基于DM642的橋梁纜索表面缺陷圖像采集及傳輸系統(tǒng)設計

周憶，王生治，張軍偉時間:2010年04月08日

字體:大中小

關鍵詞:<"cblue""/search/?q=圖像采集"target='_blank'>圖像采集<"cblue""/search/?q=信號處理器"target='_blank'>信號處理器<"cblue""/search/?q=CPLD"target='_blank'>CPLD<"cblue""/search/?q=SAA7113H"target='_blank'>SAA7113H<"cblue""/search/?q=LXT971A"target='_blank'>LXT971A<"cblue""/search/?q=TMS320DM642"target='_blank'>TMS320DM642<"cblue""/search/?q=TI"target='_blank'>TI<"cblue""/search/?q=Altera"target='_blank'>Altera

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摘

要：針對目前國內橋梁纜索表面缺陷檢測的不足，提出一種基于DM642的纜索表面缺陷<"cblue""/search/?q=ti"title="ti">title="<"cblue""/search/?q=圖像采集"title="圖像采集">圖像采集">圖像采集及傳輸系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的硬件平臺以及軟件設計。系統(tǒng)的硬件平臺主要由3路視頻解碼芯片SAA7113、可編程邏輯器件（<"cblue""/search/?q=CPLD"title="CPLD">CPLD）、物理層收發(fā)器<"cblue""/search/?q=LXT971A"title="LXT971A">LXT971A以及<"cblue""/search/?q=信號處理器"title="信號處理器">信號處理器DM642等組成；軟件設計主要介紹了系統(tǒng)功能實現(xiàn)流程、圖像壓縮算法設計等。

關鍵詞：纜索表面；缺陷檢測；圖像采集；信號處理器；可編程邏輯器件

作為斜拉橋主要受力構件的橋梁纜索，由于其長期暴露在大氣之中，表面會受到嚴重的破壞。因此對橋梁纜索表面缺陷進行檢測至關重要。目前國內的人工檢測方法費時費力、安全隱患大，因此，迫切需要研制一種智能型橋梁纜索表面缺陷檢測系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體硬件設計及工作原理

德州儀器公司(TI)推出的<"cblue""/search/?q=TMS320DM642"title="TMS320DM642">TMS320DM642(簡稱DM642)是專門用于數(shù)字媒體應用的TMS320C6000家族中性能最高的定點DSP（最高工作頻率可達720MHz，處理能力可達5760MIPS），具有極強的單核處理能力以及高度的靈活性和可編程性。該芯片除了極強的處理能力外，還具有兩級高速緩存L1Cache和L2Cache；64bit的EDMA控制器，負責片內L2Cache與其他外設之間的數(shù)據(jù)傳輸；64bitEMIF(外部存儲器接口)可以方便地與SDRAM、FLASH和UART實現(xiàn)無縫連接；3個視頻專用端口(VP0、VP1、VP2)，可分別配置為2路，最多可實現(xiàn)6路視頻采集；支持PCI、HPI、IIC和EMAC（以太網(wǎng)），通信便利。其視頻的編解碼均支持NTSC/PAL制式，適用于音視頻數(shù)據(jù)的采集和傳輸、圖像處理、機器視覺、多媒體通信應用等高速運算領域[1，2]。

基于DM642的橋梁纜索表面缺陷檢測系統(tǒng)主要由以下幾大模塊組成：圖像采集模塊、數(shù)據(jù)及程序存儲模塊、圖像處理模塊、圖像傳輸模塊、系統(tǒng)控制模塊以及接收模塊等。其主要硬件組成為：3路CCD攝像頭、3個圖像采集的A/D轉換芯片SAA7113、高速圖像采集及處理的DSP芯片DM642、圖像數(shù)據(jù)存儲器SDRAM、程序存儲器FLASH、系統(tǒng)控制模塊CPLD芯片EPM3128A、網(wǎng)絡化傳輸芯片LXT971A、地面接收機（PC）以及其他功能模塊等。其硬件框圖如圖1所示。

