bit長的外部存儲器端口，將地址空間分割成了4個芯片使能區，允許對地址空間進行8 bit、16 bit、32 bit和64 bit的同步或不同步的存取，并且使用了芯片使能區CE0、CE1和CE3。CE0被發送給64 bit的SDRAM總線，CE1被8 bit的FLASH和FPGA功能使用，CE3被設置成同步功能。
2.3.1? SDRAM存儲器
??? 本系統采用MT48LC4M32B2[4]來構成SDRAM存儲器，大小為1 M×32 bit×4 banks， 在CE0空間連接了64 bit的SDRAM總線。總線由外部PLL驅動設備控制，在133MHz的最佳運行狀態下運行，SDRAM的刷新由TMS320DM642自動控制。TMS320DM642的EMIF與SDRAM接口圖如圖4所示。
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2.3.2? FLASH存儲器
??? 本系統擴展4 M的FLASH，映射在CE1空間的低位。FLASH寄存器選用4 M×8 bit的AM29LV033C。FLASH寄存器主要用來導入裝載和存儲FPGA的配置信息。CE1空間被配置成8 bit，FLASH寄存器也是8bit。由于CE1的可利用地址空間小于FLASH的空間，所以利用FPGA可產生3個擴展頁。這些擴展的線形地址通過FPGA的FLASH基礎寄存器進行定義，復位后的默認值是000。TMS320DM642的EMIF和FLASH的接口圖如圖5所示。
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2.4? OSD FPGA模塊
??? FPGA負責完成所有芯片的接口和控制，其中包括SAA7115與I2C總線的接口、復位控制信號以及與TMS320DM642的EMIF接口和外設接口等，其體系結構圖如圖6所示。本系統的OSD FPGA功能模塊的芯片型號為Xilinx XC2S300E-6PQ208C[5]，主要用來完成以下工作：
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??? (1)通過寄存器使用TMS320DM642外部存儲器接口(EMIF);
??? (2)通過可編譯寄存器使用TMS320DM642的EMIF接口控制GPIO；
??? (3)產生EMIF緩沖控制信號（DIR和OE）；
??? (4)提供對于PLL1708的連續控制接口；
??? (5)為FLASH產生3頁bit空間；
??? (6)使用SAA7115的同步信號。
2.5? 電源和復位模塊
??? 該系統通過單+5 V供電，在板子內部轉換為+1.4 V和+3.3 V，為各器件供電。+3.3 V為TMS320DM642的I/O口、解碼器及其他芯片的電源，+1.4 V為TMS320DM642 CPU內核電源。TMS320DM642內核電壓+1.4 V，外設I/O電壓+3.3 V，降低內核電壓主要是降低功耗，外部接口引腳采用+3.3 V電壓，便于直接與外部器件接口。由于是2種不同的電壓，所以要考慮供電系統的配合問題。在加電過程中，保證CPU內核電源先加電，最晚也應當與外設I/O電源同時加電。關閉電源時，先關閉I/O電源，再關閉內核電源。如果內核加電晚于I/O，則會發生內部總線競爭，從而產生不可預定的結果。因此，選用電源芯片TPS54310[6]獲得上述2種電壓，并利用其電源輸出有效引腳PG和允許電壓輸人引腳EN保證TMS320DM642的內核和I/O上電掉電順序。
??? 為防止系統程序進入死循環或因電壓波動而產生異常，本系統用看門狗芯片來控制系統復位。這里采用TI的TPS3823-33DBVT[7]看門狗芯片，它由+3.3 V電源供電，能對電源電壓進行監控，當電源電壓降至2.93 V以下時觸發復位信號，使整個系統進入復位狀態，直至電源電壓復原，復位信號的最小長度為200 ms。同時，還含有一看門狗計時器，用來監測來自處理器芯片的跳變沿觸發信號，如果1.6 s內未接收到觸發信號，它同樣讓系統進入復位狀態并持續200 ms，這樣可在系統程序進入死循環后重新啟動系統。TMS320DM642電源與復位電路的連接圖如圖7所示。
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3? 抗干擾設計
??? 由于高頻脈沖噪聲對本系統危害最大，為了提高系統的抗干擾性能，可采取以下措施：
??? (1)優化PCB印制板的設計。在本系統中應當：
??? ①采用短而寬的導線來抑制干擾。時鐘引線、總線驅動器的信號線常有大的瞬變電流，其印制導線要盡可能短。對于分立元件電路，印制導線寬度在1.5 mm左右即可滿足要求；對于集成電路，印制導線寬度在0.5 mm～1.0 mm之間選擇；
②傳輸多種電平信號時，盡量把前、后沿時間相近的電平信號劃為一組傳輸；在雙面印制板的背面布置較大面積的地線區域，可對部件產生的高頻脈沖噪聲起到吸收和屏蔽的作用；分開模擬和數字電源層；
??? (2)增加總線的抗干擾能力。采用三態門形式的總線結構，并給總線接上拉電阻，使總線在瞬間處于穩定的高電平而避免總線出現懸空狀態。
??? 本文面向實時圖像采集和處理，采用模塊化設計思想，以TMS320DM642、SAA7115、OSD FPGA等實現了視頻圖像采集和處理系統的硬件電路，該系統電路簡單、結構緊湊、調節靈活、可靠性高、實時性強的特點，通過驗證，滿足設計的應用要求，可為今后視頻圖像采集和處理的進一步研發提供參考。
參考文獻
[1] Texas Instruments Incorporated. TMS320DM642 technical overview: DSP video and imaging digital applications [J]. 2002.
[2] 任麗香.TMS320C6000系列DSPs的原理與應用[M].北京:電子工業出版社，2000.
[3] 李方慧，王飛，何佩琨.TMS320C6000系列DSPs原理與應用[M]( 第2版).北京:電子工業出版社，2003.
[4] Micron Technology，MT48LC4M32B2 synchronous dRAM Data sheet，2002.
[5]? 郭書軍，王玉花.流水線技術在FPGA設計中的應用[N].北方工業大學學報，2004(3):62-69.
[6]? Texas Instruments Incorporated. TPS54310 datasheet[Z].2002.
[7]? Texas Instruments Incorporated. TPS3823-XX processor supervisory circuits[Z]. 2002.