基于TMS320F2812的視頻圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計

快速發(fā)展的汽車產(chǎn)業(yè)為車載電子產(chǎn)品提供了廣闊的應(yīng)用市場，如車載的“紅外監(jiān)視”、“倒車雷達”等視頻監(jiān)視設(shè)備，為駕駛員既帶來了方便，也帶來了安全。這些監(jiān)視設(shè)備離不開視頻圖像采集，而視頻圖像采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是視頻信號的AD轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的視頻圖像采集系統(tǒng)一般采用專門的圖像采集芯片，如SAA7110視頻解碼芯片，自動完成圖像的采集；缺點是電路復(fù)雜、成本高，不方便對其進行軟件編程和升級，進而其采集圖像的精度和速度也受到制約，對非標(biāo)準(zhǔn)視頻信號適應(yīng)性不好。

本設(shè)計采用DSP的片上ADC實現(xiàn)圖像采集，不需要專業(yè)的視頻解碼芯片，雖然不能完成圖像的自動采集，但是具有電路簡單、成本低、易于維護和升級的特點。更重要的是可以對其進行軟件編程，以適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)視頻信號的采集。用DSP和CPLD搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，不必外接專業(yè)的圖像采集芯片，避免了復(fù)雜的硬件設(shè)計，同時提供了足夠的處理能力。本設(shè)計采用TI公司的TMS320F2812芯片采集圖像，并搭建TMS320C6416t處理圖像，實現(xiàn)了基于DSP的視頻圖像采集。

視頻圖像采集的系統(tǒng)方案

視頻圖像采集包括視頻預(yù)處理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 視頻采集結(jié)構(gòu)框圖

首先對獲取的圖像信號進行同步信號分離，將分離出來的同步信號連接至CPLD。視頻信號在經(jīng)過電平鉗位、幅度調(diào)整等預(yù)處理后，將其連接到F2812的ADC輸入端。

F2812通過XINTF將其片上ADC的結(jié)果輸出至CPLD，CPLD根據(jù)分離出的同步信號的時序關(guān)系將視頻亮度信號通過HPI傳輸給圖像處理器C6416t進行圖像處理。其中，本文主要設(shè)計的是前端圖像采集部分，用戶可以根據(jù)自己的需要更換圖像處理器，以滿足不同的圖像處理要求。

1 視頻預(yù)處理

模擬視頻信號中包含有視頻亮度信號、視頻色度信號、視頻同步信號。視頻信號的峰峰值為1V，并且其同步信號電平低于零電平。而F2812采用的ADC量程為0～3V，因此在視頻轉(zhuǎn)換之前，需要對其進行Y/C分離、同步分離、電平鉗位、幅度放大等預(yù)處理。

①Y/C分離和電平鉗位

本系統(tǒng)采用飛利浦公司的TDA9181和TDA9143芯片進行Y/C分離。TDA9181是多標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)梳狀濾波器，由延時、加法器、減法器、帶通濾波器組成，支持PAL B、G、H、D、I、M、N 及NTSC M標(biāo)準(zhǔn)的梳整，可以為其相關(guān)制式的視頻信號進行Y/C分離。TDA9181還能對輸入的信號進行電平鉗位。

TDA9143是一種由I2C總線控制的PAL/NTSC/SECAM解碼器，可以為TDA9181提供Y/C分離所需要的沙堡脈沖信號和色副載頻信號。

圖2 Y/C分離原理圖

圖3 AD8066視頻緩沖器原理圖

圖4 同步分離

圖5 LM1881分離原理圖

TDA9181和TDA9143接口原理圖如圖2所示。

②視頻緩沖器

由于視頻信號的峰峰值為1V，而F2812的ADC量程為0～3V，所以為了更好的進行視頻采樣，需要對視頻信號放大3倍。

系統(tǒng)采用的AD8066是高壓、高速、低功耗和大電流的軌對軌輸出的單路和雙路運算放大器，其微分增益誤差和微分相位誤差分別為0.01% 和0.02%，7MHz帶寬的增益均勻性為0.1dB，非常適合視頻緩沖應(yīng)用。
AD8066用作視頻緩沖器的原理圖如圖3所示。

③同步分離

同步分離采用NS公司的LM1881芯片。LM1881能夠從峰峰值為0.5～2V的PAL、NTSC和SECAM視頻信號分離出各種同步信號，如圖4所示 （a：復(fù)合視頻信號，b：復(fù)合同步信號，c：場同步信號，d：奇偶場信號，e：突發(fā)/后肩信號）。此外，LM1881還可應(yīng)用于非標(biāo)準(zhǔn)視頻信號的同步分離，原理如圖5所示。

