畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于dsp的視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著人們對安全意識(shí)的日益重視與提高，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在安防監(jiān)控、工業(yè)控制、交通監(jiān)控等領(lǐng)域中已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。基于DSP的視頻監(jiān)控能夠提高視頻傳輸?shù)目煽啃院蛡鬏斔俣?，減小體積和重量，并能降低功耗和成本，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。因此從經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的角度來講，基于DSP的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有很好的發(fā)展前景。</p><

2、p>　　本文提出了一種視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，硬件平臺(tái)主要包括DSP主控系統(tǒng)硬件平臺(tái)、監(jiān)控云臺(tái)、攝像機(jī)和顯示器。首先對視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究的目的和難點(diǎn)進(jìn)行分析，并對視頻信號(hào)做了簡要的介紹。在此基礎(chǔ)上根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，給出系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。隨后，根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中對實(shí)時(shí)性和智能化的要求，結(jié)合設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，給出了基于 TMS320DM642的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，并給出了各硬件模塊硬件電路連接圖。根據(jù)硬件設(shè)計(jì)方案

3、，介紹了基于硬件平臺(tái)的目標(biāo)跟蹤的具體實(shí)現(xiàn)步驟，提出了目標(biāo)捕捉、目標(biāo)跟蹤以及云臺(tái)控制的軟件設(shè)計(jì)方案。最后，結(jié)合在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的經(jīng)歷，總結(jié)開發(fā)過程中的經(jīng)驗(yàn)和不足。</p><p>　　關(guān)鍵詞： DSP， 視頻監(jiān)控， 運(yùn)動(dòng)檢測， 目標(biāo)跟蹤</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Along with more a

4、ttention and improve to the social security awareness, the video monitoring system has been widely used in many fields, such as the safety monitoring, industry control traffic monitoring and so on. The video monitoring s

5、ystem based on DSP can improve the reliability and speed of the transmission, reducing the volume and weight, and can reduce the power consumption and costs, and has strong adaptability to the environment. So from the po

6、int of economic and practical, the video mo</p><p>　　This paper presents a video monitoring system hardware platform, the design of hardware platform includes DSP master control system hardware platform, mon

7、itoring haeundae, camera and monitor. Firstly, I will analyze the purpose of the research and the difficulty of research for this video monitoring system, and will introduce the video signal. Based on the requirements of

8、 design according to the system, turn out the plan of system structure design. Then, according to the requirements of real-tim</p><p>　　Keywords: DSP, video surveillance, motion detection, target tracking<

9、;/p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題研究背景1</p><p>　　1.2 課題研究的目的及意義2</p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3</p><

10、p>　　1.4 主要內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu)安排4</p><p>　　第2章 視頻監(jiān)控相關(guān)理論分析5</p><p>　　2.1 視頻信號(hào)5</p><p>　　2.1.1 模擬視頻標(biāo)準(zhǔn)6</p><p>　　2.1.2 數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)7</p><p>　　2.2 數(shù)字圖像編碼7</p><

11、;p>　　2.2.1 預(yù)測編碼8</p><p>　　2.2.2 熵編碼9</p><p>　　2.2.3 模型編碼9</p><p>　　2.2.4 分形編碼10</p><p>　　2.3 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測算法10</p><p>　　2.3.1 幀間差分法11</p><p>

12、;　　2.3.2 背景差分算法12</p><p>　　2.4 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法13</p><p>　　2.5 本章小結(jié)14</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.2 系統(tǒng)時(shí)鐘接口電路設(shè)計(jì)17</p>&

13、lt;p>　　3.3 電源接口電路設(shè)計(jì)19</p><p>　　3.4 存儲(chǔ)器模塊電路設(shè)計(jì)20</p><p>　　3.4.1 SDRAM模塊電路設(shè)計(jì)21</p><p>　　3.4.2 FLASH模塊電路設(shè)計(jì)23</p><p>　　3.5 JTAG電路設(shè)計(jì)27</p><p>　　3.6 串口通信模

14、塊設(shè)計(jì)28</p><p>　　3.7 視頻采集模塊設(shè)計(jì)31</p><p>　　3.8 視頻輸出接口電路設(shè)計(jì)34</p><p>　　3.9 本章小結(jié)35</p><p>　　第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)36</p><p>　　4.1 系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)36</p><p>　　4.

15、2 目標(biāo)捕捉程序設(shè)計(jì)38</p><p>　　4.3 目標(biāo)跟蹤程序設(shè)計(jì)41</p><p>　　4.4 云臺(tái)控制42</p><p>　　4.5 本章小結(jié)45</p><p><b>　　結(jié) 論46</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)47</b><

16、;/p><p><b>　　致 謝49</b></p><p>　　附錄： 系統(tǒng)整體硬件連接電路圖50</p><p><b>　　Directory</b></p><p>　　Chapter1 Introduction1</p><p>　　1.1 Research

17、Background1</p><p>　　1.2 The Purpose and Significance of the Research2</p><p>　　1.3 Current Research at Home and Abroad3</p><p>　　1.4 Main Content and the Structure Arrangement o

18、f the Paper4</p><p>　　Chapter 2 Video Monitor Related Theory Analysis5</p><p>　　2.1 Video Signal5</p><p>　　2.1.1 Analog Video Standard6</p><p>　　2.1.2 Digital Video

19、 Standard7</p><p>　　2.2 Digital Image Coding7</p><p>　　2.2.1 Forecast Coding8</p><p>　　2.2.2 Entropy Coding9</p><p>　　2.2.3 Model Coding9</p><p>　　2.2

20、.4 Fractal Coding10</p><p>　　2.3 Moving Targets Detection Algorithm10</p><p>　　2.3.1 Frame Difference Algorithm11</p><p>　　2.3.2 Background Difference Algorithm12</p><

21、;p>　　2.4 Sports Target Tracking Tlgorithm13</p><p>　　2.5 Summary of This Chapter14</p><p>　　Chapter 3 The System's Hardware Design15</p><p>　　3.1 Video Monitoring System D

22、esign15</p><p>　　3.2 The System Clock Interface Circuit Design17</p><p>　　3.3 Power Interface Circuit Design19</p><p>　　3.4 Memory Module Circuit Design20</p><p>　　

23、3.4.1 SDRAM Module Circuit Design21</p><p>　　3.4.2 FLASH Module Circuit Design23</p><p>　　3.5 JTAG Circuit Design27</p><p>　　3.6 Serial Interface Communication Module Design28&l

24、t;/p><p>　　3.7 Video Acquisition Module Design31</p><p>　　3.8 Video Output Interface Circuit Design34</p><p>　　3.9 Summary of This Chapter35</p><p>　　Chapter 4 System s

25、oftware design and realization36</p><p>　　4.1 The Design of the Main Program System36</p><p>　　4.2 Target Capture Program Design38</p><p>　　4.3 The Target Tracking Program Design

26、41</p><p>　　4.4 Console Control42</p><p>　　4.5 Summary of This Chapter45</p><p>　　Conclusion46</p><p>　　Reference47</p><p>　　Acknowledgements49</p

27、><p>　　Appendix: Hardware Connection Circuit diagram of Whole System50</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究背景</p><p>　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)就是對指定的場景區(qū)域進(jìn)行監(jiān)視，并把場景內(nèi)的信息傳遞給監(jiān)控者

