引言
隨著電視圖像處理系統(tǒng)性能的提高，設(shè)計人員需要不斷采納新的數(shù)字圖像處理算法，如何對這些新算法進行評估，如何將理論設(shè)計轉(zhuǎn)化成工程應(yīng)用成為設(shè)計人員關(guān)心的首要問題。
實現(xiàn)電視圖像信號處理需要設(shè)計一套復(fù)雜的電路系統(tǒng)，且硬件電路的設(shè)計應(yīng)綜合考慮高速DSP芯片的開發(fā)、超大規(guī)模集成電路設(shè)計、視頻轉(zhuǎn)換、接口等復(fù)雜電路。設(shè)計印刷電路板和調(diào)試將占用設(shè)計人員較多的工作時間，較長的研制周期和較高的研制經(jīng)費均不利于圖像處理新思路、新算法向工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。仿真系統(tǒng)能較大程度降低硬件電路設(shè)計的復(fù)雜性，縮短研制周期，有利于科研設(shè)計人員集中精力對新算法進行評估和測試。
能否實時采集和實時處理電視圖像信號是設(shè)計仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。鑒于微型計算機運算速度的提高和PCI總線的高速特性，基于PCI總線設(shè)計電視圖像處理系統(tǒng)的實時仿真系統(tǒng)成為了可能。本系統(tǒng)使用微型計算機仿真電視圖像處理系統(tǒng)來對圖像進行處理，使用PCI插卡電路，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)的實時采集和發(fā)送。PCI總線的發(fā)展，打破了傳統(tǒng)微型計算機數(shù)據(jù)傳送的瓶頸，傳統(tǒng)微型計算機總線的最大缺點是傳輸速率太低，不能實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實時傳輸，更不能滿足圖像處理系統(tǒng)和大型應(yīng)用程序的要求。PCI總線作為一種同步，且獨立于處理器的32位局部總線，其最高工作頻率為33 MHz，數(shù)據(jù)傳輸峰值吞吐率可達132Mb／s。因而用PCI總線傳送1場(256×256×32位數(shù)據(jù))信號的時間不大于20 ms。由于電視信號存在空間和時間上的冗余，如對信號進行壓縮，則傳送一場信號所需的時間將會更短。因此，在仿真系統(tǒng)中，利用PCI總線將數(shù)據(jù)圖像信息直接傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)存中，對數(shù)據(jù)進行實時傳輸、存儲和處理是可能的。
1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能
由于采用了微型計算機作為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，因而可使硬件電路設(shè)計的工作量大大降低，仿真系統(tǒng)僅需要設(shè)計一PCI插卡，就可實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的適時采集和處理。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。
采用PCI總線視頻處理卡對圖像進行預(yù)處理和視頻A／D轉(zhuǎn)換，再通過PCI總線將數(shù)字圖像信息寫入計算機系統(tǒng)內(nèi)存，使用高級語言編程，實現(xiàn)數(shù)字圖像的預(yù)處理、分割、目標(biāo)圖像處理、匹配等算法。
2 PCI總線視頻信號處理卡
PCI總線視頻處理卡由模擬視頻信號處理、視頻信號A／D轉(zhuǎn)換、PCI總線數(shù)據(jù)采集和信號傳輸?shù)炔糠纸M成。
2．1 視頻處理和視頻A／D轉(zhuǎn)換
視頻信號經(jīng)過電纜傳輸后有一定的衰減并且迭加上噪聲信號，對A／D轉(zhuǎn)換前的原始視頻信號進行放大和濾波處理，可以有效增強視頻信息，降低噪聲干擾。視頻A／D轉(zhuǎn)換芯片可供選擇的種類比較多，如SAA7111，BT218等。
