[发明专利]嵌入式实时图像处理平台装置

说明书

技术领域

本发明属于数字信号处理装置领域，具体涉及一种嵌入式实时图像处理平台装置，可用于多种应用背景下数字图像处理方法的研究、测试和开发。

背景技术

嵌入式系统是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适用于系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。进几十年来嵌入式技术发展非常迅速，越来越多的图像处理问题、实时控制问题等都可以在嵌入式系统中得以实现。嵌入式系统能够得到迅猛发展的原因除了它的体积小之外，最重要的还有伴随嵌入式系统应运而生的嵌入式实时操作系统，操作系统方便了嵌入式系统开发者的软件编写工作，同时在多任务、多中断环境中显示了强大的优势。

实时系统是指对于外来信息能够及时进行处理，并在控制对象允许时间范围内做出快速反应的系统。实时系统对响应时间的要求更高，逻辑和时序出现的偏差将会引起严重的后果。实时图像处理与一般信号处理系统的差别在于需要处理的是大流量的二维数据，这也意味着硬件系统必须具有高速的数据处理能力和数据传输能力。在有限体积下提高系统计算能力的一个途径是采用高性能DSP计算芯片，而我国在军事、宇航应用中，受到封锁，能够获得的适应环境需要的计算芯片落后于需求。提高计算能力的另一个途径是在体积、核心芯片选定的情况下，通过系统结构的设计提高系统的计算和通信效率，硬件平台的计算结构与算法的计算结构相适应，二者完全匹配时，计算效率最高。

基于ARM核的微控制器被认为是目前世界上最先进的微控制器，它在监视控制、人机接口、支持实时操作系统等方面拥有强大的功能。其指令密度相对其他RISC机器更大，存储器的利用率很高，芯片结构相对简单，体积和功耗都很小，能很好地支持高级语言的开发，但其数字信号处理能力和速度相对于DSP要显得有限。而DSP在声音、视频、图像等数字信号处理方面的能力也是微控制器无法比拟的。ARM和DSP，各有千秋，各有不足。因此，在嵌入式实时处理系统中，采用ARM+DSP的结构组合，可以充分发挥两种处理器的优势。其中，ARM作为主处理器，负责任务管理、输入输出，控制外部设备，运行操作系统；而DSP作为从处理器，仅仅负责快速的数据运算处理；两个处理器核之间通用共用部分存储器或使用通信接口进行交互。此外，大规模场可编程门阵列FPGA，因其出色的并行处理能力和灵活的逻辑设计能力，可作为辅助计算资源或完成辅助的控制功能。

目前出现的这类技术较多，如华东交通大学信息工程学院的邓海峰、袁可风等人在《一种嵌入式图像处理平台的设计与实现》(计算机应用，2005，25(3)：1001-9081)中以开放式、平台化的指导思想，设计了一个以DSP和ARM为核心处理器的嵌入式实时多路图像处理开发平台，但是该系统的计算能力有限且不具备扩展能力；华中科技大学图像识别与人工智能研究所的颜路新、张天序等人在《用FPGA实现互连的多DSP并行系统结构》(系统工程与电子技术，2005，27(10))中介绍了采用基于FPGA实现互连的多DSP并行结构，但其互连结构采用静态连接方式，系统不具有动态可重构特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种嵌入式实时图像处理平台装置，将硬件平台与操作系统结合，在通用控制平台上实现多种接口功能和数字信号的高速计算，成为模块化、可重构、可扩展的嵌入式开发平台。

本发明的一种嵌入式实时图像处理平台装置，利用ARM实现系统控制、DSP实现计算处理、FPGA实现计算结构可编程，包括接口模块、控制模块、计算模块、扩展模块、JTAG接口模块和电源管理模块，接口模块包括音视频等多种输入输出接口，控制模块运行操作系统进行系统的管理和监控，计算模块利用多个DSP进行高速计算，扩展模块用于叠加子处理板以增加计算模块来增强系统的计算能力，JTAG接口模块用于系统调试，电源管理模块提供了整个系统的供电方案；系统的原始数据来自于外部成像器等A/D模块，在控制模块的管理和调度下，原始数据经输入接口输入，然后传输到计算模块进行高速处理，处理后的结果数据输出到控制模块进行存储或经输出接口进行显示；其特征在于：

(1)接口模块上实现了丰富的外设接口，包括2路视频输入接口、1路静态图像输入接口、3路输出显示接口、音频输入输出接口、USB接口、UART串口、网口和SD卡接口；

(2)控制模块在ARM核上运行嵌入式操作系统，负责整个系统的资源管理，包括中断资源、总线资源、存储器资源，并在各个外设和计算模块之间实现数据流的传输控制；

该控制模块包括数据输入单元、数据输出显示单元、音频处理单元、通信单元和控制总线：