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Design of an smart camera and its implementation based on multi-DSP
（1長春光學精密機械與物理研究所 2 中國科學院研究生院3 吉林大學）
肖傳偉 周懷得 李志慧 郝志航
XIAO Chuan-wei ZHOU Huai-de li Zhi-hui HAO zhi-hang
摘要：提出了并實現了基于TI的TMS320VC5402多DSP智能相機，該相機采用模塊化，結構化的設計。利用FPGA配置靈活的特性實現了模塊的可擴展性，而且可以實現相機拓撲結構的可重構，并實現了與硬件特性相結合的算法。該相機的設計方案有廣泛的適應性，對軟件的結構和算法稍作修改即可應用于不同的工作場合。
關鍵詞：智能相機 數字信號處理器（DSP）FPGA 模塊化
中圖分類號：TP391 文獻標識碼：B
Abstract：A smart camera was presented based on TI TMS320VC5402 with multi-DSP processors．A modular and reconfigurable architecture was adopted in this system．FPGA was used to implement modules expanding easier. It analyses the system structure and working principle of all modules in this multi—DSP system .The system combines merit between FPGA and DSP, such as，rapidity、agility and currency．It is important for the system that it is easy to modularize，expand and then it can improve the parallel efficiency of algorithm．Experimentation shows that exploitive period of the system is short，maintenance convenient.
Key words： multi-DSP; smart camera; FPGA; modularize system expand
智能相機作為一種低能耗，低成本，高性能的嵌入式系統，廣泛應用于工業控制，智能交通，安全門禁等各個領域，是各系統中監控部分的核心器件。但隨著這些系統所要處理的圖像數據量越來越大，采用的算法越來越復雜，這對于采用單處理器的智能相機提出了一個巨大的挑戰。目前解決該問題一般采用兩種方法：采用性能更好的處理器，但在提高性能的同時也提高了成本；采用多處理器組成互聯系統，能夠在增加整體數據處理能力的同時有效的控制成本 。本文提出了一種采用多DSP并行處理，具有模塊化特征的智能相機。該相機的結構實現靈活，可以很容易的重構和擴展。這樣一方面可以通過軟件編程來適應處理問題的算法的升級和改進；另一方面可以通過簡單的硬件擴展來適應處理數據的大量增加 。
1：硬件系統的設計
該多DSP智能相機圖像獲取部分采用的是Philips公司生產的LM9617COMS圖像傳感器，該圖像傳感器是一款高性能，低能耗的1/3’’ 的灰度圖像傳感器，能夠獲取靜態和動態圖像，支持12位灰度圖像，圖像分辨率為648×488(pixels)，實驗中我們采用了8位灰度圖像，每幅需要占用的存儲器空間是300K（bytes）。圖像處理采用的是TI公司生產的數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）TMS320VC5402,該DSP采用改進的哈佛結構，專門硬件邏輯的CPU，片內存儲器，片內外設和專用的指令集，模塊化的結構設計，高性能低功耗的IC工藝，并且成本低廉，峰值處理能力達到100MIPS。圖像存儲在主控制模塊和擴展模塊中都采用了ISSI公司生產的SRAM，其中主控制模塊采用的是IS61LV10248，其容量為1M（bytes）。而在擴展模塊中采用的是ISWV20488，其容量為2M（bytes）。主控制模塊中的地址發生與控制采用的是Lattice公司生產的CPLD ispMach4256V.，該CPLD提供了128個I/O,可以滿足地址邏輯和控制的要求。而在擴展模塊中為了擴展的方便采用了Xilinx生產的SpartanII系列的FPGA，該FPGA提供了284個I/O和14個RAM塊，其邏輯結構能夠高效實現SRAM訪問控制，并能滿足顯示和控制的要求。主控制模塊中之所以需要地址發生與控制邏輯是因為DSP TMS320VC5402的外部數據和I/O空間最大只能達到64K，要訪問更大的地址空間范圍只能通過CPLD或FPGA來產生高位地址，這樣DSP才可以訪問到超過64K地址范圍外的數據。一款高性能的多DSP智能相機不僅僅要求有高速的運算能力，還應當有較好的數據交換能力和擴展性。在本設計中并沒有采用共享總線的結構，因為在共享總線系統中各個處理模塊要分時使用總線，這樣會影響系統的數據交換能力；而是將數據線直接接到DSP與SRAM上，這樣可以加快數據的訪問速度。
圖2 監控系統的層次框圖
算法實現上為了提高處理速度，將算法的設計與硬件的結構結合在一起，大大提高了算法的執行速度與效率。其中擴展模塊中硬件實現采用了大容量的SRAM來提高算法對存儲空間的要求，并將SRAM的存儲空間映射到兩塊DSP的程序空間，通過對FPGA的配置使得DSP可以讀寫SRAM中的任意地址的數據 。存儲器映射實現如圖3所示：
外部存儲空間的內容只能映射到TMS320VC5402的內部DRAM地址范圍在0x4000－0x8000的存儲空間，這是DSP器件的特性決定的。通過該映射的實現我們的算法設計作了如下改進：當圖像經過預處理存儲到SRAM中進行進一步處理時，可以首先確定有效圖像數據在SRAM中的地址范圍，當進一步對圖像處理時就不需要讀入整幅圖像，而只需讀入要處理的圖像部分，這樣可以大大提高處理速度，也避免了無用的圖像數據干擾，圖像處理的精度也提高了。
圖2 監控系統的層次框圖
算法實現上為了提高處理速度，將算法的設計與硬件的結構結合在一起，大大提高了算法的執行速度與效率。其中擴展模塊中硬件實現采用了大容量的SRAM來提高算法對存儲空間的要求，并將SRAM的存儲空間映射到兩塊DSP的程序空間，通過對FPGA的配置使得DSP可以讀寫SRAM中的任意地址的數據 。存儲器映射實現如圖3所示：
外部存儲空間的內容只能映射到TMS320VC5402的內部DRAM地址范圍在0x4000－0x8000的存儲空間，這是DSP器件的特性決定的。通過該映射的實現我們的算法設計作了如下改進：當圖像經過預處理存儲到SRAM中進行進一步處理時，可以首先確定有效圖像數據在SRAM中的地址范圍，當進一步對圖像處理時就不需要讀入整幅圖像，而只需讀入要處理的圖像部分，這樣可以大大提高處理速度，也避免了無用的圖像數據干擾，圖像處理的精度也提高了。
圖3 存儲器映射的實現
本文作者創新點在于以動態可重構、模塊化、易于擴展的思想構造了多DSP智能相機．并詳細地分析了主控制模塊、擴展模塊和顯示控制模塊的體系結構和工作原理并完成了可移植的監控程序的設計。如果由于算法的復雜性增加,現有多DSP系統不能滿足實時計算要求時，本系統還可根據算法對計算能力的需要方便地擴展，通過增加DSP數目的方法來達到提高系統處理能力。今后應進一步研究系統的容錯能力，在一片DSP損壞時如何能夠將該DSP處理的任務無縫的遷移到另一片DSP上并能順利處理完任務。當對擴展模塊進行擴展時，若采用4片或更多片DSP時如何設計更有效的并行結構與分配算法，使得圖像數據在各DSP之間分配處理達到效率最佳。
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作者簡介：肖傳偉（1971－ ），男，漢族，吉林長春人，長春光學精密機械與物理研究所博士研究生，主要研究方向為機器視覺、模式識別。
Author Briefing:Xiao chuan-wei, Male, Born in 1971, Han, Major: Optical engineering; Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences; Research field: Machine Vision and pattern recognition
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