TMS320DM642的視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

 摘要：該系統(tǒng)是以TMS320DM642為核心，結(jié)合視頻編解碼芯片，并外擴(kuò)大容量的存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)4路視頻輸入與1路視頻輸出。本文主要介紹了基于TMS320DM642的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，主要包括視頻輸入/輸出模塊的設(shè)計(jì)、電源模塊的設(shè)計(jì)、外部存儲(chǔ)器模塊的設(shè)計(jì)，同時(shí)介紹了基本的硬件調(diào)試方法。該系統(tǒng)具有視頻傳輸延遲短、處理速度快的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于實(shí)時(shí)視頻圖像處理。

關(guān)鍵詞：TMS320DM642;視頻監(jiān)控;硬件設(shè)計(jì)

引言

本系統(tǒng)使用DM642作為核心，具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力和高速的數(shù)據(jù)通道。應(yīng)用于如車牌識(shí)別、指紋識(shí)別、遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能化小區(qū)監(jiān)控，圖像算法研究均具有其他處理器難以抗衡的效果。

1 硬件總體設(shè)計(jì)

硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入的視頻模擬信號(hào)經(jīng)過解碼芯片TVP5150轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，TMS320DM642的EDMA控制器將大量的視頻數(shù)字信號(hào)存放在SDRAM內(nèi)，供用戶處理，然后將處理后的視頻數(shù)字信號(hào)通過編碼芯片SAA7121轉(zhuǎn)換為PAL或NTSC標(biāo)準(zhǔn)制式的模擬電視信號(hào)輸出。其中，可實(shí)現(xiàn)4路視頻輸入。

2 硬件各模塊設(shè)計(jì)

2.1 TMS320DM642

本系統(tǒng)選擇的DSP為TMS320DM642，該處理器是專門為視頻與圖像應(yīng)用量身定制的，能夠滿足各種類型視頻客戶端應(yīng)用的需求，諸如VoIP視頻、視頻點(diǎn)播(VOD)、多信道數(shù)字視頻錄像以及高品質(zhì)視頻編解碼等應(yīng)用。

TMS320DM642具有高速并行處理內(nèi)核，主頻達(dá)到600MHz，計(jì)算能力達(dá)4 800 MPIS;采用高級(jí)甚長指令字結(jié)構(gòu)，使得在一個(gè)指令周期內(nèi)能夠并行處理8條32位的指令，片內(nèi)還集成了3個(gè)帶視頻FIFO的高速視頻口(VP0～VP2)和1個(gè)McASP音頻口。

TMS320DM642內(nèi)部具有64通道的EDMA，保證CPU和外部器件可以高速并行的傳輸數(shù)據(jù);它的EMIFA接口數(shù)據(jù)總線寬度為64位，最高數(shù)據(jù)存取頻率為133 MHz，可直接與大容量、低成本的SDRAM芯片無縫連接。

TMS320DM642采用了兩級(jí)緩存機(jī)制，CPU和一級(jí)程序高速緩存(LIP)及一級(jí)數(shù)據(jù)高速緩存(LID)直連，兩塊Cache分別為16 KB，工作在CPU全速訪問狀態(tài)。可配置的二級(jí)緩存(L2)有256 KB，它是數(shù)據(jù)和程序共用的。

2.2 電源管理模塊

電源管理模塊由2部分組成：供電電路和電源監(jiān)測電路。

2.2.1 供電電路

設(shè)計(jì)中采用2片TI公司的電源芯片TPS54310，分別給TMS320DM642提供Cvdd和Dvdd電壓，如圖2所示。

要解決Cvdd與Dvdd的上電順序問題，將TPS54310(1)的PWRGD引腳和TPS54310(2)的SS/EN引腳相連，當(dāng)TPS54310(1)的輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定的+1.4 V后PWRGD引腳輸出高電平送到TPS54310(2)的SS/EN引腳，當(dāng)這個(gè)值高于1.2 V時(shí)，芯片(2)開始工作，這就保證了CPU內(nèi)核的上電時(shí)間早于I/O的上電時(shí)間。

視頻解碼芯片TVP5150和編碼芯片SAA7121采用+1.8 V和+3.3 V電壓，由于涉及到模擬信號(hào)，因此這兩個(gè)電壓又分為數(shù)字(+1.8 V和+3.3 V)和模擬(+1.8 VA和+3.3 VA)兩種;為了減小系統(tǒng)的功耗，用到的所有電平轉(zhuǎn)換芯片都采用其輸入容限(+5 V)內(nèi)的+4.1 V電壓。

