摘要： 通過視頻接口和Channel Link芯片實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號處理芯片TMS320DM642與Camera Link線掃描相機(jī)的無縫連接。解決了圖像數(shù)據(jù)輸出速度為40 MB/s的高速圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，前端采集與后端輸出的速度匹配問題。系統(tǒng)可實(shí)時、高速地采集大量的圖像數(shù)據(jù)。
圖像采集的運(yùn)用非常廣泛，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，采集技術(shù)有了很大程度的進(jìn)步。目前的專業(yè)采集設(shè)備集成度更高，分辨率更大，傳輸速度更快，針對性更強(qiáng)。
本文以DALSA公司的Spyder2系列線掃描相機(jī)為圖像采集源，以TI公司的TMS320DM642多媒體處理器為核心，實(shí)現(xiàn)高速圖像的采集和處理任務(wù)。
Spyder2線掃描相機(jī)以其高速的采集速度和先進(jìn)的Camera Link接口，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)線等領(lǐng)域。本方案集合了Camera Link和TMS320DM642的優(yōu)點(diǎn)，縮短了設(shè)計周期，降低了難度，提高了設(shè)計的效率和設(shè)計質(zhì)量。
1 總體概述
Camera Link 是一種基于視頻應(yīng)用發(fā)展而來的通信接口標(biāo)準(zhǔn)，Camera Link接口采用National Semiconductor公司的Channel Link技術(shù)，其最高速率可達(dá)2.38Gbps。Camera Link相機(jī)和圖像采集設(shè)備之間采用LVDS信號傳輸，從而簡化了圖像采集設(shè)備和模擬攝像頭之間所必需的視頻編解碼等步驟，降低了生產(chǎn)成本和維護(hù)費(fèi)用。
TMS320DM642作為多媒體處理器，內(nèi)置3個專用的視頻數(shù)據(jù)接口（Video Port）。每一視頻接口有20位數(shù)據(jù)總線，可以在8位、10位、16位總線方式下進(jìn)行視頻采集或視頻顯示。采集頻率最高可達(dá)80MHz。
DALSA Spyder2相機(jī)采用單通道Channel Link輸出，每線輸出2048像素，每個像素8位。為了圖像處理的方便，采集接口將視頻數(shù)據(jù)重整為完整幀并緩存于SDRAM中。TMS320DM642的Video Port接口設(shè)置為8位的RAW Data采集模式�？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。DALSA Spyder2相機(jī)采集到的視頻信號通過Video Port 0傳輸?shù)絊DRAM中緩存，DM642再通過EMIFA從SDRAM中讀取每幀圖像進(jìn)行分析處理。
圖1 總體結(jié)構(gòu)圖
2 關(guān)鍵硬件設(shè)計
2.1 視頻解串電路
Camera Link標(biāo)準(zhǔn)中，相機(jī)的信號被分為3種：視頻數(shù)據(jù)信號、相機(jī)控制信號、串行通信信號。
視頻解碼部分采用National Semiconducor公司TSSOP56封裝的DS90CR288A接收器來完成，它能夠?qū)?路LVDS串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為2位并行TTL/CMOS數(shù)據(jù)，在傳輸時鐘CLK的每個周期，將28位并行數(shù)據(jù)輸出。
DS90CR288A解碼出的TTL/CMOS信號可以分成2類：圖像信號和圖像時鐘信號（WCLK）。其中圖像信號又由24位圖像數(shù)據(jù)信號和4位圖像同步信號組成，這些信號都符合Channel Link技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
圖像同步信號包括：FVAL（Frame Valid）、LVAL（Line Valid）、DVAL（Data Valid），分別為幀有效信號、行有效信號和數(shù)據(jù)有效信號。當(dāng)FVAL、LVAL、DVAL同時有效（為高電平時），表示相機(jī)正在輸出有效的圖像數(shù)據(jù)。Channel Link的圖像同步信號和時鐘信號的關(guān)系如圖2所示。
圖2 視頻同步信號時序圖
DALSA Spyder2 相機(jī)為線掃描數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，設(shè)置為8位灰度輸出，相機(jī)在每個時鐘的上升沿傳送串行圖像信號，F(xiàn)VAL、DVAL信號廠商固定為高電平，只由LVAL信號控制相機(jī)的圖像輸出。針對這一特性，設(shè)計充分利用TMS320DM642的視頻接口這一優(yōu)勢，由圖像時鐘（WCLK）來控制視頻口的采集時鐘（VP0_CLK0），相機(jī)的行有效信號（LVAL）控制視頻口的采集使能端（VP0_CTL0），圖像信號D[7..0]送往Video Port的數(shù)據(jù)總線VP0D[9..2]。采集接口與TMS320DM642的視頻口連接原理圖如圖3所示。
