基于TMS320DM642的網絡攝像機的設計

　隨著網絡技術和多媒體技術的廣泛應用,數(shù)字網絡視頻得到了飛速發(fā)展.在網絡視頻會議和網絡監(jiān)控領域中,將傳統(tǒng)的模擬視頻信號轉換成數(shù)字視頻信號,并且借助于現(xiàn)有的IP網絡進行傳輸已成為當今的一大熱點.

　　從技術實現(xiàn)方式來講,通常是采用網絡攝像機來實現(xiàn).目前市場上的網絡攝像機一般有兩類:一類是普通攝像機加視頻網關構成,但是這種方案體積龐大、操作繁瑣;另一類是把全部網絡接入功能都集成在攝像機中,其體積小、功能全、易于使用和維護.后類攝像機有多種解決方案,本文提出一種基于嵌入式DSP的設計方案,并且給出具體的硬件及軟件實現(xiàn).

　　1 硬件系統(tǒng)設計

　　1.1嵌入式處理器TMS320DM642

　　TMS320DM642(以下簡稱DM462)是TI公司近來發(fā)布的新一代多媒體處理器,它基于其第二代高性能的VelociTI VLIW結構,適用于多種數(shù)字媒體應用.DM642的時鐘頻率為600MHz,指令速度高達4800MIPS.這款DSP的兩大特色在于:第一,擁有三個可配置的視頻接口(VP),可同時采集三路視頻信號;第二,集成了以太網接口,10/100Mbps模式自適應,能工作在全雙工或半雙工模式下,并具有硬件流控制和服務質量保證(QoS)支持.DM642的功能十分強大,它是構成多媒體通信系統(tǒng)的最佳平臺之一.

　　1.2硬件整體架構

　　本系統(tǒng)的硬件平臺由六部分組成,分別是視頻采集、數(shù)據(jù)存儲、視頻處理、視頻顯示、網絡和電源管理.其結構框圖如圖1所示.

　　視頻采集部分采用模擬PAL制攝像頭,配合高精度視頻A/D轉換器得到數(shù)字圖像.A/D轉換器采用TI公司的TVP5145芯片,其采樣精度達到10bit,輸出支持CCIR-656和BT656等格式.

　　數(shù)據(jù)存儲部分的RAM采用三星公司的SDRAM.為配合DM642的64位EMIF(外部存儲器接口),使用四片SDRAM,每片工作在16位模式,單片容量為32MB.數(shù)據(jù)存儲部分的ROM采用ATMEL公司的NOR型的Flash芯片,總容量為256KB,數(shù)據(jù)總線為8位.本系統(tǒng)中的SDRAM用來存放系統(tǒng)運行時的代碼以及臨時圖像數(shù)據(jù),Flash用來保存系統(tǒng)自啟動代碼以及系統(tǒng)程序代碼.

　　視頻顯示部分采用數(shù)字LCD,可省去數(shù)/模轉換芯片,只需一片CPLD驅動LCD.CPLD采用Altera公司的MAX3000系列.這部分作為輔助功能,可根據(jù)實際運用場合進行選擇.

　　DM642的以太網控制器(即EMAC)屬于數(shù)據(jù)鏈路層,因此需外接物理層芯片才能進行網絡通信.這里采用Intel公司的LXT971A芯片,它提供了MII(Media Independent Interface)接口,可以方便地和DM642連接.

　　電源管理部分在一個硬件系統(tǒng)設計中占有舉足輕重的地位.本系統(tǒng)的電源模塊采用MAXIM公司的解決方案,包括一片MAX1762芯片(產生1.4V電源給DM642的I/O供電和產生5V電源給LCD的逆變器供電).

　　2 設備驅動設計

　　TI為DM642的VP口開發(fā)了一個兩層設備驅動模型.上層驅動稱為Class Driver,更靠近底層硬件.應用時只需根據(jù)這個模型編寫驅動程序就可以了.

