基于DSP的嵌入式通用主動視覺系統(tǒng)

劉詠梅，劉成剛

（1.吉林省廣播電視大學(xué)（白山分校）吉林 白山 134300；2.上海交通大學(xué) 上海 200240）

主動視覺 （Active Vision）是當(dāng)今計算機視覺和機器視覺研究領(lǐng)域中的一個熱門課題。主動視覺強調(diào)的是視覺系統(tǒng)與其所處環(huán)境之間的交互作用能力。具體地說，主動視覺系統(tǒng)應(yīng)具有根據(jù)自己在當(dāng)前環(huán)境中所處的狀態(tài)，如幾何位置、姿態(tài)、攝像機的成像光學(xué)條件等，調(diào)整自身各部分的狀態(tài)參數(shù)，使其能夠達到一個最佳成像狀態(tài)，從而使系統(tǒng)能夠最方便地完成特定的視覺任務(wù)，如動態(tài)地跟蹤物體的運動。主動視覺系統(tǒng)的研制與開發(fā)具有重要意義和廣泛的應(yīng)用前景，如各類導(dǎo)彈的成像導(dǎo)引頭[1]、機器人、人機交互研究等。

以往的主動視覺系統(tǒng)大多采用以圖形工作站為中心，由圖形工作站完成圖像的采集、處理、跟蹤控制，再通過RS232等接口控制執(zhí)行機構(gòu)運動以完成跟蹤任務(wù)。以圖形工作站為中心的系統(tǒng)雖然應(yīng)用靈活，但具有體積龐大、價格昂貴、可靠性差等缺點。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，單芯片的計算能力發(fā)生了質(zhì)的飛躍。以往往往需要由許多顆芯片才能完成的計算任務(wù)，現(xiàn)在只需要極少量的芯片便可實現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)是針對特定應(yīng)用設(shè)計和優(yōu)化的計算機軟硬件系統(tǒng)，具有體積小、重量輕、可靠性高和價格低廉等優(yōu)點[2]。本文正是在這樣的大背景下研制和開發(fā)了基于DSP的嵌入式主動視覺系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)需求分析

主動視覺系統(tǒng)主要用于人機交互和高速視覺伺服任務(wù)，根據(jù)這一用途在設(shè)計中主要考慮以下幾個問題：

首先是系統(tǒng)的圖像處理能力。標(biāo)準(zhǔn)PAL電視信號的幀頻率為25 Hz，分辨率約為 720×576像素；場頻率為50 Hz，圖像分辨率約為720×288像素，因此系統(tǒng)的圖像處理能力應(yīng)該能夠滿足處理PAL傳輸視頻的要求。

其次考慮系統(tǒng)的動力學(xué)響應(yīng)要求。人眼正常運動角速度約為60度/秒，掃視運動時可高達700度/秒，因此要求電機控制系統(tǒng)能夠達到近似的運動速度。

最后系統(tǒng)應(yīng)該具有一定的通用性和靈活性，以便接收測試數(shù)據(jù)和實現(xiàn)靈活多樣的任務(wù)，因此平臺應(yīng)具有靈活、豐富的計算機接口和充足的計算資源。