圖3 Camera與TMS320DM642接口示意圖
當(dāng)相機(jī)輸出一行有效圖像數(shù)據(jù)時，TMS320DM642的視頻口在圖像時鐘的上升沿將解串的圖像信號采集到視頻口的內(nèi)部高速FIFO中。當(dāng)內(nèi)部FIFO緩存超過編程門限（threshold）后將自動觸發(fā)一個專用EMDA通道將FIFO中的圖像數(shù)據(jù)搬移到SDRAM中。整個視頻的采集過程都沒有DSP干預(yù)，避免了由于數(shù)據(jù)搬運(yùn)而引發(fā)的錯誤同時減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)資源開銷。
2.2 相機(jī)控制電路
Camera Link標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了4位相機(jī)控制信號：CC1、CC2、CC3和CC4，需要一個4位的LVDS驅(qū)動器，DALSA Spyder2 相機(jī)遵循Camera Link標(biāo)準(zhǔn)采用了CC1、CC2、CC3三個相機(jī)控制位，分別完成外部同步控制、像素重置控制和采集方向控制，CC4控制位暫時閑置。采用National Semiconducor公司的DS90LV047A芯片來驅(qū)動這4位相機(jī)控制信號，如圖4所示。
圖4 相機(jī)控制電路示意圖
DS90LV047A將CPLD發(fā)送過來的外部控制信號轉(zhuǎn)化為符合LVDS標(biāo)準(zhǔn)的控制信號。相機(jī)控制信號的使用是可選擇的，像DALSA Spyder2系列，沒有控制信號的參與也能完成采集。
2.3 相機(jī)通信電路
DALSA Spyder2相機(jī)需要一組由9600bps、一個開始位、一個結(jié)束位、無校驗(yàn)位組成的串行異步信號（±SerTFG、±SerTC）來進(jìn)行相機(jī)參數(shù)的設(shè)置和信息反饋。本設(shè)計選用了National Semiconducor公司的DS90LV019集成驅(qū)動器/接收器來進(jìn)行TTL/LVDS轉(zhuǎn)換，如圖5所示。
圖5 相機(jī)通信電路示意圖
DS90LV019有4種工作模式，模式的選擇由DE和/RE兩個信號的狀態(tài)決定。當(dāng)DE和/RE都為高時，IC工作在驅(qū)動模式；當(dāng)DE和/RE都為低時，IC工作于接收模式；當(dāng)DE為低，/RE為高時，IC工作在三態(tài)模式；當(dāng)DE為高，/RE為低時，IC工作在全雙工模式。這里采用一片DS90LV019作為串行通信LVDS信號的收發(fā)器，工作于全雙工模式。再用Maxim公司的MAX3221來進(jìn)行TTL/RS232電平間的轉(zhuǎn)換�？刂贫送ㄟ^RS232接口發(fā)送的相機(jī)命令再通過DS90LV019傳送給相機(jī)，相機(jī)接收后給出的反饋信息再通過DS90LV019和MAX3221傳送給控制端。
3 軟件設(shè)計
DDK是TI公司用來簡化設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)的軟件套件，它提供了一些外設(shè)的完全驅(qū)動函數(shù)，其中就有Video Port專用的Minidriver驅(qū)動程序庫。
視頻驅(qū)動程序主要包括微驅(qū)動、類驅(qū)動和中間接口3個方面的設(shè)計。視頻采集驅(qū)動程序中，在GIO類驅(qū)動程序的基礎(chǔ)上進(jìn)一步封裝成FVID類。將微驅(qū)動細(xì)分為視頻端口類和制定的編解碼芯片微驅(qū)動，兩者之間通過外部設(shè)備控制接口EDC實(shí)現(xiàn)對外圍芯片的打開、控制和關(guān)閉等操作。
為了實(shí)現(xiàn)Camera Link相機(jī)圖像數(shù)據(jù)的采集，TMS320DM642的視頻口必須被配置為RAW DATA采集方式。與通常的BT.656采集方式不同，當(dāng)Video Port工作于RAW DATA采集方式下，TMS320DM642不會進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇和數(shù)據(jù)判斷，而BT.656方式需要判斷SAV/EAV同步碼，RAW DATA采集方式主要用于從ADC獲取原始的圖像數(shù)據(jù)。
在RAW DATA采集方式下，當(dāng)CAPEN信號（VP0_CTL0）被使能時，Video Port開始采集VP0D數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)，采樣數(shù)據(jù)的大小可以通過VCxSTOP1的VCXSTOP和VCYSTOP位進(jìn)行設(shè)置，通過VCXSTOP和VCYSTOP的組合，TMS320DM642允許單幀最多采集4096Kb個采樣數(shù)據(jù)。當(dāng)采集數(shù)據(jù)達(dá)到VCXSTOP和VCYSTOP所設(shè)置的值的時候，采樣完成，此后，CAPEN信號必須保持至少2個時鐘周期的無效狀態(tài)。系統(tǒng)中設(shè)置采集幀大小為2048pix×256pix，及采集524288個數(shù)據(jù)后打包為一幀，系統(tǒng)采用相機(jī)的時鐘WCLK=25ns，行有效周期LVAL=50μs，行無效周期為150μs，150μs>>25ns，能保證CAPEN至少2個時鐘周期無效狀態(tài)的要求。
