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实时图像处理技术在工业、医学、军事和商业等领域有广泛的应用。基于FPGA+DSP架构的视频处理系统充分发挥了各自器什的长处，不仪设计周期短，开发费用低，而且设计灵活，更改方便，功耗较低，便于实现系统的小型化。因此对基与FPGA+DSP架构的视频处理系统进行研究和设计具有重要的意义。
0 引言
本系统采用基于FPGA与DSP协同工作进行视频处理的方案，实现视频采集、处理到传输的整个过程。
实时视频图像处理中，低层的预处理算法处理的数据量大，对处理速度要求高，但算法相对比较简单，适合于用FPGA进行硬件实现，这样能兼顾速度及灵活性。高层的处理算法结构复杂，适用于运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强的DSP芯片宋实现。
DSP+FPGA架构的大特点是结构灵活、有较强的通用性、适合于模块化设计，从而能够提高算法效率，同时其开发周期短、系统易于维护和升级，适合于实时视频图像处理。
系统采用模块化的设计方法，将整个系统划分为三部分：视频采集单元、视频处理单元和视频传输单元。
整个系统以FPGA作为核心控制单元并完成视频信号的中值滤波工作;以DSP作为整个系统的核心处理单元对采集的视频图像信息进行JPEG压缩;在视频传输单元设计了以PDIUSBD12芯片为基础的USB总线，负责视频信号的传输。
1 系统硬件总体架构
一个完整的视频处理系统，主要由视频采集单元、视频处理单元及视频传输单元三部分组成。在进行系统设计时须确保各部分的无缝衔接。
图像采集单元由FPGA和MB86S02视频采集芯片组成，包括视频信号的采集和预处理，把输入的视频信号转换成系统能够处理的数字图像数据，并按照一定的格式存储在确定的存储区域。
图像处理单元是本系统的核心，对图像数据进行压缩处理，实现系统要达到的功能。
图像传输单元采用FPGA+USB的方式实现视频数据的传输，通过基于PDIUSBD12芯片的USB总线，将压缩后的视频图像信息发送到接收端，在接收端使用在PC上编写的应用程序将图像解压缩并显示出来。
整个硬件系统由FPGA和DSP两个分系统组成，FPGA作为视频采集单元，将采集到的视频信号预处理后传给DSP，DSP作为图像处理单元是本系统的核心，对FPGA预处理后的视频图像信息进行JPEG压缩处理，DSP单元的性能决定着整个系统的性能，DSP完成图像处理任务后，将把结果返回给FPGA，FPGA将经过压缩处理后的图像信息写入接口控制芯片的数据缓冲区，由接口控制芯片负责信息的传输，系统总体框图如图1所示。
如图1所示，MB86S02视频图像传感器在FPGA的控制下进行视频图像信息的采集，在收到PC机的采集命令后MB86S02开始视频信号的采集FPGA作为系统的核心控制单元不仅负责视频图像的采集，而且负责视频图像信息的预处理和系统各单元模块之间的数据交互。针对视频图像数据量大的特点，为了保证系统的实时性要求，系统采用大容量的片外SDRAMR对采集到的视频图像信息进行缓存，SDRAM控制器由FPGA实现，视频图像信息经过SDRAM缓存后首先要由FPGA对其进行滤波处理，以消除图像信息中的噪声干扰，本系统中采用中值滤波的方式对采集到的视频信息进行处理，滤波后的数据通过FPGA内部FIFO进入DSP进行下一步的压缩处理。DSP上电后首先进行引导程序的自加载，等待FPGA发送请求，在收到FPGA的请求后，DSP建立EDMA通道从FPGA获取视频数据，存满一帧后，开始对视频图像进行JPEG压缩处理，压缩处理后的视频图像信息经过FIFO缓存后，在FPGA的控制下写入USB接口控制器的数据缓存区，等待PC机的读数请求，USB接口控制器在收到PC机的读数请求后将数据写入PDIUSBD12的端口1，以便PC机下一步读取数据。
2 系统软件总体设计
