课程设计（论文）基于DSP的高速公路能见度测量系统的设计

山东建筑大学信电学院课程设计说明书正 文一、设计目的1根据已知参数对输入信号特征进行分析、需求分析，选择确定DSP芯片型号、以太网控制器芯片型号，完成系统硬件设计。2基本教学要求：每人一台计算机，计算机安装CCS、Protel等软件。二、设计要求 根据设计题目的要求，选择确定DSP芯片型号，完成系统中图像采集和A/D模块的设计、DSP芯片的选取和配置及系统存储器部分的选取和配置,完成系统硬件设计。三、系统需求分析：能见度是影响道路交通安全的一个重要因素,在智能交通控制系统(ITS)中,能见度成为一个重要的监测项目。3.1能见度的定义：能见度一般是指人们视觉受到天气条件限制所能达到的距离，它涉及到目标物的尺寸，光学特性和视觉与大气的光学状态，其基本参数是消光系数。由于大气中包含空气分子、凝结核、烟尘、雾以及雪花等降水粒子单元，这些大小粒子包括水或雾等对阳光与天气的散射是决定大气透明度最重要的因素。3.2图像测量技术的原理：测量地平线附近两个不同距离的目标物和其对应水平天空背景亮度的差值之比计算白天气象能见度的方法，该方法应用于望远光度计可以消除杂散光的影响，并且在一定程度上能够减小目标物自身亮度引起的误差，在原理和方法上前进了重要的一步，同积分浊度计和目测的对比试验表明可以得到较好结果，但望远光度计自身的缺陷限制了它的应用范围。在远距离光电子成像系统中，景物亮度在到达光学系统(物镜)之前必须经过一段大气的传输衰减，也即景物亮度的大气传输衰减，是光电子成像信息流程中的一个重要环节。这一客观存在的环节，虽然一方面会给光电子成像系统的分析和设计带来一定的困难，限制了光电子探测、成像仪器的实用作用距离，但另一方面，也为人们测量研究大气光学的重要特性一大气透射比提供了一种新的手段和途径1231。大气透射比是一个多因子函数，它与路径长度、辐射波长、气压、气温和大气成分有关。可以证明，单色光辐射通过一定路程的均匀大气传输后，因大气的散射和吸收而衰减将服从规律式中、为消光系数或消光指数(1/km); 是归一化到1km的大气透射(%);R是给定路程R(km)上的大气透射比(%)。通过准确测量和监测可见光谱波段目标之亮度在已知路径长度大气中的传输衰减程度，将为人们研究和监测大气测量能见度提供一种新的有效方法。3.3能见度的公式：来自景物(目标/背景)的亮度或一定强度可见光波段的电磁辐射，在到达光学系统(物镜)并借助物镜成像于CCD成像器件光敏面之前，要经过中间介质(大气)的传输衰减，因此，在观测点“观测到的景物(目标/背景)亮度，实际上并不是它们的“真亮度”(就近观察的真实亮度)，而是“视亮度即经过空气柱传输衰减同时又迭加上空气柱本身的亮度。图1 景物的亮度传播示意图设景物到观测点的距离为R，同时假设大气水平均一，根据辐射传输基本原理，可以写出目标/背景的视亮度表达式在可见光波段，从水平能见度的概念出发，不难导出水平气象能见度与消光系数间的存在经验关系，白天水平能见度在气象学上被定义为：视力正常的人眼在当时天气条件下，能够从天空背景中辨认出目标物(黑色，大小适度分辨角0.5一5.0度)的最大水平距离。一个目标能否被“看见”，主要取决于该目标的亮度与其周围背景的亮度差异是否达到人眼。以观察者为基点，设目标物视亮度为Bt，背景的视亮度为Bg，则它们之间的亮度对比K定义为显然，随着距离加大，K值逐渐减小，目标物将逐渐变模糊;当K小于某一临界值，人眼将无法把目标物从背景中分辨出来，这一临界亮度对比称为亮度对比感阐，K=就是确定能见距离的条件。是一个与人眼视觉特征有关的物理量，世界气象组织（WMO)推荐的值为0.02，而国际民航组织(ICAO)推荐的取值为0.05。