2 視頻A/D轉(zhuǎn)換器

TMS320F2812為32位定點可編程處理器芯片，最高頻率為150MHz，可以方便地與其他處理器連接，片上12位ADC最高采樣帶寬可達12.5MHz，擁有相當(dāng)于16級的FIFO，使片上ADC能達到上限工作速率,實現(xiàn)每80ns采集1個數(shù)據(jù)。此外，TMS320F2812可以方便的進行軟件編程，以適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號，故采用F2812用作AD轉(zhuǎn)換。

采用級聯(lián)、連續(xù)自動排序模式工作流程圖如圖6所示。

圖6 AD轉(zhuǎn)換工作流程圖

3 視頻圖像處理

本系統(tǒng)設(shè)計了用CPLD外擴TMS320C6416t處理圖像，用戶可以根據(jù)自己的需要更換圖像處理器，以達到需要的處理效果。

圖像采集

1 采集流程
① 將攝像機輸出的PAL/NTSC制式的模擬視頻信號通過TDA9181和TDA9143進行Y/C分離和電平鉗位后，一路給TMS320F2812變成數(shù)字信號，另一路給LM1881分離出同步信號。
② 將F2812采集后的圖像數(shù)據(jù)通過其XINTF傳輸至CPLD；將LM1881分離出奇偶場信號和復(fù)合同步信號也交給CPLD進行邏輯控制。
③ 由CPLD根據(jù)奇偶場信號和復(fù)合同步信號來決定是采集奇場圖像還是偶場圖像，或者采集一幀完整的圖像。（用戶也可以用自己外擴的圖像處理器來判斷圖像的幀數(shù)。）
2 行、場處理
①當(dāng)場同步信號到來時，CPLD根據(jù)奇偶場信號決定是采集奇場圖像還是偶場圖像，或者采集一幀完整的圖像；當(dāng)復(fù)合同步信號到來時，CPLD判斷是哪一行。CPLD會根據(jù)這些邏輯時序來控制F2812的采集，以及提供同步時序給外擴的圖像處理器。
②用戶也可以根據(jù)自己的需要處理這些同步信號，比如用外擴的圖像處理器代替CPLD來判斷圖像的行、場。

系統(tǒng)性能

只有AD采集的速度和精度達到視頻圖像變化的要求，才能對視頻圖像進行實時的采集。標(biāo)準(zhǔn)PAL制式模擬視頻信號的每場掃描行數(shù)為625行，每幀實際傳送圖像為575行，場頻50Hz，幀頻為每秒25幀，每秒鐘信號的變化頻率是5.52MHz，即圖像信號帶寬為5.52MHz，根據(jù)抽樣定理AD采樣的帶寬至少是11MHz；而TMS320F2812片內(nèi)的AD轉(zhuǎn)換器最高采樣帶寬可達12.5MHz，因此在速度方面完全滿足采集視頻信號的要求。同樣的，F(xiàn)2812的視頻AD轉(zhuǎn)換精度為12比特，用戶也可以對F2812的ADC模塊進行編寫校正算法，來不斷的提高ADC的轉(zhuǎn)換精度。

應(yīng)用

本系統(tǒng)平臺可用于多種制式的視頻圖像采集和數(shù)據(jù)參數(shù)采集，可以制作成視頻采集卡和數(shù)據(jù)采集卡。視頻采集卡可用于車載的視頻監(jiān)視，如目標(biāo)識別和倒車雷達。

在視頻采集卡的輸入端接紅外圖像傳感器，輸出接口接顯示設(shè)備，就可以用于夜間紅外監(jiān)視。用戶可以方便的對圖像處理器（如C6416t）進行軟件編程，用于目標(biāo)獲取和識別。例如，汽車在夜間行駛時，當(dāng)前面有不明障礙物，紅外監(jiān)視器就會提前發(fā)出警報并在監(jiān)視器上顯示目標(biāo)來提醒駕駛員。
在視頻采集卡的輸入端接普通的光電攝像頭，可以用于倒車視頻監(jiān)視。這樣駕駛員就不必轉(zhuǎn)身扭頭倒車了，只需要看著旁邊的視頻監(jiān)視器就可以方便的倒車。

本系統(tǒng)平臺也可以用于多種數(shù)據(jù)參數(shù)的采集，在視頻采集卡的輸入端接不同的數(shù)據(jù)傳感器，就可以用于工業(yè)自動化和汽車的數(shù)據(jù)參數(shù)監(jiān)視。例如，汽車的輪胎氣壓是否正常、車內(nèi)的空氣質(zhì)量是否達標(biāo)、行駛的速度是否過快、水溫是否過高，以及剩余的油量是否過少等，都可以通過對數(shù)據(jù)參數(shù)的采集后，來提醒駕駛員。

結(jié)束語

本系統(tǒng)不需要專門的ADC芯片，單片DSP就能實現(xiàn)視頻圖像、數(shù)據(jù)采集；并且可以方便對F2812進行軟件編程來不斷提高圖像、數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量；另外CPLD提供了豐富的外擴接口，用戶可以很容易的更換自己的圖像處理器，為以后的圖像數(shù)據(jù)處理提供了方便。