28、，使其能根據(jù)相應(yīng)的情況采取適當(dāng)措施的系統(tǒng)。目前，視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在安防和監(jiān)控上。隨著數(shù)字圖像處理和網(wǎng)絡(luò)等各種技術(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展及更新?lián)Q代越來越快，從功能簡單到功能繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜到結(jié)構(gòu)簡單，圖像穩(wěn)定度從低到高，視頻監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了三個(gè)過程：首先是第一代視頻監(jiān)控系統(tǒng)，即模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)，是以模擬設(shè)備為主的閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)，通過模擬的方式用視頻電纜傳輸圖像信息[1]。只能在控制中心查看監(jiān)控圖像，傳輸距離比較短，因此主要應(yīng)用于

29、小范圍內(nèi)的監(jiān)控。模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)布線工程量大，對于已經(jīng)建好的系統(tǒng)，如要增加新的監(jiān)控點(diǎn)難度很大，系統(tǒng)的擴(kuò)展能力差。有線模擬視頻信號(hào)的傳輸距離有限，從而決定了模擬視頻監(jiān)控只能在小范圍場所使用。需要耗費(fèi)大量的存儲(chǔ)介質(zhì)如錄像帶，進(jìn)行模擬視頻信號(hào)的存儲(chǔ)，查詢?nèi)∽C時(shí)十分繁瑣，而且采用模擬信號(hào)方式記錄和讀取時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的失真。因此視頻監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際的監(jiān)控要求，已經(jīng)很少被使用。隨著視頻壓縮編碼技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)處理能力的提高，出現(xiàn)了第二代視

30、頻監(jiān)控系統(tǒng)，即數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，第二代視頻監(jiān)控系統(tǒng)</p><p>　　本文采用的TI公司的TMS320DM642芯片具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，足夠用于大量圖像的處理。且穩(wěn)定性好，傳輸速度快，能使視頻監(jiān)控系統(tǒng)得到更好的監(jiān)控效果；價(jià)格低廉，降低了視頻監(jiān)控的成本；軟硬件設(shè)計(jì)容易實(shí)現(xiàn)；且體積小，重量輕，能適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，因此從經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的角度來講，基于DSP芯片TMS320DM642的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有很好的發(fā)展前景。<

31、/p><p>　　1.2 課題研究的目的及意義</p><p>　　本文的目的是基于DSP技術(shù)之上，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測和跟蹤的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。近年來，隨著分析技術(shù)以及計(jì)算機(jī)視覺和智能系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測和跟蹤技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)檢測、人工智能、自動(dòng)化儀器、醫(yī)療儀器上的樣本檢查分析、光學(xué)信息處理等方面。</p><p>　　隨著視頻技術(shù)的廣

32、泛應(yīng)用，嵌入式視頻系統(tǒng)，尤其是基于DSP芯片的視頻處理系統(tǒng)已經(jīng)成為眾多設(shè)備廠家和多層次用戶研究的方向，對于可編程的數(shù)字信號(hào)處理器的需求也越來越高。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)正處于一個(gè)高速發(fā)展的階段，DSP使實(shí)際應(yīng)用變得更加簡單。DSP芯片運(yùn)算速度快、尋址方式靈活、通信能力強(qiáng)，能夠很好的應(yīng)對圖像處理涉及到大量的運(yùn)算和復(fù)雜的算法結(jié)果，因此基于DSP結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)在圖像處理領(lǐng)域有很強(qiáng)的適用性。DSP具有較強(qiáng)的通用性，適用于模塊化的設(shè)計(jì)，并且結(jié)構(gòu)十分靈活，能

33、夠提高處理、運(yùn)算的效率，同時(shí)DSP芯片容易擴(kuò)展和維護(hù)，能夠使用于多種算法，十分適合實(shí)時(shí)圖像的處理。采用基于DSP芯片的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，其硬件可裁減，安裝放置方便，可用于多種復(fù)雜環(huán)境，比傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)省了大量的人力、物力資源。本文使用的TMS320DM642芯片，因?yàn)榫哂刑赜械臄?shù)字音/視頻輸入輸出接口、多媒體協(xié)處理器等器件，芯片的運(yùn)算速度快，精度高，且穩(wěn)定性好，能使視頻監(jiān)控系統(tǒng)得到更好的監(jiān)控效果。開發(fā)工具和開發(fā)軟件資源豐富，可以大大縮短系

34、統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間，且價(jià)格低廉，因此，本文提出的對基于DSP的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　隨著視頻處理技術(shù)的發(fā)展，基于數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)字信號(hào)處理器的視頻監(jiān)控系統(tǒng)越來越受到國內(nèi)外很多學(xué)者的關(guān)注，并且已經(jīng)在安防、交通、軍事等場所中取得了很多研究成果。</p><p>　　針對目前交通管制中大量人

35、力和物力資源的浪費(fèi)，中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所模式識(shí)別國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室視覺監(jiān)控研究組提出了一種基于三維模型的交通監(jiān)控系統(tǒng)，采用了基于改進(jìn)的擴(kuò)展卡爾曼濾波的車輛跟蹤算法和基于三維線框模型的車輛定位算法，最終實(shí)現(xiàn)了交通監(jiān)控原型系統(tǒng)。在1996年至1999年間，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局資助卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、戴維研究中心等著名大學(xué)和公司合作，聯(lián)合研制了視頻監(jiān)視與監(jiān)控系統(tǒng)，其目標(biāo)是開發(fā)自動(dòng)視頻理解技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)未來戰(zhàn)爭中人力監(jiān)控費(fèi)用昂貴，非常危險(xiǎn)或者人力無法

36、實(shí)現(xiàn)等場合的監(jiān)控[20]。</p><p>　　環(huán)顧國內(nèi)外，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在很多場合中發(fā)揮了重要的作用，且正不斷向著更加智能化的方向發(fā)展，其中系統(tǒng)中視頻信號(hào)的處理更是重中之重。然而，在發(fā)展視頻監(jiān)控系統(tǒng)的智能性的同時(shí)，兼顧系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性也是不容忽視的問題。數(shù)字信號(hào)處理及數(shù)字信號(hào)處理器在處理過程中的高穩(wěn)定性和在各種復(fù)雜環(huán)境下突顯出的高實(shí)用性，使其成為監(jiān)控系統(tǒng)中必備部分，ER且DSP以其大容量和高速度保證了系統(tǒng)的實(shí)

37、時(shí)性，使系統(tǒng)能夠做到準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)情況進(jìn)而采取相應(yīng)的措施。</p><p>　　目前，基于DSP的視頻監(jiān)控系統(tǒng)朝著小型化、智能化和可適用各種復(fù)雜環(huán)境的方向發(fā)展，視頻系統(tǒng)更加趨于復(fù)雜化，提升了技術(shù)難度?？偟膩碚f，視頻監(jiān)控技術(shù)的研究有一些難點(diǎn)。首先，由于視頻監(jiān)控產(chǎn)品主要是為了節(jié)省人員勞動(dòng)強(qiáng)度而運(yùn)用于一些特殊場合，以替代以人員為主體的傳統(tǒng)監(jiān)控手段，且提高監(jiān)控質(zhì)量，因此，對系統(tǒng)在復(fù)雜場合中的適用性和智能化有較高的要求

