【正文】 4 視頻采集壓縮系統(tǒng)的軟件設(shè)計 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)計主要涉及引導(dǎo)裝載程序及底層驅(qū)動的設(shè)計，主要用于驗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 來實現(xiàn)視頻采集監(jiān)控系統(tǒng) 的硬件設(shè)計方法。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 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 第 26 頁 共 83 頁 網(wǎng)絡(luò)模塊的設(shè)計 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 16KB 的 SDRAM 存儲器。 CPLD 器件選用 EPM7128AETC 芯片，在 CPLD 內(nèi)部設(shè)計 FLASH 翻頁用的各種寄存器， PA1 PA 20 和 PA21 3 個引腳用于管理 FLASH 存儲器的頁和扇區(qū)。 其主要特點有： ? 僅需 3V 單電源供電便可進行讀、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 第 25 頁 共 83 頁 ? 編程、擦除操作便由內(nèi)部電路實現(xiàn)； ? 可對某一扇區(qū)進行操作而不影響其他部分的數(shù)據(jù)； ? 有硬件數(shù)據(jù)保護功能，以防止誤操作。 Flash 存儲器與 EPROM 相比，具有更高的性價比，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 芯片擴展的片選信 號，即把兩片 HY57V283220T 芯片擴展在 DM642 的 CE0 空間。 SDRAM 內(nèi)部設(shè)有地址計 數(shù)器，在突發(fā)方式工作時，只需要對 SDRAM 送一次初始地址，即可實現(xiàn)連續(xù)訪問，后續(xù)列地址由 SDRAM 內(nèi)的列地址計數(shù)器自動提供。在 SDRAM 芯片中，一般有 24 個存儲塊，當(dāng)一個塊在工作時，其他塊可立即進行讀寫準(zhǔn)備 (預(yù)充電、運行地址、刷新等 )。在 SDRAM 中，所有的輸入、輸出信號都是與時鐘信號同步， SDRAM 在時鐘的上升沿對輸入信號進行采樣并鎖存。系統(tǒng)程 序固化在 FLASH 存儲器中，當(dāng)程序運行時， DM642 把程序和臨時數(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 進行處理。該芯片是一款超低功耗的視頻解碼器，正常工作時功耗僅為 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?，難以達到高保真的效果。 視頻采集壓縮系統(tǒng)的核心電路設(shè)計 基于 TMS320DM642 的 視頻采集壓縮系統(tǒng)硬件設(shè)計包含以下核心模塊：音視頻 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、擴展存儲模塊、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、隔離的主時鐘、位時鐘、幀同步或者一部分完全獨立地進行操作，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。主機和 CPU都可以對 HPI 控制寄存器 （ HPIC） 和 （ HPI） 地址寄存器 （ HPIA） 進行訪問。 TMS320DM642 的其他外設(shè) （ 1） 主端口接口 HPI 主機接口是一個能夠通過主處理器直接 訪問 CPU 的存儲空間的并行口，主機設(shè)備作為一個主要的接口從而可以進行更加容易的訪問，主機和 CPU 可以經(jīng)過內(nèi)部和外部的存儲器進行相互交換信息。 TMS320DM642 的視頻口 TMS320DM642 共三個視頻接口 即 VP0~VP1，每個視頻口包括 20 路數(shù)據(jù)信號 VPxD[19:0]， 2 路時鐘信號 VPxCLK[1:0]（輸入引腳）， 3 路控制信號VPxCTL[2:0]。 EDMA總共有 85 個參數(shù)用來對“ linking”或“ chaining”進行配置。 DM642 處理器片上有一個 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 時間，這種機制提高了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 第 15 頁 共 83 頁 DSP 核及增強的并行機制，當(dāng)工作在 720M 赫茲的時鐘頻率下，其處理性能最高可達 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。重點分析了前向糾錯、重傳、容錯性編碼、差錯掩蓋、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，實時性強等特點，給學(xué)術(shù)界和工業(yè)界提出了巨大的挑戰(zhàn)，也成為研究的熱點和難點。 它 包含 了 三部分 ： （ 1） 視頻信號 （ 2） 定時基準(zhǔn)信號： 有兩個定時基準(zhǔn)信號，一個在每個視頻數(shù)據(jù)塊的開始 (Start of ActiveVideo，SAV)，另一個在每個視頻數(shù)據(jù)塊的結(jié)束 (End of Active Video， EAV)；每個定時基準(zhǔn)信號由 4 個字的序列組成，格式如下： FF 00 00 XY（ 16 進制）頭三個是固定前綴，第 4 個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)。這是因為一種算法無法正確地對另外一個算法的輸出信號進行解碼，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行壓縮。在相同處理能力下，壓縮算法越高級，延時就越長。 基于 DSP的視頻采集與壓縮傳輸系統(tǒng)的設(shè)計 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 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，系統(tǒng)需要提供報警功能，當(dāng)監(jiān)視區(qū)域有異常情況時，監(jiān)控端主機會及時以聲像報警，并可控制外接警報器報警和控制現(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)報警聯(lián)動。其功能特點包括：音視頻錄象、音視頻檢索與回放、壓縮、傳輸?shù)鹊取５?，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 內(nèi)以 邏輯電路對音視頻數(shù)字信號進行再加工處理的專用元件，是一個統(tǒng)稱名詞，包括數(shù)字效果器、 EQ、 3D 環(huán)繞等等。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，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)同樣可以用來進行圖像處理，為這個問題的解決帶來了新的途徑。這個時期的代表作是美國 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 第一階段的時間大體上是 20世紀(jì) 60年代到 80年代中期，這個時期的圖像處理系統(tǒng)采用機箱式結(jié)構(gòu)，主流計算機采用小型機，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，當(dāng)然價格也比較貴。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 第 3 頁 共 83 頁 是基于計算機的硬件和軟件的，計算機完成一次乘累加運算需要 11個機器周期，而 DSP 完成同樣的運算只需 1個機器周期。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)用主要面向用戶的特定需求和對實時性有較高要求的場合。與其他多處理器實現(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，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 第 2 頁 共 83 頁 技術(shù)難以滿足實時處 理的要求。 DM642 片上帶有 3 個雙通道數(shù)字視頻口，可同時處理多路數(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 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)域達到航空航天器材，比如飛機，小到日常所使用的電子產(chǎn)品，比如手機、數(shù)碼相機等 。 DM642 采用 TI 公司第 2 代增強型超長指令集，它的 EMIFA接口數(shù)據(jù)總線寬度為 64 位