基于DSP的数据采集与处理系统的设计.docx
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基于DSP的数据采集与处理系统的设计
基于DSP的数据采集与处理系统的设计
第7卷 第15期 2020年8月167121819（20201523943204
科 学 技 术 与 工 程
ScienceTechnologyandEngineering
Vol.7 No.15 Aug.
2020
2020 Sci.Tech.Engng.
基于DSP的数据采集与处理系统的设计
王肃伟 杨学友 李雁斌 叶声华
（天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津300072
摘 要 构建了一种基于DSP的数据采集和处理系统,介绍了系统硬件和软件设计方案,着重讲述了TMS320F2812型DSP在数据处理中的作用,设计实现了FIR滤波器和FFT算法。
该系统通用性好,可靠性高,实时性强,可以实现快速的测量和传输。
关键词 CMOS图像传感器 DSP FIR FFT中图法分类号 TP31714; 文献标识码
A
2020年4月9日收到
第一简介:
王肃伟（1984—,男,河南开封人,天津大学测试计量技术及仪器硕士研究生。
研究方向:
测试技术与图像处理。
Email:
suweiwang80@yahoo。
TMS320F2812型DSP是TI公司推出的、最佳测控应用的定点DSP,也是目前市场上最先进、功能最强大的32位定点DSP芯片。
既具有数字信号处理能力,又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制能力。
它采用高性能的静态CMOS技术,时钟频率可达150MHz,具有高性能的32位中央处理器,能在一个周期内完成16x16、32x32的乘法和累加运算。
支持32位单位周期指令,其数据地址为32位,程序地址为22位,具有高速的片内数据存储
器和程序存储器,可以访问4G字（16位的数据空间和4M字的程序空间。
该型号DSP芯片在电源功率控制、电机工程、制冷系统、可调激光器等领域应用广泛
[1]
。
本文提出一种以上述TMS320F2812型DSP为核心,集成了CMOS图像传感器和FPGA的数据采集和处理平台,充分利用了CMOS图像传感器体积小、稳定性好、FPGA集成度高、可编程实现以及DSP强大的控制能力和高速图像处理能力等优点。
该系统可以实现快速提取图像数据和高速图像处理,为后续的算法处理和传输提供了有力保障。
1 系统硬件设计
1.1 总体设计
本系统主要由CMOS图像传感器、DSP、FPGA、工业以太网以及主控计算机组成,主要包括图像采集、数据处理及图像传输三个功能单元,可以实现图像数据的实时采集、数据的实时处理和实时传输给主控计算机。
系统原理框图如图1所示
。
图1 系统原理框图
1.2 系统实现
本系统选用OmniVision公司的OV9650型CMOS图像传感器、Xilinx公司的Spartan3系列的FPGA以及TI公司的TMS320F2812型DSP作为主
要元件来实现系统功能。
OV9650内部集成了A/D及DSP芯片,可以提
供高速而稳定的数字输出,保障了采集端的速度。
OV9650的工作模式和参数等寄存器需要SCCB（Se2
rialCameraControlBUS总线配置,由于SCCB总线
相当于I2C总线,所以可在FPGA内编程实现I2
C逻辑,使DSP可通过该模拟I2
C口对CMOS传感器进行配置
[2]
。
系统上电后,DSP配置OV9650工作在自动增益、自动曝光工作模式,OV9650输出图像信号D0~D9以及VSYNC（场同步信号、HREF（行场参考信
号、PLCK（像素同步信号等信号[3]
。
FPGA为
OV9650提供24MHz的工作时钟CLK,并根据其输
出的同步信号控制CMOS图像传感器的数据采集,最终将数据读入FPGA的内部的BLOCKRAM中。
一帧图像存储完毕时,FPGA使OV9650暂停工作,并向DSP发出中断信号INT1,随后DSP读取FPGA内部RAM中的数据,并进行图像处理。
数据处理后的图像数据可以在DSP的控制下实现以太网的高速传输。
TMS320F2812型DSP是本系统的核心元件,其
正常工作需要3.3V和1.8V两种电平,选用TI公司的TPS767D318进行双电源的供电。
DSP主要完成三项任务:
配置图像传感器、图像处理和数据传输,与其他部件的硬件连接如图2所示
。
图2 系统硬件连接框图
DSP通过地址总线A0~A18、数据总线D0~D15以及读写使能信号W/R完成对CMOS图像传
