基于TMS320C32的嵌入式RTOS视频网络检测系统

摘要：介绍了基于DSP芯片TMS320C32图像处理平台的网络测试系统，给出了使用专用视频输入处理芯片SAA711和CPLD实现高速连续视频帧采集的设计思路。同时给出了该系统在嵌入式系统中基于PPP协议的Internet的连接方法。 关键词：PCI总线；PPP协议；DSP；VxWorks操作系统；嵌入式 在远程测控系统中，嵌入式系统由于其稳定性和实时性优于传统平台而得到迅速发展。本文提出了一种以ＤＳＰ芯片和ＶｘＷｏｒｋｓ为操作系统的新型嵌入式系统设计方法。 １　测试系统工作原理 图１所示的测试系统的主要任务是采用ＤＳＰ芯片处理通过摄像头拍摄并经过Ａ／Ｄ转换的图像。整个系统由视频解码器、ＤＳＰ和ＰＣＩ总线专用芯片组成。系统通过ＰＣＩ总线同通信平台交换数据，同时通过网络进行检测控制，图１所示是其系统框图。 ２　关键设计及器件选择 本系统设计的关键是视频处理卡的设计，一般的视频检测卡功能有限，不能满足本项目的需求，为此，笔者自行设计了一块视频检测卡。其结构框图如图２所示。 ２．１ ＴＭＳ３２０Ｃ３２的功能特点 本测试系统中的ＤＳＰ芯片选用Ｔ Ｉ公司的Ｔ Ｍ Ｓ ３ ２ ０ Ｃ ３ ｘ系列产品，该器件的工作频率为４０ＭＨｚ；采用哈佛总线结构。并且拥有独特的指令系统和硬件乘加运算；外带２５６ｋ%26;#215;３２Ｂｉｔ的ＦＬＡＳＨ、２ｋ%26;#215;８Ｂｉｔ的ＮＶＲＡＭ和２５６ｋ%26;#215;３２Ｂｉｔ的ＳＲＡＭ。该芯片是在ＴＭＳ３２０Ｃ３０的基础上简化而来的，含有ＴＭＳ３２０Ｃ３０的ＣＰＵ内核。 ＴＭＳ３２０Ｃ３２的主要功能如下： ●带有程序引导功能； ●串行接口传输和存储器均可支持８、１６、３２位的数据； ●可产生边沿中断和电平中断； ●可由用户编程设定中断向量表地址； ● 具有空等待和低功耗两种电源管理方式； ●具有两个ＤＭＡ通道； ●功能强大的外部存储器接口既可以满足视频解码接口８位数据的要求，又可以实现ＰＣＩ接口３２位数据的高速数据传输； ●灵活的程序加载可实现在系统编程； 一般情况下，Ｓ５９３３和ＤＳＰ之间的硬件连接就是利用ＤＳＰ的读写信号Ｒ／ Ｗ、地址选通控制信号ＩＯＳＴＲＢ、外部设备就绪信号ＲＤＹ和部分地址信号以及Ｓ５９３３的ＦＩＦＯ状态信号ＷＲＦＵＬＬ来进行简单的时序和逻辑组合，从而生成对Ｓ５９３３外加总线接口的读写控制信号。 ２．２ 其它器件的选择 本系统中的ＣＰＬＤ芯片选用ＡＬＴＥＲＡ公司的ＥＰＭ９３２０ＲＣ２０８。两组帧存储器Ａ和Ｂ采用ＣＹＰＲＥＳＳ公司生产的两块ＣＹ７Ｃ１０４９芯片，该芯片的容量为５１２ｋ%26;#215;８ｂｉｔ，存取时间不超过１５ｎｓ，能满足图像实时采集要求。通过ＣＰＬＤ内部的一个乒乓开关控制模块可自动完成帧间读写两个通道接口的切换。而ＤＳＰ和ＳＡＡ７１１３之间的所有控制信号接口逻辑和时序转换都由ＣＰＬＤ来完成，并可编程修改，因而提高了系统的使用灵活性和可靠性。图３所示是ＥＰＭ９３２０ＲＣ２０８与ＣＹ７Ｃ１０４９的接口控制逻辑框图。 ＰＣＩ总线专用接口芯片Ｓ５９３３是一种功能强大且使用灵活的ＰＣＩ总线控制器专用芯片，该芯片符合ＰＣＩ局部总线规范２．１版本，它既可作为ＰＣＩ总线目标设备来实现基本的传送；也可作为ＰＣＩ总线主控设备访问其它ＰＣＩ总线设备。Ｓ５９３３的峰值传送速率为１３２Ｍｂｐｓ３２位ＰＣＩ数据线。该器件提供有３个物理总线接口：ＰＣＩ总线接口、外加总线接口（ＡＤＤ－ＯＮ ＢＵＳ）以及可选的ＮＶ存储器接口。 ＳＡＡ７１１３的作用是实现模拟图像的Ａ／Ｄ转换。ＤＳＰ与ＳＡＡ７１１３之间的硬件接口的控制逻辑包括两个子模块：帧图像写入控制器和乒乓开关，这两种功能可由一块ＣＰＬＤ来完成。 在视频卡设计中，电源模块的设计也非常关键，它直接影响着视频卡的最后实现和稳定运行。 本监控系统采用ＴＩ公司的ＴＰＳ３３０７－３３Ｄ来作为电源检测ＩＣ。该器件的Ｒｅｓｅｔ有效电源复位电压值定义为ＶＤＤ＝１．１Ｖ。ＴＰＳ３３０７－３３Ｄ可同时监视两种独立电压，还可控制另外一种电压，这种电压可以独立调整并在内部与复位逻辑电路相连。 ３　通信平台的嵌入式系统设计 本设计的软件系统包括底层软件和系统软件两部分，其中底层软件主要是ＤＳＰ图像处理算法以及启动等运行程序，这些程序可在ＣＣＳ环境下由Ｃ语言编写并进行汇编优化，ＣＣＳ是ＴＩ公司发布的ＤＳＰ软件运行环境； 在系统软件方面，基于ＰＣＩ总线的图像处理系统所面临的难点颇多，其中难度最大的是ＰＣＩ驱动问题。 ３．１ 系统软件的设计 系统软件可以选用以ＶｘＷｏｒｋｓ为操作系统的嵌入式设计方法。 ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统的集成环境叫Ｔｏｒｎａｄｏ。Ｔｏｒ-ｎａｄｏ集成环境是一个高效明晰的图形化实时应用开发平台，它包括一套完整的、面向嵌入式系统的开发和调测工具。ＶｘＷｏｒｋｓ的优点如下： （１）具有较好的可裁减性； （２）支持应用程序的动态链接和动态下载； （３）具有较好的兼容性； （４）具有很高的可靠性和稳定性； （５）具有很好的实时性； ＶｘＷｏｒｋｓ的多任务机制对任务的控制采用优先级抢占和轮转调度机制，从而充分保证了实时性，并可用同样的硬件配置满足更强的实时性要求，以便为应用开发留下更大的余地。 ＰＣＩ设备有三种物理存储空间：配置空间、存储器空间和Ｉ／Ｏ空间。其中配置空间是长度为２５６字节的一段连续空间，空间定义如图４所示，在配置空间中，只读空间包括设备标识、供应商代码、修改版本、分类代码以及头标类型。其中供应商代码用来标识设备供应商的代码；设备标识用来标识某一特殊的设备；修改版本标识设备的版本号；分类代码用来标识设备的种类；而头标类型用来标识头类型以及是否为多功能设备。除供应商代码之外，其他字段的值可由供应商分配。 基地址寄存器最重要的功能是分配ＰＣＩ设备的系统地址空间。在基地址寄存器中，ｂｉｔ０（最低位）可用来标识到底是存储器空间还是Ｉ／Ｏ地址空间。基地址寄存器映射到存储器空间时，ｂｉｔ０为“０”，而当其映射到Ｉ／Ｏ地址空间时，ｂｉｔ０为“１”。 在驱动ＰＣＩ设备时，首先是ＰＣＩ设备的查找。嵌入式操作系统一般都提供有相应的ＡＰＩ函数查找。而在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统中，通过函数ｐｃｉＦｉｎｄＤｅｖｉｃｅＰＣＩ＿ＶＥＮＤＯＲ＿ＩＤＰＣＩ＿ＤＥＶＩＣＥｉｎｄｅｘ ＆ｐｃｉＢｕｓ ＆ｐｃｉＤｅｖｉｃｅ，＆ｐｃｉＦｕｎｃ＿可以找到供应商代码为ＰＣＩ＿ＶＥＮＤＯＲ＿ＩＤ、设备标识为ＰＣＩ＿ＤＥＶＩＣＥ的第ｎ（ｉｎｄｅｘ＋１）个设备，并且返回总线号、设备号以及功能号，然后分别保存于＆ｐｃｉＢｕｓ、＆ｐｃｉＤｅｖｉｃｅ、＆ｐｃｉ-Ｆｕｎｃ中。 其次是ＰＣＩ设备的配置。通过操作系统提供的ＡＰＩ函数可以访问ＰＣＩ设备的配置空间，从而完成ＰＣＩ设备基址寄存器的配置、中断配置、以及ＲＯＭ基地址寄存器的配置，最终得到ＰＣＩ存储器空间和Ｉ／Ｏ地址空间的映射以及设备中断号等。在ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统中，访问ＰＣＩ设备配置空间的ＡＰＩ函数有：ｐｃｉＣｏｎｆｉｇＯｕｔＬｏｎｇ和ｐｃｉＣｏｎｆｉｇＩｎＬｏｎｇ等，它们可分别完成对ＰＣＩ设备配置空间的读写操作。 然后是根据ＰＣＩ设备的配置参数来编写不同设备的初始化程序、中断服务程序以及对ＰＣＩ设备存储空间的访问程序。 ３．２ 远程控制与通信链路 由于基于串行口的ＰＰＰ协通信方式现已被各种ＩＳＰ所接受。而且ＶｘＷｏｒｋｓ系统也支持ＰＰＰ协议，因此，在ＶｘＷｏｒｋｓ下通过Ｍｏｄｅｍ建立与ＩＳＰ的物理连接，然后再完成设备的ＰＰＰ数据链路设置，就可以通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ实现远程控制。 ４　结束语 图像采集系统的关键是如何对大容量的信息进行暂存、压缩、传输和处理。本系统可以很好地解决这ｎ个难题。在图像信息暂存方面充分利用ＤＳＰ存储空间的可扩展性，可保证系统暂存信息量的足够大；而信息压缩则是ＤＳＰ最擅长做的事情，ＤＳＰ可以在很短的时间内完成大量的信息压缩工作；ＰＣＩ总线的引入可保证信息在足够的带宽下进行快速传输。而采用嵌入式ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统又使得系统具有良好的灵活性和适应性，同时也大大降低了系统成本。