幀同步處理對于RAW DATA方式的圖像采集是一個很關(guān)鍵的因素。由于RAW DATA采集方式的數(shù)據(jù)不包含任何類似于BT.656數(shù)據(jù)流那樣的幀啟/停標(biāo)識碼（SAV/EAV CODE），也不提供外部的水平和垂直同步信號，幀同步時無法實(shí)現(xiàn)的，所以DDK自帶的Minidriver驅(qū)動程序無法完成RAW DATA方式的圖像采集，則需要對Minidriver驅(qū)動進(jìn)行修改來實(shí)現(xiàn)RAW DATA采集，通過設(shè)置Video Port的第一場采樣開始寄存器VCxSTRT1，并增加采樣垂直消隱間隔VCVBLNKP和開始同步使能位SSE來間接的實(shí)現(xiàn)幀同步功能。修改后的視頻采集結(jié)構(gòu)為：
typedef struct {
Int cmode;//采集模式選擇
Int fldOp;//場/幀操作
/*8~15位*/
Int scale;//1/2縮放使能
Int resmpl;//灰度采集使能
Int bpk10Bit;//10位采集模式
/*16~23位*/
Int hCtRst;//水平計數(shù)復(fù)位模式
Int vCtRst;//垂直計數(shù)復(fù)位模式
Int fldDect;
Int extCtl;//使能外部時鐘控制
Int fldInv;//使能場反轉(zhuǎn)
/*原始模式采集參數(shù)*/
Uint16 sse;//開始同步使能位
Uint16 vcvblnkp;//垂直消隱間隔
Uint16 sse; //開始同步使能位
Uint16 vcvblnkp; //垂直消隱間隔
Uint16 fldXStrt1; //場1 X開始
Uint16 fldYStrt1; //場1 Y開始
Uint16 fldXStrt2; //場2 X開始
Uint16 fldYStrt2; //場2 Y開始
Uint16 fldXStop1; //場1 X停止
Uint16 fldYStop1; //場1 Y停止
Uint16 fldXStop2; //場2 X停止
Uint16 fldYStop2; //場2 Y停止
Uint16 thrld;//視頻FIFO閾值
/*幀緩存設(shè)定*/
Int numFrmBufs; //緩存幀數(shù)
Int alignment;//幀緩存對齊方式
Int segId;//存儲分配ID
/*EDMA優(yōu)先等級*/
Int edmaPri;//EDMA通道優(yōu)先級
Int irqId;
} VPORTCAP_Params;
當(dāng)SSE位被置位且視頻口采樣使能信號有效，在2個垂直消隱間隔以后，視頻口開始采集數(shù)據(jù)。通過設(shè)置VCVBLNKP位，可以定義一個垂直消隱信號時間的長度。為了保證能在一幀數(shù)據(jù)開始的時候同步，系統(tǒng)將VCVBLNKP置位為0。
此外，系統(tǒng)采用的是DS90CR288A相機(jī)解碼芯片，不同于DDK中使用的SAA7121解碼芯片，所以在相機(jī)的接口配置中（VPORT_PortParams）需要對EDC接口進(jìn)行修改。
DS90CR288A主要包括打開和關(guān)閉兩個操作，可以通過對外部CPLD中的相機(jī)控制寄存器VIDEO_CLR置位來操作。修改得到的EDC控制函數(shù)如下：
static EDC_Handle Camera_open(String devName, Arg optArg){
Int devId;
if(devName[0] != '/') {
devId = -1;//無效端口
} else if(devName[1] == '0') {
devId = 0;
VIDEO_CLR = 0x1；//0號端口，寄存器置高，使能解碼
} else if(devName[1] == '1'){
devId = 1;
VIDEO_CLR = 0x1；//1號端口，寄存器置高，使能解碼
} else {
devId = -1;//無效端口
}
return (EDC_Handle)devId;
}
static Int Camera_close(EDC_Handle handle){
VIDEO_CLR = 0x0；//寄存器置低，停止解碼
return EDC_SUCCESS;
}
4 結(jié)論
本設(shè)計實(shí)現(xiàn)了TMS320DM642通過Video Port與Camera Link相機(jī)的無縫連接，硬件接口設(shè)計簡單，系統(tǒng)編程也很方便。整個圖像的采集都不用CPU的參與，可以提高整個系統(tǒng)的工作效率。
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