基于DSP的多路音/視頻采集處理系統(tǒng)設(shè)計

摘要：采用TI公司的TMS320DM642型數(shù)字媒體數(shù)字信號處理器(DSP)設(shè)計多路音/視頻采集處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時處理4路模擬視頻和音頻輸入、1路模擬/數(shù)字視頻和l路模擬音頻信號輸出的功能，該系統(tǒng)可適應(yīng)PAL/NTSC標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合視頻CVBS或分量視頻Y/C格式的模擬信號和標(biāo)準(zhǔn)麥克風(fēng)或立體聲音頻模擬輸入，具有PAL/NTSC標(biāo)準(zhǔn)S端子或數(shù)字RCB模擬/數(shù)字信號輸出和標(biāo)準(zhǔn)立體聲音頻模擬輸出。并給出軟/硬件設(shè)計原理和電路。
關(guān)鍵詞：TMS320DM642；圖像采集處理；PAL/NTSC制式；數(shù)字信號處理器

l 引言
    當(dāng)前，在數(shù)字圖像處理中，由于數(shù)據(jù)量大、算法難度高，因此實(shí)時性成為技術(shù)難點(diǎn)之一。如果采用專用電路實(shí)現(xiàn)，雖然實(shí)時性得到保證，但系統(tǒng)的靈活度大大降低。因此，尋求一種高速通用數(shù)字信號處理系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。
    II公司推出的TMS320DM642(以下簡稱DM642)型數(shù)字信號處理器可實(shí)時處理4路模擬視頻和音頻輸入、l路模擬/數(shù)字視頻和1路模擬音頻信號輸出，適應(yīng)PAL/NTSC標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合視頻CVBS或分量視頻Y/C格式的模擬信號輸入，可適應(yīng)PAL/NTSC標(biāo)準(zhǔn)S端子或數(shù)字RGB模擬/數(shù)字信號輸出，可適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)麥克風(fēng)或立體聲音頻模擬輸入及標(biāo)準(zhǔn)立體聲音頻模擬輸出，具有對多路采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理和分析的功能，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和圖像疊加顯示。

2 DM642簡介
    DM642型數(shù)字信號處理器可采用500 MHz或600 MHz的工作頻率，每秒最多可完成4.8 G次操作，具備在線編程功能，帶有的豐富外圍接口可以與多種存儲器相連，可以直接與網(wǎng)絡(luò)連接，是高速圖像處理的優(yōu)選器件。
    DM642的CPU采用第二代VelociTI.2內(nèi)核結(jié)構(gòu)，含有雙數(shù)據(jù)通路、8個運(yùn)算單元，每周期可執(zhí)行8條32-bit指令，支持4個16-bit和8個8-bit連乘加MAC指令，有64個寄存器，取數(shù)/存數(shù)的數(shù)據(jù)通道為64-bit。
    DM642采用帶2級存儲器的完全存儲器分層體系結(jié)構(gòu)，2級存儲器中的Cache控制器可以自動完成分層存儲器體系結(jié)構(gòu)的管理和調(diào)度，外部存儲器訪問和片上外設(shè)的訪問通過EDMA完成。
    DM642有3個視頻輸入輸出口和多路音頻信號的輸入輸出串口。外部存儲器接口EMIF提供了64-bit寬度的外總線數(shù)據(jù)接口，支持與各種器件的無膠合接口。DM642還具有主機(jī)并行接口、外圍設(shè)備互聯(lián)口、多通道緩存串口和通用I/O端口。

3 系統(tǒng)功能與硬件電路設(shè)計
3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖像采集和預(yù)處理單元主要完成圖像信號的輸入，具有多路信號復(fù)用功能，對輸入的模擬視頻信號進(jìn)行數(shù)字化及格式的轉(zhuǎn)變。FPGA控制系統(tǒng)的邏輯和圖像數(shù)據(jù)的流向，并且可對DM642輸出的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，進(jìn)而輸出到圖像編碼單元。圖像處理單元采用DM642進(jìn)行高速數(shù)據(jù)處理和分析。圖像編碼單元對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，形成標(biāo)準(zhǔn)的模擬視頻信號，可以直接輸出到顯示設(shè)備上。

