基于DM6446的視頻編碼器的硬件設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一套基于TMS320DM6446的視頻壓縮系統(tǒng)。主芯片采用TI公司的TMS320DM6446，模擬視頻信號(hào)送入解碼器TVP5150后，解碼為符合ITU-R BT．656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號(hào)，BT．656數(shù)字視頻信號(hào)被送往TMS320DM6446，TMS320DM6446內(nèi)嵌DSP實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的H．264壓縮，內(nèi)嵌ARM對(duì)壓縮后數(shù)據(jù)進(jìn)行打包并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。實(shí)踐證明，該編碼方案很好地完成了數(shù)據(jù)壓縮及傳輸，當(dāng)碼率為372 kb／s時(shí)，PSNR為39．18 dB(使用NEWS序列)，符合設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：視頻壓縮；嵌入式；DM6446；硬件設(shè)計(jì)

    隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于道路交通、電力系統(tǒng)、銀行、賓館、商場(chǎng)、小區(qū)、機(jī)場(chǎng)等領(lǐng)域的安全監(jiān)控。TMS3 20DM6446芯片是達(dá)芬奇(DaVinei)技術(shù)的杰出代表，TMS320DM6446由TMS320C64x+DSP內(nèi)核、ARM926EJ-S內(nèi)核、視頻處理子系統(tǒng)(VPSS)、系統(tǒng)控制、電源管理、外部存儲(chǔ)器接口、外圍控制模塊等功能模塊組成，單顆TMS320DM6446(以下簡(jiǎn)稱(chēng)DM6446)可以實(shí)現(xiàn)完整D1格式的H．264視頻壓縮。
    本文論述了嵌入式視頻編碼器完整的設(shè)計(jì)方案，完成了一個(gè)基于DM6446的最小視頻編碼系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

1 總體設(shè)計(jì)及概述
    系統(tǒng)包括電源部分、視頻輸入部分、存儲(chǔ)部分、接口部分。其主要資源包括：DM6446主處理器；2路CVBS標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻輸入(TVP5150)；256 MB DDR2 SDRAM；64 MB NANDFlash存儲(chǔ)器；1路RS485串口(MAX485)；一路10 M／100M標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口(RTL8201)；1個(gè)USB2．0接口。視頻編碼器系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    系統(tǒng)主要由以下2部分組成：
    1)視頻前端設(shè)計(jì)模擬視頻信號(hào)輸入到視頻解碼芯片TVP5150，TVP5150將解碼后的視頻數(shù)據(jù)輸入至DM6446的VPFE視頻端口，DM6446內(nèi)置DSP對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。
    2)網(wǎng)絡(luò)傳輸及控制部分設(shè)計(jì) DM6446內(nèi)部集成以太網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器，外接以太網(wǎng)PHY后可以提供以太網(wǎng)傳輸通道。DM6446片內(nèi)ARM9微處理器將壓縮后數(shù)據(jù)打包并完成網(wǎng)絡(luò)傳輸。本部分有一路RS485串口，用來(lái)對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行控制(云臺(tái)控制器等)。
    DM6446是雙核架構(gòu)，在DM6446中ARM核和DSP核相互之間的通信主要是通過(guò)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。DSP完成數(shù)據(jù)采集壓縮處理等工作，ARM處理器的作用是配置和控制整個(gè)系統(tǒng)的工作，包括：DSP子系統(tǒng)、VPSS子系統(tǒng)、大部分的外設(shè)以及片外存儲(chǔ)器，并且對(duì)壓縮后數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP／IP打包及進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，此外還負(fù)責(zé)系統(tǒng)資源調(diào)度以及對(duì)外部設(shè)備的控制(云臺(tái)鏡頭等)。
    系統(tǒng)工作流程：系統(tǒng)完成上電或者復(fù)位后，根據(jù)配置模式從Flash存儲(chǔ)器加載程序，完成對(duì)芯片的初始化和對(duì)外圍設(shè)備的初始配置，模擬視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)TVP5150轉(zhuǎn)換為BT656數(shù)字視頻信號(hào)后，傳入DM6446的視頻通道(VFPE)，內(nèi)嵌DSP對(duì)數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行編碼壓縮后，內(nèi)嵌ARM對(duì)壓縮后數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行傳輸。

