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1 引言 圖像處理、瞬態(tài)信號檢測等領(lǐng)域要求高速度、高精度、高實(shí)時(shí)性的數據采集與處理技術(shù)，因此對高速圖像采集系統的數據傳輸提出更高要求�，F在高速圖像采集系統一般采用高性能數字信號處理器(DSP)和高速總線(xiàn)的框架結構。DSP完成計算量巨大的實(shí)時(shí)處理算法，高速總線(xiàn)實(shí)現處理結果或采樣數據的快速傳輸，可采用ISA、PCI、USB等高速總線(xiàn)，而USB總線(xiàn)具有安裝方便、高帶寬、易擴展、傳輸速率高達480 b／s，已成為計算機接口的主流。因此，這里介紹一種采用USB2．0接口和高性能DSP的高速圖像采集處理系統，主要應用于井下視頻檢測，也可應用于光纖通信、雷達信號處理等領(lǐng)域。 2 圖像采集系統硬件設計 2．1 系統硬件設計架構 圖1為該高速圖像采集系統硬件設計架構。該系統設計選用ICX205AL型CCD傳感器來(lái)采集圖像，前端被測物體的光線(xiàn)經(jīng)光學(xué)系統*在CCD傳感器上，然后輸出信號經(jīng)低噪聲的OP37傳輸至高速、高精度的AD9220型A／D轉換器，所轉換的數據再經(jīng)DSP預處理，通過(guò)USB接口器件傳輸給PC機，這樣就完成了圖像采集過(guò)程。 ICX205AL型高速面陣CCD傳感器的有效像素可達到1145 M(1 392 Hx1 040 V)，水平驅動(dòng)頻率141 318 MHz，并具有靈敏度高、暗電流小、分辨率高、轉移速度快、連續可調電子快門(mén)等特點(diǎn)。 該系統設計選用TMS320DM6437型高性能的數字媒體處理器DSI作為核心控制。TMS320DM6437通過(guò)HPI接口訪(fǎng)問(wèn)USB接口器件。HPI接口是一個(gè)并行端口，16位數據總線(xiàn)寬度，8級深度內部讀寫(xiě)緩存，通過(guò)HPIC、HPIA、HPID 3個(gè)寄存器組合易于實(shí)現主機對DSP的控制。主機(上位機)通過(guò)HPI接口直接訪(fǎng)問(wèn)DSP的全部存儲空間，包括存儲映射的外圍設備。主機和DSP都可訪(fǎng)問(wèn)HPI的控制寄存器(HPIC)，此外，主機還可訪(fǎng)問(wèn)地址寄存器(HPIA)和數據寄存器(HPID)。 USB接口器件采用Cypress公司的CY7C68033，其內部集成有USB2．0收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、增強型的8051內核和可編程控制的外圍接口(GPIF)，可提供高速數據傳輸有效、方便的解決方案。CY7C68033的固件程序位于內部RAM中，由uSB或電子可擦寫(xiě)可編程只讀存儲器(EEP-ROM)下載；具有4個(gè)可以自由編程分配控制的端點(diǎn)；8位或16位外部數據接口：內部具有4個(gè)集成的FIFO，對外有兩種接口模式，Master模式使用GPIF接口，Slave FIFO模式使用集成的FIFO供外部設備讀寫(xiě)，很容易與外部的專(zhuān)用集成電路或DSP器件連接；內置增強型的8051內核時(shí)鐘最高可達48 MHz，其指令周期只需4個(gè)時(shí)鐘周期；具有2個(gè)通用異步收發(fā)器(UART)、3個(gè)定時(shí)計數器、擴展的中斷系統；內置2個(gè)I2C總線(xiàn)控制模塊。 2．2 USB接口設計 圖2是該高速圖像采集系統的USB接口電路連接圖。 圖2中，CY7C68033的PA3～PA2引腳作為地址線(xiàn)與TMS320DM6437 DSP的HCNTL[1:0]相連，用于選擇HPI的寄存器與工作模式；FD[15:0]作為16位數據總線(xiàn)與HPl的數據總線(xiàn)HD[15:0]相連，用于交換數據；CTLx引腳為GPIF的輸出控制信號，RDYO引腳為GPIF的輸入控制信號。由于訪(fǎng)問(wèn)HPI寄存器需兩次半字傳輸，因此使用CY7C68033的CTL0引腳進(jìn)行控制。TMS320DM6437的HR／W接至CTL1，用來(lái)作為讀／寫(xiě)選擇標志；HDS1與CTL2相連，作為數據選通信號。HRDY與輸入信號線(xiàn)RDYO相連，用于查詢(xún)HPI接口狀態(tài)，GPIF通過(guò)監測該信號以控制內部存取操作。TMS320DM6437的HINT與CY7C68033的INT0引腳相連，DSP復位時(shí)HINT引腳啟用，該引腳也用于DSP向CY7C68033發(fā)送外部中斷請求。另外，TMS320DM6437的HCS3引腳接地表示可對HPI進(jìn)行連續存取操作。 3 圖像采集系統軟件設計 當USB設備插入計算機時(shí)，計算機和USB設備之間產(chǎn)生一個(gè)枚舉過(guò)程。計算機檢測到有設備插入。自動(dòng)發(fā)出查詢(xún)請求；USB設備回應該請求，發(fā)送出該設備的Vendor ID和Product ID；計算機根據這兩個(gè)ID裝載相應設備驅動(dòng)程序，完成枚舉過(guò)程。