設(shè)計(jì)選用TPS767D318芯片產(chǎn)生視頻編解碼時(shí)需要的+1.8VA和+3.3 VA模擬電壓，通過片狀鐵氧體磁珠BLM18PG121SNl可以將+1.8VA轉(zhuǎn)換為+1.8 V。將+5 V電壓經(jīng)過二極管MMBD4148降壓，產(chǎn)生電平轉(zhuǎn)換芯片所需的+4.1 V。

2.2.2 電源監(jiān)測電路

設(shè)計(jì)中選用了TI公司生產(chǎn)的TPS3307-25芯片，它的固定復(fù)位信號(hào)時(shí)間長達(dá)200 ms，能滿足系統(tǒng)中所有芯片的復(fù)位需求，可監(jiān)控的電壓范圍包括2.5 V、3.3 V，本設(shè)計(jì)中對(duì)系統(tǒng)中+3.3 V電壓和2.5 V電壓以及TPS54310(1)的PWRGD引腳(1.4 V)進(jìn)行監(jiān)測。如圖3所示，這個(gè)監(jiān)測電路提供了兩種復(fù)位方式：①在電源電壓降到一定的門限值以下，將強(qiáng)制系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài);②可以通過MR#引腳上的按鍵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行手工復(fù)位。

2.3 外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊

TMS320DM642的EMIFA是一個(gè)64位寬的接口，可以實(shí)現(xiàn)與多種同步和異步存儲(chǔ)器的無縫連接。EMIFA最大的總線時(shí)鐘可達(dá)133 MHz。

2.3.1 EMIFA與SDRAM的接口設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中選用2片Micron公司開發(fā)的32位數(shù)據(jù)總線的MT48LC4M3282芯片組成64位數(shù)據(jù)總線與EMFI直連。連接如圖4所示。

SDRAM的地址線A[0-11]與TMS320DM642的地址線AEA[3-14]相連，由于該DSP的數(shù)據(jù)線是64位的，需要8個(gè)字節(jié)對(duì)齊，占用3位地址線，所以從TMS320DM642的地址線的第4位開始相連。兩片SDRAM數(shù)據(jù)輸入接口分別連接TMS320DM642的數(shù)據(jù)線AED[0-31]和AED[32-63]。字節(jié)使能引腳DQM[0-3]連接TMS320DM642的引腳ABE[0-7]，其中，DQM0控制DQ[0-7]字節(jié)使能，DQM1控制DQ[8-15]字節(jié)使能，DQM2控制DQ[16-23]字節(jié)使能，DQM3控制DQ[24-31]字節(jié)使能。

2.3.2 EMIFA與FLASH的接口設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用AMD公司生產(chǎn)的32 MB的AM29LV033C芯片。連接如圖5所示。

AM29VL033C的輸出使能(OE)和寫使能(WE)與TMS320DM642的輸出使能和寫使能信號(hào)直接相連，AM29VL033C的芯片使能(CE)與TMS320DM642的ACE1相連，作為片選信號(hào)。8位數(shù)據(jù)總線直接與TMS320DM642數(shù)據(jù)總線相連，低19位地址總線A[18-0]與TMS320DM642的AEA[21-3]連接，A[19-21]三地址引腳用電阻下拉，保留待以后擴(kuò)展應(yīng)用。

2.4 I2C總線模塊

TMS320DM642集成有I2C總線接口，用于與I2C總線外設(shè)通信。本設(shè)計(jì)中TMS320DM642就是通過I2C總線模塊對(duì)TVP5150、SAA7121進(jìn)行配置的。由于需要對(duì)4個(gè)TVP5150進(jìn)行不同的配置，而TVP5150只有兩種I2C地址，所以一路I2C總線是無法實(shí)現(xiàn)對(duì)4路TVP5150的配置的。

如圖6所示，采用信號(hào)分離器SN74CBT3257將I2C總線信號(hào)分離成兩路，結(jié)合TVP5150的地址選擇信號(hào)，分別對(duì)4路TVP5150進(jìn)行配置。

2.5 視頻采集模塊

本設(shè)計(jì)中TMS320DM642的3個(gè)視頻口均采用了8位BT.656模式。其中VP0和VP1采用了單通道方式，VP2采用了雙通道方式。

視頻解碼芯片選用了TI公司生產(chǎn)的TVP5150芯片。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115 mW，在省電模式下功耗不超過1 mW，它支持PAL/NTSC/SECAM制式的視頻信號(hào)。

視頻采集部分的電路連接如圖7所示，圖中只給出了1個(gè)TVP5150芯片與VP0口連接的示意圖，其他3個(gè)芯片的連接類似。

圖中TVP5150的AIP1A和AIP1B是2個(gè)模擬視頻輸入，支持2路CVBS模擬信號(hào)或者1路S-Video模擬信號(hào)。圖中的14.318 18 MHz時(shí)鐘由CY223 81芯片提供，RESET#信號(hào)由電源監(jiān)測模塊提供，數(shù)據(jù)輸出YOUT[7：0]與TMS320DM642的VP0[9：2]相連，SCLK引腳輸出的27MHz時(shí)鐘連接到TMS 320DM642的時(shí)鐘輸入引腳VP0CLK0，作為視頻回放時(shí)的同步時(shí)鐘使用，場消隱信號(hào)VBLK連接到TMS320DM642的VP0CTL0。

