第一篇：基于DSP系統(tǒng)的自舉設(shè)計講述

設(shè)計任務(wù)書

題目：基于DSP系統(tǒng)的自舉設(shè)計

要求：

（1）將目標代碼生成可執(zhí)行的COFF格式文件（.out文件）（2）使用Hex轉(zhuǎn)換工具將.out文件轉(zhuǎn)換為Hex文件。

（3）采用C語言編寫FLASH燒寫程序，通過DSP將Hex格式的目標，程序?qū)懭隖LASH，實現(xiàn)系統(tǒng)在線編程。

（4）實現(xiàn)ICETEK–F2812-AE評估板的上電自舉運行。(5)完成硬件電路原理圖設(shè)計、軟件系統(tǒng)程序設(shè)計及其仿真。

摘 要

本設(shè)計是基于DSP（2812）最小系統(tǒng)設(shè)計的自舉設(shè)計,DSP是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。DSP指的是數(shù)字信號處理器。數(shù)字信號處理器是一種適合完成數(shù)字信號處理運算的處理器。

該設(shè)計是針對TI公司TMSF2812系列DSP處理器獨立運行實現(xiàn)的程序自舉設(shè)計的問題,利用CCS軟件編程實現(xiàn)DSP通過SPI串行EEPROM完成程序代碼自舉的方法設(shè)計,以下設(shè)計內(nèi)容給出了相應(yīng)的硬件設(shè)計和軟件編程思路,及以該方法實現(xiàn)DSP自舉的設(shè)計。實現(xiàn)將實驗箱電源關(guān)閉，拔掉仿真電纜（黑色的），讓仿真器和計算機脫開，重新打開實驗箱電源，觀察板上指示燈閃爍；表明燒入的程序正在運行，按一下板上復(fù)位按鈕，程序?qū)⒅匦逻\行。

基于DSP的自舉設(shè)計方法硬件設(shè)計簡單、成本低,而軟件兩次編程設(shè)計又方便DSP系統(tǒng)的在線編程調(diào)試和軟件升級,可廣泛用于程序代碼不超過64K字節(jié)的DSP系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞 DSP系統(tǒng),自舉設(shè)計，TMSF2812系列

目錄

第1章 緒論..................................................3 第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計..............................................4

2.1設(shè)計平臺.....................................................4 2.2系統(tǒng)框架設(shè)計.................................................4 第3章 硬件設(shè)計...............................................5

3.1最小系統(tǒng)設(shè)計.................................................5

3.1.1 電源模塊...............................................5 3.1.2 復(fù)位電路...............................................6 3.1.3 時鐘電路...............................................7 3.1.4 JTAG仿真電路..........................................7 3.2 LED顯示電路設(shè)計.............................................7 第4章 軟件設(shè)計...............................................8 4.1 自舉的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計...........................................8 4.2 LED顯示程序結(jié)構(gòu)設(shè)計........................................9 第5章 軟件及硬件測試............................................10 5.1 CCS集成開發(fā)環(huán)境............................................10 5.2 TMS320F2812A DSP片內(nèi)Flash的燒寫過程.......................10 5.3 LED電路測試................................................11 結(jié)論.........................................................12 參考文獻.....................................................13 附錄.........................................................14 附錄1自舉設(shè)計電路圖...........................................14 附錄2自舉程序代碼.............................錯誤！未定義書簽。附錄3LED顯示電路程序代碼......................錯誤！未定義書簽。

第1章 緒論

對于一個DSP系統(tǒng),當用戶程序通過JTAG仿真調(diào)試完畢后,為使DSP目標系統(tǒng)成為可獨立脫機運行的系統(tǒng),就必須對DSP系統(tǒng)進行自舉設(shè)計。所謂“自舉”是指DSP系統(tǒng)在滿足一定工作條件下,DSP芯片內(nèi)的程序引導(dǎo)裝載器,在DSP系統(tǒng)上電后,將自動的把存儲在DSP芯片外部非掉電易失存儲器內(nèi)的用戶程序代碼搬移到DSP芯片中高速的片內(nèi)RAM或系統(tǒng)中的擴展存儲器內(nèi),搬移成功后自動執(zhí)行代碼,完成DSP系統(tǒng)上電后的自啟動。程序自舉是開發(fā)DSP系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，自舉從本質(zhì)上說就是在DSP啟動后通過某種方式從外部獲取運行代碼并裝載到其程序區(qū)內(nèi)全速運行。在深入分析了各種加載方法之后，結(jié)合本DSP系統(tǒng)的特點，采用了單片機來實現(xiàn)DSP的主機接口方式的自舉加載。

第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1設(shè)計平臺

該自舉設(shè)計是基于CCS集成開發(fā)環(huán)境。在DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS中，用C語言或匯編語言編寫好源程序，進行編譯、匯編、鏈接，最后生成的是.out文件，該文件的格式不利用被單片機識別，通過一個批處理文件把.out文件轉(zhuǎn)化為易于單片機識別的.h文件，最終使用DSP實現(xiàn)該自舉的功能實現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)的框架設(shè)計

本設(shè)計DSP硬件系統(tǒng)是以德州儀器公司(TI)的TMS320F2812為核心處理器,輔以CPLD、Flash存儲器、SRAM存儲器、USB接口芯片等。512KB的Flash芯片用來存儲應(yīng)用程序和初始化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲器SRAM的存儲容量為64KB。邏輯控制電路采用CPLD實現(xiàn),Flash頁選控制、讀寫控制、程序空間和數(shù)據(jù)空間大的切換控制完全由CPLD控制。邏輯控制電路設(shè)計圖如下:

圖2.1邏輯控制電路設(shè)計圖 第3章 硬件設(shè)計

3.1 最小系統(tǒng)設(shè)計

3.1.1 電源轉(zhuǎn)換模塊

DSP最小系統(tǒng)僅有5V電源供電，由于DSP芯片供電電壓只能是3.3V，所以在設(shè)計電路時，需要將5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V給CPU供電，因此使用了TI公司的5V/3V的TPS7333Q高性能穩(wěn)壓芯片，并可提供上電復(fù)位信號，該信號/RS—DSP接到DSP的復(fù)位引腳上。該芯片最大輸出電流500mA。TPS7333Q輸出后的10μf和100μf的電容不能省略，否則得不到穩(wěn)定的3.3V電壓。

圖3.1電源轉(zhuǎn)換電路原理圖

3.1.2 復(fù)位電路

基于TMS320F2812的數(shù)字I/O口復(fù)用寄存器和數(shù)據(jù)、方向寄存器，可應(yīng)用到指示燈的點亮上。因為用發(fā)光二極管作為指示是控制系統(tǒng)中常用的方法。而且接口電路簡單，編程方便而且直觀。

圖3.2復(fù)位電路原理圖

3.1.3 時鐘電路

TMS320 F2812 DSP的時鐘可以有兩種連接方式，即外部振蕩器方式和諧振器方式。本文采用的是外部有源時鐘方式，直接選擇一個3.3V供電的30MHz有源晶振實現(xiàn)。

