基于達(dá)芬奇技術(shù)的數(shù)字視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：達(dá)芬奇技術(shù)是業(yè)界第一款集成了DSP 處理器、軟件、工具以及技術(shù)支持的綜合型解決方案系列，非常適用于開發(fā)各種優(yōu)化的數(shù)字視頻終端設(shè)備。本文介紹了一種基于達(dá)芬奇技術(shù)的數(shù)字視頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的總體架構(gòu)、視頻部分功能、電源設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)。

引 言

在數(shù)字視頻創(chuàng)新已經(jīng)成為數(shù)字信息產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)的今天，數(shù)字視頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不斷提高，數(shù)字視頻系統(tǒng)的復(fù)雜度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往任何時(shí)候。達(dá)芬奇技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻需要四大要素的最新進(jìn)步，即：處理器、開發(fā)工具、軟件以及系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)。由于能夠在集成這四種要素的平臺中實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻、音頻、語音與話音技術(shù)，因此達(dá)芬奇技術(shù)可以為數(shù)字視頻的當(dāng)前變革打下基礎(chǔ)。

本設(shè)計(jì)是在一塊60*60mm 的PCB板上來完成視頻的采集、處理與顯示。由攝像頭采集的視頻圖像經(jīng)由解碼器轉(zhuǎn)換成達(dá)芬奇處理器能夠處理的格式，在Codec Engine 中實(shí)現(xiàn)H.264 、MPEG-4編解碼，在LCD液晶屏上最高能達(dá)到1280*720 分辨率下30fps(幀/每秒)流暢顯示。這樣的數(shù)字視頻系統(tǒng)能達(dá)到尺寸小，功能強(qiáng)，設(shè)計(jì)靈活，實(shí)用性廣的優(yōu)點(diǎn)。

1.    1．系統(tǒng)的總體架構(gòu)及工作原理

2.       1.1 TMS320DM6446 器件總攬 達(dá)芬奇處理器TMS320DM6446 是基于業(yè)界最高性能的DSP平臺—TI TMS320C6000™ 由ARM926EJ-S 內(nèi)核、TMS320C64x+ DSP 內(nèi)核、系統(tǒng)控制、視頻處理子系統(tǒng)(VPSS)、電源管理、外部存儲器接口、外圍控制模塊等功能模塊組成。

TMS320DM6446 中的ARM926EJ-S 內(nèi)核具有16KB 指令和8KB 數(shù)據(jù)Cache 及16KB ROM 和16KB RAM 。TMS320C64x+ DSP 內(nèi)核具有32KB L1 程序R A M / C a c h e 、8 0 K B L1 數(shù)據(jù)R A M /Cache 及64KB L2 RAM/Cache 。具有DDR2 內(nèi)存控制器；64 通道增強(qiáng)型DMA 控制器；串行端口(3 個(gè)UART、I2C、SPI、音頻串口);3 個(gè)64 位通用定時(shí)器；10/100M 以太網(wǎng)；USB2.0 端口；3 個(gè)PWM 端口；多達(dá)71 個(gè)通用I/O 口；支持MMC/SD/CF 卡等。系統(tǒng)控制模塊提供了看門狗、中斷控制器、電源管理控制器、復(fù)位控制器及2 個(gè)片上振蕩器。視頻處理子系統(tǒng)(VPSS) 有用于視頻輸入的視頻前端輸入(VPFF) 接口由CCD 控制器(CCDC)， 預(yù)處理器、柱狀模塊、自動曝光/白平衡/聚焦模塊(H3A)和寄存器組成；和用于視頻輸出的視頻后端輸出(VPBE)接口由屏幕菜單式調(diào)節(jié)器(OSD)、視頻編碼器(VENC)和四路10bit DACs 組成。

1.2 系統(tǒng)的硬件組成及工作原理

整個(gè)數(shù)字視頻系統(tǒng)采用的是由達(dá)芬奇處理器（TMS320DM6446）、DDR2 SDRAM 、NAND FLASH、視頻解碼器TVP5146 、電源管理芯片TPS65023，LTC3412 加上外圍接口芯片的方案。視頻解碼器把CCD攝像頭傳過來的模擬視頻信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，變成符合ITU-BT.656 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號，然后將數(shù)字視頻信號傳到達(dá)芬奇處理器的視頻處理子系統(tǒng)的前端進(jìn)行預(yù)處理經(jīng)過Codec Engine 編解碼后送到視頻處理子系統(tǒng)的后端，直接輸出數(shù)字視頻信號到顯示終端上或是通過四路54MHz 的DACs來提供NTSC/PAL制式的模擬視頻輸出。DM6446 上的ARM端主要做為控制器來控制視頻解碼芯片和外圍接口芯片，DSP端主要負(fù)責(zé)視頻編解碼工作。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示

 圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.    2．視頻部分的硬件結(jié)構(gòu)及其分析

2.       2.1 視頻采集與解碼

本設(shè)計(jì)選用TI公司的視頻解碼芯片TVP5146 完成從模擬到數(shù)字視頻的轉(zhuǎn)換。TVP5146 允許10路模擬視頻輸入,具有4路10bit A/D 轉(zhuǎn)換器;場同步信號VS,行同步信號HS,奇偶場信號FID,時(shí)鐘輸出信號DATACLK 等都由引腳直接引出,省去同步時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)。

TVP5146 上的Y[9：2]為輸出的亮度視頻信號，DATACLK 為行鎖定系統(tǒng)的輸出時(shí)鐘，像素時(shí)鐘頻率為27MHz， 用來同步數(shù)據(jù)采集，HS為行同步信號，VS為場同步信號分別與達(dá)芬奇處理器DM6446 視頻端口對應(yīng)的信號相連接。HS的高電平表示一行有效采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，VS 的高電平表示一場有效信號，對于NTSC 制信號，單場為243 行， 奇偶場信號FID為"1" 時(shí)，表示當(dāng)前為奇數(shù)場，為"0" 表示偶數(shù)場。視頻解碼芯片與DM6446 的接口電路如圖2所示。

                 圖2 視頻前端模塊接口

2.2 圖像處理與顯示

實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是如何在有限的時(shí)間內(nèi)完成大量圖像數(shù)據(jù)的處理。只有圖像處理系統(tǒng)的處理速度達(dá)到每秒25幀以上時(shí)才能達(dá)到實(shí)時(shí)的效果并且要想在顯示終端上顯示出高清晰的圖像最重要的就是在Codec Engine 中的視頻編解碼運(yùn)算。而達(dá)芬奇處理器能通過多種復(fù)雜的視頻編解碼來實(shí)現(xiàn)高清視頻輸出，如MPEG-4編解碼能顯示30fps分辨率為720p(1280*720)；H.264 編解碼能顯示30fps 分辨率為D1(720*480) 等。TMS320DM6446 處理器視頻處理子系統(tǒng)中的視頻后端提供的在線視頻顯示處理器既能夠顯示兩組獨(dú)立的視頻窗口或兩組獨(dú)立的OSD窗口，還可以以一個(gè)視頻窗口、一個(gè)OSD窗口和一個(gè)屬性窗口的形式顯示。視頻編碼器完成圖像數(shù)據(jù)編碼后可以通過內(nèi)部的LCD控制器直接輸出數(shù)字視頻信號到液晶顯示器上也可以通過四路54MHz 的DACs 進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，來提供NTSC/PAL、S-video 等格式的視頻或音頻輸出。

3．電源設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是TI 最新的基于達(dá)芬奇技術(shù)的TMS320DM644x DSP 的電源管理芯片TPS65023 在高達(dá)1.5A 的最寬負(fù)載電流范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)高性能的數(shù)控功能與效率最大化。TPS65023 集成了三個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器以支持系統(tǒng)的內(nèi)核電壓、外設(shè)、I/O 以及存儲器電壓，還集成了兩個(gè)可由外部輸入引腳啟動的通用200mA 線性低壓降 (LDO) 穩(wěn)壓器。每個(gè)LDO 的輸入電壓范圍都在2.5 V 至6.5 V 之間，因此既可通過其中一個(gè)集成降壓轉(zhuǎn)換器供電，也能直接通過電池供電。

