基于DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)論文正文

1、 基于DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 緒論1.1課題背景視頻采集技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)品正經(jīng)歷著由模擬化向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的變革。并在科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、資源的遙感探測(cè)、交通運(yùn)輸、空間探測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生等各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用愈發(fā)廣泛。數(shù)字視頻采集壓縮傳輸系統(tǒng)不僅符合信息產(chǎn)業(yè)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，而且代表了行業(yè)的未來(lái)發(fā)展方向，蘊(yùn)藏著巨大的商機(jī)和經(jīng)濟(jì)效益，成為目前信息產(chǎn)業(yè)中頗受關(guān)注的數(shù)字化產(chǎn)品。隨著技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣闊，其普及率也越來(lái)越高，應(yīng)用領(lǐng)域達(dá)到航空航天器材，比如飛機(jī)，小到日常所使用的電子產(chǎn)品，比如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等。DSP在當(dāng)今電子類(lèi)產(chǎn)品中起了不可或缺的作用。TMS32

2、0DM642是TI公司于2003年左右推出的一款32位定點(diǎn)DSP芯片，主要面向數(shù)字媒體，屬于C6000系列DSP芯片。DM642保留了C64x原有的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，工作頻率由內(nèi)部倍頻器設(shè)置，可以達(dá)到500MHz、600MHz或720MHz，相應(yīng)的時(shí)鐘周期為2ns、1.67ns和1.39ns，每秒可執(zhí)行指令數(shù)4000 MIPS、4800 MIPS和5760MIPS。DM642采用TI公司第2代增強(qiáng)型超長(zhǎng)指令集，它的EMIFA接口數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度為64位，最高數(shù)據(jù)存取頻率133MHz，可直接與大容量、低成本的SDRAM芯片無(wú)縫連接。DM642片上帶有3個(gè)雙通道數(shù)字視頻口，可同時(shí)處理多路數(shù)字視頻流，片上帶有多

3、通道串行音頻接口，可同時(shí)處理4路立體聲輸入/輸出音頻信號(hào)。DM642擁有IC設(shè)備的寄存器，DM642的網(wǎng)口、PCI口和HPI口共享引腳。當(dāng)前在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上，對(duì)視頻數(shù)據(jù)的采集壓縮主要有三種方式：基于PC機(jī)的視頻采集壓縮系統(tǒng)、基于專(zhuān)用視頻壓縮芯片的視頻處理系統(tǒng)和基于高速通用視頻處理DSP的視頻壓縮系統(tǒng)。在現(xiàn)今以高速化為要求的視頻采集技術(shù)中，前兩種技術(shù)難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)處理的要求?；诟咚偻ㄓ靡曨l處理DSP的視頻壓縮系統(tǒng)成為新一代網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主流。實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題是如何解決圖像信號(hào)的壓縮編碼和壓縮后圖像數(shù)據(jù)的傳輸。目前視頻處理DSP芯片的性能非常強(qiáng)大,并且價(jià)格是可以接受的，采用DSP來(lái)進(jìn)行圖像

4、的壓縮編碼是可行的。與此同時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及與推廣，以太網(wǎng)通信速率的提高和交換技術(shù)的發(fā)展使它得到了迅速發(fā)展和普及。目前，以太網(wǎng)技術(shù)己無(wú)可爭(zhēng)議地成為主要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。1.2 課題研究的目的及意義本論文以TI公司高性能的32位定點(diǎn)TMS320DM642為中央處理器實(shí)現(xiàn)了嵌入式的視頻采集系統(tǒng)，利用DSP將攝像頭獲取的圖像進(jìn)行壓縮，處理，傳輸?shù)浇K端。整個(gè)除了具有圖像采集，圖像壓縮功能之外，還加入了本地大容量存儲(chǔ)模塊以及網(wǎng)絡(luò)接口模塊，具備了較完整的視頻處理所需要的功能。與其他多處理器實(shí)現(xiàn)方式不同的是，TMS320DM642片內(nèi)集成了視頻和網(wǎng)絡(luò)外設(shè)接口，系統(tǒng)的軟件處理工作可以全部都由DM642完成，從而減

5、少了嵌入式視頻系統(tǒng)的成本和開(kāi)發(fā)難度。在系統(tǒng)中采用了最新的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)BT.656壓縮算法，并使用8019實(shí)現(xiàn)UDP協(xié)議。本文比較系統(tǒng)地描述了系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和功能，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)組成模塊進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，使用protel 99se設(shè)計(jì)電路原理圖和PCB圖，主要包括視頻采集，視頻處理，視頻輸出，音頻輸入/輸出、網(wǎng)絡(luò)傳輸串口等模塊，并針對(duì)DM642高速CPU，分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題。我國(guó)基于嵌入式技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)視頻采集壓縮傳輸系統(tǒng)剛剛起步，所以研究并開(kāi)發(fā)一種基于嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)視頻采集壓縮傳輸系統(tǒng)具有很大的工程實(shí)際意義。基于DPS的視頻采集系統(tǒng)，由于可以靈活地修改其圖像處理算法，它的應(yīng)用主要面向用

6、戶(hù)的特定需求和對(duì)實(shí)時(shí)性有較高要求的場(chǎng)合。因此，有理由相信在嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建視頻圖像采集，處理及壓縮傳輸系統(tǒng)具有廣闊的市場(chǎng)前景。1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)在采集系統(tǒng)中，應(yīng)用了基于DSP的圖像處理技術(shù)，特別是在圖像的模式識(shí)別問(wèn)題上充分發(fā)揮了DSP的硬件結(jié)構(gòu)和具有特色的編程指令。圖像模式識(shí)別的典型算法是卷積運(yùn)算，即乘累加，正好發(fā)揮DSP軟、硬件的特長(zhǎng)。傳統(tǒng)的處理方法是基于計(jì)算機(jī)的硬件和軟件的，計(jì)算機(jī)完成一次乘累加運(yùn)算需要11個(gè)機(jī)器周期，而 DSP 完成同樣的運(yùn)算只需1個(gè)機(jī)器周期。本系統(tǒng)采用 DSP 芯片實(shí)現(xiàn)圖像的模式識(shí)別，提高了處理速度，解決了圖像處理過(guò)程中由于圖像識(shí)別速度慢而影響整個(gè)圖像的處理

7、流程的實(shí)際問(wèn)題，收到了良好的效果。圖像處理技術(shù)的發(fā)展與計(jì)算機(jī)以及硬件技術(shù)的發(fā)展是緊密聯(lián)系的。最早發(fā)表有關(guān)計(jì)算機(jī)處理圖像信息的文章的時(shí)間要追溯到20世紀(jì)50年代，隨著計(jì)算機(jī)以及硬件技術(shù)的高速發(fā)展，性能大幅度提高，而價(jià)格卻大幅度下降，無(wú)疑推動(dòng)了圖像處理技術(shù)的發(fā)展，圖像處理系統(tǒng)的發(fā)展大致上可以劃分為四個(gè)階段。（1）圖像數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)發(fā)展的第一階段第一階段的時(shí)間大體上是20世紀(jì)60年代到80年代中期，這個(gè)時(shí)期的圖像處理系統(tǒng)采用機(jī)箱式結(jié)構(gòu)，主流計(jì)算機(jī)采用小型機(jī)，并采用雙屏操作方式，所以系統(tǒng)的體積比較大，功能也比較強(qiáng)，當(dāng)然價(jià)格也比較貴。當(dāng)時(shí)的代表是美國(guó)I2S公司推出的MODEL-70、MODEL-50

