基于DM642的視頻處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

近年來，視頻處理系統(tǒng)的研究受到了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注，發(fā)展也非常迅速。同時(shí)，視頻技術(shù)也是一門跨越很多學(xué)科的技術(shù)，在此基礎(chǔ)上又衍生出了很多的新的技術(shù)和研究方向，比如人臉識(shí)別技術(shù)和圖像邊緣檢測(cè)算法的研究以及視頻壓縮算法的研究等?，F(xiàn)在視頻處理系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，比如交通路口的監(jiān)控裝置、在機(jī)場(chǎng)、港口以及一些公共場(chǎng)所使用的視頻監(jiān)控設(shè)備等。如果視頻技術(shù)再和圖像處理等技術(shù)結(jié)合起來，那么其應(yīng)用的范圍和深度都會(huì)有很大的提高，比如在安防領(lǐng)域可以用于輔助識(shí)別危險(xiǎn)目標(biāo)和恐怖分子等，這些技術(shù)在民用領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。
    針對(duì)以上這些應(yīng)用需求，本文采用TI公司的TMS320DM642(以下簡(jiǎn)稱DM642)數(shù)字多媒體處理芯片設(shè)計(jì)了一套視頻處理系統(tǒng)。文中主要介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試過程。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案
1．1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
    視頻處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)采用的DSP是DM642，它是一款高性能的數(shù)字多媒體處理器，最高運(yùn)算速度可達(dá)5760MIPS(每秒百萬條指令)，可以滿足復(fù)雜算法的實(shí)時(shí)處理要求。視頻信號(hào)需要通過CCD攝像頭采集。
    視頻解碼芯片將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供DSP進(jìn)行運(yùn)算處理。DM642的視頻接口(VP口)共有3個(gè)，其中VP0和VP1都是20位，10位用于視頻輸入，另外10位用于音頻輸入。VP2口也是20位，可以分為兩路視頻輸入。在本文設(shè)計(jì)的視頻處理系統(tǒng)中，采集到的模擬視頻信號(hào)經(jīng)過視頻解碼芯片模／數(shù)轉(zhuǎn)換后，形成BT．656格式的數(shù)字視頻信號(hào)，通過DM642的VP0口輸入。
    數(shù)字信號(hào)經(jīng)過DM642的軟件編碼器進(jìn)行編碼壓縮處理，編碼壓縮生成的視頻碼流數(shù)據(jù)打包后通過RJ-45接口經(jīng)以太網(wǎng)傳送到遠(yuǎn)端的上位機(jī)，上位機(jī)作為SERVER，這樣就構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)。通過DM642獨(dú)立多媒體接口(MII)，片外連接一片以太網(wǎng)處理芯片，就可以構(gòu)成10／100 Mbpa以太網(wǎng)模塊。本地回放由視頻編碼芯片來完成。
    通過DM642的EMIF接口可以連接SDRAM和Flash存儲(chǔ)器。盡管DSP提供了片內(nèi)RAM，但是在大多數(shù)情況下不能滿足系統(tǒng)的要求；同時(shí)對(duì)于要求實(shí)時(shí)處理的系統(tǒng)而言，又要求盡量減小在數(shù)據(jù)流動(dòng)過程中由于存儲(chǔ)器讀寫造成的時(shí)間開銷，因此在系統(tǒng)中配置了高性能的SDRAM，它在運(yùn)行程序和數(shù)據(jù)處理時(shí)使用。Flash在系統(tǒng)中主要是用來存放系統(tǒng)軟件和配置參數(shù)的。
    系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