在本設(shè)計(jì)中TPS65023 的VDCDC1 管腳輸出1.2V 電壓用于DM6446 的內(nèi)核供電，VDCDC2 管腳輸出1.8V 電壓用于DM6446 的存儲器接口供電，VDCDC3 管腳輸出3.3V 電壓用于DM6446 的外設(shè)接口供電。由于TPS65023 只提供1A/1.8V 電壓不夠供應(yīng)兩片DDR2 SDRAM，故還需一個(gè)輸出1.8V 的電源管理芯片來為DDR2 供電，此系統(tǒng)選用的是LTC3412A 輸出電流3A。這樣用兩個(gè)電源管理芯片就能滿足系統(tǒng)供電。TPS65023 與達(dá)芬奇DM6446 的接口電路如圖3 所示。

圖3 TPS65023 與DM6446 的接口電路

4．軟件實(shí)現(xiàn) 
達(dá)芬奇軟件架構(gòu)涵蓋低級的OS 驅(qū)動程序乃至應(yīng)用API。在達(dá)芬奇軟件平臺中可以細(xì)分為多任務(wù)的CODEC， 即視頻(Video) 、影像(Image) 、語音(Speech) 、音頻(Audio),統(tǒng)稱VISA。另外還包含具有多媒體框架組件的CODEC 引擎遠(yuǎn)程服務(wù)器。由此構(gòu)成的信號處理層(SPL) 一方面通過VISA API 接口與應(yīng)用層(APL)連接，另一方面則通過DSP/BIOS 與底層內(nèi)核溝通。APL 包含客戶增值差異化設(shè)計(jì)軟件模塊，并通過Linux API 溝通底層內(nèi)核的許多外圍接口驅(qū)動。
eXpressDSP 配置工具的使用使得配置一個(gè)CODEC 的過程極其簡單，下面就是一個(gè)完整的應(yīng)用程序開發(fā)步驟：
第一步，開發(fā)并完成Codec。就是要開發(fā)音視頻編解碼的核心算法，按照xDM 標(biāo)準(zhǔn)封裝成為Codec 庫，Codec 主要完成音視頻的核心算法，應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)被調(diào)用，并不參與其他功能。
第二步，將Codec 集成到Codec Engine 中。將第一步開發(fā)完成的Codec 或已有的符合xDM 的Codec 集成到Codec Engine 中，這一步需要配置兩個(gè)JavaScript 的腳本文件，其中一個(gè)腳本文件表明了，Codec 的使用和配置信息，文件名一般為*.cfg， 另一個(gè)描述了Codec 在達(dá)芬奇上的內(nèi)存分配的配置，文件名一般為*tcf ，配置好這兩個(gè)文件后，使用make 命令即可生成Codec Engine， 其文件名一般為*.X64P ?？杀粦?yīng)用程序直接調(diào)用。
第三步，開發(fā)音視頻應(yīng)用程序，并在其中調(diào)用Codec Engine 。在Linux 下開發(fā)音視頻應(yīng)用程序，包括用戶界面，音視頻的采集、播放、同步等，其中完成對Codec Engine 的調(diào)用，應(yīng)用程序也要完成一個(gè)擴(kuò)展名為cfg 的腳本配置文件，以表明對Codec Engine 的使用狀況。
第四步，加載DSPLINK 和CMEM 模塊，運(yùn)行應(yīng)用程序至此一個(gè)完整的達(dá)芬奇音視頻應(yīng)用程序就完成了，其中許多過程是通過腳本文件配置完成的，過程非常簡單易懂，下面我們需要在達(dá)芬奇上運(yùn)行它，首先要加載DSPLINK 和CMEM 兩個(gè)驅(qū)動程序模塊，其中DSPLINK 主要實(shí)現(xiàn)了arm 和dsp 的底層通信，而CMEM 則主要是完成了在物理段上分配連續(xù)內(nèi)存的功能，加載完這兩個(gè)模塊，這樣便可以直接運(yùn)行已完成的應(yīng)用程序。
5．結(jié)論 
基于TMS320DM6446 為核心處理器的數(shù)字視頻系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并且功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定，擴(kuò)展性強(qiáng)，功耗低，能很好的加速數(shù)字視頻創(chuàng)新。本文的創(chuàng)新點(diǎn)：1.基于TI 強(qiáng)大的達(dá)芬奇處理器（雙核）能夠?qū)崿F(xiàn)H.264 等復(fù)雜的編解碼。2.利用TI 專門針對達(dá)芬奇供電的電源管理芯片TPS65023 為其供電，很好的解決干擾、EMI/EMC 的問題而且還能達(dá)到功耗低的效果。