系統(tǒng)工作原理為：3路模擬視頻經(jīng)圖像傳感器（CCD）輸入，經(jīng)過3路A/D轉換芯片SAA7113轉換為數(shù)字信號，經(jīng)過核心芯片DM642的視頻輸入口(VP0、VP2)進入DM642的FIFO(先入先出緩存器)，再傳輸?shù)紻M642片外的同步動態(tài)存儲器中；通過DM642的壓縮編碼經(jīng)以太網(wǎng)口(EMAC)以及物理層收發(fā)芯片LXT971A傳輸?shù)降孛娣掌?PC)。PC機接收到圖像數(shù)據(jù)后，便進行圖像的解碼，并在屏幕上顯示，通過圖像處理算法實現(xiàn)缺陷檢測。

本系統(tǒng)選用<"cblue""/search/?q=ALTERA"title="ALTERA">ALTERA公司MAX3000S系列中的CPLD芯片EPM3128A進行控制。CPLD與DM642、SAA7113、LXT971A、SDRAM、FLASH之間均使用通用可編程的I/O口相連，進行圖像采集控制、圖像數(shù)據(jù)的重抽樣、地址譯碼、圖像傳輸控制等，以滿足本系統(tǒng)時序復雜、邏輯控制精確、可靠采集和傳輸?shù)纫蟆?/p>

1.1圖像采集模塊

由于纜索表面近似為圓柱形，系統(tǒng)中沿纜索機器人均勻布置3個CCD(每個CCD之間的夾角為120°)采集同一時刻纜索表面一周的圖像。而DM642配置有3個專用的視頻端口，每個端口可分別配置為2個通道，最多可實現(xiàn)6路視頻的采集，故能滿足本系統(tǒng)的要求。

為了同時支持3路視頻信號的采集，本系統(tǒng)中DM642的視頻口0（VP0）分成A、B2個通道，分別作為2個8bit的視頻輸入接口；視頻口2（VP2）選用A通道作為8bit的視頻輸入口，這樣便實現(xiàn)了3路視頻信號的采集。

系統(tǒng)的圖像采集模塊主要由：3路視頻輸入、3路視頻A/D轉換芯片SAA7113、視頻端口的FIFO、I2C總線、同步動態(tài)存儲器組成。

經(jīng)攝像頭(CCD)輸出3路復合視頻信號(CVBS)，采用SAA7113專用視頻解碼芯片完成視頻信號解碼和轉換功能[3，4]。在數(shù)字化過程中，由DM642的I2C總線進行控制，其輸出格式可由I2C初始化其寄存器來設置。由于DM642的視頻輸入口只能接收標準的BT656-YUV4:2:2（8bit）信號,故在I2C初始化時設置SAA7113的數(shù)字化輸出格式為BT656的格式，可通過寫IIC的寄存器來實現(xiàn)。進入視頻端口的數(shù)據(jù)通過CPLD進行數(shù)據(jù)格式的轉換(Y:U:V4:2:2轉換為4：2：0)，當內部FIFO緩存器滿時，產(chǎn)生中斷，DM642通知EDMA（增強直接存儲器存取）控制器通過EDMA方式將圖像數(shù)據(jù)存儲到SDRAM(同步動態(tài)存儲器)中。

由于DM642的視頻口VP0分成2個8bit的通道A、B，所以SAA7113和DM642的連接方式只能采用最簡連線的BT656的方式，即不需要水平、垂直、場同步信號線。圖2所示為VP0端口的一路視頻輸入電路圖，其他2路與該路基本相同。

其中：輸入視頻經(jīng)過J5接口的信號線3、上拉電阻(18Ω)以及電容(47nF)，與SAA7113的模擬輸入端AI22直接相連；VP0[0-7]為SAA7113的數(shù)據(jù)輸出管腳,與DM642視頻口0中的VP0D[2-9]管腳相連；時鐘同步信號LLC與DM642視頻口0的VP0CLK0相連；SCL和SDA作為I2C接口的時鐘線和數(shù)據(jù)線，分別與DM642的I2C總線接口的時鐘和數(shù)據(jù)線SCL0、SDA0相連；TRST作為復位信號與DM642的復位信號RESET相連；XTAL與XTAL1的管腳間接24.576MHz的晶振，在VDDA1管腳上提供+3.3V的電壓供電，供芯片正常工作。