圖3.3內(nèi)部震蕩電路

圖3.4外部時鐘電路

3.1.4 JTAG仿真電路

幾乎所有的高速控制器和可編程器件都配有標準仿真接口JTAG，F(xiàn)2812也不例外。JTAG掃描邏輯電路用于仿真和測試，采用JTAG可實現(xiàn)在線仿真，同時也是調(diào)試過程裝載數(shù)據(jù)、代碼的唯一通道。通過JTAG接口可將仿真器與目標系統(tǒng)相連接。為了與仿真器通信，DSP控制板必須帶有14引腳的雙排直插管座。

圖3.5 JTAG仿真電路原理圖

3.2 LED顯示電路設(shè)計

基于TMS320F2812的數(shù)字I/O口復(fù)用寄存器和數(shù)據(jù)、方向寄存器，可應(yīng)用到指示燈的點亮上。因為用發(fā)光二極管作為指示是控制系統(tǒng)中常用的方法。而且接口電路簡單，編程方便而且直觀。

圖3.6LED顯示電路原理圖

第4章 軟件設(shè)計

4.1 自舉的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計

該設(shè)計是基于TMSF2812DSP實現(xiàn)ICETEK–F2812-AE評估板的上電自舉運行設(shè)計。首先進行初始化CPU然后關(guān)中斷，再進行初始化PIE寄存器，禁止所有中斷，再進行初始化PIE向量表。實現(xiàn)的自舉程序流程圖如下：

圖4.1自舉程序流程圖

4.2 LED顯示程序結(jié)構(gòu)設(shè)計

該自舉程序?qū)崿F(xiàn)的功能為LED燈交替顯示點亮，實現(xiàn)自舉程序后，關(guān)閉電源，讓仿真器和計算機脫開，后接通電源，復(fù)位DSP實現(xiàn)LED逐個閃爍自啟的現(xiàn)象。具體的LED顯示程序結(jié)構(gòu)流程圖如下：

圖4.2LED顯示結(jié)構(gòu)程序流程圖

第5章 軟件及硬件測試

5.1 CCS集成開發(fā)環(huán)境

軟件設(shè)計是基于CCS開發(fā)環(huán)境的。CCS是TI公司推出的為開發(fā)TMS320系列DSP軟件的集成開發(fā)環(huán)境，是目前使用最為廣泛的DSP開發(fā)軟件之一。它采用Windows風(fēng)格界面，提供了環(huán)境配置、源文件編譯、編譯連接、程序調(diào)試、跟蹤分析等環(huán)節(jié)，并把軟、硬件開發(fā)工具集成在一起，使程序的編寫、匯編、程序的軟硬件仿真和調(diào)試等開發(fā)工作在統(tǒng)一的環(huán)境中進行，從而加速軟件開發(fā)進程。

圖5.1為CCS集成開發(fā)環(huán)境界面

5.2 TMS320F2812A DSP 片內(nèi) Flash 的燒寫過程

我們課程設(shè)計參考的是實驗所用的瑞泰DSP教學(xué)實驗系統(tǒng)自帶的教學(xué)案例自舉程序，首先在工程文件目錄下打開工程文件，然后編譯程序，單擊Tools菜單，查看“F28xx On-chip Flash Programmer”選項，這就是燒寫 flash 的將程序?qū)懭隖lash-啟動燒寫插件：單擊菜單“Tools”、“F28xx On-chip Flash Programmer。

圖5.2TMS320F2812A DSP 片內(nèi) Flash 的燒寫過程界面

5.3 LED電路測試

監(jiān)測系統(tǒng)輸入和輸出工作電壓后，監(jiān)測上電復(fù)位及手動復(fù)位電路工作情況。利用DSP仿真器進行硬件仿真，進入CCS壞境，識別目標器件，表明硬件基本正常。實現(xiàn)將實驗箱電源關(guān)閉，拔掉仿真電纜（黑色的），讓仿真器和計算機脫開，重新打開實驗箱電源，觀察板上指示燈閃爍；表明燒入的程序正在運行，按一下板上復(fù)位按鈕，程序?qū)⒅匦逻\行。

圖5.3LED電路測試實現(xiàn)圖 結(jié)論

本設(shè)計通過Flash在DSP系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用,詳細介紹 了DSP系統(tǒng)自啟動的軟硬件設(shè)計方法。采用本文方法所設(shè)計的TMSF2812系列DSP系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了上電的自啟動。并且分析了TMSF2812系列DSP的引導(dǎo)過程，給出了一種利用單片機控制TMSF2812 DSP的HPI口進行程序自舉的硬件連接電路圖和軟件設(shè)計方案，并給出了部分核心代碼。這種方法省掉了DSP的EPROM、使DSP只使用片內(nèi)RAM、實現(xiàn)簡便、附加硬件少、成本低，可為設(shè)計DSP系統(tǒng)的程序自舉提供一定的參考。最終在DSP實驗指示板上實現(xiàn)ICETEK–F2812-AE評估板的上電自舉運行設(shè)計。實驗現(xiàn)象通過對指示燈的閃爍，在調(diào)用自舉函數(shù)，進行自舉操作后，實現(xiàn)斷開實驗箱電源后，上電自舉，復(fù)位后指示燈閃爍實現(xiàn)原來的程序設(shè)定現(xiàn)象。參考文獻

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附錄1：自舉設(shè)計電路圖附錄2：自舉程序代碼

#include “DSP28_Device.h” #include “DSP28_Globalprototypes.h”

// Prototype statements for functions found within this file.// interrupt void ISRTimer2(void);void delay_loop(void);void Gpio_select(void);

unsigned int var1 = 0x4000;unsigned int var2 = 0;unsigned int var3 = 0;unsigned int var4 = 0;unsigned int var5 = 0;

#define led *(int *)0xc0000 #define key *(int *)0xc0001

void main(void){ int i;

InitSysCtrl();//初始化cpu DINT;//關(guān)中斷

InitPieCtrl();//初始化pie寄存器

IER = 0x0000;//禁止所有的中斷 IFR = 0x0000;InitPieVectTable();//初始化pie中斷向量表

while(1){ for(;;){ i=key;i=i&0xff;led=i;} } } 附錄3：LED顯示電路的程序代碼

#include “DSP281x_Device.h” // DSP281x Headerfile Include File #include “DSP281x_Examples.h” // DSP281x Examples Include File #include “f2812a.h” // 定義指示燈寄存器地址和寄存器類型 #define LBDS(*((unsigned int *)0xc0000))// 子程序接口

void Delay(unsigned int nDelay);// 延時子程序 main(){

{ int ii,jj,kk=0;

} } } for(ii=0;ii

{ LBDS=uLED[i];Delay(256);

// 送控制字 // 延時}}}

// 初始化DSP運行時鐘

for(i=0;i<4;i++)void Delay(unsigned int nDelay)for(jj=0;jj<512;jj++)

第二篇：DSP系統(tǒng)程序設(shè)計論文

近年來，計算機產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，數(shù)字信號處理器的發(fā)展表現(xiàn)得尤為明顯。DSp芯片制造商和DSp板開發(fā)商利用自身的優(yōu)勢不斷開發(fā)出多DSp結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品來滿足這種需求。通常的DSp設(shè)備是與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合，來實時地完成某一特定任務(wù)。隨著信號采集速度和處理速度的要求越來越高，許多領(lǐng)域都需要進行多處理器運算，其中包括醫(yī)學(xué)、圖像處理、軍事、工業(yè)控制、電信等許多領(lǐng)域。多處理器系統(tǒng)可以根據(jù)所需實現(xiàn)的功能和處理器的性能來調(diào)節(jié)處理結(jié)點的數(shù)目，使系統(tǒng)達到最佳的性能價格比。

