摘要：本文介紹了一種利用DSP處理DM642、CPLD及USB芯片等器件構造的帶有USB接口的圖像采集和處理系統。設計了USB通信接口的硬件電路,在DSP/BIOS架構上編寫了USB的固件程序和主機端的設備驅動程序。該系統可用于香煙包裝流水線上的條包檢測等對生產速度要求較高的工業流程領域。
1 引言
目前國內各大煙草制造企業的香煙包裝都是在高速流水線上進行的，設備自動化程度 高，機械和電氣控制復雜，生產中經常產生包裝不合格的產品。目前的解決方法主要是通過 采集卡將煙包圖像傳輸到工控機中，應用圖像處理技術[1]，檢測出不合格的產品。這是一種 PC-based 的檢測方法。現有的采集卡一般不具備圖像處理的能力并且多是PCI 接口，存在 安裝和使用不方便，不支持熱插拔等問題。
本文提出了一種應用TI 公司高性能DSP 處理器TMS320DM642，視頻解碼器和Altera 新推出的CPLD EPM240 組成的嵌入式的具有初步圖像處理功能的采集系統[2]。應用USB 接口將檢測到的不合格產品圖像信息實時傳輸到工控機上，供生產人員做進一步分析和統計 包裝中出現的問題，以及時對生產設備進行維護，降低企業生產成本。
2 系統設計
DSP 處理器[3]的視頻口接收視頻解碼器輸出的視頻數據，采集一幀圖像，通過EDMA[4] 將緩存在視頻口FIFO 中的數據搬移到SDRAM 中。經過圖像處理判定有無反包，拉線錯位 及破損等錯誤。若要剔除煙包，工控機發出讀請求喚醒USB 芯片EZ-USB SX2（CY7C68001） [5]，DSP 啟動EDMA 將SDRAM 中的圖像傳輸到USB 的FIFO（EP6）中。系統框圖如圖1 所示。
DM642 是TI 公司推出的一款面向多媒體應用的定點數字信號處理器，設計主頻為 500～ 720MHz，采用C64x 內核，2 級存儲器結構，同時片上還集成了視頻口(VP)，外部 存儲器接口（EMIF）等豐富的資源。DM642 特有的EDMA 負責片內L2 存儲器與其他外設 之間的數據傳輸。EPM240Z 是Altera 最新推出的MAX II Z 系列CPLD。該系列采用非易失 的嵌入Flash 工藝，以及創新的查找表(LUT)邏輯結構，突破了傳統宏單元器件的成本和功 耗限制。在MAX 系列基礎之上，功耗只有十分之一，而容量增加了四倍，性能提升了一倍。
EZ-USB SX2（CY7C68001）集成有USB2.0 收發器，串行接口引擎SIE，4KB 的FIFO， 可以選擇的8 位或16 位總線方式。片上SIE 能完成大部分的USB 協議操作，簡化了用戶設 置代碼，但由于其內部不含微處理器，應用層協議由DSP 編程實現。
3 USB 通信接口硬件設計
系統中將 SX2 配置在DM642 的CE1 空間，四個端點（EP2,EP4,EP6,EP8）的地址空 間是0xA0000000~0xA0001BFF。控制接口（EP0）的地址空間為0xA0002000~0xA000203F。 CY7C68001 與DSP 之間使用異步讀寫方式完成二者之間數據和命令的交換。中斷信號占用 DM642 的外部中斷EXT_INT5，四個狀態信號（READY、FLAGA、FLAG 和FLAGC）和 喚醒信號分別配置在EPM240G[6]中的USB 狀態寄存器（USB_STS）和USB 喚醒積存器中 (USB_WAKEUP) 。EPM240G 占用DM642 的CE1 空間， 地址范圍是 0x9A080000~0x9A080020。接口電路如圖2 所示。
主要接口信號包括控制信號，數據總線和地址總線。
控制信號： USBINT：中斷信號。由SX2 提供，SX2 有六個中斷源，中斷發生時，DSP 讀數據總線， 獲取中斷標志位判斷具體哪個中斷發生了。
FLAGA，FLAGB，FLABC：狀態信號。由SX2 提供，分別反映當前選中的FIFO 的狀態，可編程，滿，空。
CE1，CE2：片選信號。由DSP 提供，選中CE1 或CE2 空間。
OE，RE，WE：輸出允許信號，讀使能信號，寫使能信號。由DSP 提供。
地址總線：
AEA22，AEA[15..13]，AEA[7..3]：地址總線。由DSP 提供，設定外設地址。
4 USB 通信接口DSP 端軟件設計
DSP 圖像采集與處理系統的軟件包括設備驅動和客戶應用程序。系統軟件是在TI DSP/BIOS 操作系統的基礎上開發的，如圖3 所示。DSP/BIOS 是整個DSP 系統軟件的核心， 各底層設備驅動程序完成硬件的驅動與管理，并對上層提供統一的接口；各應用任務模塊完 成相應的應用功能，并由DSP/BIOS 提供實時任務調度與操作系統的支撐。VP driver、USB driver[7]分別是DM642 視頻口和與SX2 通信的EMIF 口的底層驅動，完成對相應硬件外設的 硬件抽象與配置管理。
DSP/BIOS[8]中的設備驅動程序由兩層組成，上層是類驅動（Class driver），其典型功能 是提供多線程的串行化與服務請求的同步，另外還要處理設備實例的管理。這一層與驅動無 關，它是DSP/BIOS 本身所集成的一部分模塊，主要包括SIO、PIP 及GIO 三種類驅動模型， 本系統采用的是GIO 類驅動。下層是微驅動程序（Mini driver），GIO 類驅動使用與具體設 備相關的微驅動程序來操作SX2，以實現主機應用程序圖像發送與接收的功能。微驅動程序 對SX 的配置過程見圖4。
5 USB 通信接口主機端驅動程序設計
與傳統的 PC 總線（如PCI 總線）設備的驅動程序相比，USB 設備驅動程序不直接與硬 件對話。這些工作由微軟提供的USBD.SYS 來完成。USB 設備驅動程序的主要工作就把客 戶軟件的請求翻譯成USBD.SYS 能執行的事務。USB 設備驅動程序主要完成以下功能：發 現、配置、關閉USB 設備。
USB 設備驅動程序向主機應用程序提供函數接口，如像Ezusb_Creat()，Ezusb_Close() 等函數。應用程序調用函數Ezusb_Create()，返回唯一的Windows 句柄后，才能調用驅動程 序的其他函數。應用程序通過調用標準Win32 API 函數CreateFile()來實現對Ezusb_Create() 的訪問。 控制與數據傳送接口。應用程序使用 API 函數DeviceIoCONtrol()來執行這樣的操作。 驅動程序將這個函數調用轉化為一個帶IRP_MJ_DEVICE_CONTROL 功能碼的IRP。像讀取與寫 入FIFO 數據、endpoint0 的操作均是通過異步IO 的方式來完成的。
6 結論
本文所設計的帶有 USB 接口的DM642 圖像采集與處理系統，一方面充分利用了DM642 的強大處理能力和豐富的外設功能，另一方面使用了新架構的MAXIIZ 系列CPLD 有效的 降低系統的功耗。軟件方面，以DSP/BIOS 為核心，實現了USB 的固件程序，并在主機端 開發USB 的設備驅動程序。該嵌入式圖像采集與處理系統針對香煙生產流水線上的包裝檢 測而設計，基本上滿足香煙條包在線檢測的需要。