基于TMS320DM355的四路視頻多媒體監(jiān)控器

1 引言
    數(shù)字視頻是利用諸如攝像機(jī)的視頻捕捉設(shè)備采集外界影像信息并將影像信息數(shù)字化，然后將其記錄到儲存介質(zhì)(如錄像帶、硬盤、光盤)或通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。而視頻監(jiān)控在安全防范系統(tǒng)中具有重要意義。這里提出基于TMS320DM355型達(dá)芬奇(DaVinci)數(shù)字媒體片上系統(tǒng)(DMSoC)的便攜式多媒體視頻監(jiān)控器。

2 DaVinci技術(shù)簡介
    DaVinci技術(shù)是TI公司針對數(shù)字視頻圖像處理及應(yīng)用而提供的一套完整的解決方案，包括處理器、開發(fā)工具、軟件以及系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)。DaVinci技術(shù)可利用數(shù)字信號處理與集成電路技術(shù)提供高度集成的片上系統(tǒng)(SoC)，優(yōu)化和處理數(shù)字視頻。該片上系統(tǒng)具有高效的處理能力、存儲器、I／O帶寬。同時也是平衡內(nèi)部互連和專用外設(shè)組合。數(shù)字視頻子系統(tǒng)的硬件和軟件集成有可配置和編程的開發(fā)工具集。DaVinci技術(shù)能夠使開發(fā)人員擺脫數(shù)字視頻的技術(shù)細(xì)節(jié)，整的達(dá)芬奇軟件架構(gòu)涵蓋低級的OS驅(qū)動程序和應(yīng)用程序接口APl。便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻功能。開發(fā)人員無需了解各種音頻、視頻、影像以及語音CODEC背后的機(jī)制和DSP的編程，僅需調(diào)用少量函數(shù)即可提供編解碼功能和視頻功能。DaVinci技術(shù)通過提供開放式平臺降低系統(tǒng)創(chuàng)建和管理的眾多組件的復(fù)雜性。在該平臺上，Tl及其第三方合作伙伴集成了構(gòu)成數(shù)字視頻系統(tǒng)所需的各種組件，這些組件都基于DaVinci平臺。同時開放式開發(fā)平臺還擴(kuò)展到應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序也基于相同的DaVinci平臺。
    目前TI公司采用Davinci技術(shù)的器件主要分為3類：①ARM926EJ+MJCP(MPEG4和JPEG協(xié)處理器MPEG4/JPEG)，典型器件TMS320DM355；②采用TMs320C6000系列的DSP TMS320DM643 1／33/35／37和TMS320DM647/8；③由ARM926EJ+TMS320C6000系列的DSP TMS320DM6446／43／41，其中TMS320DM6446／41還包括視頻圖像協(xié)處理器VICP。表1給出，TI公司的DaVinci技術(shù)器件引比較。

3 TMS320DM355簡介
    高性能、低功耗的TMS32DM355 DaVinci技術(shù)器件由于內(nèi)部無DSP內(nèi)核的多媒體處理器，采用協(xié)處理器MJCP實(shí)現(xiàn)多媒體數(shù)據(jù)編解碼。因此TMS320DM355可實(shí)現(xiàn)低功耗，低成本設(shè)計(jì)方案。TMS320DM355在高清MPEG-4編碼過程中的功耗約為400 mW，而待機(jī)功耗僅為1 mW。視頻模式下使用基于TMS320DM355的數(shù)碼相機(jī)，兩節(jié)AA電池可錄制80 min的高清視頻，使HD產(chǎn)品電池壽命延長一倍。TMS320DM355內(nèi)部集成的視頻處理子系統(tǒng)VPSS(Video Processing Subsvrs-tem)、MPEG-4／JPEG協(xié)處理器(MJCP)、ARM926EJ-S內(nèi)核以及多種外設(shè)組成，可應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、IP攝像機(jī)、數(shù)碼相框、醫(yī)學(xué)成像及嬰兒視頻監(jiān)護(hù)器等領(lǐng)域。圖1為TMS320DM355的內(nèi)部功能框圖。