2 總體設(shè)計

基于以上對系統(tǒng)性能要求的分析，系統(tǒng)采用TI高性能數(shù)字信號處理芯片TMS320C6711實現(xiàn)圖像的處理功能并采用TMS320F2812高性能控制芯片完成電機的控制、傳感器數(shù)據(jù)采集和實現(xiàn)與PC機之間的通訊功能。TMS320C6711主要用于通訊、聲音信號處理和數(shù)字圖像的處理，具有900MFLOPS的浮點運算能力和很高的性價比[3]。TMS320F2812是TI專門針對運動控制而開發(fā)的高性能控制芯片，具有16通道12-Bit ADC、豐富的片上資源和多種通訊接口，如McBsp、CAN和SCI接口等[4]。系統(tǒng)將C6711和F2812兩款高性能芯片相結(jié)合，充分利用F2812豐富的接口資源彌補C6711在控制和通訊功能上的不足，從而充分發(fā)揮C6711的計算功能，最終實現(xiàn)高性能的主動視覺系統(tǒng)。MS320C6711的時鐘頻率為150 MHz并采用了BGA封裝，給設(shè)計和制造帶來很大困難。C6711 DSK是低價位、易用性C6000 DSP開發(fā)板。該板不僅能夠充分發(fā)揮C6711DSP的性能，還提供了豐富的功能，例如聲音采集和EEP并口在線開發(fā)等等。本設(shè)計通過擴展C6711 DSK的圖像采集功能縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在C6711DSK基礎(chǔ)上，通過其外圍擴展接口擴展圖像采集功能。TMS320C6711和TMS320F2812之間通過McBsp接口實現(xiàn)芯片之間信息的交換。F2812與PC機之間通過CAN總線或者RS232實現(xiàn)通訊。系統(tǒng)中采用的傾角傳感器是具有RS232接口的智能傳感器。通過F2812的SCI可以實現(xiàn)RS232串口，進而實現(xiàn)傾角傳感器配置和數(shù)據(jù)采集。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of embedded active vision system

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)采用Philips公司提供的專用視頻解碼芯片SAA7111實現(xiàn)模擬視頻信號的采集[5]。SAA7111與C6711之間通過專用視頻幀存儲器AL422實現(xiàn)，外圍接口邏輯由一片EPM7032實現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 圖像采集擴展結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of image capture circuit assembly board

3.2 I2C總線實現(xiàn)

SAA7111不支持即插即用功能，需要通過I2C總線對其進行初始化。由于C6711沒有I2C接口模塊，需要采用通用I/O接口和軟件來模擬實現(xiàn)[6]。C6711沒有專門的通用I/O接口，需要通過配置多通道緩沖串行口（McBsp）使其成為通用I/O接口。C6711具有2個McBs接口，可將其中的一個配置成通用IO接口。C6711的時鐘頻率比I2C總線的頻率要求高，在設(shè)計時需要注意I2C總線的時序要求，尤其是對數(shù)據(jù)保持時間的要求。

3.3 C6711與AL422接口實現(xiàn)

圖像采集設(shè)計中需要考慮的主要問題之一是圖像幀緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計。采用先進先出存儲器（FIFO）只占用單頁地址映射空間，可以節(jié)省大量地址空間。而且如果將幀存儲體映射到地址空間的高段，會使其對DSP的影響降低到最小，因此系統(tǒng)采用了基于FIFO的圖像幀緩沖結(jié)構(gòu)。

AL422是專門用在視頻領(lǐng)域的大容量視頻幀存儲器，設(shè)計中需要考慮的主要問題是接口邏輯的實現(xiàn)。雖然AL422的讀寫與WCK、RCK同步，但是與普通的同步FIFO不同的是其必須保證WCK、RCK至少1 MHz的獨立時鐘，并且在進行不規(guī)律讀寫時只能由WEN或REN進行控制。C6711采用100MHz的外部時鐘，需要通過降頻合成AL422的RCK。由于C6711輸出的外部時鐘頻率為100 MHz，而AL422B的最高RCK為50 MHz，因此采用將C6711輸出的外部時鐘二分頻作為 AL422的 RCK。AL422的 REN、OEN可以采用DSK板上的DB_AREN、DB_OEN、DB_CE2信號通過組合邏輯實現(xiàn)。而RRSTN可采用DSK的一個通用I/O接口實現(xiàn)。DSK的外部時鐘頻率為100MHz，因此在設(shè)計時應(yīng)該考慮邏輯器件本身的時延并采用同步設(shè)計方式。系統(tǒng)采用EPM7032實現(xiàn)上述FIFO接口邏輯，并將FIFO的輸出數(shù)據(jù)與C6711DSK擴展接口的數(shù)據(jù)總線相連，將CE2存儲空間分配給FIFO，從而最終實現(xiàn)了C6711與FIFO之間的接口。