　　對于以太網口,TI提供了一個網絡開發(fā)組件(NDK),為在DSP上開發(fā)網絡應用程序提供了平臺.有了這個平臺,在開發(fā)網絡應用程序時,就不用過多考慮數(shù)據(jù)如何封閉成IP包,也不用過多關心TCP/IP協(xié)議內部的工作機制,這樣可以縮短產品的開發(fā)周期及上市時間.

　　1.2 視頻端口的兩層設備驅動模型

　　兩層設備驅動模型如圖2 所示.最上層是應用程序,最下層是底層硬件,包括DM642的VP口和視頻A/D芯片.中間大花括號括起來部分即為設備驅動.圖中還有一層芯片支持庫(CSL),它提供配置及控制片上外設的C語言接口.

　　根據(jù)VP口的特點,設備驅動的兩層驅動模型的每一層又細分了兩層.從圖2可以看到,把Class Driver分為FVID Class Driver和GIO Class Driver.前者更靠近應用程序,它提供一些特別適用于圖像的API函數(shù);后者提供與Mini Driver進行通信的API函數(shù).Mini Driver分成通用部分和特殊部分,這樣分的優(yōu)勢在于:當改變硬件構成時,無需重寫Mini Driver,只需修改特殊部分即可,提高了代碼的重復使用性.

　　2.2網絡開發(fā)組件

　　網絡開發(fā)組件的核心即為一系列TCP/IP協(xié)議棧庫.包括:(1)棧庫和網絡工具庫,它含有一些經過優(yōu)化編譯的協(xié)議棧代碼;(2)操作系統(tǒng)適應庫,它用來協(xié)調TCP/IP協(xié)議棧和DSP/BIOS之間的接口;(3)網絡控制及調度庫,它決定TCP/IP環(huán)境的初始化以及網絡相關事件是如何被調度的;(4)多種硬件抽象層平臺庫,為TI公司的多種開發(fā)板(比如DSK、TEB和EVM等)提供支持.由于本系統(tǒng)為自行開發(fā),所以不涉及HAL.

　　協(xié)議棧庫的流程框圖如圖3所示,其中灰色模塊分別代表前術五個庫.

　　3 軟件設計及實現(xiàn)

　　TI公司的DSP開發(fā)軟件包括集成開發(fā)環(huán)境(CCS)、實時操作系統(tǒng)(DSP/BIOS)、第三方算法庫標準(eXpressDSP).DSP/BIOS是一個用戶可裁剪的實時操作系統(tǒng),包含內存管理、線程管理、中斷、外設管理和任務調度等功能.另外,還需使用JPEG標準進行圖像壓縮,因為采用JPEG進行網絡傳輸時,如果出現(xiàn)網絡短暫阻塞,可將當前幀拋棄而不影響下一幀的圖像,所以能夠保證系統(tǒng)的實時性要求.在本系統(tǒng)中調用了TI提供的JPEG算法庫來完成JPEG壓縮.

　　3.1軟件流程結構

　　根據(jù)本系統(tǒng)的要求,整個軟件系統(tǒng)分為五個任務模塊,每個模塊完成穩(wěn)中有降自的功能.這五個任務模塊分別為輸入任務、處理任務、輸出任務、網絡任務以及控制任務,其流程如圖4所示.下面敘述任務間調度及分別完成的功能.

　　(1)輸入任務

　　該任務模塊主要完成將VP口采集到的數(shù)字圖像存入動態(tài)分配的內存空間中,圖像格式為YUV4:2:2(可根據(jù)需要進行設置),分辨率為720×480.然后對該圖像色度信號進行4:2:0重采樣,這樣做的目的是為了調用JPEG算法庫.完成以上兩步后,輸入任務模塊發(fā)出一個消息給處理任務模塊,告知圖像在內存空間的中位置,讓處理任務模塊去做進一步的處理.接著,輸入任務模塊等待處理任務模塊回復,收到回復消息后,繼續(xù)采集下一幀圖像.