然后就可以傳輸數據，接收數據，即TMS320DM6437 DSP向PC機傳輸數據時(shí)，首先向CY7C68033發(fā)送一硬件中斷信號，CY7C68033接收該中斷，并啟動(dòng)接收程序，通過(guò)HPI接口設置DSP的HPIC寄存器的HINT標志位，使DSP下一次仍通過(guò)該位發(fā)出中斷：然后通過(guò)端口6將固定長(cháng)度(512字節)的數據讀人FIFO：端口6讀取數據時(shí)，為了保證較高的傳輸速度，CY7C68033中的CPU不能干預數據傳輸，當FIFO中的數據達到一定數量后，CY7C68033自動(dòng)將數據打包傳送給USB總線(xiàn)；發(fā)送數據時(shí)，它將數據包直接傳輸給CY7C68033，CY7C68033接收到數據后，按指定字節長(cháng)度將數據讀到發(fā)送端口2的FIFO中，然后自動(dòng)啟動(dòng)GPIF，將數據傳送給DSP，接下來(lái)CY7C68033通過(guò)HPI接口設置DSP的HPIC寄存器中的DSPINT位(將其置1)，向DSP發(fā)送請求中斷，通知DSP有數據包。 USB設備的軟件開(kāi)發(fā)包括設備固件、設備驅動(dòng)程序以及應用程序3方面設計。 3．1 設備固件 設備固件設計是由主程序和中斷處理程序2部分組成，其中，主程序負責系統外設器件的互聯(lián)以及初始化設置USB端口等。系統上電時(shí)，通過(guò)USB電纜將固件程序下載到CY7C68033的內部RAM，為了傳輸可靠，固件程序下載采用批量傳輸方式。由于系統要求快速持續傳輸大量數據，因此采用同步傳輸方式。 3．2 USB設備驅動(dòng)程序 USB設備驅動(dòng)程序設計一般采用Windows DDK(devicedriver kil)設計，但由于DDK的復雜性和調試難度，難以開(kāi)發(fā)穩定完善的USB驅動(dòng)程序。因此，這里選用NuMega公司的開(kāi)發(fā)軟件DriverWorks，它是以面向對象的思想完全封裝DDK的所有庫函數。 通過(guò)DriverWorks提供的類(lèi)，編寫(xiě)大部分驅動(dòng)程序。最重要的是DriverWorks提供對USB總線(xiàn)的封裝，這樣大大簡(jiǎn)化對USB總線(xiàn)的操作接口。DriverWorks通過(guò)向導生成USB驅動(dòng)程序的框架，并利用KDriver、KPnpDevice、KpnpLowerDe-vice等類(lèi)簡(jiǎn)化WDM(Win32 driver module)驅動(dòng)程序編程，它們分別對應的封裝是WDM中的PD0、FD0、FiD0。每一個(gè)WDM驅動(dòng)程序都有一個(gè)入口函數AddDevice，當PC機監測到USB接口中接入新設備時(shí)．立刻調用入口函數AddDevice并且創(chuàng )建設備的PD0，接著(zhù)將其保存到函數參數指針中。成員函數AddDevice同時(shí)創(chuàng )建另外一個(gè)設備對象FD0．它被KPnpDevice封裝。對WDM總線(xiàn)驅動(dòng)程序的上層接口通過(guò)KpnpLowerDevice類(lèi)實(shí)現FD0和PD0之間的連接，同時(shí)它也提供對PD0的操作接口。對USB客戶(hù)驅動(dòng)程序從KLow-erDevice類(lèi)派生出的KusbLowerDevice類(lèi)封裝USB的底層設備對象，通過(guò)其接口操作USB總線(xiàn)的驅動(dòng)程序。 3．3 客戶(hù)應用程序 PC機上的應用程序使用VC++編寫(xiě)。應用程序通過(guò)調用Windows API函數實(shí)現系統所要求的功能。應用程序主要采用以下3個(gè)函數：ReadFile，WriteFile和DevriceloControl。ReadFile從前端圖像采集系統讀取數據；WriteFile向圖像采集系統寫(xiě)入數據：DeviceloControl在PC機中從圖形采集系統讀取數據或向圖像采集系統寫(xiě)入數據前向DSP發(fā)送交換數據的請求。 4 實(shí)驗驗證 DSP系統采集圖像后將數據發(fā)送至USB端口，主機應用程序打開(kāi)設備，先從設備讀取設備描述符和通道信息，接著(zhù)讀取USB端口數據。采用BUS HOUND監控USB端口數據流，如圖3所示。從圖3看到：從USB端口讀取的數據包括設備描述符數據、通道信息數據，以及從USB端口寫(xiě)入的數據塊。實(shí)驗測試數據傳輸率達29．5 MB／s，1 s能夠傳輸15幀未經(jīng)壓縮圖像，完全滿(mǎn)足高速圖像傳輸要求。 5 結束語(yǔ) 高速圖像采集系統DSP通過(guò)CY7C68033的底層驅動(dòng)以及簡(jiǎn)單實(shí)用的編程結構，可方便建立上層PC機與DSP之間的USB通信信道。 根據DSP的HPI接口讀／寫(xiě)控制時(shí)序，連接CY7C68033的GPIF接口，將HPI接口的各個(gè)寄存器映射為CY7C68033的外部地址，使得CY7C68033能夠方便讀寫(xiě)DSP內部RAM，從而建立基于USB2．0接口的PC機與DSP之間的高速圖像采集通信通道。 該系統設計充分利用USB的即插即用功能，高速圖像采集設備操作方便快捷，因此具有高使用價(jià)值。 |
