本系統(tǒng)使用微型計(jì)算機(jī)仿真電視圖像處理系統(tǒng)來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行處理，使用PCI插卡電路,，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和發(fā)送,。 PCI總線(xiàn)的發(fā)展，打破了傳統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳送的瓶頸,，傳統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)總線(xiàn)的最大缺點(diǎn)是傳輸

　　速率太低,，不能實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，更不能滿(mǎn)足圖像處理系統(tǒng)和大型應(yīng)用程序的要求,。PCI總線(xiàn)作為一種同步,，且獨(dú)立于處理器的32位局部總線(xiàn)，其最高工作頻率為33 MHz,，數(shù)據(jù)傳輸峰值吞吐率可達(dá)132Mb/s,。因而用PCI總線(xiàn)傳送1場(chǎng)(256×256×32位數(shù)據(jù))信號(hào)的時(shí)間不大于20 ms。由于電視信號(hào)存在空間和時(shí)間上的冗余,，如對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮,，則傳送一場(chǎng)信號(hào)所需的時(shí)間將會(huì)更短。因此,，在仿真系統(tǒng)中,，利用PCI總線(xiàn)將數(shù)據(jù)圖像信息直接傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)存中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸,、存儲(chǔ)和處理是可能的,。

　　1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

　　由于采用了微型計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，因而可使硬件電路設(shè)計(jì)的工作量大大降低,，仿真系統(tǒng)僅需要設(shè)計(jì)一PCI插卡,，就可實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的適時(shí)采集和處理,。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

　　采用PCI總線(xiàn)視頻處理卡對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理和視頻A/D轉(zhuǎn)換,，再通過(guò)PCI總線(xiàn)將數(shù)字圖像信息寫(xiě)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存,，使用高級(jí)語(yǔ)言編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的預(yù)處理,、分割,、目標(biāo)圖像處理,、匹配等算法,。

　　2 PCI總線(xiàn)視頻信號(hào)處理卡

　　PCI總線(xiàn)視頻處理卡由模擬視頻信號(hào)處理、視頻信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換,、PCI總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集和信號(hào)傳輸?shù)炔糠纸M成,。

　　2.1 視頻處理和視頻A/D轉(zhuǎn)換

　　視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)電纜傳輸后有一定的衰減并且迭加上噪聲信號(hào)，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換前的原始視頻信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理,，可以有效增強(qiáng)視頻信息,，降低噪聲干擾。視頻A/D轉(zhuǎn)換芯片可供選擇的種類(lèi)比較多,，如SAA7111,，BT218等。

　　2.2 PCI總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集和信號(hào)傳輸

　　PCI總線(xiàn)是成組數(shù)據(jù)的瘁發(fā)傳輸,，每組數(shù)據(jù)是由一個(gè)地址信號(hào)和一系列的數(shù)據(jù)信號(hào)組成,，PCI總線(xiàn)采用地址和數(shù)據(jù)復(fù)用結(jié)構(gòu)，大大減少了信號(hào)數(shù)量,，但PCI總線(xiàn)規(guī)范仍然十分復(fù)雜,，其接口的實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)ISA、EISA總線(xiàn)困難,，連接到PCI總線(xiàn)上的設(shè)備可分為主控設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備兩類(lèi),，目標(biāo)設(shè)備最少需要47個(gè)信號(hào)，主控設(shè)備最少需要49個(gè)信號(hào),，其中包括數(shù)據(jù)/地址復(fù)用總線(xiàn),、接口控制線(xiàn)、仲裁,、總線(xiàn)命令,、系統(tǒng)線(xiàn)等。在設(shè)計(jì)中,，可采用以下兩種方案實(shí)現(xiàn)PCI總線(xiàn)的接口設(shè)計(jì)：

　　2.2.1 采用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)PCI接口設(shè)計(jì)

　　目前幾乎所有的可編程邏輯器件廠(chǎng)商均有用于微型計(jì)算機(jī)接口的典型的PLD產(chǎn)品,。多數(shù)廠(chǎng)家還提供用VHDL、Verilog,、AHDL編制的PCI總線(xiàn)接口核心設(shè)計(jì)模塊,。利用這些模塊可編程邏輯器件可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的PCI總線(xiàn)接口設(shè)計(jì),。由于可編程邏輯器件自身的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)PCI接口設(shè)計(jì)時(shí)有更多的思維想象空間,。