8、圖像計(jì)算機(jī)，英國(guó)JOYCELOBEL公司推出的MAGISCAN圖像分析系統(tǒng)以及美國(guó)VICOM系統(tǒng)公司推出的VICOM-VEM圖像處理工作站。（2）圖像處理系統(tǒng)發(fā)展的第二階段第二階段是的時(shí)間大體上是20世紀(jì)80年代中期到90年代初期，這個(gè)階段的主要特點(diǎn)是小型化，外形不再是機(jī)箱式而是插卡式，絕大部分都是采用PC系列微機(jī)構(gòu)成圖像處理系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)總線(xiàn)采用ISA總線(xiàn)，并采用雙屏操作方式。圖像卡的體積較小，一般圖像卡都是采用大規(guī)模集成電路甚至是制作專(zhuān)用集成電路，從而使價(jià)格降低了。這個(gè)時(shí)期的代表作是美國(guó)Imaging Technology公司推出的PCCISION圖像卡、PCVISIONPlus圖像卡，美國(guó)

9、DT公司推出的DT2851圖像卡，加拿大MATROX公司的一系列圖像卡。（3）圖像處理系統(tǒng)發(fā)展的第三階段第三階段的時(shí)間大體上是從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始，這一階段圖像處理系統(tǒng)突出特點(diǎn)是單屏方式，以微機(jī)PCI總線(xiàn)（Peripheral Component Interconnect bus）為支持的單屏方式和以圖像壓縮傳輸為特點(diǎn)的圖像通信方式成為主流方式，但仍然主要是依靠微機(jī)來(lái)進(jìn)行圖像處理，在Windows平臺(tái)上編制圖像處理軟件包，這個(gè)時(shí)期的代表有美國(guó)Intel公司推出的MMX（多媒體指令系統(tǒng)）等。（4）基于DSP的圖像處理系統(tǒng)隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展和普及，現(xiàn)代的圖像處理方式越來(lái)越向高速、小型、簡(jiǎn)潔的

10、方向發(fā)展，圖像處理逐漸由專(zhuān)用、笨重的圖像處理機(jī)過(guò)渡到通用、小型的微型機(jī)方式，但是由于圖像的數(shù)據(jù)量很大，算法復(fù)雜程度高，人們經(jīng)常使用軟件來(lái)處理，軟件往往局限于計(jì)算機(jī)的配置，使得圖像處理速度比較慢、實(shí)時(shí)性差、價(jià)格高，不適宜在小規(guī)模、小環(huán)境內(nèi)使用。與此同時(shí)數(shù)字信號(hào)處理各種算法日趨完善，特別是運(yùn)算能力的很強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的問(wèn)世，使現(xiàn)代圖像處理系統(tǒng)進(jìn)入了和計(jì)算機(jī)緊密結(jié)合的全數(shù)字體制的階段。以DSP為核心的硬件系統(tǒng)同樣可以用來(lái)進(jìn)行圖像處理，為這個(gè)問(wèn)題的解決帶來(lái)了新的途徑。DSP的運(yùn)算速度和運(yùn)算精度不斷地提高，片內(nèi)的存儲(chǔ)容量不斷地加大，系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)處理能力以及與外部設(shè)備的通信功能不斷地增強(qiáng)，完

11、全可以脫離 PC機(jī)開(kāi)發(fā)出基于DSP的圖像系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈活，成本比較低，便于實(shí)際中使用。1.4 本課題研究的內(nèi)容提出了一種通用的基于DSP的視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，介紹了系統(tǒng)的軟件和硬件構(gòu)成，重點(diǎn)研究了系統(tǒng)軟件部分所涉及到的視頻采集處理，編解碼，圖像實(shí)時(shí)顯示與控制等關(guān)鍵視頻技術(shù)。完成的主要工作如下:（1）以TMS320DM642構(gòu)建成視頻采集的硬件系統(tǒng)。將TVP5150作為視頻采集芯片。（2）掌握8019網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)UDP協(xié)議；（3）靈活運(yùn)用C6000系列DSP外圍電路的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，使用Protel 99se設(shè)計(jì)電路原理圖和PCB圖；（4）了解視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)壓

12、縮與解壓方法，掌握其中一種解壓縮的編程，實(shí)現(xiàn)一個(gè)windows平臺(tái)下的圖像編碼。.（5）代碼移植，對(duì)代碼進(jìn)行修改，使之符合DSP編程需要，把代碼移植到DSP上，使之能在硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。根據(jù)DSP處理芯片的特性對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，提高代碼性能。2 DSP系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的分析2.1 數(shù)字信號(hào)處理器DSP（digital singnal processor）是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)

13、條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱(chēng)道的兩大特色。現(xiàn)代社會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)通信需求正向多樣化、個(gè)人化方向發(fā)展。而無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信作為向社會(huì)公眾迅速、準(zhǔn)確、安全、靈活、高效地提供數(shù)據(jù)交流的有力手段，其市場(chǎng)需求也日益迫切。正是在這種情況下，3G、4G通信才會(huì)不斷地被推出，但是無(wú)論是3G還是4G，未來(lái)通信都將離不開(kāi)DSP技術(shù)（數(shù)字信號(hào)處理器)，DSP作為一種功能強(qiáng)大的特種微處理器,主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視像信號(hào)的高速數(shù)學(xué)運(yùn)算和實(shí)時(shí)處理方面，可以說(shuō)DSP將在未來(lái)通信領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用。 內(nèi)置數(shù)字信號(hào)處理器(DSP，Digita

14、lSignalProcessor)是車(chē)載主機(jī)內(nèi)以邏輯電路對(duì)音視頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行再加工處理的專(zhuān)用元件，是一個(gè)統(tǒng)稱(chēng)名詞，包括數(shù)字效果器、EQ、3D環(huán)繞等等。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP，即DigitalSignalProcessor）是進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的專(zhuān)用芯片，是伴隨著微電子學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的新器件。數(shù)字信號(hào)處理器并非只局限于音視頻層面，它廣泛的應(yīng)用于通信與信息系統(tǒng)、信號(hào)與信息處理、自動(dòng)控制、雷達(dá)、軍事、航空航天、醫(yī)療、家用電器等許多領(lǐng)域。以往是采用通用的微處理器來(lái)完成大量數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算，速度較慢，難以滿(mǎn)足實(shí)際需要；而同時(shí)使用位片式微處理器和快速并聯(lián)乘法器，曾經(jīng)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信

15、號(hào)處理的有效途徑，但此方法器件較多，邏輯設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)復(fù)雜，耗電較大，價(jià)格昂貴。數(shù)字信號(hào)處理器DSP的出現(xiàn)，很好的解決了上述問(wèn)題。DSP可以快速的實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理，以得到符合人們需要的信號(hào)形式。對(duì)于車(chē)載主機(jī)而言，數(shù)字信號(hào)處理器DSP目前主要是提供特定的音場(chǎng)或效果，例如劇場(chǎng)、爵士樂(lè)等等，有些還能接收高清晰度(HD)無(wú)線(xiàn)電和衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電等等，以達(dá)到最大的視聽(tīng)享受。數(shù)字信號(hào)處理器DSP增強(qiáng)了車(chē)載主機(jī)的性能和可用性，提高了音視頻質(zhì)量、提供了更多的靈活性和更快的設(shè)計(jì)周期。隨著技術(shù)的發(fā)展，相信以后還能提供更多的聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)特效，而使車(chē)載主機(jī)成為車(chē)內(nèi)的高科技信息和娛樂(lè)中