實際上，只有從芯片開始仔細設(shè)計，才能方便地實現(xiàn)多處理器系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能。這里選用的是AD公司新出品的SHARC級處理器ADSp21160。

ADSp21160具有很大的片內(nèi)存儲區(qū)、多重內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)、獨立的I/O子系統(tǒng)；具有構(gòu)造多處理器系統(tǒng)的所有特點，能夠真正支持處理器數(shù)目的可調(diào)節(jié)功能，十分適合組成高性能浮點的多DSp系統(tǒng)。

VxWorks是目前世界上用戶數(shù)量最大的實時操作系統(tǒng)。這使它除了具有優(yōu)越的技術(shù)性能之外，還具有豐富的應(yīng)用軟件支持、良好的技術(shù)服務(wù)和可靠的系統(tǒng)穩(wěn)定性。由于它具有以上優(yōu)點，本系統(tǒng)中選用了VxWorks作為MVME167的操作系統(tǒng)。

一、ADSp21160的特點

ADSp21160 是AD公司采用超級哈佛結(jié)構(gòu)的一種新產(chǎn)品。21160的匯編代碼與2106x兼容，處理器具有SIMD（單指令流多數(shù)據(jù)流）功能；而2106x只具有SISD（單指令流單數(shù)據(jù)流）功能。為了充分利用這種新的功能，一些指令做了一些改變。ADSp21160包括1個100/150MHz的運算核、雙端片內(nèi)SRAM、1個支持多處理器的集成在片內(nèi)的I/O處理器和多重內(nèi)部總線以消除I/O瓶頸。

ADSp21160的匯編源代碼與2106x兼容。SIMD計算結(jié)構(gòu)：2個32bit的計算單元，其中每一個單元包括乘法器、ALU、移位寄存器及寄存器文件。具有完備的與外圍設(shè)備接口功能。包括獨立的I/O處理器、4Mbit 的片內(nèi)雙端SRAM、可直接連接的多處理器特性及端口（串口、連接口、外總線及JTAG）。

ADSp21160包括2個運算處理單元，具有SIMD功能。處理單元指的是pEX和pEY。pEX始終是有效的，而pEY的有效是通過設(shè)置MODE1寄存器中的pEYEN位來實現(xiàn)的。當pEY模式有效時，同一條指令在2個處理器單元中都得到執(zhí)行，但每一個處理器單元中的操作數(shù)不同。

SIMD模式在存儲區(qū)和處理器單元之間的數(shù)據(jù)傳輸也是很有作用的。當使用SIMD模式，通過加倍數(shù)據(jù)帶寬來保證處理器單元的操作。在SIMD模式，當使用DAGs來傳輸數(shù)據(jù)時，存儲區(qū)每次訪問所傳輸?shù)氖莾蓚€數(shù)據(jù)值。

ADSp21160包括4Mbit的片內(nèi)SRAM，分為兩塊，每一塊2Mbit?？梢远x為不同字長的指令和數(shù)據(jù)存儲。每一個存儲塊的雙端口結(jié)構(gòu)可以使存儲塊獨立地被運算核處理和I/O處理器訪問。21160的存儲區(qū)最大可以容納128K的32bit數(shù)據(jù)，或256K的16bit數(shù)據(jù)，或85K的48bit指令，或其他混合字長的數(shù)據(jù)，但總和最大為4Mbit。所有存儲區(qū)可以16、32、48、64bit字長的字訪問。外端口支持處理器與片外存儲器及外設(shè)的接口，片外的4G地址空間屬于21160的統(tǒng)一地址空間。

外端口支持同步、異步及同步BURST訪問。DMA控制器的操作相對處理器運算核是獨立和不可見的，即DMA操作可與執(zhí)行指令同時進行。DMA傳輸可以在內(nèi)部存儲區(qū)與外部存儲區(qū)、外圍設(shè)備或主機之間進行。21160共有14個DMA通道，其中：連接口(linkport)占6個；串口占4個；外端口(external port)占4個。21160可以通過DMA傳輸來下載程序，外圍異步設(shè)備也可以通過DMA請求/應(yīng)答線來控制2個DMA通道。

21160具有許多特點支持多DSp系統(tǒng)。外端口與連接口支持多處理器系統(tǒng)的直接連接，外端口支持統(tǒng)一的地址空間，允許DSp之間互相訪問。片內(nèi)具有分布式總線仲裁邏輯，最多支持6片21160和主機連接。外端口的最大數(shù)據(jù)傳輸率為400MB/s，廣播寫信號可以同時發(fā)

送到各片21160。6個連接口提供了另一種方法實現(xiàn)多處理器之間的通信。連接口的最高傳輸速率為600MB/s。

整個系統(tǒng)基于VME總線。VME總線系統(tǒng)作為最早的國際通用開放式總線，自1981年起，經(jīng)歷了近20年的發(fā)展。其影響不斷擴大，功能不斷完善，現(xiàn)已成為性能最好、應(yīng)用最廣的國際總線標準之一。

根據(jù)設(shè)計要求，采用了4片ADSp21160。片外共享內(nèi)存SRAM可以被主機和各片DSp直接訪問；EpROM用來存放初始化程序和各片DSp要運行的程序，在系統(tǒng)上電后這些程序被下載到各片DSp中；LEDs用來顯示插件的狀態(tài)，如reset、normal等。每一片都有1個連接口連到插件的前面板，這樣前端采集來的數(shù)據(jù)就可以很方便地傳輸?shù)蕉郉Sp上，而且也使數(shù)據(jù)的傳輸模式更加靈活。

連接口(linkport)是SHARC系列DSp芯片的一個特點。ADSp21160共有6個8bit連接口提供額外的I/O服務(wù)。在100MHz時鐘下運行時，每個連接口可達100MB/s。連接口尤其適合多處理器間點到點的連接。連接口可以獨立地同時操作，通過連接口的數(shù)據(jù)封裝成48/32bit字長后，可以從片內(nèi)存儲區(qū)直接被運算核讀取或DMA傳輸。每一個連接口有它自己的雙緩沖I/O寄存器，數(shù)據(jù)傳輸可編程，硬件由時鐘/應(yīng)答握手線控制。4片DSp使用連接口實現(xiàn)DSp間兩兩互連。

21160的主機接口可以很方便地與標準微處理器總線（16/32bit）相連，幾乎不需要額外硬件。主機通過21160的外端口對其進行訪問，存儲區(qū)地址映射為統(tǒng)一的地址空間。4個DMA通道可以用于主機接口，代碼和數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖_銷很小，主處理器通過Hbr、HBG和REDY信號線與21160進行通信，主機可以對片內(nèi)存儲區(qū)進行直接讀寫。

二、開發(fā)環(huán)境Tornado

VxWorks的開發(fā)環(huán)境是WindRiver公司提供的Tornado。Tornado采用主機-目標機開發(fā)方式，主機系統(tǒng)可采用運行Sun Solaris、Hp-UX以及Win95/NT的工作站或個人計算機，VxWorks則運行在Intel x86、MC68K、powerpC或SpARC等處理器上。Tornado支持各種主機-目標機連接方式，如以太網(wǎng)、串行線、在線仿真器和ROM仿真器。