2．2 PCI總線數(shù)據(jù)采集和信號傳輸
PCI總線是成組數(shù)據(jù)的瘁發(fā)傳輸，每組數(shù)據(jù)是由一個地址信號和一系列的數(shù)據(jù)信號組成，PCI總線采用地址和數(shù)據(jù)復(fù)用結(jié)構(gòu)，大大減少了信號數(shù)量，但PCI總線規(guī)范仍然十分復(fù)雜，其接口的實現(xiàn)比傳統(tǒng)ISA、EISA總線困難，連接到PCI總線上的設(shè)備可分為主控設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備兩類，目標(biāo)設(shè)備最少需要47個信號，主控設(shè)備最少需要49個信號，其中包括數(shù)據(jù)／地址復(fù)用總線、接口控制線、仲裁、總線命令、系統(tǒng)線等。在設(shè)計中，可采用以下兩種方案實現(xiàn)PCI總線的接口設(shè)計：
2．2．1 采用可編程邏輯器件實現(xiàn)PCI接口設(shè)計
目前幾乎所有的可編程邏輯器件廠商均有用于微型計算機接口的典型的PLD產(chǎn)品。多數(shù)廠家還提供用VHDL、Verilog、AHDL編制的PCI總線接口核心設(shè)計模塊。利用這些模塊可編程邏輯器件可以實現(xiàn)簡單的PCI總線接口設(shè)計。由于可編程邏輯器件自身的特點，設(shè)計人員實現(xiàn)PCI接口設(shè)計時有更多的思維想象空間。
雖然使用可編程邏輯器件設(shè)計PCI接口具有靈活的特點，但在設(shè)計中仍存在以下需要關(guān)注的問題：
(1)PCI具有順從性的特點，幾乎所有包含高性能數(shù)據(jù)和控制路徑中的邏輯都需要1個PCI系統(tǒng)時間的拷貝，這與PCI苛刻的負(fù)載要求相矛盾。另外，在完成某些功能如數(shù)據(jù)突發(fā)傳送時，往往需要很多時鐘負(fù)載，而時鐘上升沿到輸出有效時間必須小于11 ns，這進一步加重時鐘扇出問題。
(2)PCI規(guī)范對傳輸數(shù)據(jù)的7 ns建立時間要求苛刻，有時在設(shè)計中要使用模擬延遲來解決。
(3)任何完善的PCI接口器件都必須提供PCI配置空間，實現(xiàn)PCI規(guī)定功能需要完成邏輯校驗、地址譯碼、實現(xiàn)配置所需的各類寄存器等基本要求，選用的可編程器件對其邏輯門的容量有較大的要求。
此外，在使用可編程邏輯器件設(shè)計插卡電路時還需加入FIFO、用戶寄存器、后端設(shè)備接口等電路，在一定程度上增大了電路設(shè)計的難度。
2．2．2 選用PCI總線控制器專用芯片
采用專用芯片放置在插卡電路與PCI總線之間，提供傳遞數(shù)據(jù)和控制信號。如PLX公司開發(fā)的PLX9080和PLX9054系列芯片，AMCC公司的S59xx系列等。AMCC公司的S5933是一種功能強、使用靈活的PCI總線控制器接口芯片，采用160PQFP和208TQFP 兩種封裝形式，符合PCI局部總線規(guī)范，即可作為PCI總線目標(biāo)設(shè)備(Slave)，實現(xiàn)基本的傳送要求，也可作為PCI總線主控設(shè)備(Master)訪問其他總線設(shè)備。原理框圖如圖2所示。
S5933提供了3種物理總線接口：PCI總線接口、ADD-ON總線接口及外部配置存儲器(BIOS-ROM)接口，數(shù)據(jù)傳輸可以在PCI總線與 ADD-ON總線之間或與外部配置存儲器之間進行。PCI總線與ADD-ON總線之間的傳輸可以使用3種通道：信箱寄存器通道、FIFO通道和PASS- THRU通道。
(1)信箱寄存器通道。S5933的信箱寄存器(MAILBOXES)提供雙向數(shù)據(jù)通路，主要用于多路／分路器與AD-DON總線之間傳輸命令和狀態(tài)信息，并可基于指定MAILBOX事件，可在PCI總線或ADD-ON總線產(chǎn)生中斷。
(2)FIFO通道。FIFO通道主要包括2個32×8FIFO，分別實現(xiàn)從PCI到ADD-ON和ADD-0N到PCI的數(shù)據(jù)傳輸。這2個FIFO均支持PCI總線主設(shè)備操作，支持突發(fā)傳輸。
