基于DM642的图像处理平台硬件设计本科毕业设计论文.docx

1、基于DM642的图像处理平台硬件设计本科毕业设计论文 南京航空航天大学 毕业设计题 目基于DM642的图像处理平台硬件设计南京航空航天大学本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：基于DM642的图像处理平台硬件设计 ）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。作者签名： 年 月 日 （学号）：基于DM642的图像处理平台硬件设计摘 要本文介绍了TI公司的高性能多媒体数字信号处理器TMS320DM64为核心器件的图像处理平台硬件设

2、计。首先介绍了课题的背景、目的和意义，简要讲述了DM642内核结构和丰富的外设。然后介绍了系统硬件设计采用模块化的设计工具和方法，并给出图像处理平台各功能模块的电路设计，最后给出了整个系统设计的PCB板图。整个系统中包括图像解码模块（编码芯片TVP5150PBS），主控芯片(DM642)及外围电路模块，存储单元模块(包括FLASH，SDRAM)以及CPLD模块，图像编码模块（解码芯片SAA7121H）。关键词：图像处理，TMS320DM642，核心电路，图像编码解码电路 Hardware Design Platform of Image Processing Based on DM642Abs

3、tractThis dissertation proposes a solution that using TIs high-performance multimedia digital signal processor TMS320DM64 as the core component of the image processing platform. Firstly, the dissertation introduced the background, purpose and significance of project. It also briefed the DM642 core s

4、tructure and the peripheral. Then, the dissertation introduces the modularizing design tools and methods of hardware system. And it gives each functional module circuit of the image processing system. Finally ,it proposes the PCB design of the system board diagram. The whole system include the image

5、 decoding module( Decoding chip TVP5150PBS ), Master chip(DM642) and peripheral circuit module, Storage unit modules (including FLASH, SDRAM) and the CPLD module, Image coding module(Encoding chip SAA7121H).Keywords: Image processing; TMS320DM642; Core circuit; Image coding decoding circuit 摘 要 ABST

6、RACT 第一章 引 言 11.1研究的背景和目的 11.2国内外现状和发展趋势 11.3论文的主要研究工作和章节安排 3第二章 DSP芯片概述 42.1 DSP芯片的分类 42.2 TI DSP芯片介绍 52.3 TMS320DM642介绍 52.3.1 TMS320DM642概述 52.3.2 TMS320MD642的主要特点 6第三章 ALTIUM DESIGNER 6.0的使用 93.1 PROTEL概述 93.2 ALTIUM DESIGNER 6.0的介绍 10第四章 图像处理硬件平台设计 134.1 图像处理硬件平台的构成 134.2核心电路模块设计 144.2.1 电源电路设计

7、 144.2.2 复位电路设计 164.2.3 时钟电路设计 174.2.4 JTAG电路设计 174.3外部存储模块的设计 184.3.1 DM642的EMIF概述 184.3.2 SDRAM存储器的扩展 194.3.3 FLASH存储器的扩展 204.4视频模块设计 234.4.1 TM320DM642的视频口介绍 234.4.2 视频解码电路设计 234.4.3 视频编码电路设计 254.5 DM642图像处理平台PCB板的设计 264.5.1 DM642图像处理平台板层设计 264.5.2 DM642图像处理平台PCB板布局 264.5.3 DM642图像处理平台PCB板布线 28第五

8、章 总结与展望 29致谢 31附录 32第一章 引 言1.1研究的背景和目的人类是通过感觉器官从外界获得信息的。例如耳的听觉，鼻的嗅觉，眼的视觉。视觉是人类最重要的感知之一。人们通过它接收到有关外部世界的大部分信息。大量的统计证明，人类凭眼睛获得的图像信息占人类感觉器官获得信息总量的 90以上。正是这个原因，图像在科学与技术以及日常生活中是十分重要的。 随着信息技术的快速发展，存储器与处理器已经能满足图像采集和处理的要求。因此在当今信息化社会里，数字化的图像处理已成为发展的大趋势。数字图像处理，就是指用数字计算机及其他有关数字技术，对图像施加某种运算和处理，从而达到某种预想的目的。例如，使褪色