3.4 F2812與C6711接口實現(xiàn)

由于TMS320C6711和TMS320F2812都支持McBsp接口并且相互兼容，所以系統(tǒng)采用McBsp接口實現(xiàn)兩者之間的通訊[7]。McBSP是多通道緩沖串行口的簡稱，能夠同步發(fā)送和接收8/16/32位串行數(shù)據(jù)。接收和傳送均采用獨立的時鐘和幀信號，其來源、頻率、極性等均可由用戶進行編程。McBSP包括數(shù)據(jù)流路徑和控制路徑，通過6根信號線連接到外部設(shè)備。數(shù)據(jù)信息通過傳輸引腳DX發(fā)送，接收引腳DR接收。時鐘和幀同步控制信息由發(fā)送時鐘、接收時鐘、發(fā)送幀同步和接收幀同步引腳來產(chǎn)生。McBSP提供了雙倍緩沖傳送和三倍緩沖的接收。接收數(shù)據(jù)到達引腳DR后，移入接收移位寄存器RSR1，當(dāng)整個字信息被接收之后，又被復(fù)制到接收緩沖寄存器RBR，最終復(fù)制到數(shù)據(jù)接收寄存器DRR，由CPU讀取。而發(fā)送數(shù)據(jù)由CPU寫入發(fā)送寄存器DXR，再復(fù)制到發(fā)送移位寄存器XSR。在幀同步信息發(fā)送后，發(fā)送器開始將XSR的內(nèi)容移位到DX引腳。

F2812具有一個McBSP模塊，而C6711自帶了兩個McBSP模塊，二者之間完全兼容的。由于第一組McBSP的信號被配置成為通用I/O接口用于I2C總線的擴展，故只能使用C6711的第二組McBSP實現(xiàn)與F2812之間的通訊。在硬件上采用雙機接收/發(fā)送端互連，即C6711的數(shù)據(jù)發(fā)送、時鐘發(fā)送、幀發(fā)送同步信號管腳連接到F2812對應(yīng)的接收管腳；反之亦然。

通過對相關(guān)寄存器的配置來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送操作，具體流程如下：

1）設(shè)置相關(guān)引腳為McBSP引腳。

2）復(fù)位接收器、發(fā)送器及采樣率發(fā)生器。

3）禁止數(shù)字回送、時鐘停止、多通道模式。

4）接收和發(fā)送幀：單相，字長32位，每幀2個碼字，使能幀同步忽略，無壓縮擴展，1位數(shù)據(jù)延遲，右對齊高位填0，產(chǎn)生中斷方式為檢測到幀同步脈沖，幀同步脈沖高有效，時鐘信號為上升沿觸發(fā)。

5）發(fā)送時鐘信號和幀同步信號來自內(nèi)部采樣率發(fā)生器，接收時鐘信號和幀同步信號來自外部相應(yīng)的接收引腳。時鐘頻率為37.5MHz，幀頻率為1.25M，幀寬度為1個時鐘脈沖寬度。采樣率發(fā)生器時鐘來源于內(nèi)部CPU。

6）使能接收中斷和發(fā)送中斷，使能接收器、發(fā)送器及采樣率發(fā)生器。

在相應(yīng)的中斷子程序中，通過讀取和寫入DXR1、DXR2、DRR1、DRR2寄存器實現(xiàn)F2812和C6711之間數(shù)據(jù)的讀寫。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 C6711軟件實現(xiàn)

C6711軟件設(shè)計過程中充分地考慮流水線處理的特點，充分發(fā)揮流水線的功能實現(xiàn)多種任務(wù)并行執(zhí)行是設(shè)計的關(guān)鍵。因為系統(tǒng)采用幀緩沖存儲結(jié)構(gòu)只能完整地保存一行圖像數(shù)據(jù)，所以當(dāng)一行結(jié)束時必須及時將數(shù)據(jù)從幀緩沖存儲中讀出來。設(shè)計中采用C6711的QDMA功能實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的讀取，減少C6711計算資源的占用并實現(xiàn)C6711運算資源的最大利用。軟件流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic diagram of software system

