DSP图像处理系统与PC机高速通信电路设计

王 勇，孙向文，杨 雷

(河南科技大学a.电气工程学院;b.信息工程学院，河南洛阳471023)

某图像信息处理板(简称图像板)，主要用于图像数据的转换与输出，并根据图像格式提取目标的个数、大小、坐标、边界、运行轨迹等信息，进而将这些信息上传给PC机进行记录和分析。图像板以DSP为核心进行设计，每隔1 ms处理一次信息并生成大小为200个字(16 bit)的一组数据。要将上述处理结果上传给PC机，并考虑数据间隙，通信比特率必须大于3.2 Mbit/s。

PC机常用的高速通信接口有网口和USB口，采用这两种方式与DSP通信时，硬件上需要额外的接口电路，软件上需要编写接口电路的固件程序、驱动程序，上位PC机识别端口时需要调用相应的Windows API函数，对开发人员技术能力要求较高，开发周期相对较长［1］。而高性能的双口RAM无论是在并行处理网络中的数据共享，还是在流水线方式的高速数据传输方面，均能发挥重要作用。以双口RAM为核心设计接口电路，并与高速数据采集卡配合，构成高速数据传输介质，可以实现DSP图像处理系统与上位PC机之间的高速通信，且方法通用易行，可靠性高［2－3］。

1 系统组成及工作原理

基于双口RAM的DSP与上位PC机高速通信系统由4部分够成:DSP系统、接口电路、高速PCI数据采集卡以及上位PC机，具体结构如图1所示。接口电路以双口RAM、高速单片机为核心进行设计，用于识别和控制通信起始、数据暂存和电平转换;高速数据采集卡选用通用型PCI高速数字量卡，用于将接收到的并行数据转换成通用PCI通信方式，便于上位PC机软件接收。其中，为缩短线长，保证通信可靠性，可以将DSP系统与接口电路放在同一块电路板上。

图1 系统组成框图

2 基于双口RAM的接口电路设计

接口电路的功能主要有以下3点:1)由于DSP为+3.3 V供电，所选数据采集卡额定的数字高电平为+5 V，因此接口电路需要实现+3.3 V到+5 V的电平转换。2)图像板每次处理完数据后以中断方式通知上位机开始上传数据，因此接口电路需要准确识别图像板发出的中断信号，以便控制通信的起始。3)上位PC机软件运行于操作系统之上，其语句延时精度不高，通过编程让上位PC机软件直接控制地址线、数据线端口读取DSP存储单元的方式，效率低，涉及方法复杂。而接口电路可以将图像板上传的数据进行整体暂存，然后上位PC机通过操控PCI数据采集卡，以固定的方式高效读取数据。

2.1 接口电路硬件设计

接口电路的硬件构成如图1所示。双口RAM用于实现DSP与后续高速单片机的数据共享，设计中选用IDT公司的IDT70T633芯片，其左口与DSP连接，右口与单片机连接。高速单片机用于控制双口RAM识别通信起始、读取数据，并以并行方式转发给后续的PCI数据采集卡，设计中选用Silicon Laboratories公司的C8051F120，该单片机执行速度最高可达100 MInstruction/s(兆指令/秒)，有64个通用I/O口，能够很好满足设计需要，其端口分配如表1所示。电平转换芯片用于将+3.3 V的DSP数据转换成+5 V的标准TTL电平，设计中选用16位总线驱动器SN74ALVC164245。

表1 设计中C8051F120单片机的端口分配

2.2 双口RAM工作方式

接口电路设计的核心在于对双口RAM芯片IDT70T633的有效控制。双口RAM除了数据存储功能外，还提供2套完全独立的端口，每套端口分别有自己的控制线、地址线和数据线，允许双端口同时读写数据。IDT70T633是一款高速512 k×18位的双口RAM，存储空间同样为左、右两套端口所共用，带片内总线仲裁电路，适用于两控制器之间大量数据的快速双向传递。当IDT70T633的两套端口同时对同一存储单元进行读写时，会导致数据破坏或丢失。为了防止这种情况发生，IDT70T633有2种仲裁方式。1)使用BUSY控制线:当左右端口对同一存储单元操作时，先发出请求信号的一端对应的BUSY线为高，允许读写，另一端口的BUSY线为低，处于等待状态，禁止读写。插入等待状态会降低数据传输速率，对于高速通信通常是不可接受的。2)中断方式:IDT70T633左右两端各有一条中断信号线，7FFFEH和7FFFFH存储单元为中断响应单元。当左方对7FFFFH存储单元写入数据时，右方产生中断信号(INTR置低);右方从7FFFFH存储单元读取数据时，右方的中断信号被撤除(INTR置高)。当右方对7FFFEH存储单元写入数据时，左方产生中断信号(INTL置低);左方从7FFFEH存储单元读取数据时，左方的中断信号被撤除(INTL置高)。可见，可以通过中断响应单元的读写操作来实现双口RAM两侧电路单元的实时高速通信［4－5］。