9、模糊了的相片重新变的清晰；从医学显微图片中提取有意义的细胞的特征等等。现在视频产品向着智能化的方向的发展，视频的智能化就是把视频信号处理中带有智能的功能，比如进行人脸、车牌识别等等 1.2国内外现状和发展趋势数字图像处理的发展是随着计算机技术的发展而发展壮大的。图像处理系统的发展十分迅速，其最主要的原因在于计算机的高速发展，从1981年第一台美国IBM公司的PC微机发展到现在的奔腾微机，其惊人的发展速度，极大的推动了图像处理系统的发展。另一方面，半导体器件和大规模集成电路技术的迅猛发展也促进了图像处理系统的发展。这主要表现在处理器的处理速度的提高和存储器存储容量的增大，而二者恰恰是图像处理系统

10、的关键所在。图像处理系统分通用图像处理系统和专用图像处理系统。在通用图像处理系统方面,图像处理系统的种类和综合特点来说，在时间上，大致可以划分为三个阶段：第一阶段大体上是20世纪60年代末到80年代中期。这段时期的图像处理系统采用机箱式结构，体积大，价格昂贵。第二阶段大体上是20世纪80年代中期到90年代初期，其主要特点是采用插卡式，借助于微机的插槽来进行图像的采集和处理。如美国Imaging Technology公司推出的PCVISION图像卡，DT公司推出的DT2851图像卡以及中国的中国科学院自动化研究所研究的CA系列图像卡，清华大学研究成功的TH系列图像卡等都具有这个特点。第三阶段大体

11、是从20世纪90年代初期开始的，这一阶段的主流方式是以微机PCI总线和以图像压缩传输为特点的图像通讯方式。另一方面，图像处理硬件系统和微机之间的数据传输主要在ISA总线上进行。近年来，DSP处理器的性能得到很大改善，软件和开发工具也得到相应发展，价格不断下降，从而越来越广泛地被应用在各个方面。通信领域（移动通信的交换设备、基站和手机，网络的路由和交换设备，智能天线，软件无线电，IP电话等），雷达和声纳系统，巡航导弹、灵巧炸弹及各种武器系统，自动测试系统，医疗诊断设备（CT、核磁共振、B超等），计算机及其外设，消费类电子设备（VCD、DVD、HDTV、机顶盒、MP3、家庭影院系统、数字照相机和摄

12、像机等），机器人及各种自动控制系统，声音及图像处理等等。数字信号处理技术及数字信号处理芯片(DSP)以其本身的技术优势，为数字图像处理系统提供了良好的核心技术支持。DSP芯片本身的结构特性和特点，使其在数据处理方面比通用CPU具有更大的优势，如采用哈佛结构(Harvard Structure)、流水线操作、硬件乘法器和特殊的DSP指令。同时，因其结构特殊，采用高级语言实现的算法程序在DSP处理器上的执行效率大大降低，这在一定程度上也影响到系统整体性能。为实现算法的高效执行，一方面需不断改进DSP芯片本身的结构和工作频率；另一方面，开发人员需要深入了解DSP体系结构和底层运行机制，开发出高效的执

13、行代码。最新的DSP设计频率已达到1.3GHz时钟，性能超过1BOPS(每秒十亿次操作)，其处理速度比最快的CPU还快10-50倍，完全能够满足在复杂条件下大规模的实时数据处理的需求。DSP芯片以其特殊的结构图像处理等需要大量实时处理数据的场合获得了广泛的应用。随着半导体制造业的发展，DSP技术能够为用户提供更高的处理速度，并朝着小型化、集成化和综合控制、智能控制方向发展自TI公司于1982年推出通用可编程DSP芯片以来，在计算机外设、通信、工业控制和精密仪器以及家用电器中获得了广泛应用。目前，频技术在各项工作和生活领域中得到广泛应 TI 公 司专 为多媒 体应用而设计的MS320DM642