　　雖然使用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)PCI接口具有靈活的特點(diǎn),，但在設(shè)計(jì)中仍存在以下需要關(guān)注的問(wèn)題：

　　(1)PCI具有順從性的特點(diǎn)，幾乎所有包含高性能數(shù)據(jù)和控制路徑中的邏輯都需要1個(gè)PCI系統(tǒng)時(shí)間的拷貝,，這與PCI苛刻的負(fù)載要求相矛盾,。另外，在完成某些功能如數(shù)據(jù)突發(fā)傳送時(shí),，往往需要很多時(shí)鐘負(fù)載,，而時(shí)鐘上升沿到輸出有效時(shí)間必須小于11 ns，這進(jìn)一步加重時(shí)鐘扇出問(wèn)題,。

　　(2)PCI規(guī)范對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的7 ns建立時(shí)間要求苛刻,，有時(shí)在設(shè)計(jì)中要使用模擬延遲來(lái)解決。

　　(3)任何完善的PCI接口器件都必須提供PCI配置空間,，實(shí)現(xiàn)PCI規(guī)定功能需要完成邏輯校驗(yàn),、地址譯碼、實(shí)現(xiàn)配置所需的各類(lèi)寄存器等基本要求,，選用的可編程器件對(duì)其邏輯門(mén)的容量有較大的要求,。

　　此外，在使用可編程邏輯器件設(shè)計(jì)插卡電路時(shí)還需加入FIFO,、用戶(hù)寄存器,、后端設(shè)備接口等電路，在一定程度上增大了電路設(shè)計(jì)的難度,。

　　2.2.2 選用PCI總線(xiàn)控制器專(zhuān)用芯片

　　采用專(zhuān)用芯片放置在插卡電路與PCI總線(xiàn)之間,，提供傳遞數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。如PLX公司開(kāi)發(fā)的PLX9080和PLX9054系列芯片,，AMCC公司的S59xx系列等,。AMCC公司的S5933是一種功能強(qiáng)、使用靈活的PCI總線(xiàn)控制器接口芯片,，采用160PQFP和208TQFP 兩種封裝形式,，符合PCI局部總線(xiàn)規(guī)范，即可作為PCI總線(xiàn)目標(biāo)設(shè)備(Slave),，實(shí)現(xiàn)基本的傳送要求,，也可作為PCI總線(xiàn)主控設(shè)備(Master)訪(fǎng)問(wèn)其他總線(xiàn)設(shè)備。原理框圖如圖2所示,。

　　S5933提供了3種物理總線(xiàn)接口：PCI總線(xiàn)接口,、ADD-ON總線(xiàn)接口及外部配置存儲(chǔ)器(BIOS-ROM)接口，數(shù)據(jù)傳輸可以在PCI總線(xiàn)與 ADD-ON總線(xiàn)之間或與外部配置存儲(chǔ)器之間進(jìn)行,。PCI總線(xiàn)與ADD-ON總線(xiàn)之間的傳輸可以使用3種通道：信箱寄存器通道,、FIFO通道和PASS- THRU通道,。

　　(1)信箱寄存器通道。S5933的信箱寄存器(MAILBOXES)提供雙向數(shù)據(jù)通路,，主要用于多路/分路器與AD-DON總線(xiàn)之間傳輸命令和狀態(tài)信息,，并可基于指定MAILBOX事件，可在PCI總線(xiàn)或ADD-ON總線(xiàn)產(chǎn)生中斷,。

　　(2)FIFO通道,。FIFO通道主要包括2個(gè)32×8FIFO，分別實(shí)現(xiàn)從PCI到ADD-ON和ADD-0N到PCI的數(shù)據(jù)傳輸,。這2個(gè)FIFO均支持PCI總線(xiàn)主設(shè)

　　備操作,，支持突發(fā)傳輸。

　　(3)PASS-THRU通道,。PASS-THRU傳輸通道為PCI總線(xiàn)提供一種寄存的訪(fǎng)問(wèn)端口,，通過(guò)握手協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)ADD-ON上的資源,。PASS-THRU通道只能作為目標(biāo)設(shè)備,，支持突發(fā)傳輸。