Tornado的體系結(jié)構(gòu)使得許多強有力的開發(fā)工具可以用于各種目標機系統(tǒng)和各種主機-目標機連接方式下，而不受制于目標機的資源和通信機制。同時VxWorks具有良好的可剪裁性。因此它適用于各種嵌入式環(huán)境的開發(fā)，小到資源極其有限的個人手持式設(shè)備如pDA（personal Digital Assistant）；大到多處理機系統(tǒng)，如VME系統(tǒng)。

Tornado可提供一個直觀的、可視化的、用戶可擴充的開發(fā)環(huán)境，極大縮短了開發(fā)周期。同時，由于Tornado是一個完全的開放系統(tǒng)，使得集成第三方開發(fā)工具變得十分容易。

主機與目標機之間的通信是通過運行各自處理器上的代理進程來完成的，使主機上的開發(fā)工具和目標機的操作系統(tǒng)可以完全脫離相互連接的方式。

為了擺脫主機-目標機通信帶寬和目標機資源的限制，Tornado將傳統(tǒng)的目標機方的工具遷移到主機上，如shell、loader和符號表等。這樣，系統(tǒng)不再需要額外的時間和帶寬在主機和目標機之間交換信息，降低了對連接帶寬的需求，也避免了目標機的資源（如內(nèi)存）被工具或符號表大量占用，使得應(yīng)用程序擁有更多的系統(tǒng)資源。同時這種遷移也使得各種主機開發(fā)工具獨立于目標機存在，從而使同一主機平臺上的工具可以用于所有的目標機系統(tǒng)。

作為一個應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境，Tornado提供了友好的可視化開發(fā)界面、交叉編譯環(huán)境、源碼級調(diào)試工具、目標機命令解釋器和目標機狀態(tài)監(jiān)視器等多種應(yīng)用工具，為應(yīng)用軟件開發(fā)提供了一個高效而可靠的平臺。

三、程序設(shè)計

我們選用的DSp開發(fā)工具是AD公司提供的VisualDSp。這是一個集成開發(fā)環(huán)境，支持對SHARC系列DSp芯片的開發(fā)。實時操作系統(tǒng)VxWorks的開發(fā)工具是WindRiver公司的Tornado集成開發(fā)工具。VisualDSp可以C語言或匯編語言編

寫的DSp代碼，最新版本的VisualDSp還支持C++。它還有1個優(yōu)點，就是可以編譯多片DSp的源代碼，并產(chǎn)生下載文件，這就可以很方便地進行多DSp系統(tǒng)的軟件模擬。

ADSp21160陣列的設(shè)計結(jié)構(gòu)使它既可以構(gòu)成單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）的并行處理機，也可以構(gòu)成多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）或多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）的流水線處理機，視用戶的要求而定。這兩種并行方案的選擇，簡單來說就是選擇分割數(shù)據(jù)流還是分割處理工序。SIMD方案的原理如圖1所示。

以下介紹我們實驗室承擔(dān)的水聲信號處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)以VME總線為系統(tǒng)開發(fā)平臺，前端調(diào)理模件、模數(shù)轉(zhuǎn)換模件和前端控制模件等為VME插件，采用SHARC級DSp芯片陣列完成聲納信號實時處理，基于嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks及X窗口系統(tǒng)的中央控制和顯示。

圖2是4片DSp的任務(wù)分配圖。從前端采集來的信號，經(jīng)波束形成和復(fù)解調(diào)，再經(jīng)過窄帶濾波后的信號分為兩路，一路送去進行幅度檢波，一路做頻域處理。幅度檢波就是對復(fù)信號求模，根據(jù)信號幅度判決有無目標存在。頻域處理分兩種情況：當發(fā)射信號為單頻脈沖時，進行功率譜估計，然后根據(jù)多普勒頻移估計目標速度；當發(fā)射信號為雙曲調(diào)頻信號時，進行相關(guān)處理。

聲納綜合數(shù)據(jù)處理主要包括主動聲納信號處理和被動聲納信號處理。其中，主動聲納信號處理又根據(jù)發(fā)射信號的不同，分為非相干處理、相干處理、功率譜處理。聲納綜合數(shù)據(jù)處理主要完成：目標自動檢測、目標參數(shù)測定和動目標跟蹤。

四、操作流水線

操作流水線是模塊內(nèi)數(shù)據(jù)計算與I/O的流水線，物理上表現(xiàn)為CpU與I/O端口的DMA之間的并行。在前端處理中由于數(shù)據(jù)率高，通信開銷很大。以通信任務(wù)最為繁重的復(fù)解調(diào)和多普勒補償模塊為例，輸入數(shù)據(jù)率為2Mw/s，輸出數(shù)據(jù)率為4Mw/s，高速連接口Linkport最高速率為100Mw/s，如果采用串行傳輸?shù)脑?，通信時間就將占用60%以上的處理時間，計算時間顯然嚴重不足。所以必須采用并行執(zhí)行，流程圖如圖3所示。這也是一種異步流水線方式，每次傳送和計算完成都須要設(shè)置標志以通知下一操作。

結(jié)束語

在VxWorks實時操作系統(tǒng)下，4片ADSp21160上的程序已經(jīng)通過模擬輸入和系統(tǒng)測試。采用SHARC DSp 陣列能夠很好地完成聲納信號實時處理,每一片DSp至少有10%的計算裕量，基本達到設(shè)計要求。

送到各片21160。6個連接口提供了另一種方法實現(xiàn)多處理器之間的通信。連接口的最高傳輸速率為600MB/s。

整個系統(tǒng)基于VME總線。VME總線系統(tǒng)作為最早的國際通用開放式總線，自1981年起，經(jīng)歷了近20年的發(fā)展。其影響不斷擴大，功能不斷完善，現(xiàn)已成為性能最好、應(yīng)用最廣的國際總線標準之一。

根據(jù)設(shè)計要求，采用了4片ADSp21160。片外共享內(nèi)存SRAM可以被主機和各片DSp直接訪問；EpROM用來存放初始化程序和各片DSp要運行的程序，在系統(tǒng)上電后這些程序被下載到各片DSp中；LEDs用來顯示插件的狀態(tài)，如reset、normal等。每一片都有1個連接口連到插件的前面板，這樣前端采集來的數(shù)據(jù)就可以很方便地傳輸?shù)蕉郉Sp上，而且也使數(shù)據(jù)的傳輸模式更加靈活。

連接口(linkport)是SHARC系列DSp芯片的一個特點。ADSp21160共有6個8bit連接口提供額外的I/O服務(wù)。在100MHz時鐘下運行時，每個連接口可達100MB/s。連接口尤其適合多處理器間點到點的連接。連接口可以獨立地同時操作，通過連接口的數(shù)據(jù)封裝成48/32bit字長后，可以從片內(nèi)存儲區(qū)直接被運算核讀取或DMA傳輸。每一個連接口有它自己的雙緩沖I/O寄存器，數(shù)據(jù)傳輸可編程，硬件由時鐘/應(yīng)答握手線控制。4片DSp使用連接口實現(xiàn)DSp間兩兩互連。

