采用DSP芯片實(shí)現(xiàn)了高性能主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主動(dòng)視覺(jué)（Active Vision）是當(dāng)今計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器視覺(jué)研究領(lǐng)域中的一個(gè)熱門(mén)課題。主動(dòng)視覺(jué)強(qiáng)調(diào)的是視覺(jué)系統(tǒng)與其所處環(huán)境之間的交互作用能力。具體地說(shuō)，主動(dòng)視覺(jué)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(jī)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(dá)到一個(gè)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(jué)任務(wù)，如動(dòng)態(tài)地跟蹤物體的運(yùn)動(dòng)。主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)的研制與開(kāi)發(fā)具有重要意義和廣泛的應(yīng)用前景，如各類(lèi)導(dǎo)彈的成像導(dǎo)引頭、機(jī)器人、人機(jī)交互研究等。

以往的主動(dòng)視覺(jué)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(guò)RS232等接口控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(jià)格昂貴、可靠性差等缺點(diǎn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，單芯片的計(jì)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(jì)算任務(wù)，現(xiàn)在只需要極少量的芯片便可實(shí)現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)是針對(duì)特定應(yīng)用設(shè)計(jì)和優(yōu)化的計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)，具有體積小、重量輕、可靠性高和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。本文正是在這樣的大背景下研制和開(kāi)發(fā)了基于DSP的嵌入式主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)需求分析

主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)主要用于人機(jī)交互和高速視覺(jué)伺服任務(wù)，根據(jù)這一用途在設(shè)計(jì)中主要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：

首先是系統(tǒng)的圖像處理能力。標(biāo)準(zhǔn)PALL電視信號(hào)的幀頻率為25 Hz，分辨率約為720x576像素；場(chǎng)頻率為50 Hz，圖像分辨率約為720x288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(dòng)力學(xué)響應(yīng)要求。人眼正常運(yùn)動(dòng)角速度約為60度／秒，掃視運(yùn)動(dòng)時(shí)可高達(dá)700度／秒，因此要求電機(jī)控制系統(tǒng)能夠達(dá)到近似的運(yùn)動(dòng)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(cè)試數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)靈活多樣的任務(wù)，因此平臺(tái)應(yīng)具有靈活、豐富的計(jì)算機(jī)接口和充足的計(jì)算資源。

2 總體設(shè)計(jì)

基于以上對(duì)系統(tǒng)性能要求的分析，系統(tǒng)采用TI高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320C6711實(shí)現(xiàn)圖像的處理功能并采用TMS320E2812高性能控制芯片完成電機(jī)的控制、傳感器數(shù)據(jù)采集和實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)之間的通訊功能。TMS320C6711主要用于通訊、聲音信號(hào)處理和數(shù)字圖像的處理，具有

900MFLOPS的浮點(diǎn)運(yùn)算能力和很高的性價(jià)比。TMS320F2812是TI專(zhuān)門(mén)針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制而開(kāi)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。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(bǔ)C6711在控制和通訊功能上的不足，從而充分發(fā)揮C6711的計(jì)算功能，最終實(shí)現(xiàn)高性能的主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)。MS320C6711的時(shí)鐘頻率為150 MHz并采用了BGA封裝，給設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)很大困難。C6711 DSK是低價(jià)位、易用性C6000 DSP開(kāi)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(kāi)發(fā)等等。本設(shè)計(jì)通過(guò)擴(kuò)展C6711 DSK的圖像采集功能縮短開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)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(guò)其外圍擴(kuò)展接口擴(kuò)展圖像采集功能。TMS320C6711和TMS320F2812之間通過(guò)McBsp接口實(shí)現(xiàn)芯片之間信息的交換。F2812與PC機(jī)之間通過(guò)CAN總線或者RS232實(shí)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(guò)F2812的SCI可以實(shí)現(xiàn)RS232串口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傾角傳感器配置和數(shù)據(jù)采集。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3．1 圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用Philips公司提供的專(zhuān)用視頻解碼芯片SAA7111實(shí)現(xiàn)模擬視頻信號(hào)的采集。SAA7111與C6711之間通過(guò)專(zhuān)用視頻幀存儲(chǔ)器AL422實(shí)現(xiàn)，外圍接口邏輯由一片EPM7032實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

3．2 I2C總線實(shí)現(xiàn)

SAA7111不支持即插即用功能，需要通過(guò)I2C總線對(duì)其進(jìn)行初始化。由于C6711沒(méi)有I2C接口模塊，需要采用通用I／O接口和軟件來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)。C6711沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的通用I／O接口，需要通過(guò)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(gè)McBs接口，可將其中的一個(gè)配置成通用IO接口。C6711的時(shí)鐘頻率比I2C總線的頻率要求高，在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意I2C總線的時(shí)序要求，尤其是對(duì)數(shù)據(jù)保持時(shí)間的要求。

3．3 C6711與AL422接口實(shí)現(xiàn)