    對于4路視頻和4路音頻信號，CPU在1個時刻只能處理1路數(shù)據(jù)，DM642片外位于EMIF的CEO地址空間擴(kuò)展了2個4 Mx32 bit的SDRAM，可分別存放圖像采集數(shù)據(jù)和圖像處理數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)采集和存儲速度。
3.2 視頻口接口設(shè)計
    DM642有3個視頻口，每個都可以配置為上下2個通道，但2個通道必須同時為視頻輸入口或輸出口。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，DM642帶了4路模擬視頻輸入(cif格式，分辨率為352×288)和1路模擬視頻輸出。
    VPO A通道配置為8-bit BT.656視頻輸入或輸出口，接第一通道視頻輸入或視頻輸出。VPl A通道配置為8-bit BT.656視頻輸入口，接第二通道視頻輸入。VP2 A和B通道配置為2個8-bit BT.656視頻輸入口，接第三和第四通道視頻輸入。VP0和VPI的B通道配置為MCASP，接4個音頻Codec。
    TVP5150型視頻編碼器支持PAL/NTSC、CVBS或Y/C模擬視頻輸入，8-bit BT.656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流輸出。SAA7105型視頻解碼器支持8-bit BT.656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流輸入，PAL/NTSC CVBS或Y/C模擬視頻輸出。通過DM642的I2C總線對視頻編/解碼器的內(nèi)部寄存器進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)不同的輸入輸出。DM642和TVP5150的對應(yīng)引腳功能見表1。

    視頻編解碼器的參數(shù)通過I2C總線配置，由于TVP5150的I2C從地址只有2種選擇，因此需要用CBT3257型2選l轉(zhuǎn)換開關(guān)來切換。
    作為視頻輸入口時，視頻數(shù)據(jù)的行/場同步又包含BT.656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流中的EAV和SAV時基信號控制，視頻口只需視頻采樣時鐘和采樣使能信號(控制采樣起始)，TVP5150用系統(tǒng)時鐘SCLK提供采樣時鐘，用可編程引腳GPCL提供采樣使能。作為視頻輸出口時，視頻口要為SAA7105提供時鐘和行/場同步信號。
    在視頻輸出電路中，J1、J2、J3可配置成RGB輸出信號，J2、J3可連接S端子，J1、J2、J3、J4、J5可直接輸出到電腦的顯示器上。具體接口電路如圖2和圖3所示。DM642與SAA7105的對應(yīng)引腳功能見表2所列。

3.3 多通道音頻串口的接口設(shè)計
    筆者采用了4路模擬音頻輸入和1路模擬音頻輸出，采用TLV320AIC23B型音頻編/解碼器，它支持麥克風(fēng)/立體聲模擬輸入/輸出和數(shù)字音頻數(shù)據(jù)流輸出/輸入。
    PLLl708型可編程視頻/音頻同步數(shù)字鎖相環(huán)給McASP和TLV320AIC23B提供時鐘信號，SCK02端口接McASP的AHCLKX，SCK03端口接TLV320AIC23B的主時鐘MCLK。PLLl708的時鐘輸入為27 MHz。DM642與TLV320AIC23B的對應(yīng)引腳功能見表3。

    AIC23B數(shù)據(jù)口配置為從，McASP的8個收/發(fā)引腳配置為4收/4發(fā)，分別接4個編解碼器的Dout/Din。McASP的接收幀同步配置為輸出，同時給4個編解碼器的LRCout。McASP的發(fā)送幀同步配置為輸出，同時給4個編解碼器的LRCin。McASP的發(fā)送位時鐘ACLKX配置為輸出(由AHCLKX分頻)，同時給4個編解碼器的BCLK。AIC23B的控制口配置為I2C，由CBT3257型2選1開關(guān)來切換。具體電路如圖4所示。

    另外，給DM642供電時應(yīng)注意CPU的上電次序：CHU內(nèi)核應(yīng)先于I/O上電，后于I/O掉電，CPU內(nèi)核與I/0應(yīng)盡可能同時供電，二者的時差不能太大(<1 s)，否則會影響器件的壽命或損壞器件。用可編程時鐘電路可很好地解決整個電路的時鐘問題。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)初始化設(shè)置、圖像處理算法和屏幕疊加程序，具體軟件流程如圖5所示。