21160的主機接口可以很方便地與標準微處理器總線（16/32bit）相連，幾乎不需要額外硬件。主機通過21160的外端口對其進行訪問，存儲區(qū)地址映射為統(tǒng)一的地址空間。4個DMA通道可以用于主機接口，代碼和數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖_銷很小，主處理器通過Hbr、HBG和REDY信號線與21160進行通信，主機可以對片內(nèi)存儲區(qū)進行直接讀寫。

二、開發(fā)環(huán)境Tornado

VxWorks的開發(fā)環(huán)境是WindRiver公司提供的Tornado。Tornado采用主機-目標機開發(fā)方式，主機系統(tǒng)可采用運行Sun Solaris、Hp-UX以及Win95/NT的工作站或個人計算機，VxWorks則運行在Intel x86、MC68K、powerpC或SpARC等處理器上。Tornado支持各種主機-目標機連接方式，如以太網(wǎng)、串行線、在線仿真器和ROM仿真器。

Tornado的體系結(jié)構(gòu)使得許多強有力的開發(fā)工具可以用于各種目標機系統(tǒng)和各種主機-目標機連接方式下，而不受制于目標機的資源和通信機制。同時VxWorks具有良好的可剪裁性。因此它適用于各種嵌入式環(huán)境的開發(fā)，小到資源極其有限的個人手持式設(shè)備如pDA（personal Digital Assistant）；大到多處理機系統(tǒng)，如VME系統(tǒng)。

Tornado可提供一個直觀的、可視化的、用戶可擴充的開發(fā)環(huán)境，極大縮短了開發(fā)周期。同時，由于Tornado是一個完全的開放系統(tǒng)，使得集成第三方開發(fā)工具變得十分容易。

主機與目標機之間的通信是通過運行各自處理器上的代理進程來完成的，使主機上的開發(fā)工具和目標機的操作系統(tǒng)可以完全脫離相互連接的方式。

為了擺脫主機-目標機通信帶寬和目標機資源的限制，Tornado將傳統(tǒng)的目標機方的工具遷移到主機上，如shell、loader和符號表等。這樣，系統(tǒng)不再需要額外的時間和帶寬在主機和目標機之間交換信息，降低了對連接帶寬的需求，也避免了目標機的資源（如內(nèi)存）被工具或符號表大量占用，使得應(yīng)用程序擁有更多的系統(tǒng)資源。同時這種遷移也使得各種主機開發(fā)工具獨立于目標機存在，從而使同一主機平臺上的工具可以用于所有的目標機系統(tǒng)。

作為一個應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境，Tornado提供了友好的可視化開發(fā)界面、交叉編譯環(huán)境、源碼級調(diào)試工具、目標機命令解釋器和目標機狀態(tài)監(jiān)視器等多種應(yīng)用工具，為應(yīng)用軟件開發(fā)提供了一個高效而可靠的平臺。

三、程序設(shè)計

我們選用的DSp開發(fā)工具是AD公司提供的VisualDSp。這是一個集成開發(fā)環(huán)境，支持對SHARC系列DSp芯片的開發(fā)。實時操作系統(tǒng)VxWorks的開發(fā)工具是WindRiver公司的Tornado集成開發(fā)工具。VisualDSp可以C語言或匯編語言編

寫的DSp代碼，最新版本的VisualDSp還支持C++。它還有1個優(yōu)點，就是可以編譯多片DSp的源代碼，并產(chǎn)生下載文件，這就可以很方便地進行多DSp系統(tǒng)的軟件模擬。

ADSp21160陣列的設(shè)計結(jié)構(gòu)使它既可以構(gòu)成單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）的并行處理機，也可以構(gòu)成多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）或多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）的流水線處理機，視用戶的要求而定。這兩種并行方案的選擇，簡單來說就是選擇分割數(shù)據(jù)流還是分割處理工序。SIMD方案的原理如圖1所示。

以下介紹我們實驗室承擔(dān)的水聲信號處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)以VME總線為系統(tǒng)開發(fā)平臺，前端調(diào)理模件、模數(shù)轉(zhuǎn)換模件和前端控制模件等為VME插件，采用SHARC級DSp芯片陣列完成聲納信號實時處理，基于嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks及X窗口系統(tǒng)的中央控制和顯示。

圖2是4片DSp的任務(wù)分配圖。從前端采集來的信號，經(jīng)波束形成和復(fù)解調(diào)，再經(jīng)過窄帶濾波后的信號分為兩路，一路送去進行幅度檢波，一路做頻域處理。幅度檢波就是對復(fù)信號求模，根據(jù)信號幅度判決有無目標存在。頻域處理分兩種情況：當發(fā)射信號為單頻脈沖時，進行功率譜估計，然后根據(jù)多普勒頻移估計目標速度；當發(fā)射信號為雙曲調(diào)頻信號時，進行相關(guān)處理。

聲納綜合數(shù)據(jù)處理主要包括主動聲納信號處理和被動聲納信號處理。其中，主動聲納信號處理又根據(jù)發(fā)射信號的不同，分為非相干處理、相干處理、功率譜處理。聲納綜合數(shù)據(jù)處理主要完成：目標自動檢測、目標參數(shù)測定和動目標跟蹤。

四、操作流水線

操作流水線是模塊內(nèi)數(shù)據(jù)計算與I/O的流水線，物理上表現(xiàn)為CpU與I/O端口的DMA之間的并行。在前端處理中由于數(shù)據(jù)率高，通信開銷很大。以通信任務(wù)最為繁重的復(fù)解調(diào)和多普勒補償模塊為例，輸入數(shù)據(jù)率為2Mw/s，輸出數(shù)據(jù)率為4Mw/s，高速連接口Linkport最高速率為100Mw/s，如果采用串行傳輸?shù)脑?，通信時間就將占用60%以上的處理時間，計算時間顯然嚴重不足。所以必須采用并行執(zhí)行，流程圖如圖3所示。這也是一種異步流水線方式，每次傳送和計算完成都須要設(shè)置標志以通知下一操作。

結(jié)束語

在VxWorks實時操作系統(tǒng)下，4片ADSp21160上的程序已經(jīng)通過模擬輸入和系統(tǒng)測試。采用SHARC DSp 陣列能夠很好地完成聲納信號實時處理,每一片DSp至少有10%的計算裕量，基本達到設(shè)計要求。

第三篇：DSP系統(tǒng)設(shè)計PCB布線心得

DSP系統(tǒng)設(shè)計PCB心得

DSP外擴FPGA DSP芯片系統(tǒng)時常要根據(jù)設(shè)計要求或變動調(diào)整電路，這對于已經(jīng)設(shè)計好的電路板，無疑帶來了困難。而且在設(shè)計階段往往難以測試其性能，例如延時性、毛刺特點等。FPGA的優(yōu)點是時序整齊、延時一致，易于修改、集成度高、可靠性好。

利用FPGA完成對整個系統(tǒng)的時序控制和接口擴展任務(wù)，可以把DSP芯片進一步解放出來去集中完成數(shù)據(jù)處理工作，提高DSP芯片的使用效率。FPGA的具體工作是：完成整個系統(tǒng)的時序同步工作，使整個系統(tǒng)在統(tǒng)一的時序下順暢地進行工作；完成接口擴展，使整個系統(tǒng)可以根據(jù)需要進行程序、數(shù)據(jù)存儲器及其他外設(shè)接口的擴展，進一步擴展發(fā)揮DSP芯片的各種功能。

