面向嵌入式图像处理系统的SOPC芯片通信接口设计与实现

发布时间：2020-07-26 16:57

【摘要】：在嵌入式图像视频处理系统中,数据通信系统的设计方式限制着整个系统的运行效率。其中前端图像视频数据采集系统是后续所有系统模块的数据来源,这不仅直接影响着其所在图像处理系统的实时性,也对目标图像视频数据的格式和帧类型造成约束。同时,该前端模块所采集到的图像质量在很大程度上决定着后续图像处理系统设计的准确性和稳定性。因此,在嵌入式系统中针对特定平台实现更为快速、精确且稳定的图像数据采集系统至关重要。本文面向JPEG2000编解码系统,基于Zynq-7000 SOPC平台实现了裸机和嵌入式Linux操作系统两种开发环境下的USB图像视频数据采集系统。论文的主要内容包括以下几个方面:(1)针对Zynq-7000平台的USB总线接口结构,完成裸机环境下的USB EHCI主机协议栈的软件系统层次划分;(2)研究了USB2.0标准、EHCI主机规范等标准协议,在Xilinx SDK开发平台完成了EHCI主机协议栈HCD层级的驱动程序设计;(3)研究了USB视频类标准设备规范UVC1.1,实现了主机协议栈USBD层级及接口层级的系统软件设计;(4)实现了Zynq-7000平台上Linux操作系统的移植,并基于V4L2驱动框架及相关应用程序接口实现了Linux系统下的图像数据采集应用程序设计;(5)完成了图像数据采集后的预处理优化方案的设计与实现,在进行YUV2到RGB色彩空间的格式转换时,摒弃了原先在系统软件中的繁琐计算方式并提出了基于查找表的优化设计方案,进一步提升了图像处理系统的运行效率。在实现裸机和Linux操作系统两种环境下的软件程序设计之后,本文基于Xilinx Zc702开发板分别进行了系统功能性测试。测试结果显示:裸机环境下的EHCI主机协议栈可以初步实现UVC设备的识别与控制器;Linux操作系统下基于V4L2的应用程序可以正常的实现视频数据的采集;基于查找表的图像预处理优化方案可以显著的降低色彩空间转换所需时间,具有良好的系统实时性。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41;TN914
【图文】：

二章 基于 Zynq-7000 平台的 USB 总线系统 平台内包含两个 USB 控制器：USB Controller0 和 USB Controller1，G 三种工作模式。当配置为主机模式时，系统可通过板上的 USB 接采集操作。在进行 Host 主机协议栈系统软件设计之前，必须详细的 总线系统架构并熟悉相关标准及协议规范，本章将从平台级总线架构个方面进行详细阐述。SB 总线接口的图像处理系统基本结构设计数用于视频图像数据采集的摄像头设备都是基于 USB 接口的，属于 U在嵌入式系统中通常仅将 USB 接口作为设备，总线主机功能的实现1 所示为传统的图像数据处理系统，通常将摄像头设备连接到 PC 机的系统自带的驱动程序提供对 USB 总线 Host 功能的支持从而实现基于集。后续的图像数据处理、显示以及存储等部分都是基于 PC 机而统结构对 PC 机的依赖性极大，开发成本高、可移动性差且不易于系

图 2-2 嵌入式平台图像处理系统架构标准简介一种通用串行总线，本文所使用的 Zynq-7000 平台上的 USB 接口相比于 USB1.1 总线标准只支持 LS 和 FS 两种传输速率，USB2.0极限速率可达 480Mbit/s，极大的扩展了 USB 总线的应用范围[11]，统实时性的要求。此外，USB 接口还支持双向数据传输和即插即用此适用于在常见的嵌入式图像处理系统中实现图像视频数据的采集系统体系结构统是一种基于主-从结构的系统，主机 Host 和设备 Device 之间通过的角度看可以将 USB 总线系统简化为图 2-3 所示的简单模型，但具个 USB 总线系统中可以有一个或多个附属的 USB Device，且各种类型，可以是 USB 标准设备类型也可以是用户自定义的设备类型SB Host。所谓的 Host 由一个或多个主机控制器和一个根集线器组

图 2-4 USB 系统分层与 Host 不同，USB 设备的实现较为简单，其主要用于向主机提供特定的额外功能。根据对不同设备的传输及控制特性的不同可以将不同的设备划分为多种设备类型，如 HID、UVC 和 UAC 等。种类繁多的 USB 设备可实现的功能各不相同，但它们所提供的访问接口是标准的，这就使得主机可以以同样的方式对各种类型的设备进行控制，从而降低应用程序设计的复杂度。为了便于 Host 识别所连接的设备类型并确定其所能提供的功能，USB 标准协议规定设备必须向主机提供某些用于确认其“身份”的信息，这将通过设备“枚举”操作来实现。不同类型的 USB 设备在枚举阶段所提供的信息大致可分为两大部分：设备通用信息和设备类型专用信息。顾名思义，设备通用信息是所有类型的设备都将且必须向主机提供的信息，这部分通用信息主要用于向Host报告设备自身的设备类型、接口状态等。设备专用信息则与具体的设备有关，用于向 Host 提供该种设备类型所特有的信息，如UVC 设备所提供的繁杂的设备配置集合。但从系统层级的角度来看，虽然不同类型的 USB 设备自身特性及其所提供的功能也各有差异，但由于它们都向外部提供了统一的接口，因此 Host 主机可以以相同的方式对各种类型的设备进行访问。虽然 USB 总线系统主要基于 Host-Device 形式的主-从结构，但其物理拓扑结构为星型而非单一的点对点结构。图 2-5 所示即为 USB 总线系统的星型拓扑结构，Host 通过根集线器向外提供若干连

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本文编号：2771034