16、心。2.2 DSP選型的依據(jù)參考了市場(chǎng)上主流的DSP芯片之后，現(xiàn)將其特點(diǎn)總結(jié)如下：Nexperia系列的PNX1300 DSP處理能力稍弱，PNX1500和PNX1700處理能力較強(qiáng)，而且其外設(shè)功能也較強(qiáng)，價(jià)格在同類(lèi)產(chǎn)品中屬于中等。DM64X系列優(yōu)勢(shì)在于其計(jì)算能力和指令集功能都很強(qiáng)大，且片上外設(shè)豐富，資料齊全便于開(kāi)發(fā)，缺點(diǎn)是芯片價(jià)格貴。Cradle公司的DSP處理能力強(qiáng)大，而且其I/O 外圍接口可編程，因此外設(shè)實(shí)現(xiàn)方便。但是，由于是多核芯片，所以協(xié)調(diào)難度較大，功耗也較大，芯片資料缺乏。ADI的Blackfin系列DSP體積小，功耗低，非常適合做手持式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，價(jià)格便宜，但相比較Philips和

17、TI的DSP，其劣勢(shì)在于能夠支持Blackfin的第三方算法較少。Equator的BSP系列芯片的優(yōu)點(diǎn)在于片上I/O接口豐富，完全采用C語(yǔ)言編程，靈活性高，價(jià)格也較低，但與同系列的Philips和TI的DSP相比，軟件開(kāi)發(fā)難度較大，功耗也稍大。由于本系統(tǒng)是運(yùn)用于視頻采集壓縮系統(tǒng)，因此其特性直接決定了視頻采集壓縮系統(tǒng)核心DSP所需要具備的性能。其功能特點(diǎn)包括：音視頻錄象、音視頻檢索與回放、壓縮、傳輸?shù)鹊?。?）系統(tǒng)要能夠?qū)崟r(shí)壓縮多路信號(hào)并傳輸?shù)揭曨l服務(wù)器，就必須采用高壓縮比的壓縮算法。當(dāng)前廣泛應(yīng)用的BT.656算法和MPEG-4算法以及最新的比H.263節(jié)省50%碼率的H.264標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)DSP芯

18、片的計(jì)算能力提出了巨大的挑戰(zhàn)。（2）系統(tǒng)的管理是基于對(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器IP地址的列表管理，監(jiān)控端軟件能夠連接所有的前端網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，并將其IP地址列入管理清單；用戶(hù)還能夠任意選擇區(qū)域內(nèi)的音視頻通道。同時(shí)，系統(tǒng)需要提供報(bào)警功能，當(dāng)監(jiān)視區(qū)域有異常情況時(shí)，監(jiān)控端主機(jī)會(huì)及時(shí)以聲像報(bào)警，并可控制外接警報(bào)器報(bào)警和控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)報(bào)警聯(lián)動(dòng)。此外，在一般情況下，攝像機(jī)采用定焦距、定方向的固定方式，但在光照度變化大的場(chǎng)所應(yīng)選用自動(dòng)光圈鏡頭，大范圍監(jiān)控區(qū)域宜選用帶有轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)和可變鏡頭的攝像機(jī)。監(jiān)控中心通過(guò)控制端軟件，能夠控制遠(yuǎn)端攝像機(jī)鏡頭和云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。以上這些特性決定了DSP芯片需要具備豐富的外設(shè)資源，以滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)

19、視頻監(jiān)控的需要。綜合以上兩點(diǎn)考慮，本系統(tǒng)采用TI公司DM64x系列中性能較高的DM642芯片。DM642強(qiáng)大的計(jì)算能力和指令集功能、豐富的片上外設(shè)以及齊備的開(kāi)發(fā)資料完全滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用要求。2.3 基于TMS320DM642的視頻采集壓縮系統(tǒng)的總體方案TMS320DM642是TI公司C6000系列DSP最新的定點(diǎn)DSP，其核心是C6416型高性能數(shù)字信號(hào)處理器，具有極強(qiáng)的處理性能，高度的靈活性和可編程性，同時(shí)外圍集成了非常完整的音頻、視頻和網(wǎng)絡(luò)通信等設(shè)備及接口，特別適用于機(jī)器視覺(jué)、醫(yī)學(xué)成像、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控、數(shù)字廣播以及基于數(shù)字視頻/圖像處理的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品等高速DSP應(yīng)用領(lǐng)域。本課題針對(duì)市場(chǎng)

20、客戶(hù)的需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款以TVP5150為視頻輸入解碼器，以TLV320AIC23B為音頻輸入采集電路，以TMS320DM642型DSP為核心處理器的多路視頻采集兼壓縮處理PCI板卡，以RTL8019AS為網(wǎng)卡芯片，并將其應(yīng)用于構(gòu)建高穩(wěn)定性的多媒體數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益?；?TMS320DM642 的視頻采集壓縮系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為 4 路網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。每個(gè)攝像頭采集到的視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)視頻 A/D 芯片轉(zhuǎn)換為 DM642 視頻口識(shí)別的 BT.656 的視頻流格式，4 路音頻 LINE_IN信號(hào)由音頻 A/D 轉(zhuǎn)換后通過(guò) IIS 接口與 DM6

21、42 相連。DM642 芯片對(duì)輸入的音視頻流進(jìn)行壓縮編碼，編碼后的音視頻流通過(guò)以太網(wǎng)口(EMAC)發(fā)送給遠(yuǎn)端的視頻服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。圖 基于 TMS320DM642 的視頻采集壓縮系統(tǒng)的硬件框圖2.4 DSP開(kāi)發(fā)平臺(tái)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)及其方案選型2.4.1 視頻解碼TVP5150是一種低功耗芯片，正常工作時(shí)的功耗為113mW,在節(jié)電模式下得功耗為1mW，該芯片內(nèi)核電源電壓為1.8V，輸入/輸出電源電壓為3.3V。TVP5150芯片的引腳定義如圖2所示，它是一種32引腳TQFP封裝的芯片，外部時(shí)鐘頻率14.318MHz或27MHz，通過(guò)I2C接口配置內(nèi)部的寄存器。圖2 TVP5150芯

22、片引腳定義2.4.2 音頻編解碼DM642的音頻接口外部需要接音頻解碼芯片或者音頻編碼芯片，通過(guò)編解碼芯片的D/A或者A/D進(jìn)行模擬音頻信號(hào)和數(shù)字音頻信號(hào)之間的轉(zhuǎn)化。TLV320AIC23B是一款高性能的立體聲音頻編解碼芯片。片上帶有耳機(jī)輸出放大器，支持MIC和LINE IN兩種方式，輸入和輸出可增益編程。TLV320AIC23B芯片集成了基于Sigma-delta采樣技術(shù)的A/D轉(zhuǎn)換電路和D/A轉(zhuǎn)換電路，可在8K或96K采樣速度下提供16位、20位、24位或32位的采樣數(shù)據(jù)，A/D和D/A的信噪比可以達(dá)到90dB或100dB。TLV320AIC23B芯片是一種低功耗器件，回放模式下功耗僅為2

