基于PCI總線的電視圖像處理仿真系統

隨著電視圖像處理系統性能的提高，設計人員需要不斷采納新的數字圖像處理算法，如何對這些新算法進行評估，如何將理論設計轉化成工程應用成為設計人員關心的首要問題。

實現電視圖像信號處理需要設計一套復雜的電路系統，且硬件電路的設計應綜合考慮高速DSP芯片的開發、超大規模集成電路設計、視頻轉換、接口等復雜電路。設計印刷電路板和調試將占用設計人員較多的工作時間，較長的研制周期和較高的研制經費均不利于圖像處理新思路、新算法向工程應用的轉化。仿真系統能較大程度降低硬件電路設計的復雜性，縮短研制周期，有利于科研設計人員集中精力對新算法進行評估和測試。

能否實時采集和實時處理電視圖像信號是設計仿真系統的關鍵問題。鑒于微型計算機運算速度的提高和PCI總線的高速特性，基于PCI總線設計電視圖像處理系統的實時仿真系統成為了可能。本系統使用微型計算機仿真電視圖像處理系統來對圖像進行處理，使用PCI插卡電路，實現圖像數據采集數據的實時采集和發送。PCI總線的發展，打破了傳統微型計算機數據傳送的瓶頸，傳統微型計算機總線的最大缺點是傳輸速率太低，不能實現圖像數據的實時傳輸，更不能滿足圖像處理系統和大型應用程序的要求。PCI總線作為一種同步，且獨立于處理器的32位局部總線，其最高工作頻率為33 MHz，數據傳輸峰值吞吐率可達132Mb／s。因而用PCI總線傳送1場(256×256×32位數據)信號的時間不大于20 ms。由于電視信號存在空間和時間上的冗余，如對信號進行壓縮，則傳送一場信號所需的時間將會更短。因此，在仿真系統中，利用PCI總線將數據圖像信息直接傳輸到系統內存中，對數據進行實時傳輸、存儲和處理是可能的。

1 系統的結構與功能

由于采用了微型計算機作為數據處理系統，因而可使硬件電路設計的工作量大大降低，仿真系統僅需要設計一PCI插卡，就可實現圖像數據的適時采集和處理。系統的原理框圖如圖1所示。

采用PCI總線視頻處理卡對圖像進行預處理和視頻A／D轉換，再通過PCI總線將數字圖像信息寫入計算機系統內存，使用高級語言編程，實現數字圖像的預處理、分割、目標圖像處理、匹配等算法。

2 PCI總線視頻信號處理卡

PCI總線視頻處理卡由模擬視頻信號處理、視頻信號A／D轉換、PCI總線數據采集和信號傳輸等部分組成。

2．1 視頻處理和視頻A／D轉換

視頻信號經過電纜傳輸后有一定的衰減并且迭加上噪聲信號，對A／D轉換前的原始視頻信號進行放大和濾波處理，可以有效增強視頻信息，降低噪聲干擾。視頻A／D轉換芯片可供選擇的種類比較多，如SAA7111，BT218等。

2．2 PCI總線數據采集和信號傳輸

PCI總線是成組數據的瘁發傳輸，每組數據是由一個地址信號和一系列的數據信號組成，PCI總線采用地址和數據復用結構，大大減少了信號數量，但PCI總線規范仍然十分復雜，其接口的實現比傳統ISA、EISA總線困難，連接到PCI總線上的設備可分為主控設備和目標設備兩類，目標設備最少需要47個信號，主控設備最少需要49個信號，其中包括數據／地址復用總線、接口控制線、仲裁、總線命令、系統線等。在設計中，可采用以下兩種方案實現PCI總線的接口設計：

2．2．1 采用可編程邏輯器件實現PCI接口設計

目前幾乎所有的可編程邏輯器件廠商均有用于微型計算機接口的典型的PLD產品。多數廠家還提供用VHDL、Verilog、AHDL編制的PCI總線接口核心設計模塊。利用這些模塊可編程邏輯器件可以實現簡單的PCI總線接口設計。由于可編程邏輯器件自身的特點，設計人員實現PCI接口設計時有更多的思維想象空間。

雖然使用可編程邏輯器件設計PCI接口具有靈活的特點，但在設計中仍存在以下需要關注的問題：

(1)PCI具有順從性的特點，幾乎所有包含高性能數據和控制路徑中的邏輯都需要1個PCI系統時間的拷貝，這與PCI苛刻的負載要求相矛盾。另外，在完成某些功能如數據突發傳送時，往往需要很多時鐘負載，而時鐘上升沿到輸出有效時間必須小于11 ns，這進一步加重時鐘扇出問題。

(2)PCI規范對傳輸數據的7 ns建立時間要求苛刻，有時在設計中要使用模擬延遲來解決。

(3)任何完善的PCI接口器件都必須提供PCI配置空間，實現PCI規定功能需要完成邏輯校驗、地址譯碼、實現配置所需的各類寄存器等基本要求，選用的可編程器件對其邏輯門的容量有較大的要求。

此外，在使用可編程邏輯器件設計插卡電路時還需加入FIFO、用戶寄存器、后端設備接口等電路，在一定程度上增大了電路設計的難度。