4.1 系統(tǒng)初始化設(shè)置程序
    對整個硬件系統(tǒng)進(jìn)行初始化，其中包括DM642的上電初始化、DM642的寄存器和系統(tǒng)配置引腳的設(shè)置、利用I2C總線對TVP5150和SAA7105進(jìn)行寄存器設(shè)置。
    DM642的引導(dǎo)模式為從EMIFA引導(dǎo)，把引腳AEA[22：21]設(shè)置為ll，其他配置引腳的初始化設(shè)置為默認(rèn)值。外圍配置寄存器(PERCFG)用于對控制視頻口、多通道緩沖串口、多通道音頻串口進(jìn)行配置，初始化為0x0000 0079h。設(shè)備狀態(tài)寄存器(DEVS-TAT)用于控制電路各個外圍設(shè)備的狀態(tài)：EMAC、HPI、PCI、CPU時鐘頻率選擇模式、電路引導(dǎo)模式、EMIFA輸入時鐘的選擇，初始化為0x0000 005Ch。
4.2 圖像處理程序
    對采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，對視頻流進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，可以是復(fù)合視頻或分量視頻，也可以壓縮存儲以便于此后的瀏覽。
4.3 屏幕疊加程序
    把FPGA內(nèi)部FIFO中的數(shù)據(jù)和視頻口輸出的數(shù)據(jù)混和完成屏幕顯示的功能。屏幕疊加有幾種方式，背景為透明的、半透明的、不透明的，疊加的位置也可任意設(shè)置，只需修改疊加圖像的起始點(diǎn)坐標(biāo)，把相應(yīng)的圖像信息加到對應(yīng)的視頻圖像隊列中。
4.4 視/音頻信號采集存儲與圖像數(shù)據(jù)讀取程序
    對于4路視頻信號和4路音頻信號，CPU在1個時刻只能處理1路數(shù)據(jù)，因此在DM642片外擴(kuò)展了2個4Mx32bit的SDRAM，在系統(tǒng)工作的任一時刻，一個用于圖像的采集，采集部分向該存儲區(qū)寫圖像數(shù)據(jù)，另一個用于外部對圖像數(shù)據(jù)的讀取，DSP可以讀取該存儲區(qū)中的圖像數(shù)據(jù)。雙SDRAM結(jié)構(gòu)的重要特點(diǎn)是DSP對存儲區(qū)的數(shù)據(jù)操作是來回切換的。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫滿SDRAM-l時，F(xiàn)PGA會向DSP發(fā)出中斷信號，此時，在DSP讀取SDRAM-l中數(shù)據(jù)的同時，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫入SDRAM-2，當(dāng)SDRAM-2中的數(shù)據(jù)寫滿時，F(xiàn)PGA向DSP發(fā)出中斷信號，此時DSP讀取SDRAM-2中的數(shù)據(jù)，同時，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫入SDRAM-l，如此交替，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入與讀取同時進(jìn)行。由于DSP讀取SDRAM中數(shù)據(jù)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A/D轉(zhuǎn)換寫入數(shù)據(jù)的速度，因而允許采集與外部訪問同時進(jìn)行，采用2個存儲區(qū)操作的乒乓式切換滿足數(shù)據(jù)實(shí)時交換的要求。
    由于DSP對存儲區(qū)的數(shù)據(jù)操作是來回切換的，因此需要采用中斷來實(shí)現(xiàn)取數(shù)。具體實(shí)現(xiàn)是在DSP內(nèi)部設(shè)置中斷，這里選用INT6作為中斷觸發(fā)引腳。當(dāng)外部中斷信號到來時，則相應(yīng)中斷服務(wù)程序執(zhí)行中斷響應(yīng)。

5 結(jié)束語
    本系統(tǒng)能夠同時處理4路CIF格式的數(shù)字視頻，并且可以動態(tài)切換，總采樣速率可達(dá)100幀/秒，每路速率為25幀/秒，可以完全保證圖像實(shí)時采集。
    對圖像的疊加有多種方法，疊加的位置也可通過修改疊加圖像的起始點(diǎn)坐標(biāo)來進(jìn)行任意設(shè)置。DM642還具有網(wǎng)絡(luò)接口，可以對輸出的視頻信號進(jìn)行壓縮并由網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳輸。
    基于DM642的圖像采集處理系統(tǒng)能廣泛應(yīng)用于機(jī)頂盒、IP可視電話、網(wǎng)絡(luò)視頻會議等領(lǐng)域。