基于DSP芯片TMS320VC5402的PCI圖像采集卡

隨著計算機電子技術的不斷發展，圖像采集系統在各個方面得到了越來越廣泛的應用，同時也對圖像采集系統提出了更高的要求，快速、靈活、方便及可控性成為圖像采集系統發展的方向。本文設計的采集系統以通用的DSP芯片TMS320VC5402作為核心處理器、OV5017作為系統的圖像傳感器，而數據通過PCI橋電路發送給PC機，因此該系統結構簡單，具有即插即用、傳輸速率高的特點，并且由于OV5017可通過編程實現對該芯片的控制，TMS320VC5402又可對圖像做一些預處理工作，因此具有采集系統的靈活性、可控性，鑒于該系統采集過程中的靈活性、快速性和可控性，故可更好地應用于一些需要實時采集、控制的圖像監控、多媒體應用等領域。

1　OV5017簡介

近年來發展較快的CMOS圖像傳感器，內部采用了相同的CMOS技術，因此可以將象素陣列與外圍支持電路集成在同一塊芯片上。CMOS圖像傳感器主要包括：一個圖像傳感器核心、單一時鐘、所有的時序邏輯、可編程功能和A/D轉換器。與CCD相比，CMOS圖像傳感器將整個圖像系統集成在一塊芯片上，具有性價比高、編程簡單、功耗低的優點。

美國OmniVision公司開發的OV5017將CMOS光感應核與外圍支持電路集成在一起，具有可編程控制與視頻A/D混合輸出等功能，其輸出的視頻為黑白圖像，與CCIR標準兼容，該芯片適用于圖像識別領域。

基本參數為：
(1)內置8 b的A/D。
(2)幀頻為50～0.5，曝光設置為1～1/100幀。
(3)芯片圖像尺寸為4.2 mm×3.2 mm，單個象素尺寸為11μm×11μm。
(4)信噪比SNR>42 dB;自動增益控制為0～18 dB。
(5)幀頻為50且f1.4時，最小照度為0.51 ux。
(6)幀頻為50時，峰值功耗小于100 mW。
(7)5 V模擬供電和5/3.3 V數字供電。
芯片內部有11個8 b寄存器，通過對地址線A[3…0]的設置來選擇寄存器，通過讀寫數據線[7…0]來讀取或設置寄存器。在對寄存器進行讀/寫時，應使片選CSB與輸出使能OEB/寫使能WEB有效。
OV5017輸出模擬視頻信號，格式為逐行掃描，可以同步輸出8 b的數字視頻流D[7…0]。在輸出數字HREF、垂直同步信號VSYNC，便于外部電路讀取圖像。

2　圖像采集系統硬件設計

圖像采集系統硬件結構圖如圖1所示。

在本系統中，OV5017作為系統的圖像傳感器，其內部將獲取的圖像采集量化，在TMS320C5402的控制下輸出數字圖像，經過DSP存入圖像存儲器。根據OV5017視頻讀取時序(如圖2)可設計如下連接：OV5017的管腳A[3…0]，D[7…0]與TMS320C5402的管腳A[3…0]，D[7…0]直接相連，用DSP的R/W產生OV5017的讀寫使能信號;用DSP的IS產生OV5017的片選信號，即只在DSP的I/O空間讀寫;用OV5017的PCLK，VSYNC產生讀數據的中斷信號，HREF作為數據有效的判斷信號與BIO連接，OV5017的時鐘信號由DSP的一個串口發送時鐘CLKX0分頻產生。

TMS320VC5402的HINT與本身的INT2相連用于HPI方式引導，HPIENA，HDS2，HAS接高電平;HDS1接PCI2040的HDS;HBIL接PCI2040的HWIL;HAD[0…7]接PCI2040的HAD[0…7];RS接PCI2040的HRST0;HRDY接PCI2040的HRDY5X0;HCS接PCI2040的HCS0;HR/W接PCI2040的HR/W;HCNTL[0，1]接PCI2040的HCNTL[0，1]。

基本電路圖如圖3所示。

3　圖像采集系統軟件設計

由于DSP內部存儲器容量不能存放一幀圖像數據，故把DSP內部存儲器分設出2個384×8=3 072存儲空間，即每個存儲空間可放1幀數據的8行，一個存儲空間用于接收OV5017的圖像數據，另一個存儲空間用于向PC機發送圖像數據，即1幀數據要被主機讀取288/8=36次，主機每隔一段時間查詢有關兩段存儲空間的2個標志字，標志字的最高位用于判斷該存儲空間數據是否有效，低15位用于判斷該存儲空間的數據屬于1幀數據36部分的哪一部分。通過對2個存儲空間的標志字的判斷可得到該存儲空間的數據的有效性和該數據在1幀數據中的位置，讀取后置該存儲空間的標志位為無效，直至DSP又在該存儲空間存好數據，這時再改寫該存儲空間的標志位。

3.1　DSP采集數據軟件設計

DSP復位后，通過HPI口引導加載程序，然后初始化DSP，初始化兩塊存儲空間的標志字使之無效且低15位都為0，當VSYSNC即幀同步中斷到來時，選擇一個標志字無效的存儲空間作為當前接收數據的存儲空間，并設置該標志字的低15位為0，接著根據PCLK中斷和HREF值依次讀入各象素值直至該幀數據的前8行，這時標志字的低15位加1，并改寫該存儲空間標志位為有效，選擇另一個標志字無效的存儲空間作為當前接收數據的存儲空間，并且使該存儲空間的標志字低15位等于上一存儲空間的標志字的低15位，接著繼續根據PCLK中斷和HREF值依次讀入各象素值直至讀取到該幀8行數據，這時標志字的低15位繼續加1并改寫該存儲空間標志位為有效，這樣依次讀入1幀數據，并且每讀取8行數據就被主機查詢接收。該系統的DSP采集數據軟件是通過CCS開發工具開發完成的。