23、3mW，省電模式下功耗小于15W。TLV320AIC23B芯片的數(shù)字音頻接口包括了LRCIN、DIN、LRCOUT、DOUT和BCLK等引腳。圖3 TLV320AIC23B芯片引腳定義2.4.3 本系統(tǒng)的壓縮方案及視頻壓縮的標(biāo)準(zhǔn)視頻壓縮通過(guò)減少和去除冗余視頻數(shù)據(jù)的方式，達(dá)到有效發(fā)送和存儲(chǔ)數(shù)字視頻文件的目的。在壓縮過(guò)程中，需要應(yīng)用壓縮算法對(duì)源視頻進(jìn)行壓縮以創(chuàng)建壓縮文件，以便進(jìn)行傳輸和存儲(chǔ)。要想播放壓縮文件，則需要應(yīng)用相反的解壓縮算法對(duì)視頻進(jìn)行還原，還原后的視頻內(nèi)容與原始的源視頻內(nèi)容幾乎完全相同。壓縮、發(fā)送、解壓縮和顯示文件所需的時(shí)間稱(chēng)為延時(shí)。在相同處理能力下，壓縮算法越高級(jí)，延時(shí)就越長(zhǎng)。視頻編解

24、碼器（編碼器/解碼器）是指兩個(gè)協(xié)同運(yùn)行的壓縮-解壓算法。使用不同標(biāo)準(zhǔn)的視頻編解碼器通常彼此之間互不兼容；也就是說(shuō)，使用一種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮的視頻內(nèi)容無(wú)法使用另外一種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解壓縮。例如，MPEG-4 Part 2解碼器就不能與H.264編碼器協(xié)同運(yùn)行。這是因?yàn)橐环N算法無(wú)法正確地對(duì)另外一個(gè)算法的輸出信號(hào)進(jìn)行解碼，然而我們可以在同一軟件或硬件中使用多種不同的算法，以支持對(duì)多種格式的文件進(jìn)行壓縮。由于不同的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)會(huì)使用不同的方法來(lái)減少數(shù)據(jù)量，因此壓縮結(jié)果在比特率、質(zhì)量和延時(shí)方面也各不相同。ITU-R BT.656國(guó)際電信聯(lián)盟的無(wú)線(xiàn)通信部門(mén)（ITU-R）制定的標(biāo)準(zhǔn)。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，ITU-R BT.656

25、應(yīng)該是隸屬I(mǎi)TU-R BT.601的一個(gè)子協(xié)議。ITU-R BT.656 則是ITU-R BT.601附件A中的數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)，用于主要數(shù)字視頻設(shè)備(包括芯片)之間采用27Mhzs并口或243Mbs串行接口的數(shù)字傳輸接口標(biāo)準(zhǔn)。ITU-R BT.656視頻數(shù)據(jù)流包括圖像亮度Y和色度Cb、Cr信息，Y、Cb、Cr 3個(gè)分量在ITU-R BT.656視頻流數(shù)據(jù)中的比例為4:2:2。擁有8/10位數(shù)據(jù)傳輸，不需要同步信號(hào)。特點(diǎn)是先傳Y，后傳UV，同時(shí)行場(chǎng)同步信號(hào)嵌入在數(shù)據(jù)流中。它包含了三部分： （1）視頻信號(hào) （2）定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)：有兩個(gè)定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)，一個(gè)在每個(gè)視頻數(shù)據(jù)塊的開(kāi)始(Start of Acti

26、veVideo，SAV)，另一個(gè)在每個(gè)視頻數(shù)據(jù)塊的結(jié)束(End of Active Video，EAV)；每個(gè)定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)由4 個(gè)字的序列組成，格式如下：FF 00 00 XY（16進(jìn)制）頭三個(gè)是固定前綴，第4 個(gè)字包含定義第二場(chǎng)標(biāo)識(shí)、場(chǎng)消隱狀態(tài)和行消隱狀態(tài)的信息。（3）輔助信號(hào)：輔助數(shù)據(jù)信號(hào)可以以10比特形式只在行消隱間距傳送，還可以以8比特形式只在場(chǎng)消隱中的行的有效間距中傳送。ITU-R BT.656視頻數(shù)據(jù)流通常采用隔行掃描技術(shù)，包括上下兩場(chǎng)，根據(jù)場(chǎng)頻和每場(chǎng)圖像包含的行數(shù)，可分為4種視頻格式表1 BT.656視頻數(shù)據(jù)格式頻率/線(xiàn)數(shù)奇數(shù)場(chǎng)線(xiàn)數(shù)偶數(shù)場(chǎng)線(xiàn)數(shù)像素?cái)?shù)/行場(chǎng)頻60Hz/525線(xiàn)240

27、2406406060Hz/525線(xiàn)2442437206050Hz/625線(xiàn)2882887685050Hz/625線(xiàn)288288720502.4.4 視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)及實(shí)現(xiàn)近些年來(lái)，多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的迅速發(fā)展為相互之間的交叉融合奠定了基礎(chǔ)，也使得其成為信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。傳統(tǒng)的Internet主要提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，無(wú)線(xiàn)通信主要提供語(yǔ)音業(yè)務(wù)，而多媒體技術(shù)的日新月異，使得文本、語(yǔ)音、圖形、圖像和視頻綜合進(jìn)入Internet和無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的需求日益增長(zhǎng)。其中，視頻應(yīng)用以其高數(shù)據(jù)量，實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，給學(xué)術(shù)界和工業(yè)界提出了巨大的挑戰(zhàn)，也成為研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。 本文研究并總結(jié)了在Inter

28、net和無(wú)線(xiàn)信道上傳輸圖像和視頻的各種主流技術(shù)，具體的研究?jī)?nèi)容如下： （1）從圖像和視頻的壓縮編碼方面介紹了傳統(tǒng)的編碼技術(shù)和可伸縮性的編碼技術(shù)。重點(diǎn)分析了離散余弦變換、小波變換、匹配追尋算法、精細(xì)可伸縮性算法和漸進(jìn)精細(xì)可伸縮性算法等具有代表性的算法。（2）從網(wǎng)絡(luò)的傳輸控制方面介紹了差錯(cuò)控制和擁塞控制。重點(diǎn)分析了前向糾錯(cuò)、重傳、容錯(cuò)性編碼、差錯(cuò)掩蓋、速率控制和速率成型等技術(shù)。（3）從與視頻傳輸相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面介紹了包括網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議IP，傳輸層協(xié)議UDP、TCP、RTP和RTCP，任務(wù)控制協(xié)議RTSP、RSVP和SIP，以及在Internet上傳輸MPEG-4視頻流的端到端結(jié)構(gòu)中的協(xié)議棧。 （4）

29、提出并實(shí)驗(yàn)了基于圖像的全局DCT變換的位平面編碼，給出了具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并作了相應(yīng)的分析。介紹了網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境Network Simulator 2，并用它實(shí)現(xiàn)了基本的網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)。2.4.5 本系統(tǒng)中使用8019實(shí)現(xiàn)UDP協(xié)議RTL8019AS 是高度集成以太網(wǎng)控制器，它能夠簡(jiǎn)單的解答即插即用NE2000兼容適配器，這種適配器具有二重和功率下降特性。通過(guò)三電平控制特性，RTL8019AS 是已制的對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 GREEN PC 理想的選擇。全二重功能能夠模擬傳播和接收在雙絞線(xiàn)到全二重以太網(wǎng)交換機(jī)。這個(gè)特性不僅強(qiáng)帶寬從10到20MBPS，而且避免了由于以太網(wǎng)頻道爭(zhēng)奪特性導(dǎo)致的讀出多路存取協(xié)議的問(wèn)題

