基于DM642的图像处理硬件系统设计

电气工程及自动化学院:朱鹏 指导教师:金鹏
摘要:本文设计了一种以高性能数字信号处理器TMS320DM642为核心,结合现场可编程门阵列FPGA,实现视频图像实时处理的系统.主要研究内容如下:首先,根据系统的设计要求,确定了系统的结构和工作原理.其次,进行DSP核心系统的设计.然后,设计视频图像采集系统的外围电路.以上述工作内容为基础,进行了相关印制电路板(PCB)的设计,调试.实验证明该系统性能稳定,可实现分辨率为640×480,帧频20帧/秒的非标准制式视频采集,并具有49.15Mbps的网络传输能力.
关键词:机器视觉; 实时处理; 视频采集; 数字信号处理器;DM642
Abstract:Animage real-time processing system is developed in this paper, in whichhigh performance DSP TMS320DM642 is used as the core part, combined witha FPGA .Main researching contents are arranged as follows: Firstly, Setup the system's architecture and working principle according to thedesign requests. Secondly, Design the affiliation parts for DSP. Next,Design external functional modules of the video processing system. Basedon the above, the hardware of system was developed via Print CircuitBoard (PCB) methods. And the system was tested at last. The experimentresult demonstrates that the system can work stably. The collecting ofnonstandard video signal can be performed with the resolution of 640×480and the frame frequency of 20 f/s, and it also offers networktransmission capacity of 49.15Mbps.
Key words:Machine vision;Real-time processing; Video signal collecting; Digital Signal Processor;TMS320DM642
引 言
在现代化的大生产之中,视觉检测往往是不可缺少的环节.比如,烟草中杂质的剔除,IC字符印刷的质量,电路板焊接的好坏等等.以前这些工作都需要众多的检测工人,通过肉眼或结合显微镜进行观测检验.大量的人工检测不仅影响工厂效率,而且带来不可靠的因素,直接影响产品质量与成本.另外,许多检测的工序不仅仅要求外观的检测,同时需要准确获取检测数据,这些工作则是很难靠人眼快速完成[1].通常这种带有高度重复性和智能性的工作,用人眼根本无法连续稳定地进行,而近年来发展迅猛的机器视觉系统解决了这一问题.与人工视觉相比,机器视觉的最大优点是精确,快速,可靠以及数字化.本课题的研究主要是利用DSP芯片体积小,处理速度快,接口功能强大,外围设备丰富等特点,构造基于DSP的面向机器视觉的实时图像处理系统.
适合课题要求的图像处理硬件系统的设计
2.1 系统的概述
该设计由数字信号处理器TMS320DM642为核心,结合现场可编程门阵列FPGA,构成视频图像处理系统.其主要功能模块有FPGA数字预处理模块,视频采集模块,数字图像存储器模块,DSP数据分析处理模块,数据通讯接口模块和输入输出模块.其工作原理是由CCD像机输出的视频信号经放大,滤波等预处理电路后,再通过高速模数转换器转换为8位数字信号输出.同时同步信号分离芯片对输入的视频信号进行行,帧同步分离,驱动地址发生器产生数字图像数据的存储地址.视频口与DM642的EDMA结合,每采集一行图像数据便启动一次EDMA同步事件,将数据从接收先进先出寄存器(FIFO)中放入到同步动态存储器(SDRAM)中暂存下来.由高速数字信号处理器DM642和数字图像存储器组成的图像数据分析处理单元对目标信号做各种图像数据分析处理;数据通讯接口模块的作用是实现系统板与主机的数据中转传输;输入输出模块可以发送和接收外部设备的控制信号.
系统框图如下:
图2-1 系统总体结构图
本系统的总体设计要求为:具有高速处理能力,大容量存储,一路模拟视频信号输入,信号格式为标准PAL/NTSC制式或非标准制式,采集灰度图像,图像的分辨率为640×480,帧频每秒60帧.该系统的主控芯片选择TI公司2002年新推出的一款针对多媒体处理领域应用的高性能的DSP—TMS320DM642.