14、( 简称 DM642 ) 是专用的数字处理芯片，其丰富的外围接口使得它近乎是一个 多媒 体嵌入 式系统的单芯片硬件平台，的完全可编程性， 又使其能兼容正在发展的各种多媒体信号处理标准，构成通用的软件平台，在此平台上可 开发出各种图像系统。现以DM642为基础设计一套完整的数字图像实时采集和处理系统，可广泛应用于图像识别，实时监控等各类图像信息处。1.3论文的主要研究工作和章节安排本论文共分为五章，第一章为绪论，介绍了本课题的研究背景及意义，首先对机器视觉技术、数字图像处理技术与DSP技术的概述、发展及在工业上的应用作了简单的介绍，然后最后简要介绍了本课题的来源和本文的章节安排。第二章简单的介绍

15、了DSP芯片的分类和TI公司的DSP芯片，着重介绍了DM642的特性。第三章介绍了硬件平台开发软件Altium Designer 6.0，以及原理图的绘制过程。第四章讨论了DM642硬件平台的组成模块和各个模块的电路设计与实现，并且讨论了PCB的布局和布线。第五章对本文所做的工作进行了简单的总结，并对后续的工作提出了展望。第二章 DSP芯片概述2.1 DSP芯片的分类DSP芯片，也称数字信号处理器， 是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。DSP芯片可以按

16、照下列三种方式进行分类。 1按基础特性分 这是根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类的。如果在某时钟频率范围内的任何时钟频率上，DSP芯片都能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类DSP芯片一般称为静态DSP芯片。例如，日本OKI 电气公司的DSP芯片、TI公司的TMS320C2XX系列芯片属于这一类。 如果有两种或两种以上的DSP芯片，它们的指令集和相应的机器代码机管脚结构相互兼容，则这类DSP芯片称为一致性DSP芯片。例如，美国TI公司的TMS320C54X就属于这一类。 2按数据格式分 这是根据DSP芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的DSP芯片称为定点DSP芯

17、片，如TI公司的TMS320C1X/C2X、TMS320C2XX/C5X、TMS320C54X/C62XX系列，AD公司的ADSP21XX系列，AT&T公司的DSP16/16A，Motolora公司的MC56000等。以浮点格式工作的称为浮点DSP芯片，如TI公司的TMS320C3X/C4X/C8X，AD公司的ADSP21XXX系列，AT&T公司的DSP32/32C，Motolora公司的MC96002等。 不同浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，如TMS320C3X，而有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式，如Motorola公司的MC96002

18、、FUJITSU公司的MB86232和ZORAN公司的ZR35325等。 3按用途分 按照DSP的用途来分，可分为通用型DSP芯片和专用型DSP芯片。通用型DSP芯片适合普通的DSP应用，如TI公司的一系列DSP芯片属于通用型DSP芯片。专用DSP芯片是为特定的DSP运算而设计的，更适合特殊的运算，如数字滤波、卷积和FFT，如Motorola公司的DSP56200，Zoran公司的ZR34881，Inmos公司的IMSA100等就属于专用型DSP芯片。2.2 TI DSP芯片介绍TI公司目前的主要产品有TMS320C2000系列、TMS320C5000系列、TMS320C6000系列，其中C2

19、000系列的运算速度在40MIPS(兆指令每秒)以下，片内RAM比较少，价格比较低，一般作控制用;C5000系列是16位定点处理器，速度为40200MIPS，片内RAM和ROM都比C2000大，主要用于通信、便携式信息系统等方面;C6000系列是TI公司1997年推出的高性能DSP，具有很好的性价比和低功耗，是16位定点处理器，运算速度达到1200576OMPIS，它综合了目前DSP的所有优点，尤其适用于数据量很大、对处理速度要求很高的音视频和图形/图像处理等的应用中。2.3 TMS320DM642介绍2.3.1 TMS320DM642概述TMS320C64x DSP芯片（包括TMS320DM

20、642）是在TMS320C6000 DSP平台上的高性能定点DSP。TMS320DM642（DM642）是基于有TI 开发的第二代高性能，先进VelociTI技术的 VLIW 结构（VelociTI1.2）从而使得这些 DSP芯片成为数字多媒体的极好的选择。C64xTM与C6000 TMDSP平台代码兼容。DM642 在主频720MHz下处理速度达到5760MIPS并且给高性能 DSP规划提供了物有所值的解决方案。DM642 操作灵活的高速处理器和数值阵列处理器。C64x DSP核具有 64 个32 位字长的通用寄存器和8个独立的功能单元两个结果为32 位的乘法器和 6个 ALUs是 Velo

