智能汽车高速视频探测采用MPC5200的应用

相应地，视频影像必须通过实时的复杂算法进行处理，从而为车内的安全控制系统提供反馈。这是一项非常重要的任务，它可以避免发生碰撞，或在车辆发生碰撞的瞬间决定车内乘客的位置。而且，该项技术要要求司机侧的引擎绝热板必须能承受最高85℃的高温，而在车内的其他部位则需要承受最高达105℃的高温。

 

当前，汽车厂商们面临的挑战是拥有一种经济高效的技术：强大的处理能力、丰富的接口、良好的环境适应性和低功率运行。来自于飞思卡尔半导体公司的MPC5200高性能嵌入式处理器能满足所有这些设计要求，其结构如图1所示。

MPC5200集成了一个高性能的MPC603e核心，该核心在400MHz的工作频率和-40～85℃的温度范围内，可达到760MIPS的处理能力。高性能、双倍精度的浮点单元(FPU)可加快与其他关键任务平行的复杂数学运算的速度，可运行在105℃条件下的型号还可用于司机座位以外可能需要更高温度级别的地方。

在FPU的帮助下，MPC5200处理能力可为大多数视频探测算法提供足够的支持。集成的PCI接口则为CMOS图像传感器提供标准化的高速接口，CMOS图像传感器能以每秒80至100帧的速率将图像数据传输到MPC5200中，具体视PCI时钟和照片的分辨率而定。

BestComm智能DMA控制器能加快摄像机数据传输到内存中进行处理的速度，从而最大程度地减轻MPC603e主处理器核心上的负荷，使其可以解放出来，处理视频探测算法等任务。此外，BestComm控制器的使用还可以降低主核心上的总体中断负荷，继而加速总体吞吐量。集成的CAN和J1850控制器，再加上外置MOST(面向媒体的系统传输)的支持，为汽车安全系统的剩余部分提供了经济高效的集成，并降低了与这些网络进行通信的延迟。

下面介绍如何通过PCI接口，为MPC5200设计一个基本的高速摄像机接口电路。在本例中，使用了飞思卡尔MCM20014 CMOS传感器，但其他传感器可以使用几乎完全相同的接口机制。该接口非常明了，而且只需较少的接口逻辑就能完成连接。

使用MPC5200的时钟假设

最可能的XLB释放目标频率为132MHz；IPBus为66MHz；PCIclk(外部总线时钟)为66MHz；XTAL的预期输入频率为33MHz。对于本应用，最大的PCI频率为33MHz。

XLB与IPBus、IPBus与PCIclk间的时钟比可能为4:1、2:1或1:1。在XLB为132MHz时，IPBus必须设置为4:1或2:1(分别适用于33MHz或66MHz的IPBus)。根据IPBus 的情况(33MHz、16.5MHz与33MHz IPBus一起工作；或33MHz与66MHz IPBus一起工作)，PCIclk可能支持1:1的比率，也可能支持2:1的比率。在处理器端，可能使用一个66MHz的PCIclk ，但市场上的图像传感器还未达到该速度。

如果要求50%的负载循环，生成HCLK的PWM输出值只能是IPBus时钟的偶整数商。

下面介绍几种可能的时钟关系。

——XTAL：27MHz，XLB：108MHz，IPB：54MHz，PCI：27MHz，HCLK：13.5MHz(来自IPBus时钟的4/1比率的PWM)

——XTAL：33 MHz，XLB：132MHz，IPB：66MHz，PCI：33MHz，HCLK：8.25MHz(来自IPBus时钟的8/1比率的PWM)

——XTAL输入可以变化，以产生不同的运行频率，但是8.25 MHz的HCLK应该适用于摄像机，而且它还在DMA时钟和传感器数据速率(PCIclk到HCLK)之间提供4:1的差异。这对可能发生的潜在带宽问题有所帮助。

解决方法是在传感器数据总线和PCI数据总线之间提供接口逻辑。MPC5200的接口逻辑非常简单，但还是有一些必须认真考虑的系统应用问题。其中一个值得注意的事项就是，是否将PCI总线用于摄像机数据传输以外的其他用途。如果需要与其他设备共享PCI总线，接口逻辑就必须与其他PCI目标共存，这就要求有额外的电路。如果不需要与其他任何设备共享PCI总线，接口逻辑就可以认为任何PCI处理都是针对它的，这样逻辑就变得非常简单。

