FPGA+DSP核心架构的实时三维图像信息处理（2） 转换器, 摄像机, 控制器, 复用器, 信息

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2 模块设计
2.1 视频采集与数字化模块
   
由于模拟摄像机采集的是PAL制的复合视频信号(CVBS)，所以必须先将其数字化才能开始后继数字视频处理。视频采集与数字化模块主要包括一片视频多路复用器MAX440、一片SAA7111A、一片I2C接口控制器PCF8584和一些连接逻辑。MAX440用来快速切换来自不同模拟输入端的模拟视频流，SAA7111A模数转换器是该模块的核心，它采集模拟视频，将其数字化为720×576的RGB(8，8，8)真彩色信号格式的数字视频，其输出的RGB真彩色信号为16位，其中高字节和低字节数据周期分别为74ns和37ns，即低字节的频率是高字节的1倍。这样就要利用触发器和两个分别为13.5MHz和27MHz的时钟信号，将输入数据格式转换为24位、周期均为74ns的RGB真彩色信号，此外，它还为整个硬件系统提供必要的时钟和同步信号；PCI接口控制器通过PCF8584来配置和控制SAA7111A，连接逻辑由FPGA实现。
2.2 FPGA图像预处理模块
   
预处理从巨大的视频信息中提取极少量的对三维重建有用的信息传送至DSP后处理。该模块包括主处理FPGA芯片和高速FIFO，负责实时采集视频信号并对采集到的无压缩的视频信息进行预处理，包括提取激光中心线、提取轮廓线、提取中心颜色线三个部分。
   
为了提高视频采集的整体性能，更重要的是为预处理提供相邻的有激光帧和无激光帧，必须通过视频帧缓存首先暂存无激光帧。缓存由3片AverLogic公司的AL422B及一些由FPGA实现的连接逻辑组成；当前端模块输出无激光帧时，SA7111A控制3片AL422B写操作，将其存入FIFO；当前端输出有激光帧时，后端的视频处理模块控制3片AL422B进行读操作，读出暂存在其中的无激光帧数据。预处理FPGA将读取的无激光帧和有激光帧进行相减运算。输出同样采用3组缓存分别用来暂存激光样条数据、目标轮廓线数据和图像中心线数据；所有模块均采用同步时钟控制，同步时钟采用由SAA7111A模数转换器产生的LLC2信号。为了提高系统速度，算法复杂、耗时较长的计算过程进行了流水线处理。
2.3 DSP三维重建模块
   
为了应对三维图像大数据量复杂高速运算的需要，这里采用了两片TigerSHARC 201芯片并行三维重建运算。由控制FPGA对两片DSP所要处理的图像进行任务分配，DSP结合预处理FPGA存入FIFO的数据和PCI总线所给处理参数进行定标参数计算、坐标计算、三维重建和构型。由于TS201内部集成的总线仲裁机制，双DSP可以实现无缝连接，大大减小了多DSP协调工作的设计难度。DSP间的连接是依靠其拥有的全双工LinkPort，它采用LVDS（低电平差分信号）输入数据。链路口能独立或同时工作，在时钟的上升沿和下降沿锁存数据。链路时钟频率最高可以与处理器核相同，高达500MHz，每个链路能完成500Mbps的单向数据传输。每个DSP的4个LinkPort合起来最大的通透率为4.0Gbps。连线短且简单，不需要额外的辅助电路，且可有效防止连线长引起的信号畸变。LinkPort传输协议由控制FPGA完成。
2.4 PCI通信接口模块
   
根据三维信息获取系统的速度传输要求，采用PCI接口完成该系统与通用PC的信息交互。PCI接口控制器是硬件部分的控制中心和数据交换中心，它接收设备驱动程序的命令和数据，配置和控制系统的各个模块使其协调工作，完成系统任务；它还负责将采集到和处理后的数据通过PCI总线转送给通用PC。本系统采用PLX公司的32bit/33MHz PCI9030作为接口芯片，串行EEPROM-FM93CS56L电可擦除只读存储器保存PCI9030的配置信息。
2.5 系统控制与数据交换模块
   
控制单元对处理器的数据处理单元和输入数据格式转换单元以及所有FIFO存储器产生控制，与预处理FPGA配合完成DSP的LinkPort协议。由于数据处理单元中为流水处理，在控制单元的设计中要特别注意由流水线产生的固定周期的延时，延时的周期数等于相应流水线的级数。控制单元还与PCI接口连接，接收来自主计算机的控制信号和背景阈值等信息。控制FPGA还是SAA7111A、PCI接口和DSP之间的图像和信息交换的桥梁，为其提供所需要的参数和数据信息。