基于HDLC協(xié)議的數(shù)字圖像傳輸鏈路設(shè)計(jì)

蘇桂芝 楊志謙 邵 威 夏 勇

(中國電子科技集團(tuán)第三十八研究所 合肥 230088)

1 引言

數(shù)字圖像是由模擬圖像轉(zhuǎn)換而來的一組數(shù)據(jù)矩陣信息［1］，可以對其進(jìn)行特征提取、圖像分析、圖像處理以及圖像識別等工作。在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，正越來越多的使用數(shù)字圖像技術(shù)對目標(biāo)進(jìn)行檢測、跟蹤和定位，從而大大的提高了工作的效率。一般情況下，數(shù)字圖像通過電纜從采集點(diǎn)傳送到信息處理中心，但是在一些難以使用電纜的場合，如旋轉(zhuǎn)、移動的圖像采集設(shè)備或大范圍、遠(yuǎn)距離的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，則大多采用無線通信作為有效的傳輸方法［2］。無線通信方式雖然可以不受地形等因素的限制，但極易受到周圍電磁環(huán)境的影響，并且數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量一般都較大，在無線傳輸鏈路中容易產(chǎn)生誤碼和丟幀的現(xiàn)象，使得最終的顯示結(jié)果出現(xiàn)較大的失真。HDLC協(xié)議是一種高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議，它具有差錯檢測功能強(qiáng)大、實(shí)時(shí)和同步傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。為了在圖像傳輸過程中降低誤碼率，并且保證其高速性和實(shí)時(shí)性，本文設(shè)計(jì)了一種基于HDLC協(xié)議的傳輸鏈路。

2 數(shù)字圖像的表示形式

通常人眼觀察到，未經(jīng)采樣與量化的圖像稱為模擬圖像，但是計(jì)算機(jī)無法接受模擬圖像，因而必須對它進(jìn)行采樣和量化使之轉(zhuǎn)換成為數(shù)字圖像才能被處理，即圖像的數(shù)字化［3］。

取樣是將模擬圖像在空間上離散化，是將一幅連續(xù)圖像在空間上分割成M×N個網(wǎng)格，把取樣網(wǎng)格點(diǎn)上對應(yīng)的連續(xù)亮度轉(zhuǎn)換為單個特定數(shù)碼的過程，稱之為量化。行數(shù)、列數(shù)和量化等級都取2的整數(shù)次冪，且每級只取整數(shù)值。這樣就形成一個矩陣，其每個元素稱為圖像元素，簡稱象素。象素的值稱為灰度級，通常量化為 256級，用 0、1、2、…、255表示［4］。圖像上每一點(diǎn)的灰度級與其亮度相對應(yīng)。一般說來，灰度級越大，圖像越亮，顏色越淺，這樣就得到一幅數(shù)字圖像。

在數(shù)字圖像的無線傳輸過程中，數(shù)字圖像采用函數(shù)的形式來表示。黑白圖像可以應(yīng)用二維函數(shù)f(x，y)表示，x，y是平面的兩個軸的坐標(biāo)，f(x，y)表示點(diǎn)(x，y)的亮度值(灰度值)。彩色圖像可用f(x，y，λ)表示，λ為波長。活動彩色圖像可用f(x，y，λ，t)表示，λ 為波長，t表示時(shí)間。

在準(zhǔn)備傳送前，將數(shù)字圖像的象素信息按照八方向鏈表形式進(jìn)行編碼，形成一組數(shù)據(jù)。正東方向零度為000，逆時(shí)針方向依次為001——111。按照后點(diǎn)相對于前點(diǎn)的方向進(jìn)行編碼，如圖1所示。

圖1 八方向鏈表

3 HDLC協(xié)議模型

HDLC(High Level Data Link Control)協(xié)議是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)推出的高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議［5］。HDLC是面向位的鏈路控制規(guī)程，在 HDLC協(xié)議中，采用幀結(jié)構(gòu)傳輸數(shù)據(jù)，用一幀表示一組完整的信息，如圖2所示，它既可以用于通信的控制，也可以用于數(shù)據(jù)的傳輸。

HDLC協(xié)議規(guī)定，所有信息的傳輸必須以個標(biāo)志字開始，且以同一個標(biāo)志字結(jié)束，這個標(biāo)志字就是0x7E。接收方可以通過搜索0x7E來判斷幀的開始和結(jié)束，以此建立幀同步［6］。地址字段表示鏈路上站的地址，控制字段實(shí)現(xiàn)了HDLC的許多重要功能，根據(jù)其最前面兩個位的取值，可將HDLC幀劃分為:信息幀(I)、監(jiān)督幀(S)和無編號幀(U)。信息字段為所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。幀校驗(yàn)采用循環(huán)冗余校驗(yàn)碼CRC［7］，對地址、控制和信息字段進(jìn)行校驗(yàn)，插入的“0”不在校驗(yàn)范圍。16位幀校驗(yàn)序列碼多項(xiàng)式為:

32位幀校驗(yàn)序列碼多項(xiàng)式為:

HDLC協(xié)議包含幀發(fā)送控制和幀接收控制，因確定0x7E(01111110)為控制字符時(shí)，傳輸?shù)膸谋忍匦蛄兄芯筒荒艹霈F(xiàn)與它相同的比特序列，否則就會出現(xiàn)判斷的錯誤。這也就是幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐该餍詥栴}。同樣，在兩個01111110的標(biāo)志字段之間的比特序列中，如果出現(xiàn)了和標(biāo)志字段一樣的比特組合，那么就會誤認(rèn)為是幀的邊界。為了避免出現(xiàn)這種錯誤，HDLC規(guī)定采用插零/刪零的方法。