2.3 接口电路软件设计

设计中，采用双口RAM的中断仲裁方式，不仅能有效避免左端DSP与右端单片机对同一RAM地址的争用问题，而且可以实现二者之间的高速通信［6］。具体通信过程如下:DSP处理完图像信息后，将生成的数据从左口存入双口RAM，并将最后一个字节数据存入7FFFFH存储单元，从而在双口RAM的右口产生中断信号，通知单片机已写入数据;高速单片机检测到中断信号后，启动中断程序，从约定地址读取数据，经电平变换后上传给上位PC机，读取到7FFFFH存储单元后，清除右侧中断信号，此次通信结束。因为数据的写入与读出均采用并行方式，通信速度完全由DSP和高速单片机的指令执行速度决定，具体软件流程如图2所示。

3 高速PCI数据采集卡的应用

高速PCI数据采集卡选用国产阿尔泰PCI2510高速数字量输入输出卡。PCI总线是一种连接电子计算机主板和外部设备的总线标准，带宽为132～264 Mbit/s，具有兼容性好、自动配置、扩展性好、中断共享等特点。阿尔泰PCI2510卡可直接插在IBM－PC/AT或与之兼容的计算机内的任一PCI插槽中，具有32个与TTL兼容的高速通道和16 byte的板载FIFO存储器，DMA传输模式，最大传输速率可达120 Mbit/s。该卡可通过普通模式或握手模式接收外部数据输入，设计中选用普通模式。在该模式下，PCI2510能随启动信号(start signal)开始从外部设备传输数据到板卡，也能随停止信号(stop signal)停止数据的输入。当启动信号到来时，PCI2510将在下一时钟周期(见图3中A点处)开始接收外部数据，当停止信号到来时，PCI2510将在下一时钟周期(见图3中B点处)停止接收外部数据，控制时序如图3所示。上位PC机操作软件界面采用NI公司的Labwindows/CVI开发平台进行设计，具体程序代码这里不再赘述。

图2 接口电路程序流程

图3 PCI2510卡控制时序(截图)

4 结论

基于双口RAM，配合单片机、电平转换驱动器以及PCI数据采集卡，设计的DSP图像处理系统与上位PC机高速通信电路，已经在某光电信息处理平台和相应的测试设备中得到应用，完全能够达到每1 ms传输200个字的通信速度要求，并且运行稳定。这种设计方案具有通用性，可以为单片机、ARM或FPGA等嵌入式系统与上位PC机之间的高速数据传输提供借鉴。

［1］冷佳鹏，刘文怡.基于USB总线的多通道数据采集系统设计［J］.电子技术应用，2012，38(12):11－16.

［2］ LIBo，LIUQingjian，QIAO Zhifeng，et al.An interface design of communication between PC104 and DSP based on dual－port RAM［J］.Applied Mechanics and Materials，2012，141(1):198－202.

［3］章筱静，陈明，瞿赟.双口RAM在航空发动机参数采集系统中的应用［J］.计算机测量与控制，2007，15(9):1250－1252.

［4］ DAVE B .Dual－port RAM delivers18 Mbits And 72－bitwide ports［J］.Electronic Design，2003，51(19):34.

［5］ ZHOU Rigui，HU Jingchun，YE Shuisheng，etal.Application of fixedpoint DSPand 16－bit parallel output A/D and dual－port RAM［J］.International Symposium on Test and Measurement，2003(1):573－576.

［6］ CHEN Zhanlun，OUYANG Sen，SHIYili.Design of a power qualitymonitoring device based on dual－CPU［C］//Proc.2012 International Conference on Control Engineering and Communication Technology，2012.［S.l.］:IEEE Press，2012:192－196.