2.2DSP核心系统设计
本设计采取由核心到外设的模块化设计思想,首先完成DSP核心系统的设计,然后实现对外部设备接口的设计.文中所指的核心系统具体由电源管理模块,系统时钟模块,JTAG仿真模块,EMIF内存扩展模块以及需要在复位过程中实现的配置电路模块这几部分组成.
DSP电源设计
设计中采用1片TI公司专为高性能DSP应用而设计的电源芯片PT6932,分别给DM642提供CVDD和DVDD电压.该芯片在上电和掉电过程中,内部自动调节输出端供电顺序,能满足DM642芯片的供电要求[2].DSP内核电压为+1.4V,而PT6932输出的标准电压为1.5V,应此需要在Vo2ADJ管脚处接电阻调节Vo2管脚的输出电压,如图2-2所示:
图2-2 PT6932的电源电路
PT6932的芯片手册上,给出了各个电压对应的调节电阻的计算公式以及阻值.
系统时钟模块
本设计中的DSP工作时钟是600MHz,而DM642的内部PLL可以进行5~12倍频,因此选用外部50MHz的时钟源,然后经过PLL进行12倍频即可得到DSP所需的600MHz.整个系统中使用到的时钟频率还有DM642 的外部存储器接口(EMIF)所需的133MHz,以太网控制器(EMAC)芯片所需的25MHz.设计中采用1片CypressSemiconductor公司生产的可编程时钟芯片CY22381,经过对芯片的配置得到3个不同的,最高可达200MHz的时钟输出.根据本设计中需要的时钟频率,用CyClock RT软件进行配置所得到的数据如表2-1所示:
表 2-1 CY22381配置数据
配置内容
CY22381
CLKA(MHz)
25.0000
CLKB(MHz)
50.0000
CLKC(MHz)
133.0000
REF(MHz)
20.0000
PLL1(MHz)
399.0000
PLL2(MHz)
400.0000
PLL3(MHz)
off
PLL1divide
3
PLL2 divide
8
PLL3 divide
16
JTAG接口模块
JTAG是基于IEEE1149.1标准的一种边界扫描测试方式.TMS320C6000系列的DSP都配备了JTAG接口,可进行边界扫描或在线仿真.该仿真器的一端通过一个14针的插接件(信号定义见图3-3所示)与DM642芯片的JTAG端口进行通信,另一端通过并口或USB口接到PC机上.通过配置EMU0和EMU1的状态,可以选择JTAG是工作在边界扫描模式还是在线仿真模式 [3].
DM642的JTAG接口连接示意图如下:
图2-3DM642 JTAG接口连接示意图
EMIF内存扩展模块
TMS320DM642通过EMIF访问片外存储器,可配置为与SRAM,FLASH, SDRAM等各类存储器接口.
本系统主要用于视频图像的处理,因此处理过程中会产生海量数据,需要扩展大容量的外部存储器才能够满足数据处理的需要.DM642的EMIF支持对同步设备的直接接口,最常用的是同步动态存储器(Synchronous Dynamic RAM )SDRAM.
SDRAM与DM642的连接示意图如图2-4所示:
图2-4 DM642与SDRAM连接示意图
DM642还需要扩展一个Flash存储器,用于保存程序代码和一些掉电后仍需保存的用户数据.本设计中选用的是AMD公司的8M-bit(1M×8-bit)的MBM29DL800TA芯片.MBM29DL800TA与DM642的电路连接示意图如图2-5所示.
图2-5 FLASH扩展示意图
外围电路设计
本设计采用逐行扫描方式且只采集亮度数据,DM642的视频端口工作在YCbCr 4:2:2方式下.外围电路的主要作用就是配合DM642这个处理核心,完成图像的采集,分析和判断,具体的设计如下:
2.3.1模拟视频信号采集模块的设计
模拟视频信号采集模块主要实现两个功能:一是将CCD输出的模拟信号转换为8位的数字信号,送入FPGA的数据输入端;二是正确分离出视频信号中的行同步信号和帧同步信号,作为图像采集的控制信号.