21、ciTI1.2的升级版。VelociTI1.2升级版在8个功能单元里包括新的指令，可以在视频和图像应用方面提高性能，并能对VelociTI的并行结构进行扩充。DM642 每周期能够提供4个 16位 MACs，每秒可提供 2880百万个MACs，或者 8个8 位MACs，每5760MMACs。DM642具有特殊应用的硬件结构，片上存储器和与其它的C6000系列DSP平台相似的额外的片上外围设备。DM642是有基于2级缓存的架构并且有一个强大而多变的外围设置。一级程序缓存L1P是一个128Kbit的直接映射缓存，另一一级数据缓存L1D是两路设置结合缓存。2级存储(缓存)是有一个程序和数据共享的2M

22、bit存储空间构成。L2 存储器能被配置成映射存储器，高速缓存或者两者结合。外围设置包括：3个可配置的视频端口；1个10/100Mb/s的以太网控制器（EMAC）；1个管理数据输入输出（MDIO）；1个内插VCXO 控制接口；1个McASP0；1个I2C总线；2个McBSPs；3个32位通用定时器；1个用户配置的 16位或 32位主机接口（HPI16/HPI32）；1个 PCI；1个具有可编程中断/事件产生模式16引脚的通用输入输出口（GP0）；1个可以与同步和异步存储器和外围设备相连的64位IMIFA；DM642 具有3个可配置视频端口（VP0,VP1,VP2）。这些视频端口给公共视频编解码

23、设备提供了直接接口。DM642 视频端口支持多种分辨率和视频标准（例如，CCIR601，ITU-BT.656，BT.1120，SMPTE125M，260M，274M，296M）。这三个视频端口是可配置的，并能提供视频捕获和/或视频显示模式。每个视频端口由两个通道组成A和B，这两个通道具有一个可分的5120字节捕获/显示缓存。2.3.2 TMS320MD642的主要特点 高性能能数字媒体处理器 2-，1.67-，1.39-ns 指令周期 500-，600-，720-MHz 时钟频率 每周期执行8条 32位指令 每秒钟可执行400,480,576千万个指令 与 C64x完全兼容VelociT1.2

24、 是具有先进超长指令字（VLIW）TMS320C64x DSP核VelociT的扩展版 8个独立的功能单元 6个ALU（32/40bit），每个功能单元支持每时钟周期32 位算术操作，双 16位比特算术操作，或 4个 8 位算术操作 2个乘法器支持每时钟周期 4个 1616位的乘法（结果是 32 位）或者 8个 88 位乘法（结果是16位） 支持加载不对称存储结构 64个通用寄存器 指令打包技术，减少代码容量 说有条件指令 指令设置特点 字节寻址（8/16/32/64位数据） 8 位溢出保护 可位提取，设置，清除操作。 标准化，饱和作用，位计数 增强交互的VelociT1.2 L1/L2 存储

25、器结构 128K-Bit（16K-Byte）L1P程序缓存（直接映射） 128K-Bit（16K-Byte）L1D 数据缓存（2 路结合设置） 2M-Bit（256K-byte）L2标准映射RAM/缓存（灵活的 RAM/缓存分配） 位元组顺序:小端模式，大端模式 64 位外部存储器接口（EMIF） 无缝链接异步存储器（SRAM和 EPROM）和同步存储器（SDRAM， SBSRAM， ZBT SRAM和 FIFO）直接接口 总共 1024Mbyte可寻址外部存储空间 增强的直接存储器访问（EDMA）控制器（64个独立的通道） 10/100Mb/s以太网控制器（EMAC） 支持 IEEE802.

