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嵌入式机器视觉系统中ARM与DSP的数据通信方法

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DSP对数字信号和数值算法具有强大的运算处理能力,因而在信号采集与处理中被广泛应用,但其在任务管理、实时控制、人机交互等方面不占优势。而ARM微控制器则控制功能强大,可以加载嵌入式操作系统,且能够提供良好的人机交互、任务管理、网络通信等方面功能。因此,发挥DSP和ARM处理器各自的优势,采用ARM+DSP结构的设计方案已成为嵌入式系统的研究热点,倍受关注。通过嵌入式机器视觉系统的设计实例,阐述ARM与DSP有机结合的设计思想,重点研究ARM与DSP之间的数据通信。

1 嵌入式机器视觉系统总体方案

采用ARM+DSP结构的机器视觉系统总体结构如图l所示。以三星公司高性能ARM处理器S3C2440作为主控制器,配置并移植Linux操作系统,同时以TI公司的DSP芯片TMS320C5402为图像处理的协处理器,通过对DSP芯片自带的HPI接口的硬件连接方案和驱动程序设计,将二者有机地结合起来,各自发挥其独特优势,协调配合,完成目标采集、处理与视觉跟踪。

首先由智能摄像机采集现场运动目标的图像,由ARM控制将数据存放在ARM与DSP的公共存储区域中,并通知信号处理模块DSP调用各种算法(帧间差分、图像分割、特征提取、形心计算等)对视频图像进行处理,完成目标的识别与定位,并将结果信息传给ARM处理器,由ARM控制步进电机,调整PTZ摄像机位姿(水平转动P-Pan、垂直转动T-Tilt、景深伸缩Z-Zoom),使其对准运动目标,实现实时跟踪。此外,ARM处理器还负责多任务管理、人机交互及中断报警等。

作为双核系统,双核各自拥有很好的性能,于是主机ARM与协处理器DSP之间能否进行快速可靠的数据交换,直接决定机器视觉系统的运行效率。在硬件设计方面,采用主机并行接口HPI实现主机ARM与协处理器DSP之间的硬件直连,设计简单方便,时钟频率可达到DSP时钟频率的1/5,能够支持DSP与主机之间的高速数据传输。在软件设计方面,则移植嵌入式Linux操作系统,将HPI看作字符设备完成了驱动程序的设计。

2 双机通信硬件设计

2.1 HPI接口简介

主机接口(HPI)是TI公司C54x系列定点信号处理器(DSP)内部自带的接口部件,通过它可以方便地实现DSP与其他主机连接。C54x中的主机接口主要有3种类型:标准8位主机接口HPI-8,增强8位主机接口HPI-8,增强16位主机接口HPI-16。增强型的HPI可以允许主机访问DSP所有的片上RAM单元,而标准主机接口只允许访问固定的2 K片上RAM。本文中用到的TMS320C5402拥有增强HPI-16主机接口。它由以下5部分组成:

1)HPI存储器(DARAM) 传送主机与DSP之间的数据,在一个机器周期内能被访问2次,可以用作通用的双导址数据RAM或者程序RAM。

2)HPI地址寄存器(HPIA) 只有主机能对其进行直接访问。该寄存器中存放着当前寻址的HPI存储单元的地址。

3)HPI控制寄存器(HPIC) 地址002CH,主机和DSP都能对他直接访问,用来保存HPI操作的控制和状态位。

4)HPI数据锁存器(HPID) 只有主机能对它进行直接访问。如果当前进行的是读操作,则HPID中存放的是要从HPI存储器中读出的数据;如果当前进行写操作,则HPID中存放的是将要写到HPI存储器的数据。

5)HPI控制逻辑 处理HPI与主机之间的接口信号。

接口电路中使用的引脚及其作用是:HD[15:O]:并行、双向、三态的数据总线,不传递数据时为高阻态;HHWIL:半字定义选择引脚,用来表示第一或者第二半字。当低电平时表示第一半字;当高电平时表示第二半字。:读/写输入信号。高电平表示主机要读HPI,低电平表示写HPI。若主机没有读/写选通,则可以用一根地址线代替。HCNTL0和HCNTLl控制引脚表示访问那个内部HPI寄存器和访问寄存器的类型。表l是具体功能说明。:输入主要作为HPI的使能信号,而信号控制HPI数据传递;它们三者生成内部选通信号。就绪信号引脚,高电平表示HPI已经准备好执行1次数据传送;低电平表示HPI正忙。HINT:主机外部中断信号,用于HPI向主机发出中断。地址选通信号,仅用于复用方式。对于地址/数据总线分开的主机,必须把信号连接到高电平。

2.2 接口电路及其工作原理

S3C2440与TMS320C5402通过HPI连接的接口电路如图2所示,二者连接简洁方便,不必使用任何的附加电路。工作时,ARM首先初始化控制寄存器HPIC和地址寄存器HPIA,然后对HPID进行读写。初始化HPIC、HPIA时,通过A2、A3、A4、A5对应的地址进行操作,设置寄存器访问控制HCNTL0、HCNTL1、读写控制和半字访问HHWIL,配置好HPIC,并在HPIA中写入HPI存储器的起始地址。因为ARM主机具有独立的地址总线和数据总线,采用非复用方式,所以将HAS信号接高电平(VCC)。S3C2440的nWAIT信号与HPI的信号逻辑上反向,之间用反相器连接。 S3C2440通过片选信号nGCS2、读使能信号nOE、写使能信号nWE三者生成内部选通信号,控制对HPI的读写。

3 软件设计

3.1 Linux驱动程序

Linux操作系统引入设备文件的概念,即把每一个设备都看作一个文件,像对待文件一样对设备进行操作。在Linux操作系统下,设备文件主要有3种类型:字符设备、块设备、网络设备,各自对应一种类型的设备驱动程序。本文设计的HPI接口的驱动程序属于字符设备驱动程序。

Linux下的驱动程序是为相应的设备编写多个基本函数,填充file_operations结构体。其中定义了实现各种操作函数。如下所示:

其中,open和release完成设备的打开和关闭。mmap为内存地址映射操作。驱动程序的设计是通过实现个中操作函数的基本功能,为相应的设备在应用层提供统一的接口。

作者:毛晓波 刘国栋 陈铁军 黄云峰 来源:电子设计工程

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