基于DM642的桥梁缆索表面缺陷图像采集及传输系统设计

作为斜拉桥主要受力构件的桥梁缆索，由于其长期暴露在大气之中，表面会受到严重的破坏。因此对桥梁缆索表面缺陷进行检测至关重要。目前国内的人工检测方法费时费力、安全隐患大，因此，迫切需要研制一种智能型桥梁缆索表面缺陷检测系统。
1 系统总体硬件设计及工作原理
    德州仪器公司(TI)推出的TMS320DM642(简称DM642)是专门用于数字媒体应用的TMS320C6000家族中性能最高的定点DSP（最高工作频率可达720 MHz，处理能力可达5 760 MIPS），具有极强的单核处理能力以及高度的灵活性和可编程性。该芯片除了极强的处理能力外，还具有两级高速缓存L1 Cache和L2 Cache；64 bit的EDMA控制器，负责片内L2Cache与其他外设之间的数据传输； 64 bit EMIF(外部存储器接口)可以方便地与SDRAM、FLASH和UART实现无缝连接；3个视频专用端口(VP0、VP1、VP2)，可分别配置为2路，最多可实现6路视频采集；支持PCI、HPI、IIC和EMAC（以太网），通信便利。其视频的编解码均支持NTSC/PAL制式，适用于音视频数据的采集和传输、图像处理、机器视觉、多媒体通信应用等高速运算领域[1，2]。
    基于DM642的桥梁缆索表面缺陷检测系统主要由以下几大模块组成：图像采集模块、数据及程序存储模块、图像处理模块、图像传输模块、系统控制模块以及接收模块等。其主要硬件组成为：3路CCD摄像头、3个图像采集的A/D转换芯片SAA7113、高速图像采集及处理的DSP芯片DM642、图像数据存储器SDRAM、程序存储器FLASH、系统控制模块CPLD芯片EPM3128A、网络化传输芯片LXT971A、地面接收机（PC）以及其他功能模块等。其硬件框图如图1所示。

    系统工作原理为：3路模拟视频经图像传感器（CCD）输入，经过3路A/D转换芯片SAA7113转换为数字信号，经过核心芯片DM642的视频输入口(VP0、VP2)进入DM642的FIFO(先入先出缓存器)，再传输到DM642片外的同步动态存储器中；通过DM642的压缩编码经以太网口(EMAC)以及物理层收发芯片LXT971A传输到地面服务器(PC)。PC机接收到图像数据后，便进行图像的解码，并在屏幕上显示，通过图像处理算法实现缺陷检测。
    本系统选用ALTERA公司MAX3000S系列中的CPLD芯片EPM3128A进行控制。CPLD与DM642、SAA7113、LXT971A、SDRAM、FLASH之间均使用通用可编程的I/O口相连，进行图像采集控制、图像数据的重抽样、地址译码、图像传输控制等，以满足本系统时序复杂、逻辑控制精确、可靠采集和传输等要求。
1.1 图像采集模块
    由于缆索表面近似为圆柱形，系统中沿缆索机器人均匀布置3个CCD(每个CCD之间的夹角为120°)采集同一时刻缆索表面一周的图像。而DM642配置有3个专用的视频端口，每个端口可分别配置为2个通道，最多可实现6路视频的采集，故能满足本系统的要求。
    为了同时支持3路视频信号的采集，本系统中DM642的视频口0（VP0）分成A、B 2个通道，分别作为2个8 bit的视频输入接口；视频口2（VP2）选用A通道作为8 bit的视频输入口，这样便实现了3路视频信号的采集。
    系统的图像采集模块主要由：3路视频输入、3路视频A/D转换芯片SAA7113、视频端口的FIFO、I2C总线、同步动态存储器组成。
    经摄像头(CCD)输出3路复合视频信号(CVBS)，采用SAA7113专用视频解码芯片完成视频信号解码和转换功能[3，4]。在数字化过程中，由DM642的I2C总线进行控制，其输出格式可由I2C初始化其寄存器来设置。由于DM642的视频输入口只能接收标准的BT656-YUV4:2:2（8 bit）信号,故在I2C初始化时设置SAA7113的数字化输出格式为BT656的格式，可通过写IIC的寄存器来实现。进入视频端口的数据通过CPLD进行数据格式的转换(Y:U:V 4:2:2转换为4：2：0)，当内部FIFO缓存器满时，产生中断，DM642通知EDMA（增强直接存储器存取）控制器通过EDMA方式将图像数据存储到SDRAM(同步动态存储器)中。
    由于DM642的视频口VP0分成2个8 bit的通道A、B，所以SAA7113和DM642的连接方式只能采用最简连线的BT656的方式，即不需要水平、垂直、场同步信号线。图2所示为VP0端口的一路视频输入电路图，其他2路与该路基本相同。

