基于DM642的桥梁缆索表面缺陷图像采集及传输系统设
1 系统总体硬件设计及工作原理
德州仪器公司(TI)推出的TMS320DM642(简称DM642)是专门用于数字媒体应用的TMS320C6000家族中性能最高的定点DSP（最高工作频率可达720 MHz，处理能力可达5 760 MIPS），具有极强的单核处理能力以及高度的灵活性和可编程性。该芯片除了极强的处理能力外，还具有两级高速缓存L1 Cache和L2 Cache；64 bit的EDMA控制器，负责片内L2Cache与其他外设之间的数据传输； 64 bit EMIF(外部存储器接口)可以方便地与SDRAM、FLASH和UART实现无缝连接；3个视频专用端口(VP0、VP1、VP2)，可分别配置为2路，最多可实现6路视频采集；支持PCI、HPI、IIC和EMAC（以太网），通信便利。其视频的编解码均支持NTSC/PAL制式，适用于音视频数据的采集和传输、图像处理、机器视觉、多媒体通信应用等高速运算领域[1，2]。
基于DM642的桥梁缆索表面缺陷检测系统主要由以下几大模块组成：图像采集模块、数据及程序存储模块、图像处理模块、图像传输模块、系统控制模块以及接收模块等。其主要硬件组成为：3路CCD摄像头、3个图像采集的A/D转换芯片SAA7113、高速图像采集及处理的DSP芯片DM642、图像数据存储器SDRAM、程序存储器FLASH、系统控制模块CPLD芯片EPM3128A、网络化传输芯片LXT971A、地面接收机（PC）以及其他功能模块等。其硬件框图如图1所示。
系统工作原理为：3路模拟视频经图像传感器（CCD）输入，经过3路A/D转换芯片SAA7113转换为数字信号，经过核心芯片DM642的视频输入口(VP0、VP2)进入DM642的FIFO(先入先出缓存器)，再传输到DM642片外的同步动态存储器中；通过DM642的压缩编码经以太网口(EMAC)以及物理层收发芯片LXT971A传输到地面服务器(PC)。PC机接收到图像数据后，便进行图像的解码，并在屏幕上显示，通过图像处理算法实现缺陷检测。
本系统选用ALTERA公司MAX3000S系列中的CPLD芯片EPM3128A进行控制。CPLD与DM642、SAA7113、LXT971A、SDRAM、FLASH之间均使用通用可编程的I/O口相连，进行图像采集控制、图像数据的重抽样、地址译码、图像传输控制等，以满足本系统时序复杂、逻辑控制精确、可靠采集和传输等要求。
1.1 图像采集模块
由于缆索表面近似为圆柱形，系统中沿缆索机器人均匀布置3个CCD(每个CCD之间的夹角为120°)采集同一时刻缆索表面一周的图像。而DM642配置有3个专用的视频端口，每个端口可分别配置为2个通道，最多可实现6路视频的采集，故能满足本系统的要求。
为了同时支持3路视频信号的采集，本系统中DM642的视频口0（VP0）分成A、B 2个通道，分别作为2个8 bit的视频输入接口；视频口2（VP2）选用A通道作为8 bit的视频输入口，这样便实现了3路视频信号的采集。
系统的图像采集模块主要由：3路视频输入、3路视频A/D转换芯片SAA7113、视频端口的FIFO、I2C总线、同步动态存储器组成。
经摄像头(CCD)输出3路复合视频信号(CVBS)，采用SAA7113专用视频解码芯片完成视频信号解码和转换功能[3，4]。在数字化过程中，由DM642的I2C总线进行控制，其输出格式可由I2C初始化其寄存器来设置。由于DM642的视频输入口只能接收标准的BT656-YUV4:2:2（8 bit）信号,故在I2C初始化时设置SAA7113的数字化输出格式为BT656的格式，可通过写IIC的寄存器来实现。进入视频端口的数据通过CPLD进行数据格式的转换(Y:U:V 4:2:2转换为4：2：0)，当内部FIFO缓存器满时，产生中断，DM642通知EDMA（增强直接存储器存取）控制器通过EDMA方式将图像数据存储到SDRAM(同步动态存储器)中。
