基于DSP的实时图像数据采集系统设计

引言
    TI推出的C6000系列DSP，将数字信号处理器的处理能力提高到了一个新的境界。实际上，C6000系列的高速处理能力以及其出色的对外接口能力，使它在图像处理领域具有非常大的应用潜力。DSP芯片的功能越来越强大，使信号处理系统的研究重点又回到软件算法上，而且随着DSP运算能力的不断提高，能够实时处理信号带宽也大大增加，数字信号处理的研究重点也由初的非实时应用转向高速实时应用。

1 TMS320C6416处理器特点
    TMS320C6416是TI公司推出的TMS320C6000平台上高性能定点系列处理器。适合实时图像处理的内部结构主要特点包括：
    ①定点／浮点系列兼容DSP、CPU主频达到720MHz；
    ②具有VelociTI先进VLIW结构内核；
    ③片内集成大容量SRAMt，最大可达8Mb；
    ④16／32／64位高能外部存储器接口(EMIF)提供了同步／异步存储器的直接接口；
    ⑤片内提供多种集成外设。

2 系统硬件设计
2.1硬件设计所用器件
    采用TI公司的TMS320C6416DSK开发板作为DSP平台。开发板提供的三排扩展引脚连接器，针对应用设计的子板可以插入引脚连接器，利用TMS320C6416DSK板提供的硬件设计资源。扩展引脚类型包括存储器信号引、外围设备信号引脚和主机端口接口信号引脚。存储器信号引脚提供DSP异步EMIF信号访问存储器或者存镕器映射设备。外围设备信号引脚提供DSP外围设备信号.例如多道缓冲串行El(MCBSP)、时钟(TIMER)。这两类型的引脚连接器提供子板的电源和地信号。采用美国Syscan公司的黑白线阵CIS图像传感器SV253A4，分辨率为200dpi，扫描长度为216ram，扫描速度为0.36ms／行，单一模拟视频输出信号。采用美国Exar公司的高速线阵CIS／CCD传感器处理器XRD98L23ACD完成对CIS图像传感器输出信号的放大、A／D等处理，其分辨率为8位，具有6位程控增益放大器，8位程控偏移调节器。采用缓冲器74HC244完成传感器处理器输出数据的缓冲。
2.2硬件设计框图
    利用DSP芯片支持库开发方法，将软件模块对应为硬件模块，系统的框图如图1所示。由TMS320C6416DSK开发板定时器(TIMER)模块提供图像传感器SV253A4和传感器处理器XRD98L23ACD的时钟信号。通用输入输出口(GPIO)模块和多道缓冲串行口(MCBSP)模块配合，模拟传感器处理器XRD98L2 3ACD控制字的写入时序，完成控制字的写入。EDMA模块和EMIFA模块配合采用EDMA方式读取外部存储器数据的方法读取缓冲器74HC244内数据到DSP内部存储器。中断模块完成TIMER模块的时钟中断设置，该时钟中断触发EDMA模块相应通道完成数据读取。

2.3硬件设计电路
    硬件电路如图2所示，图像传感器SV253A4的VOUT引脚信号为输出视频信号， CP引脚信号为时钟脉冲输入信号， SP引脚信号为开始脉冲信号。