圖2 HDLC幀結(jié)構(gòu)

插零/刪零的方法規(guī)定:發(fā)送端在兩個標(biāo)志字段之間的比特序列中，如果檢查出連續(xù)的5個1，不管它后面的比特位是0或1，都增加一個0;那么在接收過程中，在2個標(biāo)志字段之間的比特序列中檢查出連續(xù)的5個1之后就刪除一個0。在數(shù)據(jù)發(fā)送端，經(jīng)過0比特插入后的數(shù)據(jù)就可以保證不會出現(xiàn)6個連續(xù)1。在接收一個幀時(shí)，首先找到標(biāo)志字段以確定幀的邊界，接著再對其中的比特序列進(jìn)行檢查，每當(dāng)發(fā)現(xiàn)5個連續(xù)1時(shí)，就將這五個連續(xù)1后的一個0刪除，以便將數(shù)據(jù)還原成原來的比特。這樣就保證了在所傳送的比特序列中，不管出現(xiàn)什么樣的比特組合，也不至于引起幀邊界的判斷錯誤。采用插零/刪零的方法后，幀內(nèi)就可以傳送任意組合的比特序列，即可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的透明傳輸。具體發(fā)送接收流程如圖3所示。

圖3 傳輸鏈路流程

4 傳輸鏈路設(shè)計(jì)

將HDLC協(xié)議用于無線的數(shù)字圖像傳輸，一方面要保證數(shù)據(jù)的同步通訊，另一方面要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。

4.1 FPGA內(nèi)部流程

圖像數(shù)據(jù)信息經(jīng)過數(shù)據(jù)總線和地址總線不斷的從CPU傳送至FPGA，由FPGA將大量的數(shù)據(jù)按照HDLC協(xié)議的格式進(jìn)行打包，發(fā)送出去［8］。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫?，在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，提供數(shù)據(jù)的同步時(shí)鐘，且時(shí)鐘的連續(xù)性和時(shí)鐘頻率是可控的，在接收數(shù)據(jù)時(shí)就可以通過同步時(shí)鐘來判斷數(shù)據(jù)流的標(biāo)志位，實(shí)現(xiàn)幀同步。FPGA內(nèi)部的HDLC協(xié)議處理流程如圖4所示。

圖4 HDLC協(xié)議處理流程

4.2 數(shù)據(jù)透明傳輸

HDLC的幀同步方式利用“0比特插入法”對數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)透明傳輸，傳輸信息的比特組合無任何限制。在發(fā)送端和接收端相應(yīng)地進(jìn)行“插零”及“刪零”操作。這樣使得HDLC具有良好的透明傳輸特性。

實(shí)現(xiàn)“插零”和“刪零”操作的部分源代碼如下:

通過示波器觀察發(fā)送出來的數(shù)據(jù)，波形如圖5。

圖5 HDLC數(shù)據(jù)與時(shí)鐘

5 仿真及試驗(yàn)結(jié)果

首先對設(shè)計(jì)的HDLC鏈路進(jìn)行仿真測試，采用無線電臺發(fā)送一組0～255連續(xù)有序數(shù)據(jù)，在接收端CPCI計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)并存文件，將發(fā)送端的數(shù)據(jù)與接收到的數(shù)據(jù)加以比較，以測試整個鏈路的有效性。

采用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，由圖6可看出，收到數(shù)據(jù)和發(fā)出數(shù)據(jù)完全重合，證明該鏈路是有效的。

圖6 模擬傳輸測試圖

當(dāng)仿真測試完全正確后，還需對真實(shí)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸測試，為了證明HDLC協(xié)議的有效性，分別采用普通方法傳輸和本文設(shè)計(jì)的鏈路進(jìn)行無線傳輸，并對發(fā)送和接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖7、圖8所示。

圖7 實(shí)際圖像傳輸比較(普通)

分析圖7和圖8，可以看出，在普通方式下傳輸圖像數(shù)據(jù)，收到的數(shù)據(jù)和實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)存在明顯的差別，即誤碼較多，而運(yùn)用HDLC協(xié)議的傳輸鏈路收到的數(shù)據(jù)和實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)完全吻合，大大的降低了傳輸?shù)恼`碼率，滿足數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的無線傳輸要求。

圖8 實(shí)際圖像傳輸比較(HDLC)

6 結(jié)束語

數(shù)字圖象傳輸具有數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)。本文將HDLC協(xié)議應(yīng)用在數(shù)字圖像的無線傳輸中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方法是可行、有效的，并且相比普通的無線傳輸，其誤碼率較低，傳輸過程穩(wěn)定、可靠。

［1］ 沈蘭蓀.圖象編碼與異步傳輸［M］.北京:人民郵電出版社，1998.

［2］申長軍，吳慶宏.低功耗無線數(shù)字傳輸塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2004(9).

［3］ 楊新偉，計(jì)欣華，陳金龍.三維白光數(shù)字圖象頻域分析法及其應(yīng)用［J］.機(jī)械強(qiáng)度，2009(04).

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［7］ 石建平，黃鄉(xiāng)生.基于FPGA的循環(huán)冗余校驗(yàn)算法實(shí)現(xiàn)［J］.信息與電子工程，2008，6，(5).

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