由于DM642的视频口VP0分成2个8 bit的通道A、B，所以SAA7113和DM642的连接方式只能采用最简连线的BT656的方式，即不需要水平、垂直、场同步信号线。图2所示为VP0端口的一路视频输入电路图，其他2路与该路基本相同。
其中：输入视频经过J5接口的信号线3、上拉电阻(18 Ω)以及电容(47 nF)，与SAA7113的模拟输入端AI22直接相连；VP0[0-7]为SAA7113的数据输出管脚,与DM642视频口0中的VP0D[2-9]管脚相连；时钟同步信号LLC与DM642视频口0的VP0CLK0相连；SCL和SDA作为I2C接口的时钟线和数据线，分别与DM642的I2C总线接口的时钟和数据线SCL0、SDA0相连；TRST作为复位信号与DM642的复位信号RESET相连；XTAL与XTAL1的管脚间接24.576 MHz的晶振，在VDDA1管脚上提供+3.3 V的电压供电，供芯片正常工作。
1.2 图像存储模块
(1)SDRAM
DM642芯片内部只集成了256 KB的RAM，因此需要在外部存储器接口(EMIF)上扩展存储空间。DM642的EMIF为64 bit的数据总线接口，工作的最高频率为133 MHz，分为4个存储空间(CE0-CE3)，每个有256 MB的寻址空间。它在CE0空间提供了64 bit的SDRAM接口总线(无缝连接)，分配给外扩的SDRAM使用[5-6]。本系统采用了2片32 bit的HY57V283220T-7 SDRAM芯片(为了符合64 bit的接口，必须采用2片32 bit的SDRAM)，在片外扩展32 MB的动态存储空间。
SDRAM在CE0空间的具体定位为：0X80000000-0X81FFFFFF。输入模拟视频经数字化后进入视频端口的BT656(Y:U:V 4：2：2)数据流，以便于图像的压缩编码。在CPLD控制下实现图像数据的重抽样，之后通过EDMA的方式存储到SDRAM中。
(2)FLASH
本系统采用4 M×8 bit的AM29LV320D映射到CE1的低地址空间,用来存储程序，实现系统的自启动。它在CE1空间的具体定位为：0X90000000-0X9007FFFF。DM642的CE1空间被配置成8 bit，以适应自启动要求。4 MB的存储空间需要22根地址线来寻址,而DM642的EMIF口可用地址线只有20条。其中FLASH的最高2根地址线由DM642的GPIO中的GPIO1、GPIO2来模拟地址线，从而实现FLASH的页选。系统BOOT LOADING时，先从第一页拷贝1 K的启动代码到DM642，完成芯片初始化，控制GPIO1、GPIO2口线的组合，完成余下代码的导入。
1.3 图像传输模块
在所设计的系统中，3路CCD采集的缆索1周的图像，经数字化后同时送入DM642的视频端口，并且随着缆索爬升装置的爬升，不断重复采集。采集的图像数据量很大，持续时间较长。如果DM642通过图像处理算法，实时检测图像的缺陷，便要运行大量的算法程序，这就给DM642造成了很大的负担，因此本系统DM642只是对采集的图像数据进行压缩编码，并实时传输到地面的服务器（PC），具体图像识别算法在PC机上进行，这就大大减轻了DM642的负担，提高了DM642实时采集、传输的效率。
鉴于高速、大量图像数据的采集，系统采用DM642的网络接口实现传输。该系统中图像分辨率为720×576，帧频为25帧/s，采用H.263压缩编码算法，压缩比可达100：1，即数据流可压缩为：3×720×576×8×25÷100=2 488 340 b/s，约为2 500 kb/s。考虑到以太网传输，数据传输包头、包尾等附加数据，系统最大数据流为3 000 kb/s=3 Mb/s，而选用的网络接口芯片的传输速度为10 Mb/s，故可以实现图像数据的实时处理与传输。
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