基于TMS320DM642的多路視頻采集處理板卡的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

關(guān)鍵詞： TMS320DM642 , 視頻采集

1 引言

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是安全防范系統(tǒng)的重要組成部分，也是一種防范能力較強的綜合系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)以其直觀、方便、信號內(nèi)容豐富而廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，近年來，隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)及圖像處理，傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)也得到長足的進步，集多媒體技術(shù)，數(shù)字圖像處理和遠程網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)茸钚录夹g(shù)為一體的多媒體數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)正在逐步取代傳統(tǒng)的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)，目前，市場上專用的視頻壓縮電路只能實現(xiàn)一種壓縮算法，靈活性和可擴展性較差，基本不具備在此基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)的能力，各種基于ISA、PCI等總線的圖形采集卡也能在市場上買到，但價格較貴，且處理功能簡單，二次開發(fā)效率低，不能很好地滿足用戶的特殊需要。

為了適應(yīng)多媒體通信技術(shù)的發(fā)展，美國德州儀器公司推出一款針對視頻和圖像解決方案的TMS320DM642型高性能數(shù)字媒體處理器，他是TI公司C6000系列DSP總最新的頂點DSP，其核心是C6416型高性能數(shù)字信號處理器，具有極強的處理性能，高度的靈活性和可編程性，同時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，特別適用于機器視覺、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/圖像處理的消費類電子產(chǎn)品等高速DSP應(yīng)用領(lǐng)域。筆者針對市場客戶的需求，設(shè)計并實現(xiàn)了一款以TVP5150為視頻輸入解碼器，以PCM1801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，并將其應(yīng)用于構(gòu)建高穩(wěn)定性、高魯棒性和多媒體數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

2 TMS320DM642的硬件架構(gòu)

TMS320DM642采用第二代高性能、先進的超長指令字veloci T1.2結(jié)構(gòu)的DSP核及增強的并行機制，在720M赫茲的時鐘頻率下，其處理性能為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，主要包括：

3個可配置的視頻端口（VPORT0－2）能夠與通用的視頻編、解碼器實現(xiàn)無縫連接，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10/100Mb/s以太網(wǎng)接口（EMAC），符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)；
1個多通道帶緩沖音頻串行端口（McASP），支持I2S，DIT，S/PDIF，IEC60958－1，AES－3、CP－430等音頻格式；
2個多通道帶緩沖串行端口（McBSP），采用RS232電平驅(qū)動；
1個VCXO內(nèi)插控制單元（VIC），支持音/視頻同步；
1個32位、66M赫茲、3.3V主/從PCI接口，遵循PCI2.2規(guī)范；
1個用戶可配置的16/32主機接口（HPI）；
1個16位通用輸入/輸出端口（GPIO）；
1個64位外部存儲器接口（EMIF），能夠與大多數(shù)異步存儲器（SRAM、EPROM）及同步存儲器（SDRAM，SBSRAM，ZBT SRAM，F(xiàn)IFO）無縫連接，最大可尋址外部存儲器空間為1024MB；
1個具有64路獨立通道的增強型直接內(nèi)存訪問控制器（EDMA）；
1個數(shù)據(jù)管理輸入/輸出模塊（MDIO）；
1個I2C總線模塊；
3個32位通用定時器；
1個符合IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口及子板接口等。
有關(guān)TMS320DM642的詳細(xì)性能介紹請參照其數(shù)據(jù)手冊[1]。

3 多路視頻采集處理板卡硬件設(shè)計

基于TMS320DM642的多路視頻采集處理板卡的主要硬件功能模塊包括視頻輸入解碼模塊、音頻輸入采集模塊、核心DM642型DSP模塊、外部存儲模塊、PCI總線驅(qū)動控制模塊及電源管理模塊等，基本工作原理是由CCD攝像頭采集輸入的模擬視頻信號，經(jīng)過視頻解碼器轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號，由拾音器采集輸入的模擬音頻信號經(jīng)過音頻采集電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字音頻數(shù)據(jù)，送到DM642，DM642再將采集的音、視頻數(shù)據(jù)用MPEG－4標(biāo)準(zhǔn)編碼壓縮后通過PCI接口傳送到PC上位機，構(gòu)成數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，本板卡的總體設(shè)計功能框圖及接口信號示意圖如圖1所示，主要由1個TMS320DM642GDK（DSP）、4個TI公司的TVP5150AM1（視頻解碼器）、2個TI公司的PCM1801U（音頻采集電路），2個Hynix公司的HY57V283220TP－6（SDRAM），1個SN74CBT16233DGGR（PCI總線橋接電路）以及AMS1085CM和AMS1086CD（電源管理電路）等組成。

 