4.2 F2812電機控制實現(xiàn)

主動視覺系統(tǒng)對平臺運動速度提出比較高的要求。步進電機在高速轉(zhuǎn)動控制中容易出現(xiàn)失步的問題。電機失步會引起角度控制的誤差，在控制中必須加以避免。避免步進電機失步是電機控制軟件設(shè)計中的關(guān)鍵。為避免步進電機在加速和減速時出現(xiàn)失步，在加速和減速時采用升速/降速曲線進行控制[8]，其控制軟件流程如圖4所示。

圖4 步進電機控制軟件流程圖Fig.4 Flow chart of stepper motor control software design

5 實驗應(yīng)用

5.1 圖像采集實驗

圖像采集是系統(tǒng)中非常重要的一環(huán)，圖像采集質(zhì)量的好壞直接影響到目標(biāo)檢測的成敗。實驗中通過編寫專門的圖像采集程序，將采集到的圖像存放在C6711DSK的SDRAM中，然后通過CCS2.0的圖像調(diào)試工具讀取圖像，并在CCS調(diào)試界面中顯示出來，從而驗證圖像采集質(zhì)量的好壞。圖像采集的實驗結(jié)果如圖5所示，實驗結(jié)果說明圖像清晰完整且顏色正常。

5.2 目標(biāo)跟蹤實驗

在實驗室真實環(huán)境下采用桔紅色的排球作為跟蹤目標(biāo)，在距離系統(tǒng)正前方1.5米左右處以不同方式運動。跟蹤控制采用比例控制實現(xiàn)，通過對靜止、水平往復(fù)運動、垂直往復(fù)運動、圓周運動目標(biāo)的跟蹤性能的分析驗證系統(tǒng)的性能。圖6顯示了系統(tǒng)對水平往復(fù)運動目標(biāo)進行跟蹤的結(jié)果。

6 結(jié) 論

圖5 圖像采集結(jié)果Fig.5 Image capture result

圖6 目標(biāo)做水平往復(fù)運動時的跟蹤誤差Fig.6 Tracing error for object moving in horizontal direction

文中將TMS320C6711的運算能力和TMS320F2812的控制能力和豐富的外圍接口相結(jié)合實現(xiàn)了高性能主動視覺系統(tǒng)。圖像采集由專用視頻解碼芯片完成，通過FIFO實現(xiàn)視頻解碼器與C6711的互聯(lián)，通過DMA方式讀取FIFO中的數(shù)據(jù)。這樣的設(shè)計充分發(fā)揮了C6711流水處理的特點，提高計算資源的利用率。采用F2812提供的接口實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)采集和PC機之間的通訊，彌補了C6711在運動控制和接口資源方面的不足。實驗結(jié)果表明設(shè)計可行，系統(tǒng)性能達到設(shè)計要求。

[1]鐘任華.飛航導(dǎo)彈紅外導(dǎo)引頭[M].北京：寧航出版社，2006.

[2]Wikipedia.Embedded system[EB/OL].[2012-08-25].http://en.wikipedia.org/wiki/Embedded_system

[3] Texas Instruments. Datasheet for TMS320C6711，TMS320C6711B， TMS320C6711C float-point digital processors[EB/OL].[2012-01-26].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tms320c6711b.pdf

[4]Texas Instruments. TMS320F2810， TMS320F2811，TMS320F2812，TMS320C2810，TMS320C2811，TMS320C2812 digital signal processors data manual[EB/OL].[2012-01-26].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tms320f2810.pdf

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[7]Texas Instruments，TMS320C6000 DSP peripherals overview[EB/OL]. [2012-01-26].http://www.ti.com/lit/ug/spru190q/spru 190q.pdf.

[8]鄭灼，李興根.單片機控制的步進電機升降頻率規(guī)律及實現(xiàn)[J].微電機，1999（4）:24-26.ZHENG Zhuo，LI Xing-gen.Stepper motor acceleration and deceleration control principle and MCU-based implementation[J].Micromotors，1999（4）:24-26.