    传感器处理器XRD98L23ACD的RED引脚信号为红分量输入信号，DB0~DB4引脚信号为数据输出位0~4信号，复用DB5／SCLK引脚信号数据输出位5或者数据输入SCLK信号，复用DB6／SDA7A引脚信号数据输出位6或者数据输入SDATA信号，复用DB7／LD引脚信号数据输出位7或者LD信号，ADCCLK引脚信号为A／D转换时钟信号，CLAMP引脚信号为钳位和视频采样信号，SYNCH引脚信号为新行开始和串行数据输入控制信号。
    缓冲器74HC244的1A1~1A4和2A1~2A4引脚信号为两组数据输入信号， 1Y1~1Y4和2Y1~2Y4引脚信号为两组数据输出信号， 1G和2G引脚信号为低电平有效使能信号。
    TMS320C6416DSK的T0UT0和T0UTl引脚信号为定时器0和定时器1输出信号，CLKX0引脚信号为MCBSP0传输时钟信号，DX0引脚信号为MCBSP0传输数据信号，GPIOx引脚信号为通用输入输出信号，AED0~AED7引唧信号为EMIF数据引唧0~数据引脚7信号，AARE引脚信号为EMIF异步读使能信号， AEA21引脚信号为EMlF地址引脚21信号。
    TMS320C6416DSK的TOUT0输出引脚为传感器处理器XRD98L23ACD提供占空比为50％的10MHz时钟ADCCLK输入信号，TOUTl输出引脚为图像传慼器SV253A4提供占空比为25％的5MHz时钟CP输入信号；CLKX0、DX0、GPIOx输出引脚分别为传感器处理器XRD98L23ACD提供控制字写入时序的SCLK、SDATA、LD、SYNCH输入信号；GPIOx输出引脚提供图像传感器SV253A4的SP输入信号和传感器处理器XRD98L23ACD的钳位和视频采样CLAMP输入信号；AARE、AEA2l输出引脚与逻辑组合提供缓冲器74HC244的1G和2G输入信号：AED0~AED7输入引啣接收缓冲器74HC244的lYl~2Y4输出信号。
    图像传感器SV253A4的VOUT输出信号为传慼器处理器XRD98L23ACD提供单通道RED输入信号。传感器处理器XRD98L23ACD的DB0~DB7输出信号为缓冲器74HC244提供1A1~2A4输入信号。
2.4 硬件工作流程
    系统上电后，TMS320C6416DSK由MSBSP和GPIO模块按照传感器处理器XRD98L23ACD写入时序写入控制字，使传感器处理器开始工作。GPIO模块发送SP输入信号，使图像传感器开始行采集；TIMER模块发送CP输入信号模块，使图像传感器开始采集一个点，同时产生时钟中断事件， 触发EDMA模块的时钟中断事件通道完成一次EDMA操作，即EDMA模块通过EMIF模块使能缓冲器， 读取经过传感器处理器A／D转換过采集点的数字信号。 然后触发EDMA中断，完成对采集到的数据处理、修改EDMA目的地址和其它计算。当采集了一行后， 发送SP输入信号开始新的一行采集， 工作时序如图3所示。

3 系统软件设计
    软件采用TI公司提供的Code Composer Studio开发环境，用TMS320C6416芯片支持库API开发方式，C语言编程开发。软件设计包括CMD连接命令设计、中断服务表设计、主程序设计。
3.1 连接命令设计
    由于采用TMS320C6416DSK硬件平台，根据其存储器映射，如表1所列，使用连接器伪指令MEMORY定义了5个区域反映TMS320C6416DSK存储器映射情况，然后使用连接器伪指令SECTIONS把目标文件的各个代码段和数据段分配到上述5个区域。采用Daughter Card区域的EMIFA CE2区域的首地址OxA0000000作为缓冲器74HC244的地址。
3.2中断服务表设计
    中断服务表包含中断服务代码的取址包的一个地址表，当CPU开始处理一个中断时，参照中断服务表进行。C6000的CPU有3种类型中断：RESET(复位)、不可屏蔽中断(NMI)和可屏蔽中断(INT4一INTl5)。中断服务表包含16个连续取指包，每个中断服务取指包都包含8条指令。需要设置REsET复位向量指向C运行环境的入口点_c_int00。由于系统使用的时钟中断和EDMA中断，需要设置时钟中断和EDMA中断向量指向各自中断服务程序的入口。设置其它中断向量指向虚拟中断服务程序入口，即不作任何处理，直接中断返回。