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    TMS320DM355包括1個哈佛結(jié)構(gòu)ARM核：ARM926EJ-S處理器支持ARM擴(kuò)展DSP指令和Jazelle技術(shù)、32 KBRAM、8 KB ROM，16 KB I-cache、8 KB D-cache；它能夠處理16／32位指令和8／16／32位數(shù)據(jù)。它通過使用協(xié)處理器CPl5和保護(hù)模塊增強(qiáng)體系結(jié)構(gòu)，并提供數(shù)據(jù)和程序內(nèi)存管理單元MMU。MMU具有2個64項(xiàng)的轉(zhuǎn)換旁路緩存器TLB用于儲存指令和數(shù)據(jù)流，每項(xiàng)均可映射存儲器的段、大小頁。為了保證在內(nèi)核周期內(nèi)存取指令和數(shù)據(jù)，提供了獨(dú)立的16 K字節(jié)指令Cache和8 K字節(jié)數(shù)據(jù)Cache，指令和數(shù)據(jù)Cache通過VIVT4路連接。另外，該器件還具有提升內(nèi)核性能的寫緩沖，其緩沖數(shù)據(jù)容量高達(dá)17字。
    專用的視頻圖像處理器用于處理視頻數(shù)據(jù)：視頻處理子系統(tǒng)VPSS包括視頻前端輸入接口VPFE和視頻末端VPBE輸出接口，視頻前端輸入接口用于接收外部傳感器或視頻譯碼器等輸入的圖像信息，視頻末端輸出接口輸出圖像到SDTV，LCD，HDTV等顯示屏顯示。其中視頻前端輸入(VPFE)接口是由CCD控制器、硬件圖像信號處理器一圖像通道IP-IPE模塊、自動曝光／白平衡／聚焦模塊H3A和寄存器組成。CCD控制器可與視頻解碼器、CMOS傳感器或電荷耦合裝置連接;IPIPE是實(shí)時硬件圖形處理器，用于實(shí)時圖像處理，它把從CMOS／CCD得到的原始圖形轉(zhuǎn)換為國際電信聯(lián)盟ITU數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)BT．60I／BT．656的8／16位數(shù)字YCbCr 4：2：2；H3A模塊則提供原始圖形信息。
    視頻末端輸出(VPBE)接口由在線視頻顯示處理器／屏幕視控系統(tǒng)OSD和兼容NTSC／PAL視頻輸出編碼器VENC組成。在線視頻顯示處理器能顯示2組獨(dú)立的視頻窗口或2組獨(dú)立的OSD窗口．還能以視頻窗口、OSD窗口和屬性窗口形式顯示。視頻解碼器以54．MHz的速率進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換，提供NTSC／PA L，S等格式的視頻或音頻輸出。同時該器件還具有8／16位YCC到18位RGB666數(shù)字輸出；ITU數(shù)字視頻標(biāo)準(zhǔn)BT．601／BT．656的8／16位數(shù)字YCbCr 4：2：2接口：輸出還支持同數(shù)字高清電視HDTV(720p／1080i)擴(kuò)展編碼器連接的接口。通過緩存邏輯與TMS320DM355的DDR2／mDDR片上控制器相連，便于訪問存儲器，向存儲器存儲由攝像頭采集并經(jīng)VPFE處理的圖像信息，便于將存儲的圖像信息通過VPBE輸出到顯示設(shè)備。
    數(shù)字圖像處理方面，MPEG4和JPEG硬件協(xié)處理器MJCP(MPEG4／JPEGG　Coprocessor)能以720p格式與30幀／s的速度提供高清MPEG4-SP編解碼功能，和以每秒5千萬像素的速度提供JPEG編解碼功能。在存儲方面，擴(kuò)展存儲器接口EMIF包括1個8／16位和1個16位mDDR／DDR2，可擴(kuò)展存儲器的類型為mDDR，DDR2，SDRAM，OneNAND，NANDFlash，SM／xD等；其他片上外圍擴(kuò)展控制器還包括：2個MMC(Multimedia　Card)／SD(Secure·Digital)接口；2個音頻接口ASP(Audio Serial Port)接口控制器，支持AC97音頻編碼接口、12S等接口形式：1個主／從I2C(Inter-Integrated Circui)接口控制器：1個USB 2．OTG接口控制器：1個可配置的視頻專用的輸入和輸出端口等。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括硬件系統(tǒng)和運(yùn)行在硬件系統(tǒng)上的軟件系統(tǒng)，如圖2所示。圖中虛線以下是系統(tǒng)硬件部分，其主要由3個部分組成：圖像信息的獲取、圖像信息的處理和存儲、圖像信息的展示．即分別對應(yīng)夜晚也能攝像的PAL／NTSC紅外攝像頭．印刷電路板PCB板硬件對視頻信息進(jìn)行壓縮等編碼操作和SD卡存儲，以及TFTLCD播放裝置。