感器的设置和FPGA内部存储单元的访问,通过普通I/O口I/O0~I/O4实现与FPGA的同步和通讯。
D0~D15和B0~B15分别作为数据总线和地址总
线与以太网芯片相连,使得DSP可以通过FPGA实现对以太网芯片相关寄存器的访问。
两个外部中断信号线INT1和INT2分别作为FPGA的数据存储
中断信号和以太网的传输中断信号,提示DSP做出中断响应。
2 系统软件设计
2.1 软件设计
系统上电后,DSP初始化完毕即开始通过FP2GA的I2
C接口对CMOS传感器进行初始化配置,随
后启动图像采集,FPGA将图像数据存储完毕,给出中断信号并禁止图像采集。
DSP检测到中断信号,从FPGA的内部BLOCKRAM中读取数据并进行图像处理,最后通过以太网将处理后的数据传送给主控计算机。
系统采集一帧数据的软件流程如图3所示
。
图3 主程序流程框图
2.2 图像处理
在生产现场,往往存在很多高频干扰信号,为了方便后续的数据处理,拟设计基于DSP的FIR滤波器滤除高频干扰。
TI函数库提供了Matlab指令文件的ezfir滤波器设计套件,我们可以在Matlab环境下方便的调用ezfir16.m文件,输入相关参数即可得到相应的滤波系数
[3]
。
在此我们选取采样频率
为45kHz,输入转折频率为13kHz,阶数为50,窗函
数选择Hamming（汉明窗,将获得的滤波系数储存在FIR.xls,回车可得其幅频fa特性和相频fp特性,如图4、图5所示。
4493科 学 技 术 与 工 程7卷
图4
幅频特性
图5 相频特性
打开FIR.xls文件,可得滤波系数h（0~h（25:
#defineFIR16_COEFF{\18916,2107227,-919915,-2165187,2689013,1770122,-5637609,458924,8848309,
-6226421,\
-10158537,15663637,6094950,-26804634,6684765,34930927,-29884572,-32768096,62193799,11272199,\-99090519,42598427,133496873,-163708962,-157941775,660275232}
h（26~h（50与h（0~h（24是对称相等的。
将h（0~h（50添加到fir.h中,加载fir.asm到DSP上即可实现FIR滤波。
FFT变换是非常流行的一种频域分析方法,它
利用蝶形因子的旋转性和周期性的特点,大大减少了运算量,提高了DFT的计算效率。
DSP在实现FFT方面具有自身的优势:
一方面,针对FFT变换中
需要对原始顺序进行码位倒序排列,DSP控制器专门设计了反序间接寻址;另一方面,FFT变换需要进行的蝶形运算,需要指令系统能满足查表以及短时间内的累加相乘的需要,而DSP的间接寻址方法可以实现增（减1或增（减一个变址量,并且能在一个周期内完成乘和累加,这些都满足了FFT的运算需要。
FFT变换的实现过程如图5。
TI的DSPLibrary中提供了FFT算法,根据不同
的用途略加修改即可使用。
但在应用时需要综合考虑:
一方面,如能利用DSP控制器反序间接寻址
的特性,将能大大提高代码的执行效率和系统的实时性;另一方面,考虑到代码的通用性和可移植性,最好使用易读的C语言。
在此,FFT核心算法采用汇编语言编写,主程序采用C语言编写。
为防止数据溢出,蝶形运算结果采用归一化处理。
3 结 论
本文介绍了一种基于DSPTMS320F2812的数据采集与处理系统的方案设计,着重阐述了DSP在该系统中图像处理方面的应用。
DSP在图像处理方面的独特优势满足了系统对于信号分析以及大数据量运算的要求,解决了高速图像采集和传输的瓶颈,从而实现了系统的实时测量与控制,因而该系统具有很强的应用和科研价值
。
图6 FFT流程图
参 考 文 献
1 苏奎峰,吕 强,耿庆峰,等.TMS320F2812原理与开发.北京:
电
子工业出版社,2020:
11—18
2 李艳华.面向仪表的嵌入式DSP硬件平台的研究.天津:
天津大
学出版社,2004:
20—24
3 OV9650imageprocessor.Datasheet.OmniVision,2020:
1—26
（下转第3949页
5
49315期王肃伟,等:
基于DSP的数据采集与处理系统的设计
改进模型解决了初始轮廓一部分在真实轮廓内而另一部分在外的问题,很大程度上放宽了出事轮廓的选取条件。
由于要判断蛇点是在真实轮廓内外,所以该模型只适用于分割一个目标,在复杂图像中效果不是很理想。
该模型有待于改进。
参 考 文 献
1 KassM,WitkinA,TerzopoulosD.Snake:
Activecontourmodels.