30、。微軟公司的即插即用功能能減輕用戶(hù)較差的營(yíng)業(yè)收入而注意適配器資源，如IRQ,輸入輸出，和存儲(chǔ)器地址等等。然而，為了特殊的應(yīng)用而得不到即插即用功能的兼容性，RTL8019AS 支持 JUMPER 和 JUMPERLESS 選項(xiàng)。圖4 RTL8019AS芯片引腳定義3 DSP系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)視頻處理系統(tǒng)主要就是視頻和音頻的采集、數(shù)據(jù)處理、視頻壓縮、傳輸?shù)取１鞠到y(tǒng)是一個(gè)基于DSP的視頻采集要求對(duì)視頻信號(hào)具備采集，實(shí)時(shí)處理，壓縮傳輸。因此一個(gè)視頻采集通?？捎扇缦虏糠謽?gòu)成：視頻圖像的采集、處理，音頻信號(hào)的處理，各種同步邏輯控制，視頻和音頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，系統(tǒng)電源管理，視頻的壓縮傳輸?shù)取?.1 主處理器TMS32

31、0DM642TMS320DM642芯片屬于TI公司的C64x系列DSP，是TI公司著重推出的超強(qiáng)多媒體處理器。該DSP芯片為548腳BGA封裝，高度集成化；并且為了滿(mǎn)足視頻處理的需要，該芯片內(nèi)部采用Cache結(jié)構(gòu)，支持兩極Cache：其中第一級(jí) Cache對(duì)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)是不可見(jiàn)的，而第二級(jí)的Cache大小是可配置的，芯片自動(dòng)完成這兩級(jí)Cache之間數(shù)據(jù)一致性的維護(hù)。這兩級(jí)Cache的支持大大提高了 CPU的執(zhí)行效率。圖5 TMS320DM642 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.1.1 TMS320DM642的硬件架構(gòu)TMS320DM642采用第二代高性能、先進(jìn)的超長(zhǎng)指令字veloci T1.2結(jié)構(gòu)的DSP核及增

32、強(qiáng)的并行機(jī)制，當(dāng)工作在720M赫茲的時(shí)鐘頻率下，其處理性能最高可達(dá)5760MI/s，使得該款DSP成為數(shù)字媒體解決方案的首選產(chǎn)品，它不僅擁有高速控制器的操作靈活性，而且具有陣列處理器的數(shù)字處理能力，TMS320DM642的外圍集成了非常完整的音頻、視頻和網(wǎng)絡(luò)通信接口。TMS320DM642的主要特點(diǎn)如下:3個(gè)可配置的視頻端口（VPORT02）能夠與通用的視頻編、解碼器實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，支持多種視頻分辨率及視頻標(biāo)準(zhǔn)，支持RAW視頻輸入/輸出，傳輸流模式；1個(gè)10/100Mb/s以太網(wǎng)接口（EMAC），符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)；1個(gè)多通道帶緩沖音頻串行端口（McASP），支持I2S，DIT，S/P

33、DIF，IEC60958-1，AES-3、CP-430等音頻格式；2個(gè)多通道帶緩沖串行端口（McBSP），采用RS232電平驅(qū)動(dòng)；1個(gè)VCXO內(nèi)插控制單元（VIC），支持音/視頻同步；1個(gè)32位、66M赫茲、3.3V主/從PCI接口，遵循PCI2.2規(guī)范；1個(gè)用戶(hù)可配置的16/32主機(jī)接口（HPI）；1個(gè)16位通用輸入/輸出端口（GPIO）；1個(gè)64位外部存儲(chǔ)器接口（EMIF），能夠與大多數(shù)異步存儲(chǔ)器（SRAM、EPROM）及同步存儲(chǔ)器（SDRAM，SBSRAM，ZBT SRAM，F(xiàn)IFO）無(wú)縫連接，最大可尋址外部存儲(chǔ)器空間為1024MB；1個(gè)具有64路獨(dú)立通道的增強(qiáng)型直接內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)控制器（ED

34、MA）；1個(gè)數(shù)據(jù)管理輸入/輸出模塊（MDIO）；1個(gè)I2C總線(xiàn)模塊；3個(gè)32位通用定時(shí)器；1個(gè)符合IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口及子板接口等。圖6 TMS320DM642的內(nèi)核和片上資源3.1.2 TMS320DM642的CPU單元、Cache結(jié)構(gòu)和EDMADM642是基于C64x的CPU，這是C6000系列DSP的一個(gè)部分。為了滿(mǎn)足視頻和圖象處理的需要，該系列DSP采用VelociTI體系結(jié)構(gòu)。該DSP還采用高級(jí)超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)，使得在一個(gè)指令周期能夠并行處理多條指令。DM642的CPU的組成部分包括：（1）兩個(gè)通用寄存器(A和B，各32個(gè)32-bit通用寄存器)；（2）8 個(gè)功能單

35、元(L1，L2，S1，S2，M1，M2，D1，D2)；（3）兩個(gè)從內(nèi)存讀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)通道(LD1和LD2)；（4）兩個(gè)寫(xiě)內(nèi)存的數(shù)據(jù)通道(ST1和ST2)；（5）兩個(gè)數(shù)據(jù)地址通道(DA1和DA2)；（6）兩個(gè)寄存器組數(shù)據(jù)交叉通道(1X和2X)；L1和L2組成了DM642的兩級(jí)緩存。L1距離DSP核最近，數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)速度最快，只能作為不能尋址的Cache使用，由相互獨(dú)立的LIP和LID組成；LIPCache大小為16kB，直接映射，每行大小為32B；LID Cache大小16kB，2路映射，每行大小為64B。L2是L1和外存儲(chǔ)器的中間層，容量較大，有256kbit/s，是統(tǒng)一的存儲(chǔ)空間，即可同時(shí)存儲(chǔ)程序

36、和數(shù)據(jù)。L2可作為SRAM映射到存儲(chǔ)空間使用，也可整體作為第二級(jí)Cache，或是作為二者按比例的一種組合混合使用。L2作為SRAM使用時(shí)，即是DM642的片內(nèi)內(nèi)存，從整個(gè)系統(tǒng)地址空間的起始地址0x00000000開(kāi)始編址，當(dāng)作為Cache使用時(shí)，4路映射，每行大小為128B，容量在32-56kB 之間。在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中要充分利用Cache，總的原則是將盡量多的關(guān)鍵數(shù)據(jù)分配在片內(nèi)，Cache越大越好，對(duì)于不同的應(yīng)用需要用不同的配置。最優(yōu)配置需要在開(kāi)發(fā)中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行選擇。DM642處理器片上有一個(gè)EDMA控制器，如果把CPU的工作比喻為前臺(tái)事務(wù)，那么EDMA的工作則視為后臺(tái)事務(wù)，不