    在該視頻處理系統(tǒng)上集成了相當(dāng)數(shù)量的板上設(shè)備以適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境，其主要特點(diǎn)為：
    1)系統(tǒng)的運(yùn)行頻率為600 MHzc。
    2)2個(gè)視頻端口：1個(gè)為板上解碼器，1個(gè)為板上編碼器。
    3)32 MB的同步DRAM空間。
    4)2 MB的Flash空間。
    5)以太網(wǎng)接口。
    6)配有仿真器接口可以用來進(jìn)行JTAG仿真。
    7)供電電壓為+5 V。
    8)蜂鳴器報(bào)警。
1．2 存儲(chǔ)器模塊設(shè)計(jì)
    在數(shù)據(jù)處理模塊中，DSP芯片、SDRAM芯片和Flash芯片這3塊芯片是整個(gè)模塊電路的核心。該模塊的功能是完成與外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳輸和程序存儲(chǔ)器的程序讀寫任務(wù)。通過JTAG接口電路與仿真器相連后接到計(jì)算機(jī)主機(jī)進(jìn)行仿真調(diào)試，實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)主機(jī)的數(shù)據(jù)交換。
1．2．1 SDRAM接口設(shè)計(jì)
    在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，SDRAM內(nèi)存芯片選用Micron公司生產(chǎn)的MT48LCAM3282-1Mx32×4 banks。SDRAM，即Synchronous DRAM(同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)，表明它的工作速度是和系統(tǒng)的總線速度同步的。MT48LC4M3282總線最高時(shí)鐘為166 MHz，它主要用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序，SDRAM的刷新由DSP芯片自動(dòng)控制。MT48LCAM3282是一款高速CMOS動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，它內(nèi)部配置為4個(gè)區(qū)的同步接口。
    DM642的EMIF可以對(duì)SDRAM的地址屬性進(jìn)行編程，它和SDRAM可以實(shí)現(xiàn)無縫連接。EMIFA最大的時(shí)鐘總線可達(dá)133 MHz。SDRAM控制器可以支持16 M～256 Mbit的SDRAM芯片。TMS320DM642上的Cache容量有限，所以視頻數(shù)據(jù)通常存放在片外SDRAM中，在需要用到的時(shí)候通過EDMA把數(shù)據(jù)從片外搬移到片內(nèi)處理，這樣就可以提高程序的執(zhí)行效率四。TMS320DM642的SDRAM接口圖如圖2所示。

    由于TMS320DM642的數(shù)據(jù)總線是64位，而每片MT48LC4M3282的數(shù)據(jù)總線是32位，所以需要并聯(lián)兩片MT48LC4M3282才能構(gòu)成64位的數(shù)據(jù)總線，這樣才可以與TMS320DM642的EMW數(shù)據(jù)總線相連。參照DM642數(shù)據(jù)手冊(cè)中SDRAM的配置方法，EA15、EA16控制SDRAM的組，EA3-EA14控制行地址，EA3-EA11控制列地址，片選信號(hào)接到DM642的上，這樣就把SDRAM分配到CE0空間上。
1．2．2 Flash接口設(shè)計(jì)
    DM642 EMIFA的異步接口為各種存儲(chǔ)器和外設(shè)類型提供了可配置的存儲(chǔ)器周期類型，包括SRAM、EPROM、Flash等，在本系統(tǒng)中Flash采用的是SST公司生產(chǎn)的SST39VF1601 Flash，片選信號(hào)接到DM642的引腳上。當(dāng)DSP上電后，DSP通過增強(qiáng)的直接存儲(chǔ)器訪問從外部的CE1尋址空間復(fù)制1 K字節(jié)的數(shù)據(jù)傳給內(nèi)部存儲(chǔ)空間，然后再?gòu)膬?nèi)部存儲(chǔ)空間0x0處開始運(yùn)行，所以Flash ROM必須配置在DSP的CE1空間，在DSP存儲(chǔ)器中對(duì)應(yīng)的地址是0x90000000-0x90200000。
1．3 JTAG接口設(shè)計(jì)
    JTAG接口是調(diào)試環(huán)境和目標(biāo)板之間的接口，它的好處是可以讓開發(fā)者在對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行開發(fā)的同時(shí)可以不改變目標(biāo)板的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而方便了系統(tǒng)的開發(fā)與測(cè)試。XDS510仿真器通過JTAG接口將系統(tǒng)板與電腦連接起來，這樣就可以使用TI提供的集成化開發(fā)環(huán)境對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試了。JTAG接口采用標(biāo)準(zhǔn)的雙排14腳插座。系統(tǒng)的JTAG接口電路如圖3所示。