1.2圖像存儲模塊

(1)SDRAM

DM642芯片內部只集成了256KB的RAM，因此需要在外部存儲器接口(EMIF)上擴展存儲空間。DM642的EMIF為64bit的數(shù)據(jù)總線接口，工作的最高頻率為133MHz，分為4個存儲空間(CE0-CE3)，每個有256MB的尋址空間。它在CE0空間提供了64bit的SDRAM接口總線(無縫連接)，分配給外擴的SDRAM使用[5-6]。本系統(tǒng)采用了2片32bit的HY57V283220T-7SDRAM芯片(為了符合64bit的接口，必須采用2片32bit的SDRAM)，在片外擴展32MB的動態(tài)存儲空間。

SDRAM在CE0空間的具體定位為：0X80000000-0X81FFFFFF。輸入模擬視頻經(jīng)數(shù)字化后進入視頻端口的BT656(Y:U:V4：2：2)數(shù)據(jù)流，以便于圖像的壓縮編碼。在CPLD控制下實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的重抽樣，之后通過EDMA的方式存儲到SDRAM中。

(2)FLASH

本系統(tǒng)采用4M×8bit的AM29LV320D映射到CE1的低地址空間,用來存儲程序，實現(xiàn)系統(tǒng)的自啟動。它在CE1空間的具體定位為：0X90000000-0X9007FFFF。DM642的CE1空間被配置成8bit，以適應自啟動要求。4MB的存儲空間需要22根地址線來尋址,而DM642的EMIF口可用地址線只有20條。其中FLASH的最高2根地址線由DM642的GPIO中的GPIO1、GPIO2來模擬地址線，從而實現(xiàn)FLASH的頁選。系統(tǒng)BOOTLOADING時，先從第一頁拷貝1K的啟動代碼到DM642，完成芯片初始化，控制GPIO1、GPIO2口線的組合，完成余下代碼的導入。

1.3圖像傳輸模塊

在所設計的系統(tǒng)中，3路CCD采集的纜索1周的圖像，經(jīng)數(shù)字化后同時送入DM642的視頻端口，并且隨著纜索爬升裝置的爬升，不斷重復采集。采集的圖像數(shù)據(jù)量很大，持續(xù)時間較長。如果DM642通過圖像處理算法，實時檢測圖像的缺陷，便要運行大量的算法程序，這就給DM642造成了很大的負擔，因此本系統(tǒng)DM642只是對采集的圖像數(shù)據(jù)進行壓縮編碼，并實時傳輸?shù)降孛娴姆掌鳎≒C），具體圖像識別算法在PC機上進行，這就大大減輕了DM642的負擔，提高了DM642實時采集、傳輸?shù)男省?/p>

鑒于高速、大量圖像數(shù)據(jù)的采集，系統(tǒng)采用DM642的網(wǎng)絡接口實現(xiàn)傳輸。該系統(tǒng)中圖像分辨率為720×576，幀頻為25幀/s，采用H.263壓縮編碼算法，壓縮比可達100：1，即數(shù)據(jù)流可壓縮為：3×720×576×8×25÷100=2488340b/s，約為2500kb/s。考慮到以太網(wǎng)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸包頭、包尾等附加數(shù)據(jù)，系統(tǒng)最大數(shù)據(jù)流為3000kb/s=3Mb/s，而選用的網(wǎng)絡接口芯片的傳輸速度為10Mb/s，故可以實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實時處理與傳輸。

EMAC提供了數(shù)據(jù)鏈路層的功能[7]，所以只需要利用一塊物理層的網(wǎng)絡芯片——以太網(wǎng)PHY收發(fā)器LXT971ALC轉換信號，經(jīng)網(wǎng)絡變壓器與Internet相連，從而把采集到的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到地面服務器(PC)，硬件連接電路圖如圖3。其中：DM642的各信號線與PHY網(wǎng)絡收發(fā)器芯片LXT971ALC的對應信號線直接連接，輸出數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡變壓器13F-60LDNL以及RJ45接口連接到Internet上，從而發(fā)送到PC機。圖3中DM642的各信號線說明如表1。