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    虛線以上是系統(tǒng)軟件部分，軟件部分包括系統(tǒng)軟件、開發(fā)支撐軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件包括加載引導(dǎo)Linux操作系統(tǒng)的。BootLoader-U-boot、DaVinci技術(shù)軟件包和Mon-taVista Linux操作系統(tǒng)：開發(fā)支撐軟件主要是用于數(shù)據(jù)管理的嵌入式數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行用戶圖形界面開發(fā)的圖形用戶界面GUI軟件；應(yīng)用軟件是在DaVinci技術(shù)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和圖形用戶界面軟件基礎(chǔ)上開發(fā)的便攜式多媒體監(jiān)控器系統(tǒng)。

5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    視頻監(jiān)控器主要包括圖像信息的獲取、圖像信息的處理和存儲、圖像信息展示3部分。對應(yīng)PAL／NTSC紅外攝像頭用于獲取視頻信號；PCB印刷電路板和SD卡用于完成視頻信息的處理和存儲；TFT LCD用于播放和展示。
    系統(tǒng)構(gòu)成與信號流向如圖3所示，為了方便信號流程的表示，將視頻處理子系統(tǒng)VPSS的兩個部分獨(dú)立，視頻處理前端VPFE連接信號的輸入端，視頻處理后端VPBE連接信號的輸出端。從圖3可看出利用TMS320DM355基本上在不增加外圍控制器的情況下就可構(gòu)成一個便攜式多媒體監(jiān)控器。

    選擇紅外攝像頭是因?yàn)閷?shí)際的視頻監(jiān)控中通常晚上也需要監(jiān)控，如果沒有這種需求可選擇普通的攝像機(jī)；因?yàn)榧t外攝像頭輸出信號一般都是NTSC／PAL制的模擬電視信號，而TMS320DM355的視頻輸入信號是通過VPFE的CCD控制器CCDC引入的，而該控制器的接口是標(biāo)準(zhǔn)的ITU BT．601／BT．656數(shù)字視頻信號，所以還需增加一個將NTSC／PAL的模擬信號轉(zhuǎn)換成BT．601／BT．656的解碼器。LCD采用TFTLCD模擬真彩LCD屏，它比偽彩DSTN屏的分辨率和顯示效果都好。它是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控現(xiàn)場的視頻圖像和多媒體功能的主要因素，用于播放視頻多媒體和顯示靜態(tài)圖片。
    由于紅外攝像頭和TFT LCD一般都是直接購買市場上成熟的外設(shè)產(chǎn)品，下面較為詳細(xì)的分析系統(tǒng)中視頻圖像的處理和存儲部分，也就是PCB板部分。這里是一種連接形式，如圖4所示，還根據(jù)圖3給出的系統(tǒng)框圖并結(jié)合TMS320DM-355接口的電氣和物理特性選擇其他功能相同的器件。