2 模塊設(shè)計(jì)
2．1 視頻輸入部分
    系統(tǒng)選用一款高性能視頻解碼芯片TVP5150將模擬CVBS視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為BT．656數(shù)字視頻信號(hào)，在視頻輸入端外接了2片TVP5150。TVP51 50時(shí)鐘源為14．318 18 MHz晶振，數(shù)字和模擬輸入電壓為1．8 V，IO口電壓為3．3 V；PCLK／SCLK腳時(shí)鐘信號(hào)可輸出13．5MHz和27MHz兩種頻率。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)TVP5150鉗位、抗混疊濾波、A／D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過(guò)配置，從YOUT[0：7]輸出YUV422 BT．656視頻格式的數(shù)據(jù)流，輸入到DM6446的VPFE中，VPFE由CCD控制器、Preview引擎單元、H3A、縮放(Resizer)單元、以及柱狀統(tǒng)計(jì)圖功能單元組成，對(duì)輸入視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行前端處理，系統(tǒng)把VPFE配置為YUV的數(shù)據(jù)格式。
2．2 存儲(chǔ)部分
    在DM6446中，有幾種形式的外部存儲(chǔ)器接口，DDR2存儲(chǔ)控制器與DDR2 SDRAM連接，系統(tǒng)采用2片16位的MT47H64M16BT并聯(lián)，存儲(chǔ)空間達(dá)到256 MB，為系統(tǒng)提供緩存。在VPFE處理后，輸出到DDR中的數(shù)據(jù)在存放時(shí)每個(gè)像素點(diǎn)占用16 bit的長(zhǎng)度，每個(gè)像素占2個(gè)字節(jié)，連續(xù)地存
放在內(nèi)存單元中，如果像素的位寬不足16 bit，多余的高位會(huì)填充0。系統(tǒng)運(yùn)行代碼、圖像數(shù)據(jù)臨時(shí)搬移、壓縮處理的中間數(shù)據(jù)等都要使用DDR2存儲(chǔ)器。系統(tǒng)在CS2存儲(chǔ)空間中映射64 MB的NANDFlash，用于存儲(chǔ)Linux內(nèi)核操作系統(tǒng)和內(nèi)核引導(dǎo)程序。
2．3 接口部分
    系統(tǒng)通過(guò)串口收發(fā)器MAX485設(shè)計(jì)了與外設(shè)通信接口模塊RS-485，用于對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行控制(如云臺(tái)鏡頭控制等)。
    系統(tǒng)含有1路10／100 M網(wǎng)絡(luò)接口，DM6446內(nèi)帶MAC控制器，在EMAC接口外接1片以太網(wǎng)PHY芯片，PHY采用RTL8201，RTL8201與DM365的MII接口相連，DM6446通過(guò)MDIO接口實(shí)現(xiàn)對(duì)RTL8201寄存器的配置及控制，其他握手信號(hào)依次連接，通過(guò)上拉下拉電阻對(duì)RTL8201進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲?設(shè)置PHY地址等)，RTL8201在上電初導(dǎo)入這些配置信息，并進(jìn)行相應(yīng)的工作。在RTL8201的時(shí)鐘接口外接1個(gè)25 M晶體，作為RTL8201的時(shí)鐘源。RTL8201外接網(wǎng)絡(luò)變壓器，進(jìn)行信號(hào)隔離，通過(guò)RJ45連接到網(wǎng)絡(luò)，與外界實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
    DM6446片上集成了USB控制器，可以通過(guò)ARM端對(duì)控制存儲(chǔ)映射寄存器進(jìn)行操作，通過(guò)USB接口可以外接很多USB設(shè)備，為系統(tǒng)預(yù)留了外設(shè)擴(kuò)展口，用來(lái)實(shí)現(xiàn)附加功能。
    系統(tǒng)通過(guò)GPIO提供2路開(kāi)關(guān)量報(bào)警輸入和2路開(kāi)關(guān)量報(bào)警輸出。報(bào)警輸入通過(guò)隔離光藕來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)有報(bào)警信號(hào)輸入信號(hào)時(shí)，光藕導(dǎo)通，輸出低電平至DM6446 GPIO，當(dāng)沒(méi)有報(bào)警信號(hào)輸入時(shí)，光藕截止，輸出高電平至DM6446 GPIO，DM6446通過(guò)檢測(cè)GPIO電平來(lái)判斷報(bào)警輸入信號(hào)的有無(wú)。報(bào)警輸出通過(guò)控制繼電器的開(kāi)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2．4 電源模塊
    系統(tǒng)電源分為+5、+3．3、+1．8+1．2 V，輸入電源為+5 V，其余電壓均由+5 V電源轉(zhuǎn)換得到。其中+1．2 V提供DM6446內(nèi)核電壓，+1．8 V為DM6446的I／O以及DDR2內(nèi)存供電，+3．3 V給大部分的外設(shè)供電。+1．2 V的內(nèi)核電壓和+3．3 V的外設(shè)供電電壓由TPS75003得到，TPS62040提供+1．8 V電壓輸出。本設(shè)計(jì)采用MAX706對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。

3 結(jié)論
    通過(guò)ITU-T視頻測(cè)試序列NEWS(150幀)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了科學(xué)的測(cè)試，測(cè)試環(huán)境：Panasonic筆記本一臺(tái)(配置Intelpentium processor 1．1 GHz，1 G內(nèi)存，操作系統(tǒng)Windows XP，80 G硬盤(pán))。當(dāng)碼率為372 kb／s時(shí)，PSNR為39．18 dB，編碼效率合理，符合設(shè)計(jì)初衷。
    本文有效地利用DM6446設(shè)計(jì)了嵌入式視頻處理最小系統(tǒng)，完全滿(mǎn)足視頻壓縮編碼的功能需求。系統(tǒng)運(yùn)行于Linux操作系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性好、通訊速率快、圖象質(zhì)量高、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜、防病毒等特點(diǎn)。