其中：输入视频经过J5接口的信号线3、上拉电阻(18 Ω)以及电容(47 nF)，与SAA7113的模拟输入端AI22直接相连；VP0[0-7]为SAA7113的数据输出管脚,与DM642视频口0中的VP0D[2-9]管脚相连；时钟同步信号LLC与DM642视频口0的VP0CLK0相连；SCL和SDA作为I2C接口的时钟线和数据线，分别与DM642的I2C总线接口的时钟和数据线SCL0、SDA0相连；TRST作为复位信号与DM642的复位信号RESET相连；XTAL与XTAL1的管脚间接24.576 MHz的晶振，在VDDA1管脚上提供+3.3 V的电压供电，供芯片正常工作。
1.2 图像存储模块
    (1)SDRAM
    DM642芯片内部只集成了256 KB的RAM，因此需要在外部存储器接口(EMIF)上扩展存储空间。DM642的EMIF为64 bit的数据总线接口，工作的最高频率为133 MHz，分为4个存储空间(CE0-CE3)，每个有256 MB的寻址空间。它在CE0空间提供了64 bit的SDRAM接口总线(无缝连接)，分配给外扩的SDRAM使用[5-6]。本系统采用了2片32 bit的HY57V283220T-7 SDRAM芯片(为了符合64 bit的接口，必须采用2片32 bit的SDRAM)，在片外扩展32 MB的动态存储空间。
    SDRAM在CE0空间的具体定位为：0X80000000-0X81FFFFFF。输入模拟视频经数字化后进入视频端口的BT656(Y:U:V 4：2：2)数据流，以便于图像的压缩编码。在CPLD控制下实现图像数据的重抽样，之后通过EDMA的方式存储到SDRAM中。
    (2)FLASH
    本系统采用4 M×8 bit的AM29LV320D映射到CE1的低地址空间,用来存储程序，实现系统的自启动。它在CE1空间的具体定位为：0X90000000-0X9007FFFF。DM642的CE1空间被配置成8 bit，以适应自启动要求。4 MB的存储空间需要22根地址线来寻址,而DM642的EMIF口可用地址线只有20条。其中FLASH的最高2根地址线由DM642的GPIO中的GPIO1、GPIO2来模拟地址线，从而实现FLASH的页选。系统BOOT LOADING时，先从第一页拷贝1 K的启动代码到DM642，完成芯片初始化，控制GPIO1、GPIO2口线的组合，完成余下代码的导入。
1.3 图像传输模块
    在所设计的系统中，3路CCD采集的缆索1周的图像，经数字化后同时送入DM642的视频端口，并且随着缆索爬升装置的爬升，不断重复采集。采集的图像数据量很大，持续时间较长。如果DM642通过图像处理算法，实时检测图像的缺陷，便要运行大量的算法程序，这就给DM642造成了很大的负担，因此本系统DM642只是对采集的图像数据进行压缩编码，并实时传输到地面的服务器（PC），具体图像识别算法在PC机上进行，这就大大减轻了DM642的负担，提高了DM642实时采集、传输的效率。
    鉴于高速、大量图像数据的采集，系统采用DM642的网络接口实现传输。该系统中图像分辨率为720×576，帧频为25帧/s，采用H.263压缩编码算法，压缩比可达100：1，即数据流可压缩为：3×720×576×8×25÷100=2 488 340 b/s，约为2 500 kb/s。考虑到以太网传输，数据传输包头、包尾等附加数据，系统最大数据流为3 000 kb/s=3 Mb/s，而选用的网络接口芯片的传输速度为10 Mb/s，故可以实现图像数据的实时处理与传输。
    EMAC提供了数据链路层的功能[7]，所以只需要利用一块物理层的网络芯片——以太网PHY收发器LXT971ALC转换信号，经网络变压器与Internet相连，从而把采集到的图像数据发送到地面服务器(PC)，硬件连接电路图如图3。其中：DM642的各信号线与PHY网络收发器芯片LXT971ALC的对应信号线直接连接，输出数据经网络变压器13F-60LDNL以及RJ45接口连接到Internet上，从而发送到PC机。图3中DM642的各信号线说明如表1。