    通過MXI和MXO引腳外接晶體振蕩器為TMS320-DM355提供時鐘源．再通過片內(nèi)時鐘控制電路為片內(nèi)各控制器提供所需時鐘。其中系統(tǒng)外接晶體振蕩器可提供24 MHz或36 MHz的時鐘，由MXIl，MXO1引腳引入，通過鎖相環(huán)控制器PLLCl為ARM，MJCP和其他片上外圍接口控制器提供時鐘，通過鎖相環(huán)控制器PLLC2為DDR和PHY提供時鐘；通過MXl2，MXO2引入27 MHz時鐘為視頻處理子系統(tǒng)VPSS提供時鐘。
    該系統(tǒng)采用電池供電，通過具有3個DC／DC轉(zhuǎn)換器和3個線性穩(wěn)壓器LDO接口，可輸出1~6 V電壓的電源管理器件TPS65021實(shí)現(xiàn)。它由1節(jié)鋰離子電池供電，由TMS320DM355通過I2C與之通信，實(shí)現(xiàn)各路輸出電源電壓的控制，分別為內(nèi)核、存儲器和I／O接口可提供1.3 V、1．8 V和3．3 V的工作電壓；也可采用5 V穩(wěn)壓器直流供電，通過DC／DC轉(zhuǎn)換器后提供1.3 V、1．8 V、3.3 V供電。[!--empirenews.page--]
    其存儲包括2個MMC／SD卡接口和2個擴(kuò)展存儲接口EMIF。前者實(shí)現(xiàn)2個SD卡存儲器的擴(kuò)展連接；后者包括DDR控制器和異步擴(kuò)展存儲接口AEMIF，分別用于擴(kuò)展連接對DDR存儲器和Flash存儲器。TMS320DM355與這3種存儲器直接相連。
    4路PAL／NTSC模擬視頻輸入信號通過4個3 V的視頻前端濾波器放大器OPA369放大，經(jīng)過視頻輸出格式可編程控制的TVP5146將模擬信號變成所需的ITU數(shù)字信號，再經(jīng)過2個12位2選1的FET多路復(fù)用器／多路解復(fù)用器對輸入的4路視頻信號選擇1路輸入TMS320DM355的VPF完成視頻輸入。其中OPA369支持S-Video、CVBS、SDTV等級的影像帶寬。TVP5146是高性能混合信號視頻解碼器，可將基帶模擬NTSC、PAL及SECAM視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字分量視頻信號；可支持10組視頻輸入，包括S端子、YPbPr以及RGB；輸出ITU-R BT．656；并有提供最佳亮色分離效果的5線自適應(yīng)梳狀濾波器和4路可提供出色防噪性能的10位、30 MS／s模數(shù)轉(zhuǎn)換器。視頻輸出信號通過TMS320DM355的VPBE與3通道集成視頻緩沖器THS7315連接輸出PAL／NTSC、Y和C信號，而外接LCD的背光通過白光LED驅(qū)動充電泵TPS60230驅(qū)動。其中THS7315視頻緩沖放大器采用五階巴特沃思濾波器，可AC耦合和DC耦合，可用作編碼器的D／A轉(zhuǎn)換器重建濾波器，或作為A／D轉(zhuǎn)換器的抗混淆濾波器；它支持HDTV、SDTV、CVBS、S-Video、YUV、YPbPr、480i／576i以及多種數(shù)字媒體處理器輸入。TPS60230具有無需電感，可限制浪涌電流，低輸人紋波與低電磁干擾(EMI)和較寬輸入電壓范圍2．7-6．5 V，可通過PWM引腳控制LED亮度。
    通過TMS320DM355的ASP與PCMl870 A／D轉(zhuǎn)換器相連實(shí)現(xiàn)音頻，該器件具有麥克風(fēng)偏置、音效與陷波濾波器的低功耗立體聲A／D轉(zhuǎn)換器，包括線路輸入放大器、升壓放大器、麥克風(fēng)偏置、可編程增益控制、音效以及自動音量控制功能。音箱和喇叭用于輸出音頻信號，通過TMS320DM355的音頻接口與ASP控制器連接，并根據(jù)外圍連接物理設(shè)備選擇AC97音頻編碼接口、FS、TDM I2S、軟件S／PDIF等接口。
    對視頻和圖片的操作功能可以通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)．觸摸屏的功能是通過電平轉(zhuǎn)換器PGA9306、溫度傳感器TMPl00與TMS320DM355的串行外圍接口SPI共同完成。電平轉(zhuǎn)換器PGA9306實(shí)現(xiàn)觸摸屏的物理電平和CMOS電平之間的轉(zhuǎn)換。而具有I2C串行接口的數(shù)字溫度傳感器實(shí)現(xiàn)觸摸屏的功能。而觸摸按鍵式記錄器可以實(shí)現(xiàn)多媒體等操作的按鍵化操作。串口和USB OTG都是常規(guī)直接與物理接口的連接．其中USB OTG(On The Go)控制器，便于USB設(shè)備連接。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，涉及到操作系統(tǒng)、音視頻編解碼算法及ARM和MJCP之間的分工協(xié)作．圖5給出4路視頻多媒體監(jiān)控器的主程序流程，圖6給出監(jiān)控部分的流程圖。

    主程序完成系統(tǒng)的加載，包括BootLoader的啟動和加載，硬件驅(qū)動程序、SQLite、MiniGUI的操作系統(tǒng)的加載和啟動，操作系統(tǒng)啟動成功后通過Shell程序加載啟動多媒體監(jiān)控系統(tǒng)軟件，進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)。
    監(jiān)控首先判斷是一路視頻播放和錄制，還是4路視頻的循環(huán)分時錄制；其次在成音、視頻播放的同時完成音、視頻的錄制，在錄制視頻前要先對視頻進(jìn)行MPEG-4壓縮。同時還需要注意音視頻的同步。

7 結(jié)論
    實(shí)現(xiàn)了基于達(dá)芬奇技術(shù)TMS320DM355的4路視頻多媒體監(jiān)控器系統(tǒng)，詳細(xì)分析其硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用最新的技術(shù)，降低產(chǎn)品成本，功耗，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。該視頻多媒體監(jiān)控器可廣泛應(yīng)用于人流密集和流動性大的車站、碼頭、機(jī)場、公園、銀行、政府、超市及商業(yè)街等視頻監(jiān)控領(lǐng)域。