基于dsp+fpga的嵌入式图像处理系统的发展

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1、基于DSP+FPGA的嵌入式图像处理系统的发展伴随着图像处理技术的快速发展，图像处理系统的性能需求也在不断提高，特别是在实时性上的要求[1]。基于PC或者工作站的图像处理系统，常常不是一个可行的选择[2]，原因如下：应用对处理时间要求苛刻;CCD摄像机数据量太大。另外，这类系统的资源有效利用率较低，体积大而笨重，功耗高，不适合便携式应用场合[3]。DSP是一种基于指令和代码的流水线处理器，具有强大的数据处理能力和较高的运行速度，采用C/C++或者线性汇编语言编程，可以支持复杂的算法处理[4]，而FPGA则属于真正的并行

2、架构[5]，不同的处理操作无需竞争相同的资源，每个处理任务都可以不受其他逻辑块的影响自主运行，因此FPGA具有强大的并行处理能力，其现场可编程的属性也带来了更大的灵活性，但是，FPGA不擅长复杂的算法处理和逻辑控制。本文基于DSP+FPGA架构构建了一个嵌入式图像处理系统，使得DSP和FPGA可以发挥各自的特长，协同处理，与单独采用DSP或FPGA的系统相比，本系统具有更强大的数据处理能力，且更灵活、更通用。1系统架构本系统采用DSP+FPGA架构，原理方框图如图1所示，其中DSP芯片采用TI公司单核最高性能的TMS3

3、20C6455(简称C6455)[6]芯片作为核心处理器，负责完成视频图像的复杂算法处理，FPGA芯片采用Altera公司的CycloneⅢ系列芯片EP3C55[7]，FPGA作为DSP的协处理器，负责完成图像的采集、显示和传输等辅助功能，使得DSP可以专注于算法处理。DSP和FPGA之间通过32位EMIF接口实现了高速同步无缝互联，由图1可知，本系统的动态存储器均采用DDR2SDRAM，其中C6455所带2片DDR2存储器用来存储图像和算法数据，为C6455处理大数据量、复杂算法提供了保证。FPGA所带2片DDR2存

4、储器用来存储捕捉的Camera图像数据，以便VGA显示和DSP读取。FPGA采集的图像数据可通过EMIF和EDMA从FPGA所带的DDR2存储器搬运到DSP所带的DDR2存储器。图1系统方框图2FPGA设计本文FPGA的主要功能围绕着DDR2存储器的读写，如图2所示。图2FPGA的主要功能模块图相机负责向缓冲区写数据，VGA显示和DSP负责从缓冲区读数据。本文中的DDR2控制器工作于Full?rate模式下，需要向DDR2driver提供2倍数据宽度，即64b数据。本文对每个读写数据通道，使用独立的FIFO进行不同时钟

5、域之间的数据传输。从CameraLink[8?9]相机的LVDS接收器解码得到8b图像数据，在向IFA，进行传输。为方便可视化验证算法处理结果，DSP算法处理结果可以通过McBSP发送给FPGA，FPGA接收到数据，将其转换为可视的屏幕位置送给VGAController，在屏幕上进行叠加显示。本系统应用于近红外图像处理领域，采用的CameraLink相机[10]输出分辨率为1024768，帧率为30f/s，而一般的液晶显示器刷新频率为60Hz，为了将捕捉到的相机数据显示出来，需要将30帧图像插帧为60帧，但是显示时钟与

6、相机时钟并不是同源时钟，其帧率并不是严格的两倍关系，这种相机和显示之间的异步时序关系如图3所示，所以不能简单地将一帧图像显示2次;同时，本系统的近红外图像算法处理时间根据图像的不同而具有不确定性，并非每帧图像都能在一个帧周期内处理完成。基于这两个因素，本系统没有采用常规的乒乓缓冲处理方式，而是采用了三重缓冲解决了这两个问题。图3相机和显示的异步时序关系所谓三重缓冲，也即在DDR2存储器内开辟了三个缓冲：BufferA，BufferB和BufferC。其中，读写操作各占一个缓冲区，第三个存储区作为中转，先不考虑DSP从缓

7、冲区读数据。三重缓冲的示意图如图4所示，假设当前缓冲区BufferA正在进行写操作，缓冲区BufferB正在进行读操作，缓冲区BufferC则有2种可能：已写满(FULL)和已读完(EMPTY)两个状态。此时，如果需要进行读写翻页操作，即读复位信号或写复位信号有效时，DDR2驱动程序可按不同情况给出不同的操作，如表1所示。例如，当读复位信号有效，写复位信号无效时，说明缓冲区BufferA尚未写满，而缓冲区BufferB已经读完，此时，需要查询缓冲区BufferC的状态，如果缓冲区BufferC处于FULL状态，则读缓冲

8、区将由当前的缓冲区BufferB改为缓冲区BufferC，并将缓冲区BufferB设置为EMPTY状态;如果缓冲区BufferC处于EMPTY状态，则将重新读取缓冲区BufferB。图4三重缓冲的示意图表1三重缓冲的决策表再考虑DSP从缓冲区读数据的情况，为保证DSP任意时刻开始读数据，总能读到最新的数据，本文使用图像的场信号FV