2系統(tǒng)軟件設計

2.1系統(tǒng)主程序設計

本系統(tǒng)的軟件是在TI公司提供的集成開發(fā)環(huán)境CCS下開發(fā)的。通過XDS510USB2.0仿真器，將在PC上CCS環(huán)境下編寫、調試完成的程序燒入DM642的FLASH中，便可以在DM642上電后自動運行執(zhí)行程序，實現(xiàn)圖像的采集、處理與傳輸，達到缺陷檢測的目的。

本系統(tǒng)的主程序完成各種寄存器的初始化工作、實時采集并存儲攝像機傳送來的視頻圖像，經(jīng)過DM642的壓縮編碼，通過網(wǎng)口發(fā)送采集的圖像數(shù)據(jù)，通知CPLD繼續(xù)下一次采集直至檢測結束。軟件設計流程如圖4所示。

具體工作過程為：上電后系統(tǒng)程序自動從FLASH裝載到DSP的片內RAM中，裝載完畢，DM642自動調用程序RAM中的代碼執(zhí)行。首先通過I2C總線對A/D芯片SAA7113的工作參數(shù)進行設置，在圖像采集控制電路(由CPLD實現(xiàn))的作用下，SAA7113按設定的工作參數(shù)獲取圖像(本系統(tǒng)設定的數(shù)據(jù)輸出流為BT656格式即：Y:U:V4:2:2)，地址譯碼電路（由CPLD實現(xiàn)）將數(shù)字圖像數(shù)據(jù)重新抽樣后存儲在片外數(shù)據(jù)存儲器SDRAM中，經(jīng)DM642實時壓縮處理后，通過網(wǎng)絡芯片接口，TCP/IP協(xié)議傳輸?shù)降孛娴姆掌鳎≒C機）。PC機收到圖像信號后進行圖像解碼，在屏幕上顯示并將其保存以供后續(xù)的圖像處理使用。不斷重復上述操作，直至檢測完成，便可實現(xiàn)圖像的實時采集與傳輸。

2.2圖像壓縮算法設計

視頻圖像只有通過壓縮后才能正確地通過網(wǎng)絡傳輸。本系統(tǒng)的圖像壓縮采用H.263數(shù)字圖像壓縮算法，由信號處理器DM642來完成。H.263壓縮以幀內變換與幀間預測相結合的混合編碼技術為核心，適合視頻流的實時網(wǎng)絡化傳輸，比H.264算法成熟、穩(wěn)定，且實現(xiàn)簡單。

由于H.263壓縮標準只需要CIF格式(Y:U:V4∶2∶0)的視頻圖像,故需將數(shù)字化的720×5764∶2∶2的圖像抽樣為352×2884∶2∶0的視頻圖像，再寫入SDRAM中。此工作由CPLD完成。重新抽樣完成后，再由DM642讀取SDRAM中的數(shù)據(jù)進行壓縮編碼，輸出的視頻碼流經(jīng)網(wǎng)口傳輸?shù)絇C上。

本系統(tǒng)H.263壓縮編碼設計流程有：編碼參數(shù)設置，視頻數(shù)據(jù)輸入，幀內編碼，幀間編碼，熵編碼和碼流輸出。編碼流程圖如圖5所示。

3系統(tǒng)測試及試驗結果

將檢測裝置裝在纜索機器人上，用交叉網(wǎng)線連接DM642以太網(wǎng)口與地面服務器(PC機)，硬件連接完畢后，準備測試。系統(tǒng)上電，隨著纜索機器人的爬升，3路CCD進行圖像采集，經(jīng)DM642的壓縮處理后通過Internet傳輸?shù)絇C機上。PC機接收到圖像信號后，進行圖像解碼，并在屏幕上顯示，完成一次圖像的壓縮與解壓縮過程。繼續(xù)采集下一次，直至完成檢測。

網(wǎng)絡上的用戶也可以直接在遠端用IE瀏覽器觀看Web服務器上的攝像機圖像，實現(xiàn)對遠程圖像的實時監(jiān)控。

經(jīng)試驗證明，本文介紹的基于DM642的纜索缺陷圖像采集及傳輸系統(tǒng)可以很好地完成纜索表面圖像的采集和網(wǎng)絡化傳輸功能，并在PC機上顯示，以供圖像處理，達到了預期的目標。該系統(tǒng)具有一定的通用性和擴展性，可用作串口、