基于DSP+FPGA技术的视频图像采集系统的设计.pdf

基于DSP+FPGA技术的视频图像采集系统的设计涂军1汪俊2高俊3引言系统结构及基本原理系统组成湖北工业大学计算机学院武汉4300682武汉市成人教育培训中心3武汉理工大学信息工程学院武汉430023摘要：为实现对视频数据快速准确的采集，提出了一种以DSP+FPGA为基础的数字信号处理方法。由DSP构成的数字信号处理系统以数字信号处理为基础，FPGA作为主要的控制单元，具有与其他以现代数字技术为基础的设备接口方便、数字部件易于高度集成、系统精度高的优点，使其得到广泛的应用。文章在介绍了系统组成及基本原理的基础上，详细讨论了实现简单、修改方便等优点，能得到满意的图像结果．1随着科学技术的高速发展，图像数字化处理在军事、科研、工农业生产、医疗卫生等领域的应用越来越广泛。数字信号处理器是利用专门或通用的数字信号处理芯片，以数字计算的方法对信号进行处理，具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小及可靠性高等优点，满足了对信号快速、精确、实时处理及控制的要求。2一个完整的图像处理系统不但要具备图像信号的采集功能，还要求能对图像进行实时显示，且要求完成图像信号的分析及处理算法(如图像压缩等)。通常这些算法的运算量大，同时又要满足实时显示的要求，因此采用高速DSP芯片作为数据核心处理单元。另外，要求系统满足通用性的同时，针对不同的应用和不断出现的新处理方法，还要使系统便于功能的改进和扩展。为此，我们以PC机为主机，以rI'I公司的DSP作为数字信号处理板的核心，用FPGA作为系统数据采集的控制部分，设计出视频图像高速采集系统。图1是基于DSP的视频数据采样系统原理图。本文将详细阐述采样部分的实现方法。3数据采集系统的原始输人信号不稳定，随环境条件变化而产生波动。为了使转换后所得武汉430072采集部分的结构扣b'PGA的控制逻辑、DSP中断取数功能的实现。这种设计具有功能集成、关键词：图像数字信号处理数据采集FPGADSP·836·
Ill数据息谶3．2～D转换电路的设计FPGA逻辑控制模块的数字信号具有重复性需要进行信号调理。信号调理模块由跟随器、衰减器和滤波器几部分电路构成。跟随器和衰减器使输入模拟信号处于剐D转换器的线性工作区，滤波器减小噪声信号干扰，从而保证了A／D转换精度。衰减器和滤波器都为多级网络，由数字开关控制，可根据不同环境条件改变衰减和滤波范围，保证数据的有效性。在通常的数据采集系统中，测量过程是通过对A／D变换器的控制来实现的。但对于一个高速采集系统而言，这种方法有局限性。因为高速A／D建立稳定的工作状态需要相当长时间，频繁的改变A／D的工作状态会影响采样时的精度，严重时会造成信号的失真。在设计方案中，同步命令并不直接作用于高速A／D。自通电时起，A／D和时钟电路始终处于工作状态，对数据不停地进行转换。系统采用AD9244芯片进行模数转换。AD9244是AD公司推出的一款14位高精度高速模数转换器，提供有片内参考电压，并集成了高性能的抽样和保持放大器。正常工作情况下，其最高抽样速率可以达到65MSPS。AD9244内部使用多极差分电路结构，并带有自动纠错的逻辑电路，可以在65MSPS的输入数据速率下保证14bit的精度，并且还具有750MSPS的模拟输入信号带宽。DSP核心处理模块DSP是整个图像处理系统的核心，对采集到的信号进行处理、压缩等过程都由DSP编程实现。系统由DSP通过芯片上的HPI接口与主机进行通信，接受主机控制命令并向主机传输采样数据。DSP可对采样所得数据进行实时处理。由于实时性的要求，我们选用，11公司的DSP虽然在算法处理上功能很强大，但其控制功能是非常弱的，故采用FPGA用于A／D采样控制、信号预处理以及整个系统的逻辑控制，并且在高速数据采集方面，FPGA有单片机和DSP无法比拟的优势。FPGA时钟频率高，内部时延小；全部控制逻辑由硬件完成，速度快，效率高；组成形式灵活，可以集成外围控制、译码和接口电路。通过这种方式，实现了控制与运算的分离，充分利用了DSP与FPGA的优点，提高了系统的处理功能，充分的满足了系统实时性的要求。3．3DSP处理器TMS320C6202B。3．4由于在硬件设计时对实际应用的要求并不能完全了解，设计方案有一定的局限性，因此图I视频数据采样系统原理图·837·
同步滞后7雕后开始采集(滞后时间可视具体信号稍加调整)，采集时钟为5Ⅻz，采256个点系统主要模块的工作原理及其实现FPGA采集控制部分的逻辑结构种控制和状态信号引入FPGA，利用FPGA的大容量和现场可编程的特性就可根据不同的要求进行现场修改，增大系统设计的成功率和灵活性。FPGA与DSP数据交换部分数据交换部分用一个4K双口RAM作为图像数据存储区，图像采集部分由DSP负责启动控制及采集数据的读取。为