InternationalJournalofComputerVision,1988;1（4:
321—331
2 CohenLD.Noteonactivecontourmodelsandballoons.GVGIP:
Im2
ageUnderstanding,1991;53（2:
211—218
3 XuCY,PrinceJL.Snake,shapesandgradientvectorflow.IEEE
TransactionsonImageingProcedding,1998;7（3:
359—3694 AminiAA,WeymouthTE,JainTG.Usingdynamicprogramming
forsolvin
gvariationalproblemsinvision.IEEETransactionsonPat2ternAnalysisandMachineIntelligence,1990;12（9:
855—8675 WilliamsDJ,Sha
hM.Afastalgorithmforactivecontoursandcurva2
tureestimation.CVGIP:
ImageUnderstanding,1992;55（1:
14—26
NewSnakeModel
JIANGPing
（Dept.ofInformationTechnology,YulinCollege,Yulin719000,P.R.China
[Abstract] Theoriginalcontourmustbeontherealcontourbecausethesnakemodelissensitivetotheoriginalcontourπslocation,orresultsaregenerallyinaccurate.originalcontourisoftengainedfromimagesπrelativeinforma2tionwhenserialimagesaresegmented.Thisoriginalcontourmaybefarfromtherealcontouranditspartisinsidetherealcontourwhereastheotherpartisexterior.Someresearchsforthisproblemandwidenstheconditionsofchoosingtheoriginalcontouraremadeof.
[Keywords] imagesegmention Snakemodel originalcontour snakepoint
（上接第3945页
DesignofDataAcquisitionandProcessingSystemBasedonDSP
WANGSu2wei,YANGXue2you,LIYan2bin,YESheng2hua
（StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasurementTechnologyandInstruments,TianjinUniversity,Tianjin300072,P.R.China
[Abstract] AdataacquisitionandprocessingsystembasedonDSPisbuilt,andthehardwareandsoftwarede2signofthewholesystemandespeciallythedataprocessingfunctionofTMS320F2812DSPareintroduced.TheFIRfilterandFFTarithmeticaredesignedandrealized.Thissystempossessestheadvantageofgoodflexibility,strongreliability,realtimefulfillmentandfastmeasurementandtransmission.[Keywords] CMOSimagesensor DSP FIR FFT
9
49315期蒋 平:
一种改进的Snake模型
一、劳动工资
三、工业企业
四、建筑企业
五、房地产开发企业
六、固定资产
制图数据的采集与应用
一、实训目的和任务
1.掌握基础制图数据采集的方法
2.掌握制图数据的分级方法
3.绘制完成实训要求的专题地图
二、实训准备
1.软件准备：
ArcGIS；
2.数据准备：
该实习项目需要的所有数据全部保存在提供的GIS子文件夹中。
三、实训过程
1.信阳基础数据库的建立
（1）用已有资料，进行底图配准，以配准后的底图为背景，
在ArcCatalog中创建所需空间数据库，命名为地名和姓名组合如下：
“xxxx-姓名.mdb”。
（2）在数据库中创建数据集：
行政区划、道路、铁路、水系等；
（3）根据所给的资料，分析建立的要素类型及其属性字段（见表1-1）。
（4）创建要素；
（5）采集空间数据，根据底图要素绘制完整；
（6）采集属性数据；
（7）将文件进行保存，并保存为地图文档“xxxx基础数据库-姓名.mxd”。
表1-1数据库建设要求
数据库
数据集
要素类
要素类型
字段名
字段类型
字段
长度
小数位
基础数据库
行政区划
县界
线
市界
线
行政中心
点
名称
等级
县
面
县名
文本型
20
行政代码
文本型
20
人口
长整型
20
面积
双精度
50
2
市
面
市名
文本型
20
行政代码
文本型
20
人口
长整型
20
面积
双精度
50
2
备注
