如何设计CCD图像采集和处理系统的硬件？

当前，数字图像采集和处理系统不仅要面临高速宽带、高精度的挑战，而且对采样时机、采样点数、采样速率的可控性也提出了较高的要求，本文提出了一种实时图像采集和处理系统的设计方法，该系统以TMS320DM642[1-2]为核心，结合视频解码芯片SAA7115H和OSD FPGA构成实时图像采集和处理系统电路。

1 系统总体设计

1.1 系统结构

本系统以TMS320DM642为核心，采用模块化设计思想，整个系统主要由视频解码芯片(A/D转换芯片)、可编程逻辑门阵列(OSD FPGA)、TMS320DM642及外围电路组成。外围电路主要包括CCD摄像机、SDRAM图像存储器、FLASH程序存储器及TMS320DM642外围电路(复位、电源连接等)。图1为该系统的结构框图。


1.2 系统工作原理
由CCD摄像头摄入的PAL制图像传送到SAA7115解码器，SAA7115解码器将信号转变成并行的BT.656图像码流送至TMS320DM642视频口VP0，TMS320DM642将其再解码，得到YUV(4:2:2)格式的图像，并通过EDMA传输到动态存贮器（SDRAM）中存储，图像大小为每场720×288（宽×高），每帧720×576（宽×高）。CPU通过访问SDRAM中的图像数据，依照相应的程序进行相应的图像处理。

在实时图像处理系统中，为了不影响数据处理速度，需要在恒速的CCD图像采集与变速的TMS320DM642图像处理之间加入缓冲电路，缓冲采用TMS320DM642视频口的片内FIFO和片外SDRAM的乒乓缓存结构。“乒乓操作”是一个经常应用于数据流控制的处理方法，如图2所示，其处理流程为：输入数据流通过指针等时地将数据流分配到数据缓冲区1、2和3中，在第1帧的时间，将输入的数据流缓存到1；第2帧将输入的数据流缓存到2，与此同时，将1的数据作运算处理。在下个缓冲周期，再次切换，将输入的数据流缓存到3，与此同时，将2的数据运算处理。如此循环，A、B、C、D、E为其5种状态。


乒乓操作的最大特点是按节拍、相互配合地切换，将经过缓冲的数据流不停顿地进行运算及处理。把乒乓操作模块当作一个整体，此模块两端的输入数据流与输出数据流均是连续不断的，没有任何停顿，因此非常适合进行流水线式处理，完成数据的无缝缓冲与处理。

2 功能模块设计

2.1 视频采集模块

本系统采用Philips公司的SAA7115视频解码芯片将CCD模拟视频进行数字化，然后传给TMS320DM642的视频端口进行处理，同时分离水平同步(XRH)和垂直同步(XRV)等信号。

视频解码芯片采用SAA7115，省去时钟同步电路的设计，简化接口电路，提高系统的可靠性。由摄像机采集到的模拟信号经过视频端子进入到解码器SAA7115的模拟端Al11，经模拟处理和A/D转换后产生数字色度信号和亮度信号，分别对其进行处理。亮度信号处理的结果一路送到信号处理器，进行综合处理，产生Y和UV信号，经格式化后采用4:2:2 YUV格式从IPD[7-0]输出直接连接到TMS320DM642视频口的VP0[9-2]管脚；另一路经过同步分离器，由数字PLL产生相应的同步信号与TMS320DM642的VP0CTL0和VP0CTL1相连，同时PLL驱动时钟发生器，产生27 MHz的时钟同步信号LLC，输出到TMS320DM642的VP0CLK0管脚。解码器SAA7115与TMS320DM642的视频接口的原理如图3所示。


所有这些功能均在I2C总线控制下完成。SCL作为I2C接口的时钟线与TMS320DM642的SCL相连，SDA作为I2C接口的数据地址线与TMS320DM642的SDA相连。通过SCL和SDA的时序配合，可由TMS320DM642向SAA7115的寄存器写入数据或读出数据。

2.2 TMS320DM642图像处理模块

本系统中视频口VP0作为输入，与视频解码器SAA7115的IPD相连。从解码器SAA7115出来的BT.656数据流进入VP0口后，经由BT.656捕获通道，进入到视频口缓冲区中，每个视频口都有1个5 120 B的视频输入/输出缓冲区，视频口输人的数据分别进入捕获FIFO A和FIFO B，其中Y缓存2 560 B，Cb和Cr缓存分别为1 280 B。根据输出的同步脉冲产生帧存储器的地址信号、读写和片选等控制信号，将图像逐帧存入SDRAM存储器中，通过中断通知TMS320DM642读取。TMS320DM642通过EDMA事件实现视频口缓冲区和片内L2存储器之间的数据传递。用户编程设定1个缓冲区阈值用以产生EDMA事件。BT.656格式的数据流经由捕获通道分别进入各自的缓冲区，并打包成64 B的双字。当双字增至缓冲区阈值时触发EDMA事件，存储器映射寄存器即作为EDMA数据传输的源地址。为保证每一场的数据能够全部传完且没有遗漏，每次EDMA传输的数据大小应等于阈值。由于TMS320DM642的强大处理能力，用户算法作为任务线程嵌入TMS320DM642软件系统中。