　　(2)處理任務模塊

　　該任務模塊主要完成JPEG壓縮.處理任務模塊首先獲得一個從輸入任務模塊發(fā)出的消息,并且從中得到圖像數(shù)據(jù).接著進行JPEG壓縮,如前所述,壓縮調用了JPEG算法庫,其壓縮的速度和性能比較好.在處理任務模塊完成圖像壓縮后,發(fā)出三個消息:第一個發(fā)給輸入任務模塊,使其繼續(xù)采集下一幀圖像;第二個發(fā)給網絡任務模塊,把JPEG圖像在內存中的位置以及字節(jié)數(shù)告訴網絡任務模塊供其處理,同時,處理任務模塊將等待網絡任務模塊回復消息;最后一個消息發(fā)給輸出任務模塊,告知原始圖像在內存中的位置,讓輸出任務模塊把它輸出到LCD進行顯示.同樣,它也將等待輸出任務模塊回復消息.

　　(3)輸出任務模塊

　　該任務模塊完成將采集到的原始圖像輸出LCD進行顯示.由于采集到的是YUV圖像,而本系統(tǒng)的LCD使用RGB信號作為輸入,這需要經過數(shù)字圖像格式轉換,該轉換交由CPLD完成.

　　(4)網絡任務模塊

　　該任務模塊完成網絡傳輸功能.分三部分實現(xiàn):第一部分先獲得一個從處理傷模塊發(fā)出的消息,從中得到JPEG圖像的大小和在內存中的位置,并通過UDP協(xié)議的Socket套接字將其發(fā)送給客戶.同時發(fā)出一個消息給處理任務模塊,告知已獲得JPEG圖像,可進行下一幀圖像的壓縮.第二部分進行協(xié)議棧的初始化,包括IP地址、子網掩碼和網關的設定.如果要連接Internet,必須設置DHCP,動態(tài)分配IP地址.除此以外,還要選擇哪種網絡服務,DM642支持Telnet、HTTP、Data server等服務,本系統(tǒng)使用HTTP服務.第三部分為加載網頁,在PC機上用HTML編寫網頁,在該網頁中內嵌一段JavaApplet小程序以實現(xiàn)本系統(tǒng)和客戶端的交互.HTML文件不能直接加載給DM642,必須在DOS環(huán)境下使用binsrc插件把它轉換成用C語言描述的數(shù)據(jù)數(shù)組.當用戶通過IE瀏覽器訪問本系統(tǒng)時,HTTP服務器通過嵌入式文件系統(tǒng)訪問內存中的HTML網頁(即訪問那個用C語言描述的數(shù)據(jù)數(shù)組),該文件系統(tǒng)是基于RAM的文件系統(tǒng),它駐留在OS.LIB中.同時,JavaApplet小程序隨同HTML文件下載到客戶端 并由IE瀏覽器解釋執(zhí)行.

　　(5)控制任務模塊

　　該任務模塊完成在HTML網頁上對JPEG壓縮性能的控制.在網頁中接收的用戶自定義參數(shù),通過DSP/BIOS中的郵箱機制傳北宜給處理任務模塊,從而修改JPEG的壓縮參數(shù),改變壓縮質量.圖5所示即為接收用戶修改參數(shù)的對話框,1表示壓縮質量最差,100表示壓縮質量最好.

　　這些任務的初始化在系統(tǒng)的main()函數(shù)里實現(xiàn).另外,對DM642芯片的初始化(包括初始化寄存器、二級緩存(L2)的設置等)均在dm642init()函數(shù)中完成,該函數(shù)定義在DSP/BIOS的用戶初始化函數(shù)列表中,在此不再贅述.

　　本文提出的基于TMS320DM642的網絡攝像機的設計方案已經成功實現(xiàn).在客戶端打開IE瀏覽器,即可看到實時監(jiān)控的圖像,圖像顯示較流暢,在局域網內的圖像幀率可以達到30幀/秒.而且可以同時采集多路視頻信號,滿足多個客戶的連接請求.本系統(tǒng)滿足了目前寬帶環(huán)境中的網絡視頻會議以及視頻監(jiān)控的要求,其應用前景十分廣泛.