CCD相机输出的模拟信号分为两路,一路经过视频信号驱动芯片后,送入高速AD采样;另一路送入视频信号分离芯片分离出行同步,帧同步信号.各部分连接示意图如图2-6所示:
图2-6模拟视频信号采集模块示意图
FPGA模块
Altera公司的EP1K100系列是性价比较高的可编程逻辑器件,它具有10万等效系统门,核电压为2.5V,端口电压兼容5V,3.3V,工作频率可达250MHz,可满足本卡多电压高频率工作要求.
这一部分主要负责整个板卡的逻辑控制,时序调整,具体功能如下:
FPGA 接收视频的行,帧同步及亮度信号;
另外FPGA还负责视频采集部分的采样频率,嵌位信号的产生;
并在FPGA 中进行图像的预处理;
将处理后的亮度信号送入TMS320DM642的视频口;
并行IO控制信号的产生;
串行接口部分通信协议RS-232,RS-442 的选择,串口的使能控制等.
2.3.3输入输出(IO)接口模块
IO接口由FPGA控制,用于发送和接收外部设备的控制信号.并行IO接口分为输入和输出两部分,其中8路输出,12路输入.为了减小外部输入信号对该系统上敏感信号的干扰,一律使用光耦芯片隔离系统与外部设备之间的输入和输出信号.此外,每一路的IO接口上并联一个发光二极管,起指示作用,便于调试时观察.输入输出接口都采用25针的D型接口,连接可靠稳定.
高速PCB板设计
多层电路板结构有很多优点,它既可以适应复杂的设计,又能改善信号特征.
(1)PCB板的分层设计在进行多层电路板设计时,首先要确定电路板的尺寸和层数,布线层的数量以及层叠方式会直接影响到印制板的走线和阻抗.板的大小有助于确定层叠方式和印制线宽度,实现期望的设计效果.本设计中使用6层板.
层的分布和定义如下:
Layer 1 Top——主元件面
Layer 2Inner——信号层
Layer 3 Power Plane——电源层
Layer 4 Ground Plane——地层
Layer5 Inner——信号层
Layer 6 Bottom——次元件面
各层的排列和电路板的结构如下图所示:
图2-7六层PCB板的结构示意图
(2)数模混合PCB板布局布线策略
布线应避免锐角,直角,采用45°走线;
相邻层信号线为正交方向;
合理布局摆放元器件,数字元件和模拟元件分开,布局要紧凑,美观;
输入,输出信号尽量避免相邻平行走线;
不要有浮空数字输入,以防止不必要的开关转换和噪声产生;
在电路板所有层中,数字信号和模拟信号尽量在不同层中布线;
数字地,模拟地要分开,模拟和数字电源也要分开;
整块线路板布线,打孔要均匀,避免出现明显的疏密不均的情况.
(3)高频数字电路PCB布线注意点:
在高速电路的设计中,尤其当信号的频率超过100MHz时,信号的完整性是必须考虑的问题.信号完整性(Signalintegrity)是指一个信号在电路中产生正确的相应的能力.保证信号完整性设计需要注意两个问题:
一是高频数据线长度不能太长,走线长度延迟一般不超过器件开关速率的1/6,并且数据线长度尽量相等.
二是尽量使传输线和接收端的阻抗匹配,以减小反射信号.选择串联终端匹配电阻值的原则很简单,就是要求匹配电阻值与驱动器的输出阻抗之和与传输线的特征阻抗相等.
设计中利用Mentor公司的Hyperlynx仿真软件对PCB中串联终端匹配方式进行了仿真和分析.仿真结果如图2-7和图2-8所示,其中带"×"曲线表示电路驱动端发出的上升沿信号,带"o"曲线表示电路接收端接收到的信号.
图2-7 未加终端匹配电阻时的信号 图2-8 加33Ω终端匹配电阻后的信号
试验与测试
3.1 视频采集模块的调试
系统上电以后,接上CCD相机,用示波器观察视频信号分离芯片EL4511输出的行同步和帧同步信号.如果帧同步信号的频率等于相机触发信号的频率20Hz,行同步信号的频率等于31.4KHz,表明EL4511工作正常.