38、。再者，系統(tǒng)中涉及大數(shù)據(jù)量的運(yùn)算和一些高級(jí)算法的使用，實(shí)時(shí)性要求較高，因此對處理器有較高的要求。</p><p>　　1.4 主要內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu)安排</p><p>　　針對提高產(chǎn)品的高度智能化和實(shí)用性這兩個(gè)問題，本文設(shè)計(jì)的基于DSP的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)將對此提出具體方案。</p><p>　　研究的主要內(nèi)容可以概括為以下幾部分：本文中設(shè)計(jì)了一種可脫離PC機(jī)使用的基

39、于高速數(shù)字信號(hào)處理器的通用嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)，符合了監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展趨勢；連續(xù)視頻信號(hào)解碼后的視頻信號(hào)存儲(chǔ)在系統(tǒng)的擴(kuò)展內(nèi)存中，等待DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；選用模擬攝像頭進(jìn)行圖像采集，然后再通過專用的視頻解碼芯片將模擬信號(hào)數(shù)字化，再進(jìn)行下一步的處理；系統(tǒng)設(shè)計(jì)為可以同時(shí)采集4路視頻信號(hào)，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，提高了系統(tǒng)的利用率。所有的視頻編解碼芯片與DSP主控芯片之間的通信，和接受來自DSP的配置信息，都通過簡單靈活的I2C標(biāo)準(zhǔn)總線完成。</p&

40、gt;<p>　　文章的主要結(jié)構(gòu)如下：</p><p>　　第一章 緒論。主要介紹了本課題的研究背景，國內(nèi)外現(xiàn)狀，目的及意義。概括了全文的主要內(nèi)容。</p><p>　　第二章 視頻監(jiān)控相關(guān)理論分析。介紹了研究的主要理論基礎(chǔ)，分析了目標(biāo)檢測和目標(biāo)跟蹤的算法，為下一章打下基礎(chǔ)。</p><p>　　第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)為全文的重點(diǎn)，給出了設(shè)計(jì)的

41、具體電路設(shè)計(jì)。</p><p>　　第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，闡述軟件設(shè)計(jì)的流程，對系統(tǒng)進(jìn)行了軟件的設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了目標(biāo)捕捉的實(shí)現(xiàn)方法。</p><p>　　第2章 視頻監(jiān)控相關(guān)理論分析</p><p><b>　　2.1 視頻信號(hào)</b></p><p>　　隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們更加

42、傾向于使用多媒體進(jìn)行交流，而不再滿足于只用簡單的文字、聲音進(jìn)行交流，視頻廣播、可視電話、視頻會(huì)議、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，隨著這些技術(shù)的發(fā)展，越來越多的應(yīng)用到視頻信號(hào)被。本問設(shè)計(jì)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中主要處理的就是視頻信號(hào)，涉及信號(hào)的采集、數(shù)模轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)等方面的研究，下面簡單的介紹了視頻信號(hào)及相關(guān)內(nèi)容：</p><p>　　2.1.1 模擬視頻標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　當(dāng)前各個(gè)國家的

43、電視制式不盡相同，制式的區(qū)分主要在于其分解率、幀頻或場頻、載頻和信號(hào)帶寬的不同、以及色彩空間的轉(zhuǎn)換關(guān)系不同等。世界上現(xiàn)行的彩色電視制式有三種：NTSC、SECAM制和PAL制。</p><p>　　NTSC制式：525行/幀，30幀/秒，兩場的場回掃，實(shí)際傳送圖像的行數(shù)為480。行采用正交平衡調(diào)幅的技術(shù)方式，故也稱為正交平衡調(diào)幅制。美國、加拿大等大部分西半球國家以及中國的臺(tái)灣、日本、韓國、菲律賓均采用這種制式。N

44、TSC制式采用隔行掃描，行掃描頻率是15750Hz，周期是63.5N/s；場掃描頻率為60Hz，周期為16.67ms，262.5線/場，一幀分成2場；水平回掃時(shí)間是10微秒（包含5微秒的水平同步脈沖），因此顯示時(shí)間是53.5微秒；顏色模型為YIQ[10]。</p><p>　　SECAM制式：使用SECAM制的國家主要集中在法國、東歐和中東一帶。該制式是1966年制定的一種新的彩色電視制式，由法國于1956年提出

45、，SECAM意為順序傳送彩色信號(hào)與存儲(chǔ)恢復(fù)彩色信號(hào)制，它采用時(shí)間分隔法來傳送兩個(gè)色差信號(hào)，能克服NTSC制式相位失真的缺點(diǎn)[11]。</p><p>　　PAL制式: 顏色模型為YUV，與SECAM的差別是，SECAM的色度信號(hào)是FM頻率調(diào)制，而且PAL的兩個(gè)色差信號(hào)：紅色差(R-Y)和藍(lán)色差(B-Y)信號(hào)是按行的順序傳輸?shù)?，采用逐行倒相正交平衡調(diào)幅的技術(shù)方法，PAL制式也能克服NTSC制相位敏感造成色彩失真的缺

46、點(diǎn)。西德、英國等一些西歐國家，新加坡、中國大陸及香港，澳SECAM制式與PAL制類似。PAL制式中根據(jù)不同的參數(shù)細(xì)節(jié)，又可以進(jìn)一步劃分為G，I，D等制式，其中PAL-D制是我國大陸采用的制式，625行（掃描線）/幀，25幀/秒（40ms/幀），6MHz電視信號(hào)帶寬，總帶寬8MHz。行掃描頻率是15625Hz，周期為64us，每一行傳送圖像的時(shí)間是522us，其余的11.8us不傳送圖像，是行掃描的逆程時(shí)間，同時(shí)被用作消隱及行同步；隔行掃

47、描，2場/幀，312.5行/場，場掃描頻率是50Hz，周期為20ms。每一場的312.5掃描行中25行作場回掃，不傳送圖像，傳送圖像的行數(shù)每場只有287.5行，每幀只有575行有圖像顯示。</p><p>　　2.1.2 數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　采用ITU-R，BT.656標(biāo)準(zhǔn)在三種電視制式之間確定了共同的數(shù)字化參數(shù)。在該標(biāo)準(zhǔn)中，對有效樣本點(diǎn)數(shù)、采樣頻率等都作了嚴(yán)格的規(guī)定。<

48、;/p><p>　　有效樣本數(shù)：對PAL制和SECAM制的亮度信號(hào)，每條掃描行采樣864個(gè)樣本；對NTSC制的亮度信號(hào)，每條掃描行采樣858個(gè)樣本。對所有的制式，每一掃描行的有效樣本數(shù)均為720個(gè)。我國采用的PAL制式電視信號(hào)，每場的312.5行中，有一部分是不包含視頻信號(hào)的，而要用于場消隱。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的行號(hào)，奇場的行號(hào)為第1至第312.5行，偶場的行號(hào)為312.5至625行，其中，奇場的第23.5至310行包含有