在一定距离以外的物体所发的或所反射的光，在进入人眼前要经历从所在位置到观察者之间的一段空气柱的辐射传输，通过求解辐射传输方程，不难写出离观察者距离R处目标物和背景的视亮度表示式上式的两个等式中，前一项可看作是目标物或背景的固有亮度(即或)经厚度为R的空气柱削弱(或消光)后，对视亮度的贡献，w(r)为大气消光系数;后一项是空气柱本身的附加亮度对视亮度的贡献，若假设大气中自然照明强度为，则厚度为R的空气柱亮度可表示为若仅考虑观察点与目标物处在同一高度的水平能见度问题，同时假设大气消光系数不随距离变化，气柱受到的自然照明强度也不随距离变化，并令Rt为目标物离观察者的距离;在以天空为背景，取K为时，从（1），（2）和（3）式推导可得到白天的水平能见度公式若假设目标物为绝对黑体，Bt*=0，并取=0.02，可得到上式便是图像测量能见度的基本公式，由该式可知，在符合目标物为黑体的条件下，只要知道目标物与观测者之间的距离Rt，并测得目标物的视亮度Bt与天空背景的视亮度Bg比值，即可计算出水平气象能见度Vh。而(2.30)式则可以用于分析目标物为非黑体时，忽略目标物固有亮度Bt*，会对结果带来多大的影响。 在测量计算公式(2.30)和(2.31)式中，测量时目标可以选择已知亮度的人工面光源或有足够大视角的自然目标，若选择的目标接近黑体，则Lt可取为0。该测量法的特点是目标可以选在适当的距离不需直接去测量CCD对目标的极限分辨距离，其次目标/背景的视亮度测量值以比值的形式在公式中出现，将亮度的绝对测量降低为相对测量，从而降低了系统亮度测量系统误差对结果的影响。基于此原理，本文将提出一种基于犯位的浮点型DSP进行道路能见度检测的系统设计方案。设计开发一种以DSP、CPLD、USB和CCD图像传感器组成的实时检测处理平台，用于研究、监测可见光波段大气光学特性的实用型图像测量系统，它可以直接用来测量和监测白天的大气透射比或水平气象能见度。在该系统中我们采用CCD采集图像，并借助高速的数字信号处理器DSP进行图像处理和能见度计算，并通过人机交互系统，将实时准确的高速公路能见度值显示出来。四、图像测量的硬件组成：4.1原理框图：原理框图如下图2 硬件系统结构图其中，CCD图像传感器负责采集640x480，256级灰度图像，其采集的图像数据由CPLD分配地址存储在512K字节SRAM中。本系统的能见度测量算法全部由DSP完成。其中，2M字节闪存(FLASH)用于存储程序代码和路况特征库。另外，本系统还提供了一个RS232接口以实现DSP和PC之间的数据传输，允许在系统和上位机之间上传、下载路况特征数据库。整个系统中，DSP不仅要完成数字图象处理工作，还负责控制其他外部设备(LCD等)。CPLD则用于存储CCD的输出数据、产生HOLD总线仲裁信号以及实现系统的控制逻辑。4.2电路模块图：根据系统框图用protel软件画出电路原理图。各模块电路图如下：图3 CCD模块图CCD摄像机仪器体积小巧、性能可靠、清晰度高的等优点得到了广泛使用。CCD摄像机按照其使用的CCD器件可以也分为线阵式和面阵式两大类。线阵CCD摄像机一次只能获取图像的一行信息，被拍摄的物体必须以直线形式从摄像机前移过，才能获得完整的图像;而面阵CCD摄像机则可以一次获得整幅图像的信息。图4 A/D转换模块图在图像的A/D转换模块中，系统采用MAXIN公司出品的流水线结构的MAX1426，该芯片是MAXn呵提供的具有10位流水线的高速A/D转换器，采样率高达10Msps，具有内部采样保持器， +2.5V的内部参考电压，使其可以产生三个不同的参考电压:+3.25V、2.25V和1.25V。分别对应于Vrefp，Vcml，和Vrefn，差分输入范围为+2V一-2V，MAXIN是在输入时钟的下降沿进行采样，输出数据在输入时钟的上升沿有效，图5 CPLD模块图图6 SRAM模块图图7 时钟模块图图8 串口通信模块图图9 FLASH模块图图10 TMS320C6713的部分接线图更多主芯片DSPTMS320C6713b的电路连接见附录。