圖像采集設(shè)計(jì)中需要考慮的主要問(wèn)題之一是圖像幀緩沖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。采用先進(jìn)先出存儲(chǔ)器（FIFO）只占用單頁(yè)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(chǔ)體映射到地址空間的高段，會(huì)使其對(duì)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(zhuān)門(mén)用在視頻領(lǐng)域的大容量視頻幀存儲(chǔ)器，設(shè)計(jì)中需要考慮的主要問(wèn)題是接口邏輯的實(shí)現(xiàn)。雖然AL422的讀寫(xiě)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(dú)立時(shí)鐘，并且在進(jìn)行不規(guī)律讀寫(xiě)時(shí)只能由WEN或BEN進(jìn)行控制。C6711采用100MHz的外部時(shí)鐘，需要通過(guò)降頻合成AL422的RCK。由于C6711輸出的外部時(shí)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(shí)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(hào)通過(guò)組合邏輯實(shí)現(xiàn)。而RRSTN可采用DSK的一個(gè)通用I／O接口實(shí)現(xiàn)。DSK的外部時(shí)鐘頻率為IOOMHz，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮邏輯器件本身的時(shí)延并采用同步設(shè)計(jì)方式。系統(tǒng)采用EPM7032實(shí)現(xiàn)上述FIFO接口邏輯，并將FIFO的輸出數(shù)據(jù)與C6711DSK擴(kuò)展接口的數(shù)據(jù)總線相連，將CE2存儲(chǔ)空間分配給FIFO，從而最終實(shí)現(xiàn)了C6711與FIFO之間的接口。

3．4 F2812與C6711接口實(shí)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(shí)現(xiàn)兩者之間的通訊。McBSP是多通道緩沖串行口的簡(jiǎn)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(dú)立的時(shí)鐘和幀信號(hào)，其來(lái)源、頻率、極性等均可由用戶進(jìn)行編程。McBSP包括數(shù)據(jù)流路徑和控制路徑，通過(guò)6根信號(hào)線連接到外部設(shè)備。數(shù)據(jù)信息通過(guò)傳輸引腳DX發(fā)送，接收引腳DR接收。時(shí)鐘和幀同步控制信息由發(fā)送時(shí)鐘、接收時(shí)鐘、發(fā)送幀同步和接收幀同步引腳來(lái)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(dá)引腳DR后，移入接收移位寄存器RSR1，當(dāng)整個(gè)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(xiě)入發(fā)送寄存器DXR，再?gòu)?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(kāi)始將XSR的內(nèi)容移位到DX引腳。

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

通過(guò)對(duì)相關(guān)寄存器的配置來(lái)實(shí)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MeBSP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(shí)鐘停止、多通道模式。

4）接收和發(fā)送幀：?jiǎn)蜗?，字長(zhǎng)32位，每幀2個(gè)碼字，使能幀同步忽略，無(wú)壓縮擴(kuò)展，1位數(shù)據(jù)延遲，右對(duì)齊高位填0，產(chǎn)生中斷方式為檢測(cè)到幀同步脈沖，幀同步脈沖高有效，時(shí)鐘信號(hào)為上升沿觸發(fā)。

5）發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)和幀同步信號(hào)來(lái)自內(nèi)部采樣率發(fā)生器，接收時(shí)鐘信號(hào)和幀同步信號(hào)來(lái)自外部相應(yīng)的接收引腳。時(shí)鐘頻率為37．5MHz，幀頻率為1．25M，幀寬度為1個(gè)時(shí)鐘脈沖寬度。采樣率發(fā)生器時(shí)鐘來(lái)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(guò)讀取和寫(xiě)入DXR1、DXR2、DRR1、DRR2寄存器實(shí)現(xiàn)F2812和C6711之間數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4．1 C6711軟件實(shí)現(xiàn)

C6711軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中充分地考慮流水線處理的特點(diǎn)，充分發(fā)揮流水線的功能實(shí)現(xiàn)多種任務(wù)并行執(zhí)行是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因?yàn)橄到y(tǒng)采用幀緩沖存儲(chǔ)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(shí)必須及時(shí)將數(shù)據(jù)從幀緩沖存儲(chǔ)中讀出來(lái)。設(shè)計(jì)中采用C6711的QDMA功能實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的讀取，減少C6711計(jì)算資源的占用并實(shí)現(xiàn)C6711運(yùn)算資源的最大利用。軟件流程如圖3所示。

4．2 F2812電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)

主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度提出比較高的要求。步進(jìn)電機(jī)在高速轉(zhuǎn)動(dòng)控制中容易出現(xiàn)失步的問(wèn)題。電機(jī)失步會(huì)引起角度控制的誤差，在控制中必須加以避免。避免步進(jìn)電機(jī)失步是電機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。為避免步進(jìn)電機(jī)在加速和減速時(shí)出現(xiàn)失步，在加速和減速時(shí)采用升速／降速曲線進(jìn)行控制，其控制軟件流程如圖4所示。

5 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

5．1 圖像采集實(shí)驗(yàn)

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(cè)的成敗。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)編寫(xiě)專(zhuān)門(mén)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(guò)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(lái)，從而驗(yàn)證圖像采集質(zhì)量的好壞。圖像采集的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明圖像清晰完整且顏色正常。

5．2 目標(biāo)跟蹤實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室真實(shí)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(yùn)動(dòng)。跟蹤控制采用比例控制實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)靜止、水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)、垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤性能的分析驗(yàn)證系統(tǒng)的性能。圖6顯示了系統(tǒng)對(duì)水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤的結(jié)果。

6 結(jié)論

文中將TMS320C6711的運(yùn)算能力和TMS320F2812的控制能力和豐富的外圍接口相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了高性能主動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)。圖像采集由專(zhuān)用視頻解碼芯片完成，通過(guò)FIFO實(shí)現(xiàn)視頻解碼器與C6711的互聯(lián)，通過(guò)DMA方式讀取FIFO中的數(shù)據(jù)。這樣的設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了C6711流水處理的特點(diǎn)，提高計(jì)算資源的利用率。采用F2812提供的接口實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)采集和PC機(jī)之間的通訊，彌補(bǔ)了C6711在運(yùn)動(dòng)控制和接口資源方面的不足。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)可行，系統(tǒng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。