PCB設(shè)計布局

首先考慮DSP芯片與存儲器之間的位置布局，保證DSP芯片和存儲器之間的舉例盡可能近一些。這樣可以減少制版費用并避免走線過長導(dǎo)致信號線受到寄生電感的干擾而導(dǎo)致信號的質(zhì)量下降甚至完全失效。信號線上串聯(lián)的排阻要盡可能地離存儲器近些，因為其作用是在高頻信號的傳輸過程中實現(xiàn)平波作用，只有距離越近、效果才越好。

設(shè)計鎖相環(huán)電路和晶體振蕩器電路時，電路應(yīng)盡可能靠近DSP芯片的相應(yīng)引腳，同時必須在電路板的一側(cè)，并避免穿孔打眼出現(xiàn)。

將排阻和電容都安排在底層，并盡可能地靠近相關(guān)的芯片，使其發(fā)揮的作用達到最大。此外在作DSP芯片及其他的元件封裝時，應(yīng)該考慮芯片所占的外延空間，而不僅僅是作電路板時它本身封裝所占據(jù)的空間。即作元件的封裝時如果小于它的實際外部尺寸，作周圍的元件布局時應(yīng)該考慮它的外向延伸空間。這樣元件焊接、調(diào)試的時候比較方便、容易。

在布線的過程中，盡可能地保持信號線的長度近似相等，至少應(yīng)保證一組信號線中的各個線長度大致相等，這樣才會盡可能地保證信號傳送的同步，而不出現(xiàn)延時的現(xiàn)象。還應(yīng)注意走線盡可能往一個方向走，盡量避免出現(xiàn)經(jīng)常性的折返，這樣傳輸信號的質(zhì)量也會受到影響。

在電路板上適當多加一些0.1uF的高頻旁路電容使高頻電流實現(xiàn)電源層與接地層之間的就近消除，而避免集中到某一較遠的電容那里去消除。

將所有走線布置完事后應(yīng)該考慮測試點的選擇，應(yīng)該在需要測試的引腳引線附近安排引出接地點，這樣可以降低電位差，使測試的信號更加準確。測試點應(yīng)該就近接地。

在接地處理時，盡量將一切接地信號就近打過孔連到地層，有時甚至可以多打一些，這樣可以更好進行信號屏蔽、盡可能地消除一些不必要的干擾。

中間層的走線夾在電路板層的內(nèi)部，一旦出現(xiàn)問題無法進行調(diào)整，進行檢測也不方便。布線時，從信號檢測調(diào)試的角度考慮盡量避免走中間層。

當信號層之間有電源層或者接地層隔開時，電源層和接地層實際上起著信號屏蔽的作用，它可以把其他層的信號完全隔離開來，因而可以在信號層上隨意走線，不必考慮一些走線常常注意的規(guī)則，例如信號重疊及相互間干擾現(xiàn)象的出現(xiàn)。走線時應(yīng)注意電源走線寬度還有通道問題，按照1A對應(yīng)1mm的基本比例進行走線，并在此基礎(chǔ)上將走線進一步加寬。此外保證輸入、輸出通道盡量不發(fā)生轉(zhuǎn)折，各自最好是一條直線形式，避免傳輸過程中的電磁噪聲信號干擾。

PCB設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)

1、PCB布局設(shè)計原則

1)距板邊距離應(yīng)大于3~5mm。

2)先放置與結(jié)構(gòu)關(guān)系密切的元件，如接插件、開關(guān)、電源插座等。

3)優(yōu)先擺放電路功能塊的核心元件及體積較大的元器件，再以核心元件為中心擺放周圍電路元器件。

4)功率大的元件擺放在利于散熱的位置上，如采用風(fēng)扇散熱，放在空氣的主流通道上；若采用傳導(dǎo)散熱，應(yīng)放在靠近機箱導(dǎo)槽的位置。

5)質(zhì)量較大的元器件應(yīng)避免放在板的中心，應(yīng)靠近板在機箱中的固定邊放置。6)有高頻連線的元件盡可能靠近，以減少高頻信號的分布參數(shù)和電磁干擾。7)輸入、輸出元件盡量遠離。8)熱敏元件應(yīng)遠離發(fā)熱元件。

9)可調(diào)元件的布局應(yīng)便于調(diào)節(jié)。如跳線、可變電容、電位器等。10)考慮信號流向，合理安排布局，使信號流向盡可能保持一致。

11)布局應(yīng)均勻、整齊、緊湊。

12)表貼元件布局時應(yīng)注意焊盤方向盡量取一致，以利于裝焊，減少橋連的可能。13)去耦電容應(yīng)在電源輸入端就近放置。

14)數(shù)字電路與模擬電路應(yīng)盡量分開，最好是用地隔開。15)在多層板的設(shè)計中，應(yīng)盡量使用地層和電源層將信號層隔開，不能隔開的相鄰信號的走線應(yīng)采用正交方向。

16)對于雙面都有元件的PCB，較大較密的IC，如QFP、BGA等封裝的元件放在板子的頂層，插件元件也只能放在頂層，插裝元件的另一面（底層）只能放置較小的元件和引腳數(shù)較少且排列松散的貼片元件。

2、PCB設(shè)計的布線原則

1)走線應(yīng)避免銳角、直角。采用45°走線。2)相鄰層信號線為正交方向。3)高頻信號盡可能短。

4)輸入、輸出信號盡量避免相鄰平行走線，最好在線間加地線，以防反饋耦合。5)雙面板電源線、地線的走向最好與數(shù)據(jù)流向一致，以增強抗噪聲能力。

6)數(shù)字地、模擬地要分開，對低頻電路，地盡量采用單點并聯(lián)接地；高頻電路宜采用多點串聯(lián)接地。對于數(shù)字電路，地線應(yīng)閉合成環(huán)路，以提高抗噪聲能力。7)對于時鐘線和高頻信號線要根據(jù)其特性阻抗要求考慮線寬，做到阻抗匹配。

8)整塊線路板布線、打孔要均勻，避免出現(xiàn)明顯的疏密不均的情況。當印制板的外層信號有大片空白區(qū)域時，應(yīng)加輔助線使板面金屬線分布基本平衡。9)電源和地的布線。盡量給出單獨的電源層和地層；即使要在表層拉線，電源線和地線也要盡量地短，且要足夠的粗。對于多層板，一般都有電源層和地層。需要注意的只是模擬部分和數(shù)字部分的地和電源即使電壓相同也要分割開來。對于單雙層板電源線應(yīng)盡量粗而短。電源線和地線的寬度要求可以根據(jù)1mm的線寬最大對應(yīng)1A的電流來計算，電源和地構(gòu)成的環(huán)路盡量小。

為了防止電源線較長時，電源線上的耦合雜波直接進入負載器件，應(yīng)在進入每個器件之前，先對電源去耦。為了防止它們彼此間的相互干擾，對每個負載的電源應(yīng)獨立去耦，并做到先濾波再進入負載。

10)時鐘的布線。時鐘線作為EMC影響最大的因素之一。在時鐘線應(yīng)少打過孔，盡量避免和其他信號線并行走線，且應(yīng)遠離一般信號線，避免對信號線的干擾。同時應(yīng)避開板上的電源部分，以防止電源和時鐘的相互干擾。當一塊電路板上用到多個不同頻率的時鐘時，兩根不同頻率的時鐘線不可并行走線。時鐘線還應(yīng)盡量避免靠近輸出接口，防止高頻時耦合到輸出的cable線上并沿線發(fā)射出去。