　　比較以上2種實(shí)現(xiàn)PCI接口的方案可知,，用可編程邏輯器件能夠較靈活地實(shí)現(xiàn)所需要的功能,。針對(duì)本系統(tǒng)PCI接口電路設(shè)計(jì)，并非要實(shí)現(xiàn)PCI規(guī)范中的所有功能,，用可編程邏輯器件也可以提供解決問(wèn)題的方案,。但為了達(dá)到PCI指標(biāo)的苛刻要求，需要做大量的邏輯驗(yàn)證和時(shí)序分析工作,，采用S5933等PCI專(zhuān)用芯片,，可以比較容易地實(shí)現(xiàn)PCI接口設(shè)計(jì)，大大縮短研制周期,。

　　3 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理

　　為了實(shí)現(xiàn)仿真功能,，還需要開(kāi)發(fā)相關(guān)的圖像處理和控制接口軟件。Windows下的驅(qū)動(dòng)程序包括硬件的驅(qū)動(dòng)程序和文件系統(tǒng)等非物理設(shè)備的虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,。由于Windows操作系統(tǒng)為了保證系統(tǒng)的安全性,、穩(wěn)定性和可移植性，對(duì)應(yīng)用程序訪(fǎng)問(wèn)硬件資源加以限制,，因此無(wú)論采用可編程邏輯器件或者使用專(zhuān)用接口芯片實(shí)現(xiàn)PCI接口設(shè)計(jì),，都需要開(kāi)發(fā)相關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)PCI硬件設(shè)備的訪(fǎng)問(wèn),。

　　3.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)

　　開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有多種開(kāi)發(fā)工具可以選擇,。主要包括：微軟的軟件包(device drtver K6t，ddK);Numega公司的VtoolsS;KRF-Tech公司的WinDriver,。

　　在開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之前首先要對(duì)硬件設(shè)備特性,、總線(xiàn)結(jié)構(gòu),、中斷設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制及設(shè)備內(nèi)存等進(jìn)行分析,。驅(qū)動(dòng)程序要完成的基本功能包括設(shè)備的初始化,、對(duì)端口的讀寫(xiě)操作、中斷的設(shè)置,、響應(yīng)和調(diào)用以及對(duì)內(nèi)存的直接讀寫(xiě)等,。

　　3.2 仿真系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)

　　使用微軟公司功能強(qiáng)大的VC++高級(jí)編程語(yǔ)言編寫(xiě)圖像處理軟件。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存中開(kāi)辟一段空間,，存儲(chǔ)通過(guò)PCI總線(xiàn)傳輸?shù)臄?shù)字圖像信息和受控系統(tǒng)反饋量,，使用VC++編程實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)內(nèi)存的讀寫(xiě)操作，憑借計(jì)算機(jī)高速運(yùn)算功能,，實(shí)現(xiàn)圖像的數(shù)字濾波,、直方圖統(tǒng)計(jì)、二值化處理,、邊緣檢測(cè),、目標(biāo)特征選擇等圖像處理算法，并將采集到的圖像,、反饋量和處理過(guò)的圖像,、反饋量顯示到計(jì)算機(jī)監(jiān)視器上，設(shè)計(jì)人員可以直接獲得圖像處理中間過(guò)程的各種數(shù)據(jù),，通過(guò)對(duì)圖像處理中間過(guò)程的監(jiān)控,，設(shè)計(jì)人員可以較方便發(fā)現(xiàn)不同圖像處理算法的優(yōu)缺點(diǎn)，從而進(jìn)行各種圖像處理算法的優(yōu)化改進(jìn),。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　采用本文方法設(shè)計(jì)的電視圖像仿真系統(tǒng)已在某武器系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的紅外圖像識(shí)別,、處理和控制的研制中獲得成功運(yùn)用。本系統(tǒng)充分利用PCI總線(xiàn)的高速特性和微型計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理自由度大,，靈活可靠的特點(diǎn),，有效地解決了電視圖像的實(shí)時(shí)采集、傳輸,、存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)處理等問(wèn)題,，同時(shí)為設(shè)計(jì)人員的技術(shù)儲(chǔ)備和系統(tǒng)前期設(shè)計(jì)提供幫助，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值,。