37、占用CPU時(shí)間，這種機(jī)制提高了CPU的工作效率。DM642的EDMA能提供超過(guò)2Gb/s的外部帶寬。EDMA支持 64 路EDMA通道，可與DM642的某個(gè)事件進(jìn)行關(guān)聯(lián)。EDMA時(shí)間出發(fā)與CPU中斷出發(fā)相類(lèi)似，只要正確設(shè)置了EDMA通道，滿(mǎn)足觸發(fā)條件后在程序中便會(huì)自動(dòng)進(jìn)入相應(yīng)的EDMA事件處理函數(shù)。EDMA總共有 85 個(gè)參數(shù)用來(lái)對(duì)“l(fā)inking”或“chaining”進(jìn)行配置。“Linking”是在一個(gè)事件被觸發(fā)時(shí)，允許一個(gè)序列進(jìn)行傳輸?！癈haining”是當(dāng)一個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳輸完畢時(shí)，觸發(fā)另一個(gè)通道的數(shù)據(jù)傳輸。Linking和Chaining使得僅僅被CPU初始配置之后，EDMA 能夠連

38、續(xù)的自動(dòng)運(yùn)行。3.1.3 TMS320DM642 的視頻口TMS320DM642共三個(gè)視頻接口即VP0VP1，每個(gè)視頻口包括20路數(shù)據(jù)信號(hào)VPxD19:0，2路時(shí)鐘信號(hào)VPxCLK1:0（輸入引腳），3路控制信號(hào)VPxCTL2:0。每個(gè)視頻口劃分為A、B兩個(gè)通道，每個(gè)通道既可以配置為視頻輸入口也可以配置為視頻輸出口，不過(guò)A、B兩個(gè)通道在使用過(guò)程中必須設(shè)置為相同類(lèi)型的輸入或者輸出，不能某個(gè)通道配置為視頻輸入，另一個(gè)通道配置為視頻輸出。表2 視頻口的功能分配視頻口名稱(chēng)通道 第1功能第2功能VP0A視頻口McBSP0B視頻口McASPVP1A視頻口McBSP1B視頻口McASPVP2A視頻口單獨(dú)使用

39、B視頻口單獨(dú)使用TMS320DM642片上提供了多個(gè)與視頻口參數(shù)設(shè)置相關(guān)的寄存器，通過(guò)設(shè)置這些寄存器把視頻口配置為視頻輸入口或視頻輸出口，視頻輸入口用于捕獲外部視頻輸入數(shù)據(jù)，視頻輸出口用于顯示視頻圖像。與視頻口相關(guān)的寄存器分為控制用寄存器、視頻捕獲寄存器、視頻捕獲FIFO寄存器、視頻顯示寄存器、視頻顯示FIFO寄存器等。3.1.4 TMS320DM642的其他外設(shè)（1）主端口接口HPI主機(jī)接口是一個(gè)能夠通過(guò)主處理器直接訪(fǎng)問(wèn)CPU的存儲(chǔ)空間的并行口，主機(jī)設(shè)備作為一個(gè)主要的接口從而可以進(jìn)行更加容易的訪(fǎng)問(wèn)，主機(jī)和CPU可以經(jīng)過(guò)內(nèi)部和外部的存儲(chǔ)器進(jìn)行相互交換信息。主機(jī)還能夠直接訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)映射的外圍設(shè)備。

40、32-bit的HPI提供和多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的主處理器或PCI橋芯片相連。HPI與 CPU存儲(chǔ)空間的互聯(lián)是通過(guò)EDMA控制器實(shí)現(xiàn)的。主機(jī)和CPU都可以對(duì) HPI 控制寄存器（HPIC）和（HPI）地址寄存器（HPIA）進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。主機(jī)可以通過(guò)使用外部數(shù)據(jù)和接口控制信號(hào)來(lái)訪(fǎng)問(wèn) HPI 數(shù)據(jù)寄存器（HPID）和 HPIC。（2）PCI 接口通過(guò)集成的PCI主/從設(shè)備總線(xiàn)接口，TMS320C6000的PCI口支持DSP和一個(gè) PCI 主機(jī)的連接。對(duì)于C64x器件，像DM642,通過(guò)EDMA控制器實(shí)現(xiàn)PCI 口和DSP的接口。這種結(jié)構(gòu)考慮到PCI主設(shè)備和從設(shè)備處理，并可以使DMA/EDMA通道資源用于其他應(yīng)用

41、。（3）擴(kuò)展內(nèi)存接口EMIFTMS320DM642的數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度為64位，劃分為4個(gè)存儲(chǔ)空間CE0CE3，每個(gè)存儲(chǔ)空間的大小為256MB。DM642通過(guò)EMIF接口擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)，使用CE0CE3信號(hào)作為空間片選信號(hào)，可以把外擴(kuò)的存儲(chǔ)器映射在不同空間中，空間片選信號(hào)低電平有效，EMIF接口的數(shù)據(jù)寬度也支持8位、16位和32位的數(shù)據(jù)。（4）多路音頻串口（McASP）TMS320DM642設(shè)備包含一個(gè)多聲道音頻串行端口（McASP）接口外設(shè)（McASP 0），為了多聲道音頻應(yīng)用需要，McASP是一個(gè)被優(yōu)化了的串口。McASP由發(fā)射部分和接收部分組成，它們能夠用不同的數(shù)據(jù)格式、隔離的主時(shí)鐘、位時(shí)鐘

42、、幀同步或者一部分完全獨(dú)立地進(jìn)行操作，傳輸部分和接收部分可以是同步的。McASP模塊還包括一個(gè) 16 位移位寄存器池，可配置為用于傳輸數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)，或通用輸入/輸出（GPIO）。McASP的傳輸段可以用時(shí)分復(fù)用同步串行格式傳送數(shù)據(jù)，或用一個(gè)數(shù)字音頻接口格式傳輸數(shù)據(jù)，它的位流可被編碼為S / PDIF， AES - 3 ，IEC - 60958，CP- 430的傳輸。接收段的McASP支持的TDM同步串行格式。多路緩存串口 McBSPMcBSP 能夠和多種標(biāo)準(zhǔn)的端口相連，McBSP 是一種同步串口。（5）通用 I/O 端口GPIO該GPIO外圍設(shè)備提供專(zhuān)用普通用途引腳，可以配置為輸入或輸出。當(dāng)

43、配置為輸出，可以寫(xiě)一個(gè)內(nèi)部寄存器以控制外部引腳的狀態(tài)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)配置為輸入，可以通過(guò)內(nèi)部寄存器的狀態(tài)來(lái)探測(cè)輸入引腳的狀態(tài)。另外，GPIO外圍設(shè)備可能導(dǎo)致CPU中斷和EDMA事件用不同的中斷或事件方式。綜上所述可知：TMS320DM642是一個(gè)強(qiáng)大的多媒體處理器，是構(gòu)成多媒體通信系統(tǒng)的良好平臺(tái)。它的豐富的外圍接口使得它近乎是一個(gè)多媒體嵌入式系統(tǒng)的單芯片硬件平臺(tái)；它的完全可編程性，又可以使得它能夠兼容正在發(fā)展的各種多媒體信號(hào)處理標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)成通用的軟件平臺(tái)。這些特性必將使得它得到廣泛的應(yīng)用。3.2 視頻采集壓縮系統(tǒng)的核心電路設(shè)計(jì)基于TMS320DM642的視頻采集壓縮系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包含以下核心模塊：音視頻A