49、效的視頻信號(hào)，共287.5行，偶場的第336至622.5行包含有效的視頻信號(hào)，共287.5行，因此一幀的有效行數(shù)為576行。</p><p>　　采樣頻率：PAL、SECAM制和NTSC制規(guī)定的共同的采樣頻率fs=13.5MHz，即為BT.656電視圖像。這個(gè)采樣頻率也用于遠(yuǎn)程圖像通信網(wǎng)絡(luò)中的電視圖像信號(hào)采樣。對于PAL制、SECAM制，采樣頻率為fs=625*25*N=15625*N=13.5MHz，N=864

50、。對于NTSC制，采樣頻率為fs=525*29.97*N=15734*N=13.5MHz，N=858（N為每一掃描行上的采樣數(shù)目）。</p><p>　　2.2 數(shù)字圖像編碼</p><p>　　對于目前的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)來說未壓縮的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)量無論是存儲(chǔ)或傳輸都是很困難的，因此數(shù)字視頻的編碼壓縮技術(shù)成為了應(yīng)用數(shù)字視頻的關(guān)鍵問題。</p><p>　　通常來說視頻編碼

51、分為三個(gè)階段：首先是信號(hào)處理階段，這個(gè)階段是把視頻圖像信號(hào)進(jìn)行變換、處理，使數(shù)據(jù)容易壓縮和量化；然后是量化階段，信號(hào)的失真也在這里產(chǎn)生，量化階段是壓縮過程的主要階段，是也就是用少量值表示多量值的過程；最后是無失真編碼，也就是產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)流。對視頻圖像采用不同的處理、量化和嫡編碼方法，就產(chǎn)生了不同的視頻圖像壓縮方法。</p><p>　　從信息損失的角度，視頻編碼方法可分為有損壓縮和無損壓縮。有損壓縮后的數(shù)據(jù)經(jīng)解壓

52、縮還原得到的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)不完全相同；而無損壓縮指壓縮后的數(shù)據(jù)經(jīng)解壓縮還原得到的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)完全相同[19]。以下是幾種常見的編碼方式。</p><p>　　2.2.1 預(yù)測編碼</p><p>　　預(yù)測編碼可以分為線性預(yù)測和非線性預(yù)測兩類，能進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測編碼和幀間預(yù)測編碼。預(yù)測編碼是基于圖像數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間冗余性，用相鄰的己知像素或圖像塊來預(yù)測當(dāng)前像素或圖像塊的值，而后對預(yù)測誤差進(jìn)行量

53、化和編碼。</p><p>　　線性預(yù)測編碼又稱為差分脈沖編碼調(diào)制，預(yù)測系數(shù)固定，編碼傳輸?shù)氖钱?dāng)前值與預(yù)測值的差值。幀內(nèi)預(yù)測利用相鄰像素的空間相關(guān)性，例如PJEG算法中直流系數(shù)的編碼，即用前一個(gè)8×8的直流系數(shù)作為當(dāng)前8×8數(shù)據(jù)塊的直流系數(shù)的預(yù)測值，編碼發(fā)送的是二者之差。線性預(yù)測編碼的優(yōu)點(diǎn)是易于硬件實(shí)現(xiàn)，算法簡單。其缺點(diǎn)是對信道誤差及噪聲比較敏感，容易產(chǎn)生誤碼擴(kuò)散，使圖像質(zhì)量大幅下降，而且?guī)瑑?nèi)

54、DPCM的編碼壓縮比很低，所以一般要結(jié)合其他的編碼方法共同使用，很少獨(dú)立使用。非線性預(yù)測編碼主要利用相鄰圖像序列間的時(shí)間相關(guān)性來達(dá)到壓縮的目的，和線性預(yù)測編碼相比，可以得到更高的壓縮比，在圖像編碼中占有很重要的位置。非線性預(yù)測編碼采用的技術(shù)有幀閉值法、重復(fù)法、幀內(nèi)插法、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償法和自適應(yīng)交替幀內(nèi)/幀間編碼法等，它通常是針對圖像塊的預(yù)測編碼，其中運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償預(yù)測編碼現(xiàn)已被多種種視頻圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)采用，已經(jīng)得到了很好的結(jié)果。非線性預(yù)測編碼的主要缺

55、點(diǎn)是一般要對圖像進(jìn)行分塊后再預(yù)測，容易造成分塊邊緣的不連續(xù)。而且這種編碼方法對于圖像序列不同的區(qū)域，預(yù)測性能不一樣，尤其是在快運(yùn)動(dòng)區(qū)，預(yù)測效率很低。</p><p><b>　　2.2.2 熵編碼</b></p><p>　　熵編碼的基本原理是給出現(xiàn)概率大的符號(hào)一個(gè)短碼字，而給出現(xiàn)概率小的符號(hào)一個(gè)長碼字，這樣使最終的平均碼長很小。常用的熵編碼方法有游程編碼、霍夫曼編碼

56、和算術(shù)編碼。熵編碼是基于信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性的無損編碼技術(shù)，解碼后能無失真地重建圖像。</p><p>　　算術(shù)編碼是80年代發(fā)展起來的一種熵編碼方法。算術(shù)編碼中，用0和1之間的一個(gè)實(shí)數(shù)區(qū)間來表示一個(gè)信息串，隨著信息串長度的增加，表示它的區(qū)間就不斷減小，因此表示該區(qū)間所需要的位數(shù)也不斷增加。信息串中的每個(gè)符號(hào)根據(jù)統(tǒng)計(jì)模型為自己定義的出現(xiàn)概率來劃分區(qū)間，概率大的符號(hào)對區(qū)間的劃分小于概率小的符號(hào)，因而編碼串中加入的位數(shù)更少。

57、解碼器接收到信息串后，根據(jù)符號(hào)的概率區(qū)間就可以逐位判別信息串所對應(yīng)的符號(hào)串?？梢葬槍ξ粗怕史植嫉男旁丛O(shè)計(jì)出能夠自適應(yīng)其分布的算術(shù)編碼器，也可根據(jù)信源的統(tǒng)計(jì)特性來設(shè)計(jì)具體的算術(shù)編碼器，并且這種編碼方法可用硬件實(shí)現(xiàn)。游程編碼即是將一個(gè)相同值的連續(xù)串用游程，灰度來表示，降低了表示一個(gè)等值連續(xù)串的數(shù)據(jù)量，主要用于量化后出現(xiàn)大量等值系數(shù)的情形?；舴蚵幋a利用信源的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行編碼，是一種不等長最佳編碼方法?；舴蚵幋a的前提是必須知道信源的概率分

58、布，而這是很難做到的，因此一般使用大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后得到的近似分布來代替。</p><p>　　2.2.3 模型編碼</p><p>　　模型編碼技術(shù)是剛發(fā)展起來的一種很有前途的低比特率編碼方法。利用了計(jì)算機(jī)視覺和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的方法和理論，其基本出發(fā)點(diǎn)是在編、解碼兩端分別建立起相同的模型?；谀Ｐ偷木幋a器并不壓縮實(shí)際的量化數(shù)據(jù)，而是采用一個(gè)表示景物（一般是人，人臉等）的模型，傳送的信息是