26、3 媒体独立接口（MII） 8个独立的发送通道和 1个接收通道 管理数据输入输出（MDIO） 3个可配置视频接口 给公共的视频编码解码器件提供一个直接I/F接口 支持多种分辨率和视频标准 内嵌VCXO控制接口 支持同步视频和音频 主机接口（HPI）32/16 位 符合 PCI接口规范 2.2 版本，32 位/66MHz，3.3V PCI主/从接口 多通道音频串行接口（McASP） 八个串行接口 多种I2S和类似比特流格式 完整的数字音频I/F发送器，支持P/DIF, IEC60958-1, AES-3, CP-430 格式 I2C总线 2个多通道缓存串行接口 3个 32位通用定时器 16个通用

27、输入输出（GPIO）引脚 灵活的 PLL时钟发生器 支持 IEEE-1149.1（ JTAG）边界扫描接口 548 引脚球栅阵列（BGA）封装（GDK和ZDK支持），0.8mm球间距 548 引脚球栅阵列（BGA）封装（GNK支持），1.0mm球间距 0.13m/6等级 CMOS工艺第三章 Altium Designer 6.0的使用3.1 PROTEL概述 PROTEL是ALTUUM公司（前身为PORTEL公司）在20世纪80年代末推出的电路行业的CAD软件，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电路设计者的首选软件。它较早在国内使用，普及率也最高，有些高校的电路专业还专门开设了课程来学习

28、它。早期的PROTEL主要作为印刷板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行。它的功能较少，只有电原理图绘制与印刷板设计功能，印刷板自动布线的布通率也低。现在的PROTEL已发展到Altium Designer 6.0的使用，是个庞大的EDA软件，是个完整的全方位电路设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计（包含印刷电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD

29、、PSPICE、EXCEL等。使用多层印制线路板的自动布线，可实现高密度PCB的100布通率。下面简要的介绍一下Protel这个软件的发展历史。随着计算机业的发展，从80年代中期计算机应用进入各个领域。在这种背景下，87、88年由美国ACCEL Technologies Inc推出了第一个应用于电子线路设计软件包TANGO，这个软件包开创了电子设计自动化（EDA）的先河。这个软件包现在看来比较简陋，但在当时给电子线路设计带来了设计方法和方式的革命，人们纷纷开始用计算机来设计电子线路，直到今天在国内许多科研单位还在使用这个软件包。随着电子业的飞速发展，TANGO日益显示出其不适应时代发展需要的弱

30、点。为了适应科学技术的发展，Protel Technology公司以其强大的研发能力推出了Protel For Dos作为TANGO的升级版本，从此Protel这个名字在业内日益响亮。 八十年代末，Windows系统开始日益流行，许多应用软件也纷纷开始支持Windows操作系统。 Protel也不例外，相继推出了Protel For Windows 1.0、Protel For Windows1.5等版本。这些版本的可视化功能给用户设计电子线路带来了很大的方便，设计者再也不用记一些繁琐的命令，也让用户体会到资源共享的乐趣。 九十年代中，Win95开始出现，Protel也紧跟潮流，推出了基于Wi

31、n95的3.X版本。3.X版本的Protel加入了新颖的主从式结构，但在自动布线方面却没有什么出众的表现。另外由于3.X版本的Protel是16位和32位的混合型软件不太稳定。 98年，Prote公司推出了给人全新感觉的Proel98。Protel98以其出众的自动布线能力获得了业内人士的一直好评。 99年，Protel公司又推出了最新一代的电子线路设计系统Protel99。在Protel99中加入了许多全新的特色。 2000年，Protel Technologies公司兼并例了美国著名的EDA公司ACCEL（PCDA），并随后推出了Protel99 SE。 2001年，Protel Technologies更名为Alitium公司，并于2002年推出了Protel DXP，而且不断升级。2004年Alitium公司推出了Protel系列的Altium Designer 6.0。2005年Altium 公司推出Protel系列的最新高端版本Altium Designer 6.0总之，Protel是Altium公司推出的优秀的电子设计自动化（EDA）设计工具软件，经过不断的更新和优化，它现已具有集原理图设计和FPGA的前端设计输入；功能强大的PCB板极设计；智能的拓扑逻辑自动布线器；完全兼容SPIC