44、/D轉(zhuǎn)換模塊、擴(kuò)展存儲(chǔ)模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、電源模塊、串行通信模塊。音視頻A/D轉(zhuǎn)換模塊主要完成4路模擬CVBS信號(hào)和4路LINE_IN信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換以及與DM642視頻口的連接；擴(kuò)展存儲(chǔ)模塊主要是完成DM642 EMIF 接口與SDRAM及FLASH的連接；網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)DM642 EMAC接口與以太網(wǎng)物理層控制器之間的連接；電源模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻采集壓縮系統(tǒng)各芯片的電源供應(yīng)，以及對(duì)系統(tǒng)電壓監(jiān)控并產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)；串行通信模塊主要實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用異步通信芯片對(duì)DM642 McBSP接口的擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、準(zhǔn)確的串行通信。3.2.1 音視頻 A/D 轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)一般采集彩色圖像，首先要進(jìn)行視頻解碼，即把復(fù)合的視頻

45、信號(hào)分解成亮度和兩個(gè)色差信號(hào)，各個(gè)分量再獨(dú)立進(jìn)行量化。傳統(tǒng)的模擬電路的亮色分離存在著如下兩個(gè)缺點(diǎn)：（1）模擬的亮色分離電路一般采用帶通濾波器和陷波器，但模擬濾波器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整較繁，相頻特性不理想，常使亮色分離不干凈。而且?guī)捠芟拗疲y以達(dá)到高保真的效果。（2）信源送來(lái)的行場(chǎng)同步都有抖動(dòng)，有時(shí)還會(huì)失同步，鎖相電路應(yīng)能跟上行同步，并且輸出的抖動(dòng)要小。因?yàn)閷?shí)際的視頻采樣系統(tǒng)中，為了使后級(jí)的處理簡(jiǎn)單，往往需要采樣時(shí)鐘與行頻鎖相，形成所謂的行頻鎖相視頻采樣，以使得到的樣點(diǎn)為行正交結(jié)構(gòu)。另外，解碼器中還要恢復(fù)副載波信號(hào)來(lái)解調(diào)色差信號(hào)，恢復(fù)色副載波的頻率和相位的準(zhǔn)確度直接影響到解調(diào)的質(zhì)量。因此，解碼器系統(tǒng)

46、(特別是多制式的解碼器)中，鎖相系統(tǒng)要能完成多種頻率的高精度鎖相。 音視頻A/D轉(zhuǎn)換模塊由音視頻解碼芯片構(gòu)成，由于DM642的VP口能夠接受CCIR601、ITU-BT.656.和RAW Video等多種格式的視頻數(shù)據(jù)，提供了與目前市面上流行的視頻編解碼芯片的無(wú)縫連接，因而大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，在芯片的選擇上更多集中在視頻解碼質(zhì)量，芯片功耗等方面進(jìn)行考慮。由于設(shè)計(jì)中采用模擬攝像頭進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的采集，因此需要使用視頻解碼芯片將采集到的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化，然后傳送給DM642的視頻端口進(jìn)行處理。這里的視頻解碼芯片選用了TI公司生產(chǎn)的TVP5150芯片。該芯片是一款超低功耗的視頻解碼器，正常工作時(shí)功耗僅為

47、115mW，在省電模式下功耗不超過(guò)1mW。它支持PAL/NTSC/SECAM制式的視頻信號(hào)，采用了節(jié)省空間的32-pinTQFP封裝，芯片需要+1.8V的模擬/數(shù)字電壓和+3.3V的I/O電壓。TVP5150支持2路復(fù)合視頻(CVBS)或1路S一端子(S-video)輸入，由14.31818MHz的外部振蕩器產(chǎn)生解碼器內(nèi)部9-bitADC所需的27MHz采樣頻率，將輸入的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為帶離散同步信號(hào)的8-bit 4：2：2YCbCr或者帶內(nèi)嵌同步信號(hào)的8-bit BT.656格式的數(shù)字視頻信號(hào)并輸出，除此之外，TVP5150還輸出同步信號(hào)，消隱信號(hào)，鎖定信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)。TVP5150A解碼

48、器還包括一組內(nèi)部寄存器(地址從00h-FFh )，芯片的所有工作參數(shù)包括視頻特征(色調(diào)、對(duì)比度、明亮度、飽和度和尖銳度)和其他一些相關(guān)的控制等都由DM642通過(guò)I2C串行端口在這些寄存器中設(shè)置。圖 視頻芯片與 DM642 的連接系統(tǒng)對(duì)音頻信號(hào)的處理使用 TI 的TLV320AIC23音頻編解碼器，模擬的音頻信號(hào)通過(guò)線(xiàn)性輸入接口輸入AIC23，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送給DSP 進(jìn)行處理。DSP 處理后的音頻信號(hào)再通過(guò)AIC23 轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。AIC23編解碼器使用兩個(gè)串行通道，一個(gè)通道控制編解碼器的內(nèi)部配置寄存器，另一個(gè)用于收發(fā)數(shù)字音頻信號(hào)。I2C總線(xiàn)作為單向的控制通道，實(shí)現(xiàn)DSP對(duì)編解碼器的配

49、置。雙向的數(shù)據(jù)通道則由McASP來(lái)實(shí)現(xiàn)，所有的音頻數(shù)據(jù)均由此處交換。圖8 DM642與音頻芯片接口圖3.2.2 擴(kuò)展存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)DSP訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)必須通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口EMIF。DM642有很強(qiáng)的接口能力，不僅具有很高的數(shù)據(jù)吞吐率，而且可以與目前幾乎所有類(lèi)型的存儲(chǔ)器直接接口，如 pipeline結(jié)構(gòu)的同步突發(fā)靜態(tài) RAM(SBRAM)，異步器件，包括 SRAM、ROM和 FIFO 等，還有外部共享存儲(chǔ)空間的設(shè)備。圖9 DM642 視頻口分配DM642上有兩個(gè)擴(kuò)展內(nèi)存接口總線(xiàn)，分別為EMIFA和EMIFB。EMIFA 提供64 位寬度的外總線(xiàn)數(shù)據(jù)接口，EMIFB提供 16 位寬度的外總線(xiàn)數(shù)

50、據(jù)接口，最大總線(xiàn)速度為133MHz。由于對(duì)視頻圖像的處理需要比較大的存儲(chǔ)空間，所以系統(tǒng)通過(guò)DM642的外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)擴(kuò)展了片外存儲(chǔ)空間。DM642的64位 EMIF 根據(jù)地址空間劃分為4個(gè)部分，CE0-CE3，這4個(gè)部分分別與擴(kuò)展的片外設(shè)備相連。在本系統(tǒng)中，片外設(shè)備包括： 2 塊 4M32bit，133MHz速率的 SDRAM、1塊64Mbit的FLASH以及TI的UART。系統(tǒng)程序固化在FLASH存儲(chǔ)器中，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，DM642把程序和臨時(shí)數(shù)據(jù)保存在SDRAM中。FLASH存儲(chǔ)器具有總線(xiàn)寫(xiě)入功能，這對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)程序的修改和升級(jí)帶來(lái)了極大的方便。（1）SDRAM系統(tǒng)選用的SDRAM

51、容量為4Mbit，數(shù)據(jù)寬度為32位，由于DM642的EMIFA數(shù)據(jù)線(xiàn)寬度為64位，所以選用兩片SDRAM與DM642相連接。SDRAM具有如下特征：l 信號(hào)與時(shí)鐘同步。在SDRAM中，所有的輸入、輸出信號(hào)都是與時(shí)鐘信號(hào)同步，SDRAM在時(shí)鐘的上升沿對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣并鎖存。l 命令操作。SDRAM的各種操作都是通過(guò)命令進(jìn)行控制的，控制命令在時(shí)鐘的上升沿有效且只持續(xù)一拍。l 多塊并行。在SDRAM芯片中，一般有2-4個(gè)存儲(chǔ)塊，當(dāng)一個(gè)塊在工作時(shí)，其他塊可立即進(jìn)行讀寫(xiě)準(zhǔn)備(預(yù)充電、運(yùn)行地址、刷新等)。前一個(gè)工作快完成后，下一個(gè)塊可立即進(jìn)行工作。這樣隱藏了存儲(chǔ)塊的啟動(dòng)時(shí)間，提高了數(shù)據(jù)傳輸率。表3 DM