59、告訴接收方如何改變模型以匹配輸入景物（如眨眼，扭頭等）?；谀Ｐ偷慕獯a器也有一個(gè)與對應(yīng)編碼器相同的模型，解碼器利用收到的數(shù)據(jù)調(diào)整其模型，然后生成供顯示的圖像?；谀Ｐ偷膱D像編碼方法利用先驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠沓槿D像中的主要信息，并以模型參數(shù)的形式表示他們，因此可以獲得很高的壓縮比。</p><p>　　2.2.4 分形編碼</p><p>　　分形編碼是近年來產(chǎn)生的新的圖像壓縮編碼技術(shù)，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是分形

60、幾何迭代函數(shù)系統(tǒng)理論，其出發(fā)點(diǎn)在于圖像不同尺度下的局部之間的相似性與其信息冗余反映在圖像整體上，但更普遍的情形是圖像的局部之間存在相似性。分形編碼的解碼過程是一個(gè)分形迭代的過程。分形編碼的基本思想是：把原始圖像分解為互不重疊的圖像區(qū)塊R，對于每個(gè)區(qū)塊尋找一個(gè)域塊，分形變換后形成它們的最佳逼近。其中域塊也是由原始圖像分割出的圖像塊，域塊的位置及分形變換的參數(shù)構(gòu)成圖像的分形碼。在編碼過程中采用拼貼定理，確保在分形變換為壓縮映射的情況下，由任

61、意初始圖像經(jīng)過分形迭代產(chǎn)生的吸引子可以逼近原始圖像。分形塊編碼分為變換域分形編碼和空間域分形編碼，但這兩種方法的解碼重建圖像的主觀質(zhì)量較差，在高壓縮比時(shí)存在嚴(yán)重的方塊效應(yīng)。</p><p>　　2.3 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測算法</p><p>　　目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)圖像序列提供了比靜止情況下更多的信息，利用圖像序列能夠檢測到單幀圖像中無法檢測到的目標(biāo)。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測的目的就是在運(yùn)動(dòng)圖像序列中檢測出需要關(guān)注的

62、目標(biāo)。下面分析典型的運(yùn)動(dòng)檢測方法幀間差分法和背景差分法的算法及其優(yōu)缺點(diǎn)。</p><p>　　2.3.1 幀間差分法</p><p>　　幀間差分法就是在較短時(shí)間內(nèi)檢查相鄰的幾幀圖像間相應(yīng)像素點(diǎn)灰度強(qiáng)度的變化，變化較大的像素點(diǎn)被認(rèn)為是由運(yùn)動(dòng)目標(biāo)所造成的。這種方法對于場景中的光線漸變不敏感，適于動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境，且運(yùn)算量相對較小。但一般不能完整的提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，且在運(yùn)動(dòng)實(shí)體內(nèi)易產(chǎn)生空洞現(xiàn)象，從而

63、不利于下一步的分析和處理。幀間差分法可分為相鄰兩幀圖像差分和間隔數(shù)幀圖像差分。首先，利用公式2-1計(jì)算二幀圖像之間的差，得到差分后的圖像Dk(x，y)。然后根據(jù)公式2-2對差分圖像Dk(x，y)進(jìn)行二值化和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波處理，并對結(jié)果Rk(x，y)進(jìn)行區(qū)域連通性分析，當(dāng)某一連通的區(qū)域的面積大于某一給定閡值，則成為檢測目標(biāo)，并認(rèn)為該區(qū)域就是目標(biāo)的區(qū)域范圍，確定出目標(biāo)的最小外接矩形。</p><p>　　k=1,2,

64、3… (2-1)</p><p>　　其中，fk (x，y)，Rk(x，y)，Dk(x，y)為視頻序列中兩幀圖像，Dk(x，y)為幀差圖像，當(dāng)取1時(shí)為相鄰幀差分。（T是二值化設(shè)定閥值）</p><p>　　Background Dk(x，y) ＞T </p><p>　　Foreground Dk(x，y) ≤

65、T (2-2) </p><p>　　這種方法在使用過程中存在兩個(gè)問題：一是兩幀間目標(biāo)的重疊部分不容易檢測出來，因?yàn)橹苯佑孟噜彽膬蓭鄿p后，保留下來的部分是兩幀中相對變化的部分；二是檢測出的目標(biāo)比實(shí)際的目標(biāo)大一些，存在較多的偽目標(biāo)點(diǎn)。</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，上述差分法計(jì)算的差分圖像經(jīng)常包含有許多噪聲，一個(gè)簡單的噪聲消除方法是使用尺度濾波器，濾

66、除小于某一尺度的成分，但是也會(huì)將一些有用的信號(hào)濾除，比如那些來自于緩慢運(yùn)動(dòng)或微小運(yùn)動(dòng)物體的差分信號(hào)。</p><p>　　基于幀差的方法進(jìn)行視頻的目標(biāo)檢測的主要優(yōu)點(diǎn)是算法簡單，程序設(shè)計(jì)復(fù)雜度低，易于實(shí)時(shí)處理；對背景或者光線的緩慢變化不太敏感，能較快適應(yīng);對目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的檢測靈敏度高。</p><p>　　2.3.2 背景差分算法</p><p>　　背景差分法是利用當(dāng)前

67、圖像與背景圖像的差分來檢測運(yùn)動(dòng)區(qū)域的一種技術(shù)，將實(shí)時(shí)視頻流中的圖像像素點(diǎn)灰度值與事先已存儲(chǔ)或?qū)崟r(shí)得到的視頻背景模型中的相應(yīng)值比較，不符合要求的像素點(diǎn)被認(rèn)為是運(yùn)動(dòng)像素。這是視頻監(jiān)控中最常用的運(yùn)動(dòng)檢測方法。雖能較完整的提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，但對光照和外部條件造成的環(huán)境變化過于敏感，常常會(huì)將運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的陰影錯(cuò)誤的檢測為其自身的一部分。背景差分法是一種有效的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測算法。實(shí)現(xiàn)簡單，能夠完整地分割出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。</p><p>　

68、　首先，利用實(shí)時(shí)獲取或者事先存儲(chǔ)的背景圖像序列為每個(gè)像素統(tǒng)計(jì)建模，從而得到背景模型(x，y)；然后，把當(dāng)前每一幀圖像(x，y)與背景模型 (x，y)相減，進(jìn)而得到圖像中偏離背景圖像較大的像素點(diǎn)。后續(xù)處理步驟與幀間差分法相同，直至確定出目標(biāo)的最小外接矩形。</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　其中，(x，y)為某一幀圖像，(x，y)為背景

69、圖像，(x，y)為幀差圖像。如果背景是基本靜止的，只需用多幅背景圖像的統(tǒng)計(jì)平均值來完成背景圖像的估計(jì)，且能得到很好的效果。但是在有些圖像序列中，背景是個(gè)漸變的過程，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，背景差分的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)合適的背景更新策略。只有當(dāng)背景圖像選取適當(dāng)時(shí)，才能準(zhǔn)確地分割出運(yùn)動(dòng)物體。</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　為了以增加系統(tǒng)的自適應(yīng)性

70、，得出了一個(gè)背景更新方案：</p><p><b>　　有運(yùn)動(dòng)</b></p><p>　　無運(yùn)動(dòng) (2-6)</p><p><b>　　閥值T更新方案：</b></p><p><b>　　有運(yùn)動(dòng)</b></p><p>　　無運(yùn)