2 系统软件设计
2.1 系统主程序设计
    本系统的软件是在TI公司提供的集成开发环境CCS下开发的。通过XDS510 USB2.0仿真器，将在PC上CCS环境下编写、调试完成的程序烧入DM642的FLASH中，便可以在DM642上电后自动运行执行程序，实现图像的采集、处理与传输，达到缺陷检测的目的。
    本系统的主程序完成各种寄存器的初始化工作、实时采集并存储摄像机传送来的视频图像，经过DM642的压缩编码，通过网口发送采集的图像数据，通知CPLD继续下一次采集直至检测结束。软件设计流程如图4所示。

    具体工作过程为：上电后系统程序自动从FLASH装载到DSP的片内RAM中，装载完毕，DM642自动调用程序RAM中的代码执行。首先通过I²C总线对A/D芯片SAA7113的工作参数进行设置，在图像采集控制电路(由CPLD实现)的作用下，SAA7113按设定的工作参数获取图像(本系统设定的数据输出流为BT656格式即：Y:U:V 4:2:2)，地址译码电路（由CPLD实现）将数字图像数据重新抽样后存储在片外数据存储器SDRAM中，经DM642实时压缩处理后，通过网络芯片接口，TCP/IP协议传输到地面的服务器（PC机）。PC机收到图像信号后进行图像解码，在屏幕上显示并将其保存以供后续的图像处理使用。不断重复上述操作，直至检测完成，便可实现图像的实时采集与传输。
2.2 图像压缩算法设计
    视频图像只有通过压缩后才能正确地通过网络传输。本系统的图像压缩采用H.263数字图像压缩算法，由信号处理器DM642来完成。H.263压缩以帧内变换与帧间预测相结合的混合编码技术为核心，适合视频流的实时网络化传输，比H.264算法成熟、稳定，且实现简单。
    由于H.263压缩标准只需要CIF格式(Y:U:V 4∶2∶0)的视频图像,故需将数字化的720×576 4∶2∶2的图像抽样为352×288 4∶2∶0的视频图像，再写入SDRAM中。此工作由CPLD完成。重新抽样完成后，再由DM642读取SDRAM中的数据进行压缩编码，输出的视频码流经网口传输到PC上。
    本系统H.263压缩编码设计流程有：编码参数设置，视频数据输入，帧内编码，帧间编码，熵编码和码流输出。编码流程图如图5所示。

3 系统测试及试验结果
    将检测装置装在缆索机器人上，用交叉网线连接DM642以太网口与地面服务器(PC机)，硬件连接完毕后，准备测试。系统上电，随着缆索机器人的爬升，3路CCD进行图像采集，经DM642的压缩处理后通过Internet传输到PC机上。PC机接收到图像信号后，进行图像解码，并在屏幕上显示，完成一次图像的压缩与解压缩过程。继续采集下一次，直至完成检测。
    网络上的用户也可以直接在远端用IE浏览器观看Web服务器上的摄像机图像，实现对远程图像的实时监控。
    经试验证明，本文介绍的基于DM642的缆索缺陷图像采集及传输系统可以很好地完成缆索表面图像的采集和网络化传输功能，并在PC机上显示，以供图像处理，达到了预期的目标。该系统具有一定的通用性和扩展性，可用作串口、HPI接口、无线传输等多种传输方式的扩展，同时也可用作其他目标对象的缺陷检测。