(3)PASS-THRU通道。PASS-THRU傳輸通道為PCI總線提供一種寄存的訪問端口，通過握手協(xié)議訪問ADD-ON上的資源。PASS-THRU通道只能作為目標(biāo)設(shè)備，支持突發(fā)傳輸。
比較以上2種實現(xiàn)PCI接口的方案可知，用可編程邏輯器件能夠較靈活地實現(xiàn)所需要的功能。針對本系統(tǒng)PCI接口電路設(shè)計，并非要實現(xiàn)PCI規(guī)范中的所有功能，用可編程邏輯器件也可以提供解決問題的方案。但為了達到PCI指標(biāo)的苛刻要求，需要做大量的邏輯驗證和時序分析工作，采用S5933等PCI專用芯片，可以比較容易地實現(xiàn)PCI接口設(shè)計，大大縮短研制周期。
3 計算機數(shù)據(jù)處理
為了實現(xiàn)仿真功能，還需要開發(fā)相關(guān)的圖像處理和控制接口軟件。Windows下的驅(qū)動程序包括硬件的驅(qū)動程序和文件系統(tǒng)等非物理設(shè)備的虛擬設(shè)備驅(qū)動程序。由于Windows操作系統(tǒng)為了保證系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可移植性，對應(yīng)用程序訪問硬件資源加以限制，因此無論采用可編程邏輯器件或者使用專用接口芯片實現(xiàn)PCI接口設(shè)計，都需要開發(fā)相關(guān)設(shè)備驅(qū)動程序，實現(xiàn)計算機軟件對PCI硬件設(shè)備的訪問。
3．1 設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)
開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序有多種開發(fā)工具可以選擇。主要包括：微軟的軟件包(device drtver K6t，ddK)；Numega公司的VtoolsS；KRF-Tech公司的WinDriver。
在開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序之前首先要對硬件設(shè)備特性、總線結(jié)構(gòu)、中斷設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸機制及設(shè)備內(nèi)存等進行分析。驅(qū)動程序要完成的基本功能包括設(shè)備的初始化、對端口的讀寫操作、中斷的設(shè)置、響應(yīng)和調(diào)用以及對內(nèi)存的直接讀寫等。
3．2 仿真系統(tǒng)驅(qū)動程序的開發(fā)
使用微軟公司功能強大的VC++高級編程語言編寫圖像處理軟件。在計算機系統(tǒng)內(nèi)存中開辟一段空間，存儲通過PCI總線傳輸?shù)臄?shù)字圖像信息和受控系統(tǒng)反饋量，使用VC++編程實現(xiàn)計算機內(nèi)存的讀寫操作，憑借計算機高速運算功能，實現(xiàn)圖像的數(shù)字濾波、直方圖統(tǒng)計、二值化處理、邊緣檢測、目標(biāo)特征選擇等圖像處理算法，并將采集到的圖像、反饋量和處理過的圖像、反饋量顯示到計算機監(jiān)視器上，設(shè)計人員可以直接獲得圖像處理中間過程的各種數(shù)據(jù)，通過對圖像處理中間過程的監(jiān)控，設(shè)計人員可以較方便發(fā)現(xiàn)不同圖像處理算法的優(yōu)缺點，從而進行各種圖像處理算法的優(yōu)化改進。
4 結(jié)語
采用本文方法設(shè)計的電視圖像仿真系統(tǒng)已在某武器系統(tǒng)對目標(biāo)的紅外圖像識別、處理和控制的研制中獲得成功運用。本系統(tǒng)充分利用PCI總線的高速特性和微型計算機的數(shù)據(jù)處理自由度大，靈活可靠的特點，有效地解決了電視圖像的實時采集、傳輸、存儲和實時處理等問題，同時為設(shè)計人員的技術(shù)儲備和系統(tǒng)前期設(shè)計提供幫助，具有很強的應(yīng)用價值。