71、動(dòng) (2-7)</p><p>　　其中η為常數(shù)因子，通常為正整數(shù)。</p><p>　　可知，利用統(tǒng)計(jì)平均方法對背景圖像進(jìn)行修正，選取前N幀未出現(xiàn)目標(biāo)的圖像進(jìn)行背景提取，可以得到一個(gè)較為真實(shí)的背景圖像。</p><p>　　2.4 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法</p><p>　　相關(guān)跟蹤算法對場景圖像質(zhì)量要求不高，可在低信噪比條件

72、下穩(wěn)定工作，能適應(yīng)較復(fù)雜場景結(jié)構(gòu)的目標(biāo)和背景條件，具有較強(qiáng)的局部抗干擾能力，能在低信噪比條件下提供最好的跟蹤性能，在成像跟蹤中占有著非常重要的地位。相關(guān)跟蹤算法是將系統(tǒng)的基準(zhǔn)圖像在實(shí)時(shí)圖像上以不同的偏移值位移，然后根據(jù)一定的相似性度量準(zhǔn)則對每一個(gè)偏移值下重疊的兩個(gè)圖像——基準(zhǔn)圖像及與基準(zhǔn)圖像同樣大小的實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行相關(guān)處理，根據(jù)判別準(zhǔn)則和相關(guān)處理結(jié)果，判斷目標(biāo)在實(shí)時(shí)圖像中的位置。相關(guān)跟蹤算法具有很好的識(shí)別能力，能有效地排除雜散紅外光的干擾

73、，可以跟蹤復(fù)雜背景中的目標(biāo)，而且能在低信噪比條件下提供最好的跟蹤性能，跟蹤距離遠(yuǎn)，可靠性高。相關(guān)跟蹤算法主要分為兩種，即特征相關(guān)匹配跟蹤算法和模板匹配跟蹤算法，本文選用的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法是特征相關(guān)匹配跟蹤算法。</p><p>　　在已知目標(biāo)的幾何尺寸、灰度、運(yùn)動(dòng)方向和軌跡、運(yùn)動(dòng)速度和加速度等特性，并且這當(dāng)中的某些參數(shù)在短時(shí)間內(nèi)還將保持相對穩(wěn)定的條件下，就可以利用特征相關(guān)匹配跟蹤算法可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤。跟蹤時(shí)，先

74、根據(jù)前幀目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度和方向，估計(jì)當(dāng)前幀波門的大小和位置，然后根據(jù)前一幀及歷史數(shù)據(jù)以及目標(biāo)特征的連續(xù)性和規(guī)律性，預(yù)測當(dāng)前幀目標(biāo)特征參數(shù)，最后在波門內(nèi)，用以上特征作為匹配參數(shù)，尋找匹配誤差最小的點(diǎn)作為目標(biāo)在當(dāng)前幀的位置。如果最小匹配誤差點(diǎn)的匹配值大于一定閥值，則認(rèn)為匹配失敗，目標(biāo)丟失。如果匹配測度采用Mahalanobis距離，則匹配結(jié)果的度量計(jì)算如下：</p><p><b>　　(2-8)</b&

75、gt;</p><p>　　M是Mahalanobis距離，Wi是特征的系數(shù)矩陣，是特征的方差平方，xi是特征當(dāng)前幀的值，xi是特征的滑動(dòng)平均預(yù)測值。當(dāng)變化緩慢時(shí)可以簡單地用過去N幀的平均值表示。目標(biāo)不同，采用的目標(biāo)特征也不同的，實(shí)際的場景不同、噪聲干擾不同、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)變化特點(diǎn)不同時(shí)也應(yīng)當(dāng)采用不同的特征參數(shù)，盡量選取那些相對穩(wěn)定而且不易受到干擾的特征量[13]。</p><p><b&

76、gt;　　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了視頻信號(hào)的特點(diǎn)和數(shù)字圖像的編碼方法，具體說明了多種運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測算法和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法實(shí)現(xiàn)方法，為下一章的硬件設(shè)計(jì)打下了理論基礎(chǔ)。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)主要由DSP

77、芯片TMS320DM642，信號(hào)采集模塊，視頻輸出模塊，存儲(chǔ)模塊以及外圍電路組成。DSP芯片主要完成監(jiān)控系統(tǒng)中的算法功能，并對信號(hào)采集模塊和視頻輸出模塊發(fā)送控制信號(hào)。Flash芯片保存程序代碼，作為程序存儲(chǔ)器使用。Flash芯片可以在線進(jìn)行擦除、寫入操作，使得系統(tǒng)更易于軟件編程，同時(shí)Flash具有掉電保護(hù)作用，可以保證系統(tǒng)代碼的完整性和安全性。數(shù)據(jù)存器是SDRAM芯片，該芯片能夠快速地讀取，用以儲(chǔ)存采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)。攝像頭采集視頻信號(hào)并把

78、視頻信號(hào)傳送到視頻解碼器，視頻解碼器進(jìn)一步把模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成主控芯片使用的數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)進(jìn)入DSP芯片經(jīng)過內(nèi)部處理后，由視頻編碼器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并由由顯示器顯示輸出，完成視頻信號(hào)的采集，儲(chǔ)存，處理和顯示。兩路串口可分別實(shí)現(xiàn)DSP同PC機(jī)及云臺(tái)的通信，以及系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口。結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　攝

79、像頭工作在電子掃描狀態(tài)，對應(yīng)幀頻率為50Hz。出于對數(shù)據(jù)建立時(shí)間的考慮，選用采樣頻率為 27MHz的A/D轉(zhuǎn)換器。攝像頭的讀出電路輸出的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器變換為8位的數(shù)字信號(hào)后輸入到DM642的圖像數(shù)據(jù)在DM642中完成視頻跟蹤算法處理后，通過DM642的視頻口轉(zhuǎn)換為YCbCr4:2:2格式的數(shù)字視頻信號(hào)，并輸入視頻編碼器，生成PAL或NTSC制式的復(fù)合視頻信號(hào)。在DSP子系統(tǒng)中，SDRAM作為片內(nèi)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，主要用作圖像處理前和

80、處理后的幀存，F(xiàn)lash則用于固化參數(shù)和代碼，并引導(dǎo)系統(tǒng)的啟動(dòng)。在A/D與DM642的接口問題上，為了簡化電路結(jié)構(gòu)，采用A/D與DM642直接連接的方式，避免了使用外部緩沖存儲(chǔ)器或FIFO。當(dāng)DM642的CPU時(shí)鐘為600MHz時(shí)，EMIF的讀寫速度為100MHz，大大高于A/D的27MHz的輸出數(shù)據(jù)的速率，因此，DM642有充分的時(shí)間對A/D輸入的數(shù)據(jù)做出響應(yīng)。視頻輸出部分是利用DM642的視頻端口和視頻編碼芯片直接連接。DM642的

81、視頻端口工作在視頻顯示模式時(shí)，它集成了一個(gè)3通道的視頻FIFO，分別用于Y，Cb，Cr信號(hào)的輸出緩沖。視頻FIFO通過</p><p>　　3.2 系統(tǒng)時(shí)鐘接口電路設(shè)計(jì)</p><p>　　DM642的PLL控制器含有硬件可配置的PLL倍頻控制器、分頻器、復(fù)位控制器。DM642的內(nèi)核時(shí)鐘為600MHz，由外部50MHz有源晶振輸入，經(jīng)過PLL鎖相環(huán)12倍頻產(chǎn)生600MHz。鎖相環(huán)的倍頻系數(shù)