文本型
50
道路
高速公路
线
路名
文本型
20
长度
双精度
50
2
普通公路
线
路名
文本型
20
长度
双精度
50
等级
文本型
10
铁路
铁路
线
路名
文本型
20
水系
水系
线
名称
文本型
20
水系面
面
名称
文本型
20
2.专题地图制作
（1）制作信阳各县市产业结构分布图，颜色渐进色5级分类；布局输出制作产业结构分布图专题图，包括有图名，图例，制图员。
（2）制作人口密度图，包括有图名，布局输出制作总人口分布专题图，包括有图名，图例，制图员。
表1-2信阳2001年各县市总人口及产业结构
DZM
NAME
AREA
POP
GDP
GDP1
GDP2
411521
罗山县
2077
706000
467821
136576
162600
411522
光山县
1835
800000
498181
152053
192234
411523
新县
1546
334000
324918
83735
129769
411524
商城县
2117
716000
450395
143077
176575
411525
固始县
2946
1572000
965158
370332
320202
411526
潢川县
1635
791000
695687
231327
252483
411527
淮滨县
1192
667000
401068
129544
131822
411528
息县
1895
930000
515680
178248
195141
411520
信阳市
2000
1001600
11714222
1424892
956078
四、检查评价
对案例的结果，进行检查，采用学生小组互相检查评价，教师归纳总结的方式，加深对知识的掌握和技能训练，主要看地图属性信息录入是否正确无误，专题要素的设置是否合理，颜色搭配合理。
五、提交成果
1.根据观察和练习的结果，回答下列问题。
要求：
在word文件中写出答案，并提交到教师所指定的文件夹。
（1）本次制作信阳市人口密度图是否有更好的办法？
（2）采用的数据分级的方法，有什么有缺点？
2.根据本次实训内容，提交实训成果文件，包括工程文件和单个文件。
3.根据本次内容，写出实训报告书。
将提出问题的答案或在进行上述操作过程中出现的问题，以文字的方式表述出来保存并上交教师所指定的文件夹。
一、劳动工资
三、工业企业
四、建筑企业
五、房地产开发企业
六、固定资产
实训指导-制图数据的采集与应用
一、实训目的和任务
1.掌握基础制图数据采集的方法
2.掌握制图数据的分级方法
3.绘制完成实训要求的专题地图
二、实训准备
1.软件准备：
ArcGIS；
2.数据准备：
该实习项目需要的所有数据全部保存在提供的GIS子文件夹中。
三、实训过程
1.信阳基础数据库的建立
（1）用已有资料，进行底图配准，以配准后的底图为背景，
在ArcCatalog中创建所需空间数据库，命名为地名和姓名组合如下：
“xxxx-姓名.mdb”。
（2）在数据库中创建数据集：
行政区划、道路、铁路、水系等；
（3）根据所给的资料，分析建立的要素类型及其属性字段（见表1-1）。
（4）创建要素；
（5）采集空间数据，根据底图要素绘制完整；
（6）采集属性数据；
（7）将文件进行保存，并保存为地图文档“xxxx基础数据库-姓名.mxd”。
表1-1数据库建设要求
数据库
数据集
要素类
要素类型
字段名
字段类型
字段
长度
小数位
基础数据库
行政区划
县界
线
市界
线
行政中心
点
名称
等级
县
面
县名
文本型
20
行政代码
文本型
20
人口
长整型
20
面积
双精度
50
2
市
面
市名
文本型
20
行政代码
文本型
20
人口
长整型
20
面积
双精度
50
2
备注
文本型
50
道路
高速公路
线
路名
文本型
20
长度
双精度
50
2
普通公路
线
路名
文本型
20
长度
双精度
50
等级
文本型
10
铁路
铁路
线
路名
文本型
20
水系
水系
线
名称
文本型
20
水系面
面
名称
文本型
20
2.专题地图制作
（1）制作信阳各县市产业结构分布图，颜色渐进色5级分类；布局输出制作产业结构分布图专题图，包括有图名，图例，制图员。
（2）制作人口密度图，包括有图名，布局输出制作总人口分布专题图，包括有图名，图例，制图员。
表1-2信阳2001年各县市总人口及产业结构
DZM
NAME
AREA
POP
GDP
GDP1
GDP2
411521
罗山县
2077
706000
467821
136576
162600
411522
光山县
1835
800000
498181
152053
192234
411523
新县
1546
334000
324918
83735
129769
411524
商城县
2117
716000
450395
143077
176575
411525
固始县
2946
1572000
965158
370332
320202
411526
潢川县
1635
791000
695687
231327
252483
411527
淮滨县
1192
667000
401068
129544
131822
411528
息县
1895
930000
515680
178248
195141
411520
信阳市
2000
1001600
11714222
1424892
956078
四、检查评价
对案例的结果，进行检查，采用学生小组互相检查评价，教师归纳总结的方式，加深对知识的掌握和技能训练，主要看地图属性信息录入是否正确无误，专题要
升级会员 