系统的软件设计根据硬件结构的总体划分，也可以分为两大部分来描述。整个系统的运行如图2所示，FPGA和DSP各自的程序独立运行，通过中断信号完成数据的实时交互。FPGA向DSP方向的指令是通过FPGA发送一个EDMA请求，DSP通过响应EDMA请求，建立EDMA通道，开始从FIFO中进行预处理后数据的读取，DSP向FPGA传输数据时，通过向FPGA发送一个中断信号，让其从FIFO中把压缩后的图像数据读出来。
如图2所示，整个系统工作流程可以简单描述如下：系统上电后，首先DSP由flash实现自举，并运行引导程序，之后转入EDMA等待状态，FPGA初始化后等待外部图像采集命令，收到图像采集命令后开始进行图像采集，并对采集到的图像进行预处理，预处理后的图像经过FIFO缓冲，在存储一定量的数据之后，FPGA通过半满信号向DSP发送EDMA请求，等待DSP响应，DSP一旦收到来自FPGA的EDMA请求，立即建立EDMA通道，从FIFO中读取数据到L2存储器，存满一帧图像后DSP开始图像压缩，等待一幅图像压缩完成之后，DSP会向FPGA发送中断信号，FPGA在收到中断信号后开始从FIFO中读取压缩后的图像数据。一帧数据读完后，判断编码信号是否有效，如果有效则按同样的规则对下一帧图像进行压缩，如果无效则通知DSP结束。
一、 凸轮控制器的结构
凸轮控制器从外部看，由机械、电气、防护等三部分结构组成。其中手柄、转轴、凸轮、杠杆、弹簧、定位棘轮为机械结构。触头、接线柱和联板等为电气结构。而上下盖板、外罩及灭弧罩等为防护结构。
二、 凸轮控制器控制电路
1 ．电路特点
（ 1 ）可逆对称电路。
（ 2 ）为减少转子电阻段数及控制转子电阻的触点数，采用凸轮控制器控制绕线型电动机时，转子串接不对称电阻。
（ 3 ）用于控制提升机构电动机时，提升与下放重物，电动机处于不同的工作状态。
2 ．控制线路分析
（ 1 ）主电路分析
图 2 凸轮控制器原理图
凸轮控制器操作手柄使电动机定子和转子电路同时处在左边或右边对应各档控制位置。左右两边转子回路接线完全一样。当操作手柄处于档时，各对触点都不接通，转子电路电阻全部接入，电动机转速低。而处在第五档时，五对触点全部接通，转子电路电阻全部短接，电动机转速高。
（ 2 ）控制电路分析 凸轮控制器的另外三对触点串接在接触器 KM 的控制回路中，当操作手柄处于零位时，触点 1-2 、 3-4 、 4-5 接通，此时若按下 SB 则接触器得电吸合并自锁，电源接通，电动机的运行状态由凸轮控制器控制。
（ 3 ）保护联锁环节分析 控制器 3 对常闭触点用来实现零位保护、并配合两个运动方向的行程开关 SQ1 、 SQ2 实现限位保护。
1. PID控制
在工业控制中，PID控制（比例-积分-微分控制）得到了广泛的应用，这是因为PID控制具有以下优点：
1）不需要知道被控对象的数学模型。实际上大多数工业对象准确的数学模型是无法获得的，对于这一类系统，使用PID控制可以得到比较满意的效果。据日本统计，目前PID及变型PID 约占总控制回路数的90%左右。
2）PID控制器具有典型的结构，程序设计简单，参数调整方便。
3）有较强的灵活性和适应性，根据被控对象的具体情况，可以采用各种PID控制的变种和改进的控制方式，如 PI、PD、带死区的PID、积分分离式PID、变速积分PID等。随着智能控制技术的发展，PID控制与模糊控制、神经网络控制等现代控制方法相结合，可以实现PID控制器的参数自整定，使PID控制器具有经久不衰的生命力。
2. PLC实现PID控制的方法
如图6-35所示为采用PLC对模拟量实行PID控制的系统结构框图。用PLC对模拟量进行PID控制时，可以采用以下几种方法：
结构框图
1）使用PID过程控制模块。这种模块的PID控制程序是PLC生产厂家设计的，并存放在模块中，用户在使用时只需要设置一些参数，使用起来非常方便，一块模块可以控制几路甚至几十路闭环回路。但是这种模块的价格昂贵，一般在大型控制系统中使用。如三菱的A系列、Q系列PLC的PID控制模块。
2）使用PID功能指令。现在很多中小型 PLC都提供PID控制用的功能指令，如FX2N系列PLC的PID指令。它们实际上是用于PID控制的子程序，与A/D、D/A模块一起使用，可以得到类似于使用PID过程控制模块的效果，价格却便宜得多。