52、642的 EMIF 的地址空間分配表Chip selectFunctionCE0SDRAM busCE18 bit FlashCE2UARTCE3l 數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸。SDRAM內(nèi)部設(shè)有地址計(jì)數(shù)器，在突發(fā)方式工作時(shí)，只需要對(duì)SDRAM送一次初始地址，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)訪(fǎng)問(wèn)，后續(xù)列地址由 SDRAM內(nèi)的列地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)提供。l 抗干擾能力強(qiáng)。由于SDRAM是在時(shí)鐘上升沿對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，數(shù)據(jù)在其它時(shí)間的變化不會(huì)影響SDRAM的工作，因而具有較強(qiáng)的抗干擾能力。本文中，DM642的外部擴(kuò)展兩片HY57V283220T芯片，共4M*64位SDRAM空間，選擇工作頻率為133MHz的HY57V283220T芯片

53、。圖中，使用CE0引腳產(chǎn)生SDRAM芯片的片選信號(hào)，即把兩片HY57V283220T芯片擴(kuò)展的片選信號(hào)，即把兩片HY57V283220T芯片擴(kuò)展在DM642的CE0空間。圖10 DM642 與 SDRAM 連接關(guān)系（2）FLASHTMS320DM642片內(nèi)不帶FLASH或EEPROM，系統(tǒng)掉電DM642存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)和程序?qū)⑷縼G失，所以DM642外部通常需要擴(kuò)展FLASH存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)程序和重要的數(shù)據(jù)。FLASH存儲(chǔ)器也是通過(guò)DM642的EMIFA接口加以擴(kuò)展，由DSP或CPLD器件產(chǎn)生FLASH芯片需要的邏輯控制。目前市場(chǎng)上的EPROM工作電壓一般在 5V，與3.3V的DSP芯片相連接時(shí)

54、需要考慮電平轉(zhuǎn)換問(wèn)題，而且體積都比較大。Flash存儲(chǔ)器與EPROM相比，具有更高的性?xún)r(jià)比，而且體積較小、功耗低、電可擦寫(xiě)，使用比較方便，3.3V Flash 可直接與DSP相接。因此采用Flash存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序和固定數(shù)據(jù)是比較好的選擇。Flash主要作用是固化程序和保存歷史數(shù)據(jù)，也就是開(kāi)機(jī)后執(zhí)行閃存的程序，并在程序執(zhí)行的過(guò)程中實(shí)時(shí)地保存或修改其內(nèi)部的數(shù)據(jù)單元。我們使用的是AMD公司的AM29LV033C Flash存儲(chǔ)器，容量為4M*8位，單電源供電，電源電壓范圍為2.73.6V，該芯片可以和DM642直接連接。其主要特點(diǎn)有：l 僅需3V單電源供電便可進(jìn)行讀、編程和擦除操作；l 完全支持JE

55、DEC單電源Flash存儲(chǔ)器標(biāo)準(zhǔn)；l 支持在系統(tǒng)編程，用戶(hù)只需向其命令寄存器寫(xiě)入標(biāo)準(zhǔn)的微處理器指令，具體l 編程、擦除操作便由內(nèi)部電路實(shí)現(xiàn)；l 可對(duì)某一扇區(qū)進(jìn)行操作而不影響其他部分的數(shù)據(jù)；l 有硬件數(shù)據(jù)保護(hù)功能，以防止誤操作。AM29LV033C芯片的地址線(xiàn)共有22條A21:0，但DM642的地址線(xiàn)只有19條AEA22:3，兩種芯片之間的地址線(xiàn)數(shù)量不匹配，所以DM642不能遍歷FLASH芯片的所有地址單元。為了解決這一問(wèn)題，在DM642電路系統(tǒng)中才用CPLD器件，把FLASH存儲(chǔ)區(qū)的64個(gè)扇區(qū)劃分為若干個(gè)頁(yè)，每頁(yè)包括多個(gè)扇區(qū)。在CPLD內(nèi)部擴(kuò)展控制A21:19引腳信號(hào)的寄存器，DM642通過(guò)操

56、作寄存器端口實(shí)現(xiàn)遍歷FLASH芯片所有地址單元的任務(wù)。CPLD器件選用EPM7128AETC芯片，在CPLD內(nèi)部設(shè)計(jì)FLASH翻頁(yè)用的各種寄存器，PA19、PA 20 和PA21 3個(gè)引腳用于管理FLASH存儲(chǔ)器的頁(yè)和扇區(qū)。Flash第0頁(yè)的前1K字節(jié)空間為Bootloader段，用于存放用戶(hù)的二級(jí)Bootloader，剩下的空間可以全部用來(lái)存放大型用戶(hù)程序。在兩級(jí)Bootloader完成系統(tǒng)初始化后，可以通過(guò)設(shè)置DM642的GPIO控制寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash其他頁(yè)面的訪(fǎng)問(wèn)。值得注意的是，由于在此設(shè)計(jì)中沒(méi)有采用硬件自動(dòng)跨頁(yè)訪(fǎng)問(wèn)，在編寫(xiě)DSP用戶(hù)程序時(shí)，如果涉及到Flash第0頁(yè)以后的讀寫(xiě)，應(yīng)

57、注意根據(jù)程序訪(fǎng)問(wèn)的地址，控制GPIO的狀態(tài)。圖11 TMS320DM642和Flash的接口3.2.3 網(wǎng)絡(luò)模塊的設(shè)計(jì)RTL8019AS是一種全雙工即插即用的以太網(wǎng)控制器，它在一塊芯片上集成了RTL8019內(nèi)核和一個(gè)16KB的SDRAM存儲(chǔ)器。它兼容RTL8019控制軟件和NE2000 8bit或16bit的傳輸，支持UTP,AUI,BNC和PNP自動(dòng)檢測(cè)模式，支持外接閃爍存儲(chǔ)器讀寫(xiě)操作，支持I/O口地址的完全解碼，具有LED指示功能。其接口符合Ethernet2和IEEE802.3（10Base5,10Base2,10BaseT）標(biāo)準(zhǔn)。圖12 DM642網(wǎng)絡(luò)接口與物理層設(shè)備的連接3.2.4 電源模塊的設(shè)計(jì)由于DSP系統(tǒng)工作頻率高，數(shù)據(jù)吞吐量大，所以功耗也相對(duì)較高。TI公司的TMS320C6000系列DSP需要兩種電源，CVdd和DVdd，分別給內(nèi)核和周邊I/O接口供電，TMS320DM642要求內(nèi)核電壓為1.4V，周邊I/O接口電壓為3.3V。正是因?yàn)镈SP系統(tǒng)中需要兩種電源，所以必須考慮它們的配合問(wèn)題。在加電過(guò)程中，如果只有內(nèi)核獲得供電，周邊沒(méi)有得到供電，對(duì)芯片不會(huì)產(chǎn)生任何損害，只是沒(méi)有輸入/輸出能力而已；相反，如果周邊