PCI总线和DSP芯片的图像处理平台的硬件设计

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摘要：介绍了基于PCI专用芯片S5933和DSP芯片TMS320C32图像处理平台的硬件设计。该平台使用专用视频输入处理芯片SAA7113和CPLD实现了高速连续的视频帧采集，满足了后继图像处理的需要。该平台既可以作为视频图像采集使用，也可以进行视频压缩、匹配等图像处理的算法验证，并具有使用灵活的特点。

    关键词：数字信号处理芯片 视频采集 图像处理

随着计算机、多媒体和数据通信技术的高速发展，数字图像技术近年来得到了极大的重视和长足的发展，并在科学研究、工业生产、医疗卫生、教育、娱乐、管理和通信等方面取得了广泛的应用。同时，人们对计算机视频应用的要求也越来越高，从而使得高速、便捷、智能化的高性能数字图像处理设备成为未来视频设备的发展方向，这必然要求产生相适应的新理论、新方法和新算法。为了在利用这些新技术的过程中检验其可行性，研制了基于ＰＣＩ总线和ＤＳＰ芯片的图像处理平台，该图像处理平台是利用ＰＨＩＬＩＰＳ公司的视频输入处理器ＳＡＡ７１１３、ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｃ３２高速浮点ＤＳＰ和ＡＭＣＣ公司的Ｓ５９３３ ＰＣＩ总线接口芯片搭建的。利用高速的ＰＣＩ总线和功能强大的ＤＳＰ芯片，可以进行视频压缩、图像检测、视觉定位等算法研究。
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１ 系统功能概述

根据实际应用需要，该系统的主要功能有：

（１）可以在不同输入制式ＰＡＬ和ＮＴＳＣ之间进行自动切换和处理。

（２）能利用采集到的ＹＵＶ图像信号数据进行压缩算法的验证，或转换成灰度图像数据、ＲＧＢ格式图像数据等进行检测、定位等算法的检验。

（３）能将处理后的数据通过ＰＣＩ接口交给上层系统（ＰＣ机）保存或进行进一步验证处理。

（４）系统具有软件修改、升级功能和灵活性，便于算法的改进验证。

系统的设计难点主要是如何实现系统数据的高速传输。图像数据由专用集成视频解码器ＳＡＡ７１１３采集，经Ａ／Ｄ转换处理后传输到ＤＳＰ；再经ＤＳＰ处理后通过ＰＣＩ接口传输到ＰＣ机。如何实现ＳＡＡ７１１３与ＤＳＰ之间和ＤＳＰ与Ｓ５９３３之间的高效率数据通信是解决这个问题的关键。通过分析研究，在ＳＡＡ７１１３与ＤＳＰ之间采用ＣＰＬＤ控制的两帧轮换方式，实现图像的隔行信号变逐行信号以及采集和处理的同步进行；在ＤＳＰ与Ｓ５９３３之间采用ＤＭＡ传输方式，实现数据流在系统中的高速传输，以满足图像处理要求。

２ 系统的硬件设计

整个系统由视频解码器、ＤＳＰ和ＰＣＩ总线专用芯片组成。系统框图如图１所示。

ＤＳＰ芯片采用ＴＭＳ３２０Ｃ３２，该芯片是在ＴＭＳ３２０Ｃ３０的基础上简化而来的，含有ＴＭＳ３２０Ｃ３０ ＣＰＵ核心。它增加了一些常用的功能部件，使程序引导功能、串行接口传输和存储器均可支持８、１６、３２位的数据。它可产生边沿中断和电平中断，可由用户编程设定中断向量表的地址，具有空等待和低功耗两种电源管理方式。它具有两个ＤＭＡ通道，功能强大的外部存储器接口既可以满足视频解码接口８位数据的要求，也可以实现ＰＣＩ接口３２位数据的的高速数据传输。ＴＭＳ３２０Ｃ３２灵活的程序加载可以实现在系统编程。
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    ＰＣＩ总线专用接口芯片采用Ｓ５９３３，它是一种功能强且使用灵活的ＰＣＩ总线控制器专用芯片，该芯片符合ＰＣＩ局部总线规范２．１版本，既可作为ＰＣＩ总线目标设备，实现基本的传送要求；也可作为ＰＣＩ总线主控设备，访问其它ＰＣＩ总线设备。Ｓ５９３３的峰值传送速率为１３２Ｍｂｐｓ(３２位ＰＣＩ数据线)。Ｓ５９３３提供了３个物理总线接口：ＰＣＩ总线接口、外加总线接口（ＡＤＤ－ＯＮ ＢＵＳ）；可选的ＮＶ存储器接口。用户可根据需要设计Ｓ５９３３与外加总线接口相连接的逻辑电路和配置空间的初始化，而不必考虑ＰＣＩ总线规范众多的协议，从而将复杂的ＰＣＩ总线接口关系转化为简单的８／１６／３２位外加总线（ＡＤＤ－ＯＮ ＢＵＳ）接口关系。Ｓ５９３３芯片功能框图如图２所示。

ＰＣＩ总线与外加总线之间的数据传输可以通过内部先入先出存储器（ＦＩＦＯ）、邮箱寄存器（Ｍａｉｌｂｏｘ）和数据直传通道（Ｐａｓｓ－Ｔｈｒｕ）三种通道进行。各通道都包括两组寄存器以分别完成ＰＣＩ总线和ＡＤＤ－ＯＮ总线接口双向数据传输，为使用者提供较为宽松而灵活的设计空间。

可编程视频解码芯片采用ＳＡＡ７１１３；该芯片是可编程视频处理芯片，采用ＣＭＯＳ工艺。通过简单的Ｉ２Ｃ总线可以对其实现编程控制；内部包含两路模拟处理通道，能实现视频源的选择、抗混叠（去假频）滤波、模／数变换、自动嵌位、自动增益控制、时钟产生、多制式（ＰＡＬ ＢＧＨＩ、ＰＡＬ Ｍ、ＰＡＬ Ｎ、ＮＴＳＣ Ｍ和ＮＴＳＣ Ｎ）解码及亮度、对比度和饱和度控制。

本系统采用软件模拟Ｉ２Ｃ总线的控制方式，通过ＤＳＰ的多功能口实现ＤＳＰ对ＳＡＡ７１１３的初始化等控制；根据ＳＡＡ７１１３输出的同步脉冲，通过使用可编程器件ＣＰＬＤ，产生图像帧存储器的地址信号、读写信号以及帧切换等控制信号，实现ＳＡＡ７１１３和ＤＳＰ之间的高速数据通讯。

３ ＤＳＰ与ＳＡＡ７１１３之间的无缝连接

ＳＡＡ７１１３输出的是隔行视频信号，一帧图像需要传送两次，分别记为奇场图像和偶场图像；视频处理的对象是逐行排列的图像信号，因此必须等待一帧图像（连续的奇、偶两场信号）采集完后，合成到一个图像帧中才能进行后续处理。利用ＳＡＡ７１１３的同步信号，使用可编程逻辑器件ＣＰＬＤ构建控制器，可将图像数据写入帧存储器，解决图像帧合成问题。为了向前端处理器（ＤＳＰ）提供连续的图像信号，采用两个图像帧存储器Ａ和Ｂ交替存储的方式，来暂存采集到的图像数据和需要处理的图像数据，可实现图像的实时连续采集处理。
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