图2是MPC5200与接口芯片和CMOS传感器的连接图，显示了连接到必需的接口逻辑或直接连接到传感器的MPC520 PCI信号。图2中的粗线表示三态的情形。总线需要外部上拉电阻，这样在其输入值中，接口逻辑就会出现一个逻辑数字“1”。

 

传感器在其帧有效时段中显示：传感器上有一帧正准备进行传输。该信号将通过IRQ线连接到MPC5200，帧传输需要由MPC5200 PCI控制器驱动，信号时序如图3所示，具体步骤如下。

 

MPC5200 PCI使Frame_b输出低电平，以开始进行处理。AD线由MPC5200通过地址信息进行驱动。接口逻辑可以忽略这一阶段。

MPC5200 PCI 使Irdy_b输出低电平，以启动数据阶段。AD线仍然由MPC5200推动，直到目标(接口逻辑)判断Devsel_b“要求”该处理。

只要目标保持Trdy_b处于高状态，MPC5200 PCI就能使AD总线处于三态之一(tri-state)，并保持在等待状态。

在任何刚出现的PCIclk边缘，其中Trdy_b被探测为低，PCI就会捕捉到数据并认为要传输一个数据拍。

在完成了下一个到最后一个数据拍后，MPC5200 PCI使Frame_b输出低电平，这表示正在请求最后一个数据拍。

当目标传输完最后一个数据拍(以Trdy_b变低为标志)后，MPC5200 PCI使Irdy_b输出低电平，处理完毕。

还有其他一些信号与PCI处理有关，但它们用于PCI传输错误的情况中，在本应用中不作要求。

如果HCLK与PCIclk的比率为2:1，则PCIclk与接口逻辑的连接就没有必要。如果PCIclk与HCLK的比率为4:1的话(人们更期望这样)，需要一个触发器来延迟和缩短PCI信号Trdy_b的持续时间。

当兼容3.3伏的CMOS摄像机传感器三态其数据总线时，传感器的数据线路就与PCI AD总线进行直接、有效的连接。否则，在这一设计中需要数据转发器。在对传感器的LineValid信号进行判断时，该传感器只应该驱动数据线路。图4是27MHz的PCIclk与13.5MHz(或相似频率)HCLK的2:1逻辑关系图。

 

只有在没有其他真正的PCI目标设备连接到PCI接口上时，该示例接口才发挥作用。否则，某些支持的类型需要通知接口逻辑响应即将到来的PCI处理。

33MHz的PCIclk和8.25MHz(或相似频率)的HCLK的2:1逻辑关系如图5所示。

 

在2:1的情况中，当HCLK低时，传感器数据有效，并随HCLK的再次出现而作为下一个数据拍，下一个出现的PCIclk边缘就会捕捉数据。

---PCI处理必须在LineValid判断之前进行。PCI处理在LineValid变高时，一直由Trdy_b保持等待状态。由于5200的使能信号要求拒绝几次循环，在PCI处理结束时可能还需要额外的电路来关闭此电路。在这一过程中，人们可能会要求进行非摄像机的PCI处理(该接口逻辑绝不能响应)。

由于HCLK源自MPC5200 PWM，HCLK处理发生在PCIclk边缘后(根据设计，PCIclk应提前到达总线)。

当HCLK下降时，Trdy_b的判断要延迟一个PCIclk。

当HCLK升高时，Trdy_b也立刻升高。

在PCIclk边缘创建了PCI数据拍捕捉，然后，PCIclk边缘再创建不断上升的HCLK，因为像素在不断增加。

控制传感器数据读取的BestComm任务非常灵活，能根据传感器的大小进行调节。在基于飞思卡尔CMOS传感器的本例中，传感器的分辨率为640×480像素，每像素10bit。在每一行后面，脉冲停止，BestComm任务会自动开始下一行的读取，直到完成整幅图片。这种方法具有很高的帧速率，每行的开销为15个时钟。

传输640像素数据的开销为640个时钟，加上一行的开销15个时钟，则传输一行像素的总开销为655个时钟。每帧画面有480行，则所需的时钟为655×480=314400。如果采用33MHz的PCI时钟，则传输每帧画面需要9.52ms，即每秒可传输105帧。从这里可以看出，帧速率取决于时钟和传感器的分辨率。

为完成一幅完整的图片而读取的脉冲的长度和行数，就是BestComm的参数，这些参数可以根据每种传感器的类型进行调整。采用接口实现的帧吞吐量比该应用的帧速率要高得多。限制因素是用于算法所需的计算能力，该算法与应用的关系非常紧密。