82、由CLKMODE0和CLKMODE1管腳邏輯狀態(tài)值決定，當(dāng)我們需要選擇內(nèi)核時(shí)鐘為600MHz時(shí)CLKMODE[l..0]配置為10B，CLKMODE[1..0]的配置通過電阻上拉或下拉實(shí)現(xiàn)。當(dāng)頻倍因子CLKMODE1和CLKMODE0都為0時(shí)，時(shí)鐘輸入范圍CLKIN RANGE為30-75MHz，CPU時(shí)鐘頻率30-75MHz；當(dāng)頻倍因子CLKMODE1為0， CLKMODE0為1時(shí)，時(shí)鐘輸入范圍CLKIN RANGE為30-75MHz

83、 ，CPU時(shí)鐘頻率為180-450 MHz；當(dāng)頻倍因子CLKMODE1為1， CLKMODE0為0時(shí)，時(shí)鐘輸入范圍CLKIN RANGE為30-75MHz ，CPU時(shí)鐘頻率為360-600 MHz.</p><p>　　DM642的PLL電路結(jié)構(gòu)如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 TMS320DM642 PLL 模塊電路框圖</p><p>　　3.3

84、電源接口電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)選用的DM642處理芯片，外接SV電源，在系統(tǒng)內(nèi)部，需要兩種電壓：1.4V和3.3V。DSP內(nèi)核供電電壓為1.4V，DSP的I/O和其他外設(shè)供電電壓為3.3V。為了避免燒壞DSP，要求在上電過程中，應(yīng)當(dāng)保證內(nèi)核電源先上電，最遲也應(yīng)與外設(shè)電源一起上電，因?yàn)?，如果僅內(nèi)核獲得供電，周邊外設(shè)沒有供電，對芯片不會(huì)產(chǎn)生損害，只是沒有輸入輸出能力而己。如果反過來周邊外設(shè)得到供電而內(nèi)核

85、沒有加電，那么芯片緩沖驅(qū)動(dòng)部分的晶體管將在一個(gè)未知狀態(tài)下工作，這是非常危險(xiǎn)的[7]。</p><p>　　如圖3-3，3-4所示，在本設(shè)計(jì)U16單元的電源輸出有效引腳PWRGD與U17單元的SS/EN芯片電壓輸入使能端相連接，U16的PWRGD引腳的作用是在輸出端產(chǎn)生有效的輸出電壓是被置為高電平。這樣可以保證在U16單元上電產(chǎn)生內(nèi)核電壓時(shí)U17使能，保證內(nèi)核電源與外設(shè)電源的上電順序;關(guān)閉電源時(shí)，先關(guān)外設(shè)電源，再關(guān)

86、內(nèi)核電源。</p><p>　　圖3-3 內(nèi)核電源電路圖</p><p>　　電源芯片采用兩片TPS54310芯片產(chǎn)生l.4V和3.3V電源，TPS54310是Tl公司推出的集成功率MOSFET的直流/直流變換器，是IC系列SWIFT的新成員，3-6V輸入，0.9-3.3V可調(diào)輸出，連續(xù)額定電流為3A。TPS54310集成了構(gòu)成同步整流BUCK型DC-DC模塊所有需要的有源器件，方便使用者

87、的開發(fā)應(yīng)用。</p><p>　　圖3-4 外部電源電路圖</p><p>　　3.4 存儲(chǔ)器模塊電路設(shè)計(jì)</p><p>　　存儲(chǔ)模塊主要由 FLASHROM和SDRAM組成。 FLASHROM用于存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行程序和參數(shù)表，SDRAM用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)處理的兩幅圖像的信息。</p><p>　　目前，各種型號(hào)的處理芯片雖然片內(nèi)存儲(chǔ)器容量不同，有2

88、MB、 1MB、256KB等，但都提供了具有尋址能力的外部地址總線。當(dāng)內(nèi)部存儲(chǔ)器容量不足時(shí)，就可以利用該總線實(shí)現(xiàn)與外部存儲(chǔ)器如SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）、SDRAM（同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器）、FLASH（閃存）等的連接。其中SDRAM由于容量大、價(jià)位低的特點(diǎn)，被廣泛采用。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)中同步技術(shù)的出現(xiàn)，使得讀寫速度從以往的60-70ns提升到了目前的6-7ns，提高了近10倍。在圖像處理等需要大容量存儲(chǔ)器的應(yīng)用場合，SDRAM可以提供非常高的性價(jià)比[

89、6]。</p><p>　　DM642支持對SDRAM的直接接口。本系統(tǒng)通過DM642的EMIFA接口外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器，擴(kuò)展SDRAM用于存放程序和緩存數(shù)字視頻，擴(kuò)展一片F(xiàn)lash用于存放固化程序。EMIFA提供了4個(gè)彼此獨(dú)立的外存接口CEx(chip enable)，為從Flash啟動(dòng)，將Flash連到CE1，將SDRAM連接到CE0。SDRAM中存在一組存儲(chǔ)器映射寄存器，通過設(shè)置這些寄存器來完成對SDRAM的控

90、制，包括配置各個(gè)空間上的存儲(chǔ)器類型，設(shè)置相應(yīng)的接口時(shí)序等。主要的EMIF控制寄存器有：EMIF全局控制寄存器(GBLCTL)，EMIF CE1空間控制寄存器(GB1CTL)，EMIF CE0空間控制寄存器(GB0CTL)，EMIF CE2空間控制寄存器(GB2CTL)，EMIF CE3空間控制寄存器(GB3CTL)，EMIF SDRAM擴(kuò)展控制寄存器(SDCTL)和EMIF SDRAM時(shí)序控制寄存器(SDTIM)。</p>

91、<p>　　其中，全局控制寄存器對整個(gè)片外存儲(chǔ)空間的公共參數(shù)的進(jìn)行設(shè)置，四個(gè)CE空間控制寄存器分別控制相應(yīng)的存儲(chǔ)空間的接口參數(shù)，另外兩個(gè)SDRAM寄存器負(fù)責(zé)控制所有屬于SDRAM空間的存儲(chǔ)接口情況。</p><p>　　CE0CTL-CE3CTL寄存器組用于設(shè)置4個(gè)CE空間的讀寫時(shí)序，其中的MTYPE用于設(shè)置CE空間的類型和數(shù)據(jù)寬度，取值范圍0h-Fh，本設(shè)計(jì)中將CEO空間設(shè)置為64-bit的SDRA

92、M空間，因此CE0CTL的MTYPE為Dh。</p><p>　　3.4.1 SDRAM模塊電路設(shè)計(jì)</p><p>　　將CE1和CE2分別設(shè)置為8-bit和16-bit異步存儲(chǔ)器空間，則CE1CTL和CE2CTL的MTYPE分別為0h和lh；SDCTL和SDTIM寄存器用于設(shè)置SDRAM的屬性，時(shí)序以及一些擴(kuò)展的參數(shù)。圖像采集中采用2片 HY57V283220T-7 SDRAM芯片，在