如果板上有專門的時鐘發(fā)生芯片，其下方不可走線，應(yīng)在其下方進行鋪銅，必要時還可以對其專門割地。對于很多芯片都有參考的晶體振蕩器，在這些晶振的下方也不應(yīng)走線，要鋪銅進行隔離，同時可將晶振的外殼接地。

3、測試點的選擇、添加

1)測試點均勻分布于整個PBA(Printed Board Assembly, 裝配電路板)板上。

2)器件的引出引腳，測試焊盤，連接器的引出腳及過孔均可作為測試點，但是過孔是最不良的測試點。

3)貼片元件最好采用測試焊盤作為測試點。4)布線時每一條網(wǎng)絡(luò)線都要加上測試點，測試點離器件盡量遠，兩個測試點的間距不能太近，中心間距應(yīng)有2.54mm；如果在一條網(wǎng)絡(luò)線上已經(jīng)有焊盤或過孔時，則可以不用另加測試焊盤。

5)不可選用底層上的貼片元件的焊盤作為測試點使用。

6)對電源和地應(yīng)各留10個以上的測試點，且均勻分布于整個板上，用以減少測試時反向驅(qū)動電流對整個電位的影響，要確保整個板上等電位。測試點可以是通孔焊盤、表面焊盤、過孔，但過孔必須有可以接觸的銅。當使用表面焊盤作為測試點時，應(yīng)當將測試點盡量放在焊盤面。

第四篇：基于TMS320F2812 DSP的太陽能獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計概要

基于TMS320F2812 DSP的太陽能獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)

設(shè)計

世界能源的短缺以及環(huán)境污染已成為當今日益嚴重的問題,改變能源結(jié)構(gòu),尋找可再生綠色能源愈來愈受到重視。太陽能具有取之不盡、用之不竭、清潔安全等特點,并且太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究對于緩解能源危機、減少環(huán)境污染、減小溫室效應(yīng)具有重要的意義。針對目前光伏電池轉(zhuǎn)換效率比較低的問題,為了充分有效利用太陽能,對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行最大功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)顯得尤為必要。本文在分析綜述了國內(nèi)外光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和光伏發(fā)電原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計了基于TI公司TMS320F2812 DSP的光伏獨立發(fā)電系統(tǒng)。本文所做的主要工作如下:(1)綜述了國內(nèi)外光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及太陽能電池的基本發(fā)電原理,結(jié)合太陽能電池的輸出特性及其影響因素,分析了最大功率跟蹤的必要性,提出了可行的最大功率點跟蹤控制方法。(2)在對目前廣泛應(yīng)用的DC-DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點分析總結(jié)的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種基于Boost控制電路的光伏獨立發(fā)電系統(tǒng)。(3)分析了鉛酸蓄電池充放電過程中的電化學(xué)反應(yīng)機理,設(shè)計了滿足系統(tǒng)要求的蓄電池充電主電路。該電路能有效控制蓄電池的充、放電,避免蓄電池在應(yīng)用中出現(xiàn)的過充、過放現(xiàn)象,最大程度地利用光伏電池所發(fā)出的電能。(4)設(shè)計了以數(shù)字信號控制器DSP TMS320F2812為核心的光伏獨立發(fā)電系統(tǒng),并設(shè)計了輔助電源電路、保護電路、人機交互電路等組成部分。(5)擴展了CAN總線接口,為光伏發(fā)電系統(tǒng)組網(wǎng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ);引入了GSM技術(shù),利用SMS(Short Message Service)技術(shù)遠距離傳輸數(shù)據(jù),實現(xiàn)了遠距離系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控。同主題文章 [1].潘玉良,施滸立.光伏發(fā)電系統(tǒng)最大輸出效率探索' [J].電子工程師.2001.(09)

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第五篇：基于視頻和DSP的高速公路識別和測速系統(tǒng)

基于視頻的高速公路測速系統(tǒng)

董桂菊，徐杰

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱150030）

摘要：文章介紹了基于視頻的車輛測速管理系統(tǒng)，并提出了一種車輛的測速方法。車輛測速管理是智能交通系統(tǒng)（ITS）中的一個重要組成部分，它集牌照識別、測速檢測、流量監(jiān)控、費用收取等多項功能于一體，主要用于對高速公路超速違章車輛的監(jiān)控。在車輛的測速原理中，指出從相鄰視頻幀圖像中獲取車輛的“像速度”，并間接獲取車輛實際速度的方法。從而為高速公路測速管理系統(tǒng)的關(guān)鍵點提出了一種切實可行的解決辦法。

關(guān)鍵詞：高速公路；視頻；測速管理系統(tǒng)；測速

中圖分類號：文獻標識碼：A文章編號：

0引言

國家發(fā)展離不開道路建設(shè)，伴隨著高速公路的大規(guī)模建設(shè)，車輛的超速現(xiàn)象也頻繁發(fā)生。為了查處治理違規(guī)車輛，車輛的測速成為交管部門越來越重視的問題。而基于高速公路的智能管理，機動車輛的測速管理也是其中一個重要的組成【1】。車輛測速技術(shù)簡述

目前，智能交通系統(tǒng)中對車輛進行測速主要有線圈測速、激光測速、雷達測速、視頻測速等幾種方式。線圈測速一般采用埋設(shè)式，車輛通過線圈，會引起線圈磁場的變化，輸出觸發(fā)信號，因此可以在公路路面一定距離設(shè)置兩個線圈，檢測器通過檢測車輛通過兩個線圈的時間差計算出車輛的速度，但線圈在安裝時必須直接埋入車道，使路面受損，并且在安裝過程中會阻礙交通，線圈在地下也易受到冰凍、路基下沉等外界因素影響。當車流量過大時，檢測精度也會大大降低。激光測速的工作原理建立在光波測距的基礎(chǔ)上，利用多次測得的距離差與時間差的比，測得車輛的速度，與地感線圈有著類似的計算方式。

雷達測速的工作原理是利用多普勒效應(yīng)，當發(fā)射方與接收方之間有相對徑向運動時，接收到的信號頻率就會放生變化，利用這種頻移的特點計算車輛的行駛速度。但雷達測速系統(tǒng)和激光測速系統(tǒng)對于測量角度都有很高的要求，測速系統(tǒng)需正對車輛運動方向，測量偏差角要很小，有一定局限性。不帶車牌識別的雷達測速系統(tǒng)對違章車輛處罰時由于缺少證據(jù)，所以不太實用。人們?yōu)榻鉀Q這個問題，利用高速存儲的數(shù)碼相機采集車輛視頻圖像，對車牌進行識別，但此系統(tǒng)價格昂貴。此系統(tǒng)測速準確、速度快，可移動測速等方面優(yōu)點，得到普遍應(yīng)用，但成本較高，不能用于多車測速，抗電子干擾能力較弱。