3.3主程序设计
    主程序描述了完成系统功能的变量、常量、main函数、EDMA中断服务程序和系统初始化程序的定义。系统初始化函数完成芯片支持库、中断服务表、中断模块、GPl0模块、EDMA模块、MCBSP模块、EMIFA模块、定时器模块和传感器处理器XRD98L23ACD的初始化。E3MA中断服务程序完成EDMA目标地址参数的修改和相关变量计算。Main函数调用系统初始化函数，然后启动定时器，响应EDMA中断。
    使用芯片支持库编程必须首先初始化芯片支持库，调用芯片支持库API函数CSL—init完成。
    调用芯片支持库API函数IRQ_setVecs完成中断服务表初始化，参数为连接命令文件定义的中断服务表全局标识符。
    调用芯片支持库API函数IRQ_globalEnable、IRQ_nmiEnable分别使能全局中断和不可屏蔽中断。这样系统才能响应EDMA中断，调用支持库API函数IRQ_enable使能EDMA中断。参数为IRQ_EVT_ EDMANT表示响应EDMA中断事件。
    使用GPIO设备前，必须调用芯片支持库API函数GPIO_open打开GPIO设备，然后调用芯片支持库API函数GPIO—configArgs设置GPIO模式，参数为GPIO相关寄存器值。GtIO模式主要包括各GPIO的使能、方向和初值。
    使用EDMA设备前必须调用EDMA_open打开EDMA一个通道。因为系统使用定时器l中断事件作为EDMA的触发事件，所以打开的通道参数为EDMA_CHATINl 。调用芯片支持库API函数EI)MA—configArgs设置EDMA定时器1通道，参数为EDMA相关寄存器值。通道设置主要包括EDMA的数据单元的字长为8位、传输结束中断使能、事件链接不使能、源地址为OxA0000000、数据单元数为l、目的地址为存储数组首地址。目前是用定时器l中断事件触发EDMA传输一采集点数据，同时定时器l中断事件产生TINTl输出信号也是CP输入信号，这样EDMA触发时序和CP输入信号同步。只要传感器处理器能够在两次CP信号间隔内完成一次采集点A／D等处理，就可以实现图像传感器采集一个点后，进行一次EDMA传输，确保EDMA传输采集点无重复无遗漏。如果采用定时器l中断事件触发方式，即CP输入信号同步方式，那么数据单元数为l，使能传输结束中断。在完成一次传输后，触发EDMA传输完成事件中断，完成目的地址的修改和其它计算。因为需要采集的点很多，远远超过参数链接的数目限制，不能静态设置参数链接，只能动态修改EDMA目的地址，所以不使能事件链接。
    可以采用SP输入信号作为外中断事件触发信号，触发EDMA外中断事件通道传输一行采集点数据。数据单元数为一行采集点数，根据数据单元字长设置自动修改EDMA目的地址。采用这种触发方式后，EDMA目的地址修改和各采集点传输可以自动完成，为了确保EDMA传输采集点无重复无遗漏，必须控制EDMA与图像传感器时序同步。同步的含义是考虑到传感器处理器A／D等处理的延时的同步，可这样的外中断事件触发方式需要考虑到TMS320C6416DSK的EMDA的工作时序、图像传感器工作时序和传感器处理器工作时序，不如定时器中断事件触发容易实现，但是数据传输性能要高。
    使用MCBSP设备前必须调用芯片支持库API函数MCBSP_open打开MCBSP的一个设备，因为系统使用MCBSPO的CLKXO引脚信号和DXO引脚信号，所以打开的设备参数为MCBSP_DEV0。调用芯片支持库API函数McBSP_configArgs设置MCBSPO设备，参数为MCBSP相关寄存器值。设备设置主要包括，根据传感器控制器控制字写入时序的SCLK信号，设置采样频率发生器时钟模式为内部时钟和分频值。 由GPIO模块产生控制器控制字写入时序的SYNcH信号和LD信号，由MCBSP模块产生控制器控制字写入时序的SCLK信号和SDATA信号，将控制字写入到传感器处理器。控制字为11位，前三位S2、S1、SO组合表示写入寄存器的编码，D7～DO表示写入寄存器的8位数据。传感器控制器XRD98123ACD写入时序如图4所示。

    由于系统分配缓冲器地址为OxAOOOOOOO，即EMIFACE2首地址，所以需要调用芯片支持库API函数EMIFA_configArgs设置EMIFA。设置主要包括CE2的读图4传感器控制器XRD98L23ACD写入时序写建立时间、触发时间、保持时间和存储器类型为8位异步类型。因为缓冲器可以理解成外部存储器，但是不是实际的标准存储器类型，不具有标准的EMIFA引脚连接方式，所以不能按照标准类型进行设置,需要进行实验调试设置。
    使用定时器设备前，必须调用芯片支持库API函数TIMER_open，打开TIMER的一个设备。由于系统使用定时器O和定时器1，所以打开的设备参数为TIMER_DEVO和TIMER_ DEVl。调用芯片支持库API函数TIMER_configArgs设置TIMERO和TIMERl设备，参数为TIMER相关寄存器值。系统CPU时钟为72OMHz。TIMERO设置主要包括时钟源为内部时钟源，频率为CPU时钟8分频，即9OMHz、时钟模式使能、TOUTO为时钟输出引脚和时钟周期为9。TIMERl设置主要包括时钟源为外部时钟源，频率为2OMHz、脉冲模式使能、脉冲宽度为1、TOUTl为时钟输出引脚和时钟周期为l。通过这样的设置，TOUTO可以提供1OMHz，50％占空比时钟输出信号；TOLTl可以提供5MHz，25％占空比时钟输出信号。 

结语
    本文分析了基于TMS320C6416处理器的嵌入式实时图像采集系统设计方案，充分利用了TMS32Oc6416DSK硬件和软件资源，为基于DSP芯片的有关图像的嵌入式实时系统应用，提供了一个技术参考。