TMS320C6713高性能DSP是为了满足专业音频、高端消费类音频、工业及医疗等领域与日俱增的处理需求而推出的300MHZ数字信号处理器(DSP)。对于需要浮点计算提供高精度动态范围的高性能信号处理应用，TMS320C6713可提供每秒18亿次浮点运算 (1800MFLopS)。TMS320C6713的封装与外引脚可与 225MHzC6713DSP处理器完全兼容，实现了简单、直接的替代。此外，TMS320C6713能够与TMs320C67n及其它目前已在市场中采用的C6713器件实现代码兼容，还可以对应用程序代码进行重新使用。 TMS320C6713DSP的基础是音频简易I/O，可与典型音频系统相关的总线标准轻松互连。这种便捷的I/O功能通过两个I2C(内部集成电路总线)多主从接口及两个多声道音频串行端口(McASP)实现，每个McASP均可提供独立的Tx与Rx时区、八个串行数据引脚、广泛的错误检查与恢复、12S支持以及其它位流格式。TMS320C6713还支持带有16个传输引脚、增强通道状态/用户数据，以及支持S/PDIF、IEC60958-1、AES-3及CP-430的集成数字音频接口发送器(DIT)。TMs32oc6713DSP采用256引脚、27mm2球栅阵列(BGA)封装。五、软件设计 根据原理设计出软件流程图，如下图图11 软件流程图当系统上电时，DSP将通过硬件开关的设置从FLASH中加载程序到DSP内存中，这段过程也是DSP初始化的过程，之后程序将从内存零地址开始执行:DSP首先将通过串口模拟IZC操作完成对A/D芯片进行初始化使其正常工作，接着开始初始化中断设置及EMIF并行口设置，使能中断5，中断5为场同步信号，由A/D芯片转换产生，当中断来临时，DSP的DMA控制数据通过EMIF口存入SRAM中，场中断再次到来之前数据没有采集完时，输出缓存在DMA控制下通过EMIF口送到输出模块。当一帧数据采集完毕时，则开始执行图像与处理算法和能见度的计算，处理结束后在PC机上显示能见度数值。总结与致谢通过这几天的课程设计，使我对dsp芯片的掌握和理解，巩固了我在DSP原理及应用课程中所学的基本理论知识和实验技能，使我对DSP原理及应用课程有了更深入的了解，进一步激发了我对所学专业学习的兴趣；提高了我的很多方面的能力。比如protel软件的熟悉，对6713的掌握更加深入，对系统设计步骤的熟练等等。在设计的过程和设计说明书的撰写过程中，高焕兵老师给予了我热心的帮助和大力的支持，给我提了诸多的宝贵意见，拓宽了我的思路。还有很多问题在同学的帮助下得以解决。在此我向老师致以崇高的敬意以及对同学衷心的感谢！在我的学习过程中，还有其它老师也给了我耐心的指导和帮助。我在此对各位老师表示诚挚的感谢！参考文献1 王珊，萨师煊.数据库系统概论M.北京:高等教育出版社.2006 2于凤芹.TMS320 C6000 DSP结构原理与硬件设计.北京：北京航空航天大学出版社.20083 汪安民.DSP嵌入式系统开发典型案例M.北京:人民邮电出版社,2007.4 张卫宁.TMS320C2000系列DSPs原理与应用M.北京:国防工业出版社,2004.5 Mark I.Montrose著.刘元安等译.电磁兼容和印刷电路板-理论、设计和布线M. 6 明日科技.Visual C+数据库系统开发案例精选.北京:人民邮电出版社.2006 7 毛峡, 丁玉宽 图像的情感特征分析及其和谐感评价J 电子学报, 2001, 29(12A) ： : 1923-1927北京:人民邮电出版社M,2002.8关华. DSP原理与应用实验指导书. 山东建筑大学.9关华.Digital Speech ProcessingM济南:黄河出版社.10窦振中.单片机外围器件使用手册.存储器分册.北京:北京航空航天大学出版社.200214