3.1 視頻輸入解碼模塊

視頻輸入解碼模塊由4個TVP5150型視頻解碼器及外圍電路組成，主要功能是將每一路CCD攝像頭采集輸入的標(biāo)準(zhǔn)PAL制電視模擬信號發(fā)送到視頻解碼器，完成視頻圖像的箝位及抗混疊濾波等預(yù)處理，模擬數(shù)字化轉(zhuǎn)及亮度/色度、水平/垂直同步等信號的分離，實現(xiàn)模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字并行信號BT.656碼流格式，TVP5150可將基帶模擬NTSC、PAL及SECAM視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字分量視頻信號，正常工作時的功耗僅為115mW，售價比同系列TI產(chǎn)品更低，并且具有業(yè)界最小尺寸的32引腳超薄方型扁平封裝（TQFP）。TVP5151支持2個復(fù)合端子或1個S端子輸入，可輸出ITU－RBT.656，并支持Macrovision復(fù)制保護及高級VBI功能。

DM642視頻口0、1中的一部分（VP0/A、VP1/A）及視頻口2（VP2/A、VP2/B）分別掛接1個TVP5150，視頻采集的數(shù)據(jù)格式為YUV4：2：2，分辨率為CIF（352×288）大小，視頻輸入解碼模塊接口電路原理功能框圖如圖2所示。系統(tǒng)將2個電路的I2C總線接口SCL和SDA分別互連，TVP5150的視頻輸出口YOUT[0－7]和DM642 VPORT口的VPOD[9－2]相連，TVP5150的系統(tǒng)時鐘SCLK和DM642 VPORT口的VPOCLK0相連。由于采用ITU－R BT.656碼流格式，圖像的水平同步、垂直同步、場同步等同步信號已內(nèi)嵌在視頻數(shù)據(jù)流中，并且考慮到DM642每個VPORT口預(yù)留的3個用以接收同步信號的VP0CTL[0－2]控制引腳，只能滿足一路視頻同步信號的要求，所以在設(shè)計過程中省略同步信號線的連接。

TVP5150雖然不支持縮放（Scaling）功能，但是可以截取屏幕的一部分再傳輸給DM642作后續(xù)的壓縮處理，具體操作是對應(yīng)的寄存器中選擇視頻流的起始行和結(jié)束行，控制圖像的縱向長度，選擇單行的起始位置和結(jié)束位置并利用圖像的AVID功能控制圖像的水平寬度。

DM642對TVP5150內(nèi)部寄存器的訪問通過I2C總線實現(xiàn)，在與TVP5150應(yīng)答過程中需要從器件TVP5150的地址0x101110X1，其中X代表0或者1，并可以在系統(tǒng)上電時配置，TVP5150在上電時會根據(jù)YOUT[7]上的電位高低決定X代表0，還是1。這樣，TVP5150作為從器件的地址只有2個：0x10111001和0x10111011。DM642要與4個TVP5150通信，一路I2C總線是不夠的，需要通過GPIO接口利用軟件模擬I2C總線時序，配置另外兩個TVP5150。

采集輸出的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)送入DM642 VPORT端口的5120 Bytes大小的緩沖區(qū)，TVP5150本地時鐘的控制下通過EDMA通道自動向DM642 VPORT端口緩沖區(qū)單元發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)采集完一場數(shù)據(jù)時產(chǎn)生DMA中斷，并在DMA中斷服務(wù)程序中根據(jù)實際需要完成相應(yīng)的視頻處理，經(jīng)過實時編碼壓縮后的視頻數(shù)據(jù)存儲到外部SDRAM中，硬件電路需要提供TVP5150所需要的14.31818 M赫茲時鐘頻率，DM642可通過I2C總線對TVP5150的參數(shù)進行設(shè)置。

3.2 音頻輸入采集模塊

音頻輸入采集模塊由2個PCM1801U型音頻采集電路及其外圍電路組成，主要功能是對由拾音器采集輸入的模擬音頻信號進行采樣，然后將其轉(zhuǎn)換為DSP可以處理的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)格式，PCM1801U是采用5V工作電壓的雙聲道16位音頻模/數(shù)（A/D轉(zhuǎn)換器，包括1個單端－差分模擬前端，1個5階Δ－Σ調(diào)制器（64倍重復(fù)取樣），1個內(nèi)部高通數(shù)字均分濾波器。

DM642視頻口0、1中的剩余部分（VP0/B、VP1/B）配置為McASP，與1個PCM1801U連接，實現(xiàn)音頻的輸入采集功能。用PCM1801U的左、右2個16位音頻聲道獲取4路音頻通道的數(shù)字化數(shù)據(jù)，音頻采集的數(shù)據(jù)格式為每路單聲道，44.1K赫茲采樣率，每個采樣數(shù)據(jù)用8位量化，采集輸出的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)通過McASP傳給DSP的輸入緩沖區(qū)單元，當(dāng)設(shè)定用于存放音頻采樣數(shù)據(jù)的緩存器滿時產(chǎn)生DMA中斷，并在DMA中斷服務(wù)程序中根據(jù)實際設(shè)定情況處理音頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過實時編碼壓縮后的音頻數(shù)據(jù)存儲到外部SDRAM中，DSP通過I2C總線實現(xiàn)對音頻采集電路的編碼，以控制采樣速率、音頻源、音量等具體參數(shù)，硬件電路需要提供音頻采集電路需要的工作時鐘，筆者使用的時鐘是11.2896M赫茲，音頻輸入采集模塊接口電路原理功能框圖如圖3所示。