基于DSP+CPLD的嵌入式高速图像通信系统设计

　　1 引言

　　随着现代的图形采集技术发展迅速，各种基于ISA，PCI，USB1.1等总线的图形采集卡速度已经不能满足用户的需求，而采用 USB2.0以后就可以解决这个传输速度上的瓶颈，USB2.0的速度是480Mbits/s，完全可以满足图像采集、传输以及后续处理的要求。系统中采用 DSP+CPLD的硬件设计方案，采用现场可编程芯片 CPLD及两片 SRAM构成的图像采集和存储系统，可以根据不同的需要进行现场编程，具有通用性好、价格相对便宜，易于系统调试，升级等特点。系统中 CPLD选择的型号是 ALTERA公司的MAX7000系列低功耗芯片EPM7128A。片外大容量 SRAM是DSP与 CPLD的联系桥梁，系统设计也利用这座桥梁将 USB和 CPLD有机地联系起来。该系统的市场调查表明，适应于各种主动或被动的监测场合，以及医疗、公安和工业检测当中。 2 系统的硬件设计方案图像通信系统包括以下四个部分，如图 1所示：

　　（1） 图像采集模块，由线阵 CCD、CCD 驱动信号增强电路、CPLD 和 A/D 组成，用于采集图像信号，并将模拟信号数字化，以便 DSP 处理。本系统采用黑白高速线阵TH7814A，该 CCD 为双路输出，像敏单元尺寸7 ？m，最高驱动频率 50 MHz;CCD 驱动信号增强电路是为满足该 CCD 所需的 9 V 高速驱动而设计的;A/D 芯片采用 SAA7111A，它由双通道模拟预处理电路、自动钳位和增益控制、时钟产生电路、数字多标准译码器色度/饱和度/对比度控制电路、彩色空间矩阵和 27MHz数据处理通道七部分组成，并由 DSP模拟I 2C总线进行时序配置，以上器件同步驱动脉冲均由 CPLD 产生。

　　（2）图像信号的处理和控制模块，该模块由 DSP和两片 SRAM组成，完成了整个系统图像数据的处理和对各模块的集中控制与处理，DSP选用了 TI公司的通用 16位定点 DSP芯片 TMS320VC5409，其指令的处理速度达到 100MIPS，通过片内的锁相环倍频使 DSP内部工作在 100M的频率上，而外部的工作频率可以相对较低，这就降低了电路设计的要求，提高了工作的稳定性。该系统图像采集的一帧图像是 720×576象素，如果取彩色图像，每象素用 2个字节表示，每帧图像是 720×576×16=*Mb，分成奇数场和偶数场分别存储在两片 SRAM中，则每片的 SRAM存储 3.2Mb的图像数据，因此选用了 256K×1*M位的静态存储器（SRAM）。在图像处理领域，通常只需要黑白图像，可以只取图像的黑白部分，每象素用 1个字节表示，每帧图像是 3.2Mb ，每片 SRAM存储 1.6Mb的图像数据。所采用的 EZ-USB芯片理论速率是 480Mbps，实际测得的速率是 320Mbps，因此图像采集卡每秒传输约 5帧彩色图像或 10帧黑白图像。

　　（3）USB传输和控制模块，设计中选用的芯片是EZ-USB FX2系列的CY7C68013芯片，该芯片是针对 USB2.0的，而且和 USB1.0兼容，由于 USB2.0的速度可以达到480Mb/S，并且FX2自身具有EP2，EP4，EP6和EP8的4个大流量端点，CY7C68013可以实现从外部存储器高速的读取和写入数据。在图像的采集、存储和传输设计上，不再是奇数场存储在奇数SRAM，偶数场存储在偶数SRAM。最重要的改进是一帧图像在完成行延时和像素延时之后，当偶数场到来后，先把偶数场的一半存储在紧邻奇数场数据的奇数 SRAM中，然后再把余下的偶数场数据的一半存储在紧邻偶数场数据的偶数 SRAM中。CY7C68013拥有 4个大容量端点，恰好满足了整个系统对实时性的要求。在 USB从两个 SRAM读取图像数据时，USB并不是从两个SRAM“乒乓”式的读取图像数据，而是充分地利用 USB2.0的速度特点，由 CPLD的时序调度来先读取奇数SRAM，然后读取偶数SRAM。

　　（4）系统接口以及终端图像还原和存储模块，系统中各个模块之间都需要通过接口来实现模块间通信，因此接口的选择是系统是保证系统通信速度的关键。其中 CPLD 和 DSP 都具有很高的数据处理速度 ，如何将这两个器件的处理速度协调起来 ，会直接影响整体系统的运行速度 ，这就涉及到 CPLD如何与 DSP接口的问题。关键是选择 DSP的接口方式和配置CPLD的片内RAM。系统中DSP与 SDRAM 用EMIF 的方式接口。同时，CPLD内部的存储器主要是 Block RAM ，可用作双口 RAM ，正好可将 CPLD 模块中的结果缓冲器设为双口 RAM ，一端是输入 ，另一端则模拟为SDRAM 的接口。这样就将 CPLD 与 DSP 有机地连接在一起。系统与终端的接口采用的是 480Mb/s的 USB2.0通用串行接口，用于发送和接受各种数据及控制信号。PC机端通过 USB接口接受数据，然后存储到终端硬盘上，进行图像的还原和处理。

　　系统工作流程：系统上电以后， DSP从外部 FLASH进行程序自举，将程序引导进入片内高速 RAM中运行。DSP对 SAA7111A，TL16C750（异步通信芯片）进行初始化配置。初始化结束后，DSP进入等待状态。当接收到手动或是软件自动链路请求时， DSP进行链路拨号。链路成功后， DSP通过 CLKX产生触发脉冲通知 CPLD可以采集图像。从 CCD捕捉到的模拟视频信号经过SAA7111A的模数转换，由CPLD控制写入片外高速大容量SRAM储存，直到一帧图像存储完毕， CPLD交出总线。然后 USB控制器 FX2从两片 SRAM中读取奇数场和偶数场的图像数据。一帧图像采集结束后，CPLD置高 HOLD，同时产生中断，通知 DSP。DSP收回总线，进行图像传输。图像采集部分的 TOKEN信号外接 LED，LED的亮、灭状态可以直观地显示系统进程阶段。