視頻測速系統(tǒng)原理是利用圖像中車輛的二維位置以及預(yù)先測定的一系列參數(shù)從而確定車輛的實際三維位置，在一個固定時間間隔內(nèi)拍攝兩幅圖像，就可以根據(jù)兩幅圖像得來的車輛的實際三維位置確定這個時間段內(nèi)的位移，從而得出車輛的行駛速度。在此測速方法中，主要需解決的問題是從圖像序列中獲取車輛的位移，即找到兩幀圖像中車輛位置的匹配關(guān)系。其優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性強、成本低，抗電子干擾，可用于移動和固定場合，不僅能夠測速，而且能夠利用視頻對車輛進行監(jiān)控。缺點是測速精度低，并且需預(yù)先對測速系統(tǒng)中參數(shù)（如攝像機到被測測量間的距離）進行測量。

由于視頻處理的獨特優(yōu)勢，在交通智能管理系統(tǒng)中已被廣泛使用，并成為現(xiàn)代智能交通的發(fā)展方向和趨勢。本文通過對圖像序列中車尾位置識別，進行圖像匹配，獲得車輛在圖像中移動的像素差，把相機坐標轉(zhuǎn)換為世界坐標，能夠在實時環(huán)境下對車輛進行測速。

2視頻測速管理系統(tǒng)介紹

為了滿足現(xiàn)代化高速公路管理的需要，實現(xiàn)系統(tǒng)低成本、易操作、便管理的要求、我們將視頻測速管理系統(tǒng)劃分為視頻測速系統(tǒng)和收費系統(tǒng)兩個方面。

2.1視頻測速系統(tǒng)

視頻測速系統(tǒng)主要有監(jiān)控單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、中心管理單元三部分組成。前段監(jiān)控單元

包括閃關(guān)燈、攝像機以及前段管理工控機等設(shè)備，負責(zé)采集車輛信息；數(shù)據(jù)傳輸單元主要包括CDMA傳輸模塊，負責(zé)前段監(jiān)控單元到中心管理單元的信息傳輸；中心管理單元主要包括系統(tǒng)的管理軟件及其存儲設(shè)備，負責(zé)對傳回的數(shù)據(jù)進行處理并將其存入數(shù)據(jù)庫，從而實現(xiàn)了對海量信息的存儲和管理，便于以后車輛信息的匯總與調(diào)取。

測速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當車輛駛?cè)氡O(jiān)控區(qū)域，前端監(jiān)控單元采集車輛通過的時間、速度等信息，并存入本機數(shù)據(jù)庫中，當檢測到車輛超速時，將啟動抓拍模塊，對違法車輛進行拍攝，并將違章車輛違章時間、違 章地點、車牌號碼和車牌圖像存入工業(yè)控制計算機的本機數(shù)據(jù)庫中。

測速流程圖

前端監(jiān)控單元獲取的車輛行駛記錄以及違法車輛的圖片通過CDMA無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給中心服務(wù)器進行保存。CDMA無線網(wǎng)絡(luò)單元作為該系統(tǒng)的自動傳輸單元，當網(wǎng)絡(luò)堵塞或出現(xiàn)故障時，自動傳輸單元循環(huán)等待網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)，當網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后，自動傳輸單元自動啟動數(shù)據(jù)傳輸。

中心服務(wù)器負責(zé)處理前端傳回的車輛記錄和圖片信息。服務(wù)器中的車牌識別模塊首先識別違 法車輛圖片中的車牌，然后由圖片處理模塊采用特定技術(shù)附加車輛相應(yīng)時間、相應(yīng)地點、車輛行駛速度，并將該車輛違章信息發(fā)送給終端服務(wù)器，作為以后交警執(zhí)法的依據(jù)。

測速系統(tǒng)的測速流程如圖所示。2.2測速原理

圖1視頻中截取的兩幀圖像

（a）t0時刻

（b）t1時刻

監(jiān)控攝像機

t0

t

1測速原理圖

本系統(tǒng)使用視頻檢測車輛車速，依據(jù)以下公式：v??d/?t

?(d1?d0)/(t1?t0)（1）

在此系統(tǒng)中，通過視頻信號的固定幀間時間可直接得到?t，再通過其他方法間接的得到

?d，此時，我們采用公式：

v??d/?t

?(d1?d0)/(t1?t0)

f(s0))/(t1?t0)（2）

?(f(s1)?

f(s)是一個表示路程的函數(shù)，s值表示位置，假設(shè)知道函數(shù)f(s)的表達式，則通過f(s)，有s1、s0計算得到d1、d0的值，相減即可得到?d，實際測量中可得到t`1和t0的值，從而可有（2）式計算出v值。

圖1是從監(jiān)控視頻信號中連續(xù)截取的兩幀圖像。由圖像可知，攝像機的拍攝是由遠及近拍攝，車輛與攝像機為正對方向。

可以找到車輛在兩幀圖像中的對應(yīng)點，由于攝像機是固定不動的，這樣就具有了對比性，對應(yīng)點分別對應(yīng)到圖像中s1（t1時刻幀圖像）和s0（t0時刻幀圖像）位置，相減即可得到對應(yīng)點?t(t1?t0)時刻在圖像中移動的像素距離?s(s1?s0)，從而得到車輛在圖像中的移動速度，單位為“像素/秒”。

然而，我們要獲得的是車輛的行駛速度，速度單位應(yīng)該是“公里/小時”，因此，我們必須找到?s與實際距離?d的關(guān)系。

考慮到攝像機安裝的安全性和效果較好的視覺俯仰角，?一般不小于60，我們選取60，此時的視距c和檢測點距攝像機的距離d一般比較大，當?t很小時，?d相對于d非常小，因此可以忽略圖中?的變化量??。

假設(shè)視頻信號中截取的圖像高寬分別為1920像素和1080像素，車輛監(jiān)控視頻視野寬剛好為一個車道寬為3.5米，如圖所示：

車牌在兩幀圖像中移動的位圖

設(shè)視野范圍內(nèi)可以看到xm路面長度，也就是圖像高度所對應(yīng)的路面長度為xm，此時有，19201080

? 35xcos?

?s1080

? ?dx

x1080?3.51??s?因此，?d??s? 10801920cos?1080

此時，?t為獲取的兩幀圖像時間差，?s為車輛在兩幅圖像的像素距離，而由公式（1），即可得出車輛的移動速度v。

而此刻我們不考慮視覺透視效果，則有，3.總結(jié)

文章的最終目的是對高速公路車輛速度的監(jiān)控及其測量，設(shè)計了高速公路車速監(jiān)控系統(tǒng)，并提出了一種車速的測量方法，通過與圖像識別技術(shù)相結(jié)合，進行模擬實驗。實驗結(jié)果表明，此測速方法已初步實現(xiàn)了視頻測速的基本要求。

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Dong Guiju，Xu Jie

（College of Engineering, Northeast Agricultural University, Haerbin 150030, China）

Abstract:This article describes a highway vehicle speed measurement system based on video, and

proposed a method for vehicle speed.Vehicle speed management plays an important role in Intelligent Transportation System(ITS), It contains license plate recognition、speed detection、traffic monitoring、fees charged and so on many functions in one body,Mainly used for vehicle

monitoring highway speeding violation.In the principle of vehicle speed measured,pointed out a method that obtain the vehicle’s “pixel speed” from the adjacent frame images,and indirect get the actual speed of the vehicle.Thus presents a practical solution to the critical point of the highway speed management system.Key words:highway;video;speed management system;speed