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1．4 電源模塊設(shè)計(jì)
    DM642需要兩種電源，一種是內(nèi)核電源(1．4 V)，另一種是I／O電源(3．3 V)。通常由于DM642用于嵌入式系統(tǒng)中，因此電源電路設(shè)計(jì)不僅要考慮電壓精度、穩(wěn)定度和外圍電路的復(fù)雜度等問題，還要考慮低功耗問題。另外，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為了保證芯片正常工作，在系統(tǒng)上電作時(shí)，對(duì)這兩種電源的上電順序還有一定的要求，如果違反該要求，可能降低器件的性能或永久損壞器件。內(nèi)核電源要比I／O電源早上電，至少不能晚于I／O電源上電。在電路設(shè)計(jì)中，通過采用在兩個(gè)電源之間串聯(lián)二極管的方法來解決系統(tǒng)上電順序的問題。
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電源芯片采用的是TI公司的TPS54310，它是TI公司生產(chǎn)的一款開關(guān)電源調(diào)節(jié)芯片，它能夠?qū)崿F(xiàn)低電壓輸入和高電流輸出(輸人電壓范圍為3～6 V，輸出電壓根據(jù)需要可以在0．9～3．3 V之間調(diào)節(jié)，輸出電流為3 A)。圖4是3．3 V電源產(chǎn)生電路，1．4 V電源產(chǎn)生電路與此類似，只需根據(jù)TPS54310中的計(jì)算公式將相應(yīng)的電阻和電容值做相應(yīng)的修改就可以得到1．4 V電源。3．3V的電源不僅是DM642的0電源，同時(shí)也是系統(tǒng)上視頻解碼芯片、視頻編碼芯片、SDRAM芯片等的供給電源。

1．5 視頻輸入輸出模塊設(shè)計(jì)
1．5．1 視頻輸入模塊設(shè)計(jì)
    視頻輸入模塊設(shè)計(jì)采用的視頻解碼芯片是TVP5150APBS，它是TI公司專門開發(fā)的一款可以方便攜帶的低功耗視頻解碼芯片，可以廣泛用于視頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。TVP5150APBS的視頻輸入端可以輸入兩路復(fù)合視頻信號(hào)或者一路S端子信號(hào)。輸入信號(hào)(如PAL、NTSC等制式)通過增益控制單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和Y／C分離及處理模塊后，最后可以轉(zhuǎn)化為8位ITU-R BT．656的數(shù)據(jù)格式，或者轉(zhuǎn)化為8位4：2：2的數(shù)據(jù)格式。TVP5150A-PBS的初始化操作是通過操作IIC總線來實(shí)現(xiàn)的。TVP5150APBS的IIC地址可以通過控制12CSEL引腳的高低電平來設(shè)置。當(dāng)該引腳是低電平時(shí)，IIC地址是0xB8h，當(dāng)該引腳是高電平時(shí)，IIC地址則為0xBAh。TVP5150APBS與TMS320DM642的連接示意如圖5所示。

    從圖5可知，視頻信號(hào)可從TVP5150APBS的AIP1A或AIPIB輸入，數(shù)據(jù)輸出引腳YOUT[0：7]與DM642的VP0[2：9]引腳連接在一起。TVP5150-APBS的系統(tǒng)時(shí)鐘引腳SCLK與DM642的VPOCLK0引腳連接。因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用的是ITU-R BT．656的視頻輸出格式，所以在系統(tǒng)中不需要分立的同步信號(hào)。因此，TVP5150APBS的HSYNC(行同步信號(hào))、VSYNC(場(chǎng)同步信號(hào))、AVID(行消隱指示信號(hào))以及FIDFig．5 Colleetion bet-ween TVP5150APB5 and DM642(奇偶場(chǎng)指示信號(hào))這幾個(gè)引腳并不需要與TMS320DM642連接， 只需要將TVP5150APBS的INTERQ引腳與TMS320DM-642的VPOCTL0引腳連接起來。
1．5．2 視頻輸出模塊設(shè)計(jì)
    在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，視頻輸出模塊中的視頻編碼芯片選用的是Philips公司的SAA7105H，它同時(shí)具有SDTV(標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視)和HDTV(高清晰度電視)信號(hào)編碼能力，可以廣泛用于視頻輸出的設(shè)計(jì)中。視頻輸出模塊的電路如圖6所示。