系統(tǒng)中使用了4片TVP5150來實(shí)現(xiàn)4路模擬視頻的輸入，TVP5150上與YOUT7復(fù)用的I2CSEL引腳通過接上拉或下拉電阻，可以進(jìn)行從地址的選擇(見表1)，這樣就可以將2個(gè)TVP5150芯片連接到同一組I2C總線上去。因此系統(tǒng)中用到了2組I2C總線，見I2C模塊。

2.6 視頻輸出模塊

本設(shè)計(jì)中使用TMS320DM643的VP0端口進(jìn)行視頻輸出。視頻編碼芯片選用Philips公司生產(chǎn)的SAA7121芯片。該芯片是一款數(shù)字PAL/NTSC編碼器，可將YUV數(shù)字化視頻數(shù)據(jù)同時(shí)編碼為NTSC/PAL制式的CVBS或S-video信號(hào)。系統(tǒng)的工作電壓為3.3 V，可以接收MPEG解碼數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)要求符合Cb-Y-Cr順序的BT.656格式，每行720像素4：2：2 YUV復(fù)用數(shù)據(jù)。芯片包含1個(gè)同步時(shí)鐘發(fā)生器和3個(gè)分別針對(duì)Y、C和CVBS的DAC，支持400 kHz的I2C總線協(xié)議。視頻輸出模塊的電路連接如圖8所示。

TMS320DM642的VP0口向SAA7121的MP口輸出BT.656 4：2：2格式的數(shù)字視頻信號(hào)，經(jīng)過SAA7121芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)管理器模塊分離出 Y信號(hào)和Cb、Cr信號(hào)，然后再送到相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字視頻信號(hào)變換成模擬視頻信號(hào)，由CVBS(復(fù)合視頻信號(hào))或者Y、C(S-video信號(hào))引腳輸出。

2.7 時(shí)鐘模塊

本系統(tǒng)時(shí)鐘源選擇了50 MHz的高精度有源晶振。設(shè)計(jì)中TMS320DM642的CLKMODE1和CLKMODE0引腳分別接高電平和低電平，因此DSP倍頻因子設(shè)置成12，即TMS320DM642的工作主頻為50 MHz×12=600 MHz。另一方面，選擇了133 MHz的高精度有源晶振為EMIF接口擴(kuò)展SDRAM提供備用時(shí)鐘。設(shè)計(jì)中TMS320DM642的ECLKINSEL1和ECLKINSEL0引腳分別接高電平和低電平，采用1/6×CPU時(shí)鐘作為EMIF接口的同步時(shí)鐘。

3 硬件調(diào)試

3.1 電源模塊調(diào)試

焊接電源模塊芯片及外圍電路，輸入5 V電壓，測試3.3 V、1.8 V、1.4 V、4.1 V電壓輸出是否正常。上電后，檢查各電壓轉(zhuǎn)換芯片是否發(fā)熱，若發(fā)熱則立即斷開電源進(jìn)行檢查。

3.2 最小系統(tǒng)調(diào)試

在板上焊接TMS320DM642、SDRAM、FLASH、JTAG接口及各模塊電路外圍元件。仔細(xì)檢查有無短路、斷路、虛焊、漏焊、假焊等情況，無問題后上電，測量各芯片工作電壓是否正常，用示波器測量各模塊的工作時(shí)鐘是否正常。利用JTAG口將硬件與計(jì)算機(jī)相連，配置好控制寄存器后，測試SDRAM讀寫功能是否正常，F(xiàn)LASH擦寫功能是否正常。如果工作不正常，檢查時(shí)序信號(hào)、硬件連接等情況。

3.3 視頻輸入輸出調(diào)試

焊接TVP5150、SAA7121及外圍相關(guān)元器件。測量各模塊的工作時(shí)鐘是否正常。利用TI公司提供的測試程序，測試系統(tǒng)能否正常地接收4路視頻并輸出視頻。

結(jié)語

本系統(tǒng)充分利用DSP的高處理速度、大數(shù)據(jù)量處理能力的特點(diǎn)，結(jié)合編解碼芯片，實(shí)現(xiàn)視頻的快速多路輸入與輸出。擴(kuò)展大容量的SDRAM利用TMS320DM642自身的EDMA，可以輕松地實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移，方便對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行圖像處理等操作。