3.2　主機采集數據軟件設計

主機程序啟動后，先初始化分配1幀大小的內存，99然后不斷查詢DSP中2個存儲空間的標志字，當2個標志字有1個為有效時，就讀取該標志位對應的存儲空間的圖像數據，并根據標志字的后15位知道該存儲空間存儲的圖像數據在該幀圖像中的位置，讀取完后設置該標志字為無效，表示該數據已被讀取，以供DSP繼續用來存放圖像數據。當讀取完1幀數據后就可對該幀圖像進行后期處理，直接顯示或存儲。該系統的主機采集數據軟件是通過VC++6.0開發工具開發完成的。

在PC主機的軟件設計工作中，首先通過DriverWorks開發一套針對該采集系統的驅動程序，然后根據上述流程編寫應用程序，應用程序中對硬件的讀寫操作通過調用標準Win32 API函數DeviceIoControl來完成，下面就簡單介紹一下關于DSP-PCI橋的驅動設計。

3.3 DSP-PCI橋的驅動設計

由于主機的操作系統是Windows 2000，故選取了微軟公司主推的驅動開發模型WDM(Windows Driver Model)來設計自己的驅動程序，開發工具為DriverStudio。WDM模型使用了如圖4的層次結構，圖中左邊是一個設備對象堆棧，設備對象是系統為幫助軟件管理硬件而創建的數據結構，一個物理硬件可以有多個這樣的數據結構，其中PDO為物理設備對象;FDO為功能設備對象。

其中總線驅動程序負責列舉設備，總線驅動程序每發現一個設備就創建一個對應的物理設備對象，一些總線驅動程序只是簡單地控制對總線的訪問權，功能驅動程序負責完成特定的功能，知道如何控制設備工作，他在驅動程序堆棧中位于總線驅動程序上面，功能驅動程序負責創建一個功能設備對象。

一個完整的驅動程序包含許多例程，當操作系統遇到一個IRP時，他就調用這個驅動程序中的例程來執行該IRP的各種操作，通過DriverWorks的代碼向導可生成專門為PCI設備定制的代碼，PCI設備應用的各種例程都可通過向導生成，我們所做的工作是向各例程中添加代碼。系統加載驅動時，在檢測到硬件設備后，通過讀寫PCI配置寄存器中的內存基址寄存器(偏移10H)自動把PCI2040的CSR內存空間映射為Bar0(大小為4 k)，通過讀寫PCI配置寄存器中的控制空間基址寄存器(偏移14H)自動把TMS320VC5402的HPI寄存器空間映射為Bar1(大小為32 k)，共在驅動程序中映射為兩段內存區。
由于該采集系統對硬件的操作大部分請求都是讀寫數據，需要設備執行IOCTL操作，應用程序使用標準Win32 API函數DeviceIoControl來執行這樣的操作。在驅動程序一方，這個DeviceIoControl 調用被轉化成一個帶有IRP_MJ_DEVICE_CONTROL功能碼的IRP，驅動程序中共設置了4對共8個這樣的IOCTL操作，都使用METHOD_BUFFERED方式。這時I/O管理器創建一個足夠大的內核模式拷貝緩沖區，當派遣例程獲得控制時，用戶模式的輸入數據被復制到這個拷貝緩沖區，在IRP完成之前，向拷貝緩沖區填入需要發往應用程序的輸出數據。當IRP完成時，設置IoStatus.Information域等于放入拷貝緩沖區中的輸出字節數，然后I/O管理器把數據復制到用戶模式緩沖區并設置反饋變量。驅動程序對Bar0有2個IOCTL操作，通過對HPIRESET寄存器(地址為BAR0的14H)讀寫來對DSP復位，通過DSP的HPIC寄存器、HPIA寄存器、HPID自增寄存器、HPID非自增寄存器(由于只連了一片DSP0，故A14，A13都為0，而A12，A11分別對應HCNTL1和HCNTL0，故各寄存器地址分別為BAR1的0，1000H，800H，1800H)的讀寫設置HPIC的讀寫操作、HPID自增方式的讀寫操作、HPID非自增方式的讀寫操作共對于Bar1相關的6個IOCTL操作。在DriverWorks向導生成框架時，申請2個屬于KmemoryRange類的對象分別對應Bar0和Bar1，然后在這8個IOCTL操作中添加相應的對于應用程序的接口操作，在這里用KmemoryRange類對象的inw和outw函數來實現對硬件的讀寫操作。

最后在應用程序中打開設備，就可通過DeviceIoControl自如的讀取圖像數據了。

4　結語

該系統的優點首先是結構簡單，這是因為OV5017內部集成了A/D器件，同時可輸出3.3 V數字電平，省略了很多外圍器件，同時DSP通過主機接口HPI口連接PCI橋電路與計算機進行傳輸數據，因此還具有采集速度快的優點，再次由于OV5017可通過編程實現對該芯片的控制，TMS320VC5402又可對圖像做一些圖像的預處理工作，因此具有采集系統的靈活性?？傊撓到y可更好地應用于一些需要實時采集、控制的圖像監控、多媒體應用等領域，為進一步做圖像處理的其他工作做好了良好的準備。 ?