    從圖6中可知，將DM642的VP2端口配置成視頻輸出端口。由于VP2端口的數(shù)據(jù)線與SAA710SH的數(shù)據(jù)線相互錯(cuò)位，因此這會(huì)造成無法正常顯示視頻輸出。為了解決這個(gè)問題，在將VP2端口配置成ITU-R BT．656視頻輸出時(shí)，數(shù)據(jù)就會(huì)從VP2 A通道的VPD02-VP2D09輸出，VP2D00-VP2D 01則輸出無效，因此就需要將VP2D02-VP2D09這8根數(shù)據(jù)線連接到SAA7105H的PD0-PD7對(duì)應(yīng)的引腳。這樣VP2D10-VP2D19在視頻回放中就沒有使用。[!--empirenews.page--]
    SAA7105H將從DM642端傳送來的PC信號(hào)轉(zhuǎn)化為PAL制式(50 Hz)或者是NISC制式(60 Hz)送到外部TV端輸出。SAA7105H默認(rèn)為休眠狀態(tài)，在休眠過程中HC總線仍然可以接受來自DM642的命令。當(dāng)SAA7105H的3個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器視頻輸出與外部TV相連接時(shí)，SAA7105H能夠自動(dòng)檢測(cè)到數(shù)模轉(zhuǎn)換器接口的阻抗變化，然后通過芯片的TVD(電視信號(hào)檢測(cè))引腳向TMS320DM642發(fā)出中斷請(qǐng)求，表明外部有播放要求。此時(shí)，DM642就會(huì)通過IIC總線來配置SAA7105H的內(nèi)部寄存器，激活還處于休眠狀態(tài)的SAA7105H，開始進(jìn)行本地視頻的播放。
    在視頻輸出模塊中，SAA7105H的HSVGC(水平同步輸出)、VSVGC(垂直同步輸出)、FSVGC(幀同步輸出)分別于TMS320DM642端口的VP2CTL0、VF2CTL1以及VP2CTL2這3個(gè)引腳相連。SAA7105H的輸出方式可以有RGB格式、CVBS(混合視頻)格式、S-Video格式以及VGA格式等幾種。其輸出方式的選擇通過SAA7105H的應(yīng)用子地址來控制。
1．6 以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)
    以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)中的以太網(wǎng)處理芯片采用Intel公司的LXT97lA，它符合IEEE標(biāo)準(zhǔn)，直接支持10 Mbps和100Mbps的雙絞線應(yīng)用，也可以支持100 Mbps的光纖接口。LXT971A與DM642的連接示意圖如圖7所示，在以太網(wǎng)模塊中還需要用到網(wǎng)絡(luò)變壓器和RJ-45以太網(wǎng)連接器。

1．7 報(bào)警電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的報(bào)警電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，它由驅(qū)動(dòng)電路與蜂鳴器構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)電路與DSP的一個(gè)GPIO引腳連在一起，電路如圖8所示。

    從圖8中可以看出，當(dāng)GP10輸出高電平(通知報(bào)警)時(shí)，三極管的集電極和發(fā)射極之間將視為短接，從而驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的是有源蜂鳴器來進(jìn)行報(bào)警。

2 系統(tǒng)調(diào)試
2．1 Flash的調(diào)試
    Flash調(diào)試的步驟如下：
1)配置寄存器，F(xiàn)lash的基地址是0x90000000，共有512個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)有4 K字節(jié)，F(xiàn)lash的大小為2M字節(jié)。將Flash的空間映射到TMS320D-M642的存儲(chǔ)器空間內(nèi)；
    2)進(jìn)行Flash的擦除操作；
    3)判斷擦除操作是否結(jié)束。Flash的DQ6位和DQ7位都可以用來判斷擦除是否結(jié)束，這里采用的是DQ7位。在內(nèi)部擦除操作過程中，讀出的DQ7的值是“0”，一旦內(nèi)部擦除操作完成，DQ7的值就會(huì)變化為“1”；
    4)開始Flash的寫操作和讀操作。
    可以通過CCS的Memory窗口可以觀察Flash的寫入是否正確。讀出的數(shù)據(jù)和寫入的數(shù)據(jù)經(jīng)過對(duì)比后無誤，說明系統(tǒng)的Flash工作正常。
2．2 SDRAM的調(diào)試
    兩塊SDRAM芯片MT48LC4M3282的片選信號(hào)是與TMS320DM642的引腳接在一起的，因此SDRAM的基地址是Ox800000000。在測(cè)試SDRAM時(shí)，從SDRAM的基地址開始，長(zhǎng)度為32 M字節(jié)。在編程時(shí)向SDRAM中寫入數(shù)據(jù)。然后再讀出數(shù)據(jù)，將讀出的數(shù)據(jù)與寫入的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試后對(duì)比無誤，說明系統(tǒng)的SDRAM工作是正常的。
2．3 靜態(tài)圖像的采集
    在圖像采集中用到的是TMS320DM642的VP0口，需要一個(gè)CCD攝像頭。采集到的靜態(tài)圖像通過CCS的View功能來顯示。
    視頻解碼芯片TVP5150APBS的IIC地址設(shè)置為0xB8。另外，在程序中還需要對(duì)TVP5150APBS相關(guān)的寄存器進(jìn)行必要的設(shè)置以滿足系統(tǒng)的要求。編寫圖像采集程序，TVP5150APBS能夠?qū)崟r(shí)采集圖像。程序在CCS中經(jīng)過編譯、運(yùn)行后采集到的圖像如圖9所示。