3）使用自编程序实现PID闭环控制。有的PLC没有有PID过程控制模块和 PID控制指令，有时虽然有PID控制指令，但用户希望采用变型PID控制算法。在这些情况下，都需要由用户自己编制PID控制程序。
3. FX2N的PID指令
PID指令的编号为FNC88，如图6-36所示源操作数［S1］、［S2］、[S3]和目标操作数[D]均为数据寄存器D，16位指令，占9个程序步。［S1］和［S2］分别用来存放给定值SV和当前测量到的反馈值PV，［S3］~[S3]＋6用来存放控制参数的值，运算结果MV存放在［D］中。源操作数［S3］占用从［S3］开始的25个数据寄存器。
PID指令是用来调用PID运算程序，在PID运算开始之前，应使用MOV指令将参数（见表6-3）设定值预先写入对应的数据寄存器中。如果使用有断电保持功能的数据寄存器，不需要重复写入。如果目标操作数[D]有断电保持功能，应使用初始化脉冲M8002的常开触点将其复位。
表6-3 PID控制参数及设定
PID指令可以同时多次使用，但是用于运算的[S3]、[D]的数据寄存器元件号不能重复。
PID指令可以在定时中断、子程序、步进指令和转移指令内使用，但是应将［S3］＋7清零（采用脉冲执行的MOV指令）之后才能使用。
控制参数的设定和 PID运算中的数据出现错误时，“运算错误”标志M8067为 ON，错误代码存放在D8067中。
PID指令采用增量式PID算法，控制算法中还综合使用了反馈量一阶惯性数字滤波、不完全微分和反馈量微分等措施，使该指令比普通的PID算法具有更好的控制效果。
PID控制是根据“动作方向”（[S3]+1）的设定内容，进行正作用或反作用的PID运算。
以上公式中：△MV是本次和上一次采样时PID输出量的差值，MVn是本次的PID输出量；EVn和 EVn-1分别是本次和上一次采样时的误差，SV为设定值；PVn是本次采样的反馈值，PVnf、PVnf-1和PVnf-2分别是本次、前一次和前两次滤波后的反馈值，L是惯性数字滤波的系数；Dn和Dn-l分别是本次和上一次采样时的微分部分；K p是比例增益，T S是采样周期，T I和T D分别是积分时间和微分时间，αD是不完全微分的滤波时间常数与微分时间TD的比值。
4.PID参数的整定
PID控制器有4个主要的参数K p、T I、T D和T S需整定，无论哪一个参数选择得不合适都会影响控制效果。在整定参数时应把握住PID参数与系统动态、静态性能之间的关系。
在P（比例）、I（积分）、D（微分）这三种控制作用中，比例部分与误差信号在时间上是一致的，只要误差一出现，比例部分就能及时地产生与误差成正比的调节作用，具有调节及时的特点。比例系数K p越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但是对于大多数系统，K p过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。
积分作用与当前误差的大小和误差的历史情况都有关系，只要误差不为零，控制器的输出就会因积分作用而不断变化，一直要到误差消失，系统处于稳定状态时，积分部分才不再变化。因此，积分部分可以消除稳态误差，提高控制精度，但是积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性带来不良影响。积分时间常数T I增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善，但是消除稳态误差的速度减慢。
微分部分是根据误差变化的速度，提前给出较大的调节作用。微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，所以微分部分具有超前和预测的特点。微分时间常数T D增大时，超调量减小，动态性能得到改善，但是抑制高频干扰的能力下降。
选取采样周期T S时，应使它远远小于系统阶跃响应的纯滞后时间或上升时间。为使采样值能及时反映模拟量的变化，T S越小越好。但是T S太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，所以也不宜将T S取得过小。