再用示波器观察视频驱动芯片ISL59830输出的信号,主要看输出视频信号的波形是否正常,是否仅对输入端的信号进行了放大,没有失真与变形.同时,还要测量出输出视频信号的最大值与最小值,为AD芯片TLC5540的采样窗口电压的选择做准备.
3.2 实验结果与分析
在用于工业现场检测的视频图像采集系统中,照明光源的质量对于采集到的图像有很大的影响.本设计中,受条件所限,没有采用专用的照明光源,本文中所用到的图像均在白天室内正常光照下采集.
图2-9和图2-10是实验中采集到的图像.
图2-9 系统采集到的矿泉水瓶图像 图2-10 系统采集到的书本封面
本系统采集到图像的对比度完全能够满足视觉检测的要求,充分显示出图像的亮度层次变化.
傅立叶变化频谱图分析
图2-11本系统采集到的板卡图像 图2-12 数码相机拍摄的板卡图像的灰度图
图2-11和图2-12是对同一块电路板拍摄的两张图像,前一幅是用本文设计的视频图像处理系统拍摄的,后一幅是用普通数码相机拍摄的彩色图像的灰度图.不考虑两幅图像的光照,视野大小等因素,仅从人眼观察感觉到的视觉效果来看,这两幅图像的差别不大.但如果对图像的信息进行傅立叶变换,得到图像的频谱图,从频域的角度观察,会发现两者有很大的差别.
通过编写Matlab程序,可以得到图像的傅立叶变换频谱图:
图2-13 图2-11的傅立叶变换频谱图 图2-14图2-12的傅立叶变换频谱图
图2-13是本文中设计的系统采集到图像的傅立叶变换频谱图,与图2-14数码相机拍摄到图像的频谱图相比,图2-13中增加了很多白色亮斑和杂散的亮点.这些多余的频率信息是图像中的高频噪声,主要是由于模拟视频信号在传输过程中受到干扰而引入的.
结 论
本文设计了一种DSP的视频图像处理系统,主要的特点是:主要针对非标准视频信号的应用场合而开发,同时兼容标准视频信号;通过以太网可以实现远程监控,可以针对不同的环境,对程序中的参数进行实时更新;接口众多,便于功能的扩展.本文主要完成了以下工作:
(1)以TI公司的TMS320DM642芯片为核心,完成了DSP核心部分系统的设计.其主处理器DM642工作主频600MHz,处理性能4800MIPS;外扩了两片SDRAM,构成数据存储器,容量达8M×32位;外扩了一片Flash,容量1M×8位,可进行1000000次擦写,数据可保存20年.
(2)设计并调试成功了系统的各个外围模块的功能,包括视频采集模块,以太网模块,串口通讯模块和输入输出模块等.视频采集模块支持一路视频信号输入,采集图像大小为640×480像素.以太网模块采用10M/100Mbase-TX标准以太网接口,RJ45连接器.利用以太网模块实现了基于UDP协议的DSP与PC机间实时图像传输,传输速度为20帧/秒.
(3)对实验中采集到的图像质量给出了评价,并指出了图像所存在的问题,分析了造成这些问题的原因.最后提出了以后工作的几个方向:改进硬件电路板的布局,使系统更紧凑,减小系统的干扰;增加软件中图像处理的部分,进一步提高图像的清晰度;在实际应用中检测该系统的性能.
参考文献
1 G. D. Hines, Z. Rahman, D. J. Jobson, and S. D. Harrah,"Real-time enhanced vision system," in Enhanced and Synthetic Vision,Proceedings of SPIE 5802, J. G. Verly, March 2005:34-35
2 王天珍.计算机视觉研究. 空军雷达学院学报.13卷. 1999.(1):17-21
3 李方慧. TVIS320C6000系列DSP:原理与应用(第2版). 北京电子工业出版社,2003:33-36
哈尔滨工业大学2007届本科优秀毕业设计(论文)选集
- -