【正文】 4 視頻采集壓縮系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)程序框架 DM642 片上有許多外圍接口，系統(tǒng)中也需要許多外圍的 硬件設(shè)備，并且上層還有相當(dāng)復(fù)雜的應(yīng)用程序，本文討論的軟件設(shè)計(jì)主要涉及引導(dǎo)裝載程序及底層驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，主要用于驗(yàn)證硬件平臺的正確性。 圖 13 TPS54310 連接電路 本章小結(jié) 本章主要討論了用 TMS320DM642 來實(shí)現(xiàn)視頻采集監(jiān)控系統(tǒng) 的硬件設(shè)計(jì)方法。TPS54310 芯片電壓輸入范圍為 ~，最大輸出電流 3A，輸出電壓范圍可調(diào)。關(guān)閉電源控制不僅使電源變換器耗電降到最小，而更重要的是將它所供電的電路都關(guān)閉了，可大大地節(jié)省電能。由于轉(zhuǎn)換效率很高，因此發(fā)熱很小，這也使得散熱處理得以簡化。 這種特別的調(diào)制過程可以保證高達(dá) 80%的效率，而且只需外接陶瓷電容。 LDO 的轉(zhuǎn)換效率較低，故發(fā)熱量大，但 LDO 在采用線性低壓降技術(shù)之后，壓降低，本質(zhì)上沒有輸出紋波。 目前常用的電源轉(zhuǎn)換器主要有：線性低壓降 LDO(Low Drop Output)穩(wěn)壓器、電容電荷泵 DCDC 變換器和 電感型開關(guān)模式 DCDC 變換器等等。因此，在加電過程中，應(yīng)當(dāng)保證內(nèi)核電源 CVdd 先加上，最晚也應(yīng)當(dāng)與周邊I/O 接口電源 DVdd 同時(shí)加。 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 ，周邊 I/O 接口電壓為 。 圖 11 TMS320DM642 和 Flash 的接口 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 26 頁 共 83 頁 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 存儲器。 CPLD 器件選用 EPM7128AETC 芯片，在 CPLD 內(nèi)部設(shè)計(jì) FLASH 翻頁用的各種寄存器， PA1 PA 20 和 PA21 3 個(gè)引腳用于管理 FLASH 存儲器的頁和扇區(qū)。 其主要特點(diǎn)有： ? 僅需 3V 單電源供電便可進(jìn)行讀、編程和擦除操作； ? 完全支持 JEDEC 單電源 Flash 存儲器標(biāo)準(zhǔn)； ? 支持在系統(tǒng)編程，用戶只需向其命令寄存器寫入標(biāo)準(zhǔn)的微處理器指令，具體 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 25 頁 共 83 頁 ? 編程、擦除操作便由內(nèi)部電路實(shí)現(xiàn)； ? 可對某一扇區(qū)進(jìn)行操作而不影響其他部分的數(shù)據(jù)； ? 有硬件數(shù)據(jù)保護(hù)功能，以防止誤操作。 Flash 存儲器與 EPROM 相比，具有更高的性價(jià)比，而且體積較小、功耗低、電可擦寫，使用比較方便， Flash 可直接與 DSP 相接。圖中，使用 CE0 引腳產(chǎn)生 SDRAM 芯片的片選信號，即把兩片 HY57V283220T 芯片擴(kuò)展的片選信 號，即把兩片 HY57V283220T 芯片擴(kuò)展在 DM642 的 CE0 空間。 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 SDRAM 送一次初始地址，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)訪問，后續(xù)列地址由 SDRAM 內(nèi)的列地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)提供。在 SDRAM 芯片中，一般有 24 個(gè)存儲塊，當(dāng)一個(gè)塊在工作時(shí)，其他塊可立即進(jìn)行讀寫準(zhǔn)備 (預(yù)充電、運(yùn)行地址、刷新等 )。在 SDRAM 中，所有的輸入、輸出信號都是與時(shí)鐘信號同步， SDRAM 在時(shí)鐘的上升沿對輸入信號進(jìn)行采樣并鎖存。系統(tǒng)程 序固化在 FLASH 存儲器中，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。 EMIFA 提供 64 位寬度的外總線數(shù)據(jù)接口， EMIFB 提供 16 位寬度的外總線數(shù)據(jù)接口，最大總線速度為 133MHz。雙向的數(shù)據(jù)通道則由 McASP 來實(shí)現(xiàn)，所有的音頻數(shù)據(jù)均由此處交換。 圖 ７ 視頻芯片與 DM642 的連接 系統(tǒng)對音頻信號的處理使用 TI 的 TLV320AIC23 音頻編解碼器，模擬的音頻信號通過線性輸入接口輸入 AIC23，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送給 DSP 進(jìn)行處理。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 115mW，在省電模式下功耗不超過 1mW。因此，解碼器系統(tǒng) (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。而且?guī)捠芟拗疲y以達(dá)到高保真的效果。 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/D 轉(zhuǎn)換模塊、擴(kuò)展存儲模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、電源模塊、串行通信模塊。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。 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。 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、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。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。主機(jī)和 CPU都可以對 HPI 控制寄存器 （ HPIC） 和 （ HPI） 地址寄存器 （ HPIA） 進(jìn)行訪問。 TMS320DM642 的其他外設(shè) （ 1） 主端口接口 HPI 主機(jī)接口是一個(gè)能夠通過主處理器直接 訪問 CPU 的存儲空間的并行口，主機(jī)設(shè)備作為一個(gè)主要的接口從而可以進(jìn)行更加容易的訪問，主機(jī)和 CPU 可以經(jīng)過內(nèi)部和外部的存儲器進(jìn)行相互交換信息。 TMS320DM642 的視頻口 TMS320DM642 共三個(gè)視頻接口 即 VP0~VP1，每個(gè)視頻口包括 20 路數(shù)據(jù)信號 VPxD[19:0]， 2 路時(shí)鐘信號 VPxCLK[1:0]（輸入引腳）， 3 路控制信號VPxCTL[2:0]。 EDMA總共有 85 個(gè)參數(shù)用來對“ linking”或“ chaining”進(jìn)行配置。 