2．4 視頻顯示的調(diào)試
    視頻顯示模塊主要是在圖像采集的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)VGA制式視頻圖像的實(shí)時(shí)顯示。在調(diào)試過程中需要編寫視頻接口的顯示驅(qū)動(dòng)程序以及整個(gè)視頻顯示通道的調(diào)試程序，還需要對(duì)視頻編碼芯片SAA7105H的寄存器進(jìn)行設(shè)置。視頻輸出信號(hào)通過VGA接口連接到顯示器上，這里采用的是電腦顯示器。調(diào)試程序經(jīng)過編譯、運(yùn)行后，會(huì)將TVP5150APBS采集到的圖像通過SAA7105H送到顯示器實(shí)時(shí)顯示出來，如圖10所示。
2．5 報(bào)警模塊的調(diào)試
    在調(diào)試時(shí)通過編程將GP10引腳設(shè)置為“1”，即給報(bào)警電路輸入一個(gè)報(bào)警信號(hào)，此時(shí)蜂鳴器將會(huì)發(fā)聲報(bào)警。
2．6 以太網(wǎng)模塊的調(diào)試
    以太網(wǎng)模塊的調(diào)試主要是測(cè)試EMAC與MDIO的配置及使用，以及如何配置一個(gè)PHY設(shè)備和CSL庫中關(guān)于網(wǎng)絡(luò)接口部分程序的應(yīng)用。在調(diào)試過程中，是采用自閉環(huán)的方式來完成的。
    將系統(tǒng)板上的RJ-45網(wǎng)絡(luò)接口用網(wǎng)線和局域網(wǎng)連在一起，在調(diào)試中需要用到TI推出的TCP／IP NDK(Network Developer's Kit)開發(fā)套件中提供的調(diào)試程序。程序運(yùn)行后，系統(tǒng)板可以和局域網(wǎng)中的電腦正確地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，說明系統(tǒng)的以太網(wǎng)模塊是可以正常工作的。

3 結(jié)束語
    系統(tǒng)研究并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通用的基于DM642的視頻處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)試成功，它可以完成視頻信號(hào)的輸入與輸出，可以應(yīng)用于視頻圖象采集和處理的各種場(chǎng)合中。系統(tǒng)還擴(kuò)展了一個(gè)網(wǎng)口，可以方便地與外界通信。與傳統(tǒng)的視頻處理系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)在視頻輸出方式上更趨多樣化，視頻輸出接口既可以接到電視機(jī)上，也可以與PC機(jī)的顯示器相連接，彌補(bǔ)了以往接口單一的缺陷。系統(tǒng)新增的報(bào)警功能增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)用性。下一步研究的方向是對(duì)該系統(tǒng)做進(jìn)一步的完善，比如可以增加USB接口，擴(kuò)展系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，將蜂鳴器報(bào)警改為語音報(bào)警等。最后，在此系統(tǒng)上研究各種算法，比如視頻壓縮算法、圖像處理算法等，這樣它可以應(yīng)用于視頻會(huì)議、交通、監(jiān)控等諸多領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。