93、片外擴(kuò)展了32Mbytes的SDRAM空間。DM642的EMIFA的總線寬度為64位，而所選SDRAM的數(shù)據(jù)線寬度為32位，于是將兩個(gè)SDRAM并接到數(shù)據(jù)總線。SDRAM的時(shí)鐘由DM642的AECLKOUT1引腳提供，在前面的初始化配置中將EMIFA模塊輸入時(shí)鐘選擇(AECLKIN_SEL[l:0]，此引腳與EMIF的AEA[20:19]復(fù)用，僅在復(fù)位時(shí)起作用)設(shè)為00B，選擇CPU/6時(shí)鐘速率，即100MHz，所以，AECLKOUT1

94、引腳輸出為 100MHz。如圖3-5所示，U1的數(shù)據(jù)線接64位的EMIF數(shù)據(jù)總線的低32位，U2接高32位。</p><p>　　圖3-5 存儲(chǔ)器模塊連接電路圖</p><p>　　本系統(tǒng)中用到的HY57V283220T-7采用的是86引腳的TSOP封裝，符合PC100規(guī)范，工作電壓3.3v，同步接口方式（所有的信號(hào)都是時(shí)鐘信號(hào)的上升沿觸發(fā)），與系統(tǒng)時(shí)鐘同步運(yùn)行。此內(nèi)存顆粒的架構(gòu)為4Ban

95、ks*1M*32Bit，每bank行地址數(shù)目是12，列地址數(shù)目是8。</p><p>　　如圖3-5所示，12根地址信號(hào)線A[11:0]包括12個(gè)行地址RA[11:0]和8個(gè)列地址CA[7:0]，與DM642的AEA[14:3]相連，使用EMIF的 AEA 15和AEA 16與SDRAM的BA[l:0]相連，對4個(gè)Bank存儲(chǔ)體進(jìn)行地址譯碼。字節(jié)使能管腳DQM[0..3]連接DSP的管腳BE[0..7]，其中DQ

96、M0控制DQ[0..7]字節(jié)使能，DQM1控制DQ[8..15]字節(jié)使能，DQM2控制DQ[16..23]字節(jié)使能，DQM3控制DQ[24..31]字節(jié)使能。時(shí)鐘信號(hào)輸入引腳CLK連接DSP的管腳ECLKOUT1。時(shí)鐘使能管腳CKE連接DSP的管腳SDCKE。芯片選擇管腳CS連接DSP的管腳CE0。行地址選通(RAS#)、列地址選通 (CAS#)和寫使能(WE#)都直接與EMIF上的相應(yīng)引腳相連。</p><p>

97、;　　DSP EMIF和SDRAM之間是外部器件間通訊頻率最高的部分，布線的長度應(yīng)該在0.5到2.5英寸之間，超過這個(gè)長度后，需要考慮信號(hào)在傳輸過程中的延遲，避免同一組數(shù)據(jù)到達(dá)目的地的時(shí)間不一致。所以在電路板布線時(shí)，要合理考慮與EMIF相連的外圍器件的布局，電路板的面積不能太大，以免外圍器件和EMIF之間的距離過遠(yuǎn)。此外，還需要考慮EMIF和SDRAM、FlashROM、外部擴(kuò)展接口之間連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以免高頻電流過沖。</p&g

98、t;<p>　　3.4.2 FLASH模塊電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有 4M Bytes的AM29LV033 Flash存儲(chǔ)器，映射到CE1的低地址空間，總共4M。此Flash被用來存放用戶代碼。系統(tǒng)中CE1空間被配置為8bit寬。而DM642的CE1空間可尋址的存儲(chǔ)器空間比Flash的尺寸小，所以CPLD中給Flash增加了3根地址線PA19，PA20，PA21，把Flash分成了8

99、頁，每頁 512K字節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，F(xiàn)lash位于第0頁。在系統(tǒng)初始化完成后，可以通過CPLD控制選頁，從而實(shí)現(xiàn)對Flash各頁的讀寫操作。</p><p>　　CPLD中控制FLASH分頁程序如下[9]：</p><p>　　module cpld(CE1，TWE，F(xiàn)LASHCS，PA，DATA_IN，ADDRESS，RESET);</p><p>　　inpu

100、t CE1;</p><p>　　input TWE;</p><p>　　output FLASHCS;</p><p>　　output [2:0] PA;</p><p>　　inout [7:0] DATA_IN;</p><p>　　input[5:0]ADDRESS;</p><p>

101、;　　input RESET;</p><p>　　reg[2:0]FLASH_OUT_TEMP;</p><p>　　reg[7:0]10_OUT_TEMP;</p><p>　　assign PA=FLASH_OUT_TEMP;</p><p>　　assign FLASHCS=(!CE1|ADDRESS[5]);</p>

102、<p>　　always@(posedge TWE or negedge RESET)</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if(!RESET)</p><p>　　FLASH_OUT_TEMP=3’b000;</p><p>　　else if((!CE1)&&

103、ADDRESS=’h31)</p><p>　　FLASH_OUT_TEMP=DATAesIN;</p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　endmodule</b></p><p>　　如下圖3-6所示，其中低19位地址線A[18:0]同DSP的地址EA[21:3]相

104、連，8位數(shù)據(jù)線D[7:0]同DSP的數(shù)據(jù)ED[7:0]相連，輸出使能信號(hào)管腳OE與DSP的AOE管腳相連，輸出使能信號(hào)管腳WE同DSP的AWE管腳相連，DSP的復(fù)位信號(hào)RESET直接和Flash的復(fù)位管腳相連。Flash的片選和頁碼位信號(hào)由CPLD產(chǎn)生。</p><p>　　圖3-6 FLASH與DM642連接電路圖</p><p><b>　　1．芯片自舉方式</b>

105、;</p><p>　　在RESET信號(hào)為低的期間，AEA22、AEA21管腳上的設(shè)置值被鎖存，決定了芯片的自舉模式。利用上拉/下拉電阻可進(jìn)行復(fù)位時(shí)的芯片啟動(dòng)模式設(shè)置。芯片的自舉方式有三種，其加載過程如下所述：</p><p>　?。?）不加載：CPU直接開始執(zhí)行地址處的存儲(chǔ)器中的指令，如果是SDRAM，那么CPU掛起，等待SDRAM的初始化完成。</p><p>

106、　　（2）ROM加載:位于外部CE1空間的ROM（本系統(tǒng)為Flash）中的程序首先通過DMA/EDMA被搬入地址0處。盡管加載過程是在芯片從復(fù)位信號(hào)被釋放以后才開始的，但是當(dāng)芯片仍處于復(fù)位時(shí)，就開始準(zhǔn)備上述傳輸了。用DMA/EDMA進(jìn)行的這一加載過程是一個(gè)單幀的數(shù)據(jù)塊傳輸。傳輸完成之后，CPU退出復(fù)位狀態(tài)，開始執(zhí)行地址0處的指令。用戶可以指定外部ROM的存儲(chǔ)寬度，EMIF自動(dòng)將相鄰的8/16bit數(shù)據(jù)合成32bit的指令。ROM中的程序