DM642 處理器片上有一個(gè) EDMA 控制器，如果把 CPU 的工作比喻為前臺事務(wù)，那么 EDMA 的工作則視為后臺事務(wù)，不占用 CPU 時(shí)間，這種機(jī)制提高了CPU 的工作效率。 L2 可作為 SRAM 映射到存儲空間使用，也可整體作為第二級 Cache，或是作為二者按比例的一種組合混合使用。該 DSP 還采用高級超長指令字結(jié)構(gòu)，使得在一個(gè)指令周期能夠并行處 理多條指令。 圖 5 TMS320DM642 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 TMS320DM642 的硬件架構(gòu) TMS320DM642 采用第二代高性能、先進(jìn)的超長指令字 veloci 結(jié)構(gòu)的 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 15 頁 共 83 頁 DSP 核及增強(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。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，音頻信號的處理，各種同步邏輯控制，視頻和音頻數(shù)據(jù)的存儲，系統(tǒng)電源管理 ，視頻的壓縮傳輸 等。微軟公司的即插即用功能能減輕用戶較差的營業(yè)收入而注意適配器資源，如IRQ,輸入輸出，和存儲器地址等等。 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，它能夠簡單的解答即插即用 NE2020兼容適配器，這種適配器具有二重和功率下降特性。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)。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)。 它 包含 了 三部分 ： （ 1） 視頻信號 （ 2） 定時(shí)基準(zhǔn)信號： 有兩個(gè)定時(shí)基準(zhǔn)信號，一個(gè)在每個(gè)視頻數(shù)據(jù)塊的開始 (Start of ActiveVideo，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)字包含定義第二場標(biāo)識、場消隱狀態(tài)和行消隱狀態(tài)的信息。 ITUR 則是ITUR 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)。這是因?yàn)橐环N算法無法正確地對另外一個(gè)算法的輸出信號進(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，以支持對多種格式的文件進(jìn)行壓縮。在相同處理能力下，壓縮算法越高級，延時(shí)就越長。 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 10 頁 共 83 頁 圖 3 TLV320AIC23B芯片引腳定義 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)送和存儲數(shù)字視頻文件的目的。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。 圖 １ 基于 TMS320DM642 的視頻采集壓縮系統(tǒng)的硬件框圖 DSP 開發(fā)平臺所 涉及 的關(guān)鍵技術(shù) 及其方案選型 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 ，輸入 /輸出電源電壓為 。 基于 TMS320DM642 的視頻采集壓縮系統(tǒng)的硬件框圖如圖 1 所示。 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。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)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)報(bào)警聯(lián)動(dòng)。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?。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。隨著技術(shù)的發(fā)展，相信以后還能提 供更多的聽覺和視覺特效，而使車載主機(jī)成為車內(nèi)的高科技信息和 娛樂中心 。數(shù)字信號處理器 DSP 的出現(xiàn)，很好的解決了上述問題。 內(nèi)置數(shù)字信號處理器 (DSP， DigitalSignalProcessor)是 車載主機(jī) 內(nèi)以 邏輯電路對音視頻數(shù)字信號進(jìn)行再加工處理的專用元件，是一個(gè)統(tǒng)稱名詞，包括數(shù)字效果器、 EQ、 3D 環(huán)繞等等。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。根據(jù) DSP處理芯片的特性對代碼進(jìn)行優(yōu)化，提高代碼性能。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)。以 DSP為核心的硬件系統(tǒng)同樣可以用來進(jìn)行圖像處理，為這個(gè)問題的解決帶來了新的途徑。這個(gè)時(shí)期的代表作是美國 Imaging Technology公司推出的PCCISION圖像卡、 PCVISIONPlus圖像卡，美國 DT公司推出的 DT2851圖像卡，加拿大 MATROX公司的一系列圖像卡。 （ 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。傳統(tǒng)的處理方法 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 83 頁 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?；?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)用主要面向用戶的特定需求和對實(shí)時(shí)性有較高要求的場合。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，從而減少了嵌入式視頻系統(tǒng)的成本和開發(fā)難度。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。在現(xiàn)今以高速化為要求的視頻采集技術(shù)中，前兩種 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 2 頁 共 83 頁 技術(shù)難以滿足實(shí)時(shí)處 理的要求。 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。 DSP 在當(dāng)今電子類產(chǎn)品中起了不可或缺的作用。 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 1 頁 共 83 頁 1 緒論 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。 隨著技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字信號處理器（ DSP）的應(yīng)用范圍越來越廣闊，其普及率也越來越高，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 。 DM642 采用 TI 公司第 2 代增強(qiáng)型超長指令集，它的 EMIFA接口數(shù)據(jù)總線寬度為 64 位