2.3 外围存储模块

本系统的TMS320DM642在视频图像的处理时，处理过程中会产生大量数据，而其内部最多仅有256 KB的RAM，所以需要扩展大容量的外部存储器才能满足数据处理的需要。本系统选用2片SDRAM用于存储程序、数据和缓存数字视频信息，选用1片FLASH存储器用于固化程序和一些掉电后仍需保存的用户数据。SDRAM芯片和FLASH芯片均通过TMS320DM642的EMIF口实现无缝连接[3]。TMS320DM642的EMIF有4个独立的可设定地址的区域，称为芯片使能空间（CE0～CE3），当FLASH和FPGA映射到CE1时，SDRAM占据CE0，CE3的一部分被配置给OSD功能的同步操作和扩展的FPGA中的其他同步寄存器操作。本系统合并形成了一个64 bit长的外部存储器端口，将地址空间分割成了4个芯片使能区，允许对地址空间进行8 bit、16 bit、32 bit和64 bit的同步或不同步的存取，并且使用了芯片使能区CE0、CE1和CE3。CE0被发送给64 bit的SDRAM总线，CE1被8 bit的FLASH和FPGA功能使用，CE3被设置成同步功能。

2.3.1 SDRAM存储器

本系统采用MT48LC4M32B2[4]来构成SDRAM存储器，大小为1 M×32 bit×4 banks， 在CE0空间连接了64 bit的SDRAM总线。总线由外部PLL驱动设备控制，在133MHz的最佳运行状态下运行，SDRAM的刷新由TMS320DM642自动控制。TMS320DM642的EMIF与SDRAM接口图如图4所示。


2.3.2 FLASH存储器

本系统扩展4 M的FLASH，映射在CE1空间的低位。FLASH寄存器选用4 M×8 bit的AM29LV033C。FLASH寄存器主要用来导入装载和存储FPGA的配置信息。CE1空间被配置成8 bit，FLASH寄存器也是8bit。由于CE1的可利用地址空间小于FLASH的空间，所以利用FPGA可产生3个扩展页。这些扩展的线形地址通过FPGA的FLASH基础寄存器进行定义，复位后的默认值是000。TMS320DM642的EMIF和FLASH的接口图如图5所示。


2.4 OSD FPGA模块

FPGA负责完成所有芯片的接口和控制，其中包括SAA7115与I2C总线的接口、复位控制信号以及与TMS320DM642的EMIF接口和外设接口等，其体系结构图如图6所示。本系统的OSD FPGA功能模块的芯片型号为Xilinx XC2S300E-6PQ208C[5]，主要用来完成以下工作：


(1)通过寄存器使用TMS320DM642外部存储器接口(EMIF);
(2)通过可编译寄存器使用TMS320DM642的EMIF接口控制GPIO；
(3)产生EMIF缓冲控制信号（DIR和OE）；
(4)提供对于PLL1708的连续控制接口；
(5)为FLASH产生3页bit空间；
(6)使用SAA7115的同步信号。

2.5 电源和复位模块

该系统通过单+5 V供电，在板子内部转换为+1.4 V和+3.3 V，为各器件供电。+3.3 V为TMS320DM642的I/O口、解码器及其他芯片的电源，+1.4 V为TMS320DM642 CPU内核电源。TMS320DM642内核电压+1.4 V，外设I/O电压+3.3 V，降低内核电压主要是降低功耗，外部接口引脚采用+3.3 V电压，便于直接与外部器件接口。由于是2种不同的电压，所以要考虑供电系统的配合问题。在加电过程中，保证CPU内核电源先加电，最晚也应当与外设I/O电源同时加电。关闭电源时，先关闭I/O电源，再关闭内核电源。如果内核加电晚于I/O，则会发生内部总线竞争，从而产生不可预定的结果。因此，选用电源芯片TPS54310[6]获得上述2种电压，并利用其电源输出有效引脚PG和允许电压输人引脚EN保证TMS320DM642的内核和I/O上电掉电顺序。

为防止系统程序进入死循环或因电压波动而产生异常，本系统用看门狗芯片来控制系统复位。这里采用TI的TPS3823-33DBVT[7]看门狗芯片，它由+3.3 V电源供电，能对电源电压进行监控，当电源电压降至2.93 V以下时触发复位信号，使整个系统进入复位状态，直至电源电压复原，复位信号的最小长度为200 ms。同时，还含有一看门狗计时器，用来监测来自处理器芯片的跳变沿触发信号，如果1.6 s内未接收到触发信号，它同样让系统进入复位状态并持续200 ms，这样可在系统程序进入死循环后重新启动系统。TMS320DM642电源与复位电路的连接图如图7所示。



3 抗干扰设计

由于高频脉冲噪声对本系统危害最大，为了提高系统的抗干扰性能，可采取以下措施：

(1)优化PCB印制板的设计。在本系统中应当：
①采用短而宽的导线来抑制干扰。时钟引线、总线驱动器的信号线常有大的瞬变电流，其印制导线要尽可能短。对于分立元件电路，印制导线宽度在1.5 mm左右即可满足要求；对于集成电路，印制导线宽度在0.5 mm～1.0 mm之间选择；
②传输多种电平信号时，尽量把前、后沿时间相近的电平信号划为一组传输；在双面印制板的背面布置较大面积的地线区域，可对部件产生的高频脉冲噪声起到吸收和屏蔽的作用；分开模拟和数字电源层；

(2)增加总线的抗干扰能力。采用三态门形式的总线结构，并给总线接上拉电阻，使总线在瞬间处于稳定的高电平而避免总线出现悬空状态。

本文面向实时图像采集和处理，采用模块化设计思想，以TMS320DM642、SAA7115、OSD FPGA等实现了视频图像采集和处理系统的硬件电路，该系统电路简单、结构紧凑、调节灵活、可靠性高、实时性强的特点，通过验证，满足设计的应用要求，可为今后视频图像采集和处理的进一步研发提供参考。