TMS320C54xDSP的視頻圖像采集接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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視頻圖像采集的方法一般可以分為:自動(dòng)圖像采集和基于處理的圖像采集。前者采用專用圖像采集芯片,自動(dòng)完成圖像的采集、幀存儲(chǔ)器地址生成以及圖像數(shù)據(jù)的刷新;除了要對(duì)采集模式進(jìn)行設(shè)定外,主處理器不參與采集過程。后者采用通用視頻A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)圖像的采集,不能完成圖像的自動(dòng)采集,整個(gè)采集過程在CPU的控制下完成,由CPU啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,將數(shù)據(jù)存入幀存儲(chǔ)器。其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集占用CPU的時(shí)間,對(duì)處理器的速度要求高,但電路簡單、成本低、易于實(shí)現(xiàn),能夠滿足某些圖像采集系統(tǒng)的需要。下面以TI公司的TMS320VC5402(以下簡稱C5402)DSP為例,介紹基于數(shù)據(jù)信號(hào)處理器(DSP)的視頻圖像采集電路和采集方法。
C5402是TI公司C54x系列定點(diǎn)DSP芯片中的新產(chǎn)品它集中了此系列早期產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn),并提供了許多新的功能,開發(fā)和使用更加方便。C5402具有靈活的指令系統(tǒng)和操作性能,它可選擇助記符指令或算術(shù)指令作為編程指令,同時(shí)支持匯編語言和C語言的單獨(dú)或混合編程。C5402采用改進(jìn)的Harvanl處理結(jié)構(gòu),指令流水線操作。計(jì)算和處理速度很高,系統(tǒng)單指令周期可達(dá)到10ns。在片內(nèi)提供16k的RAM用作程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ),其最大可擴(kuò)展尋址空間為1M字節(jié)。C5402提供的McBSP串口和DAM數(shù)據(jù)傳送方式極大地方便它在通信領(lǐng)域的應(yīng)用和開發(fā)。C5402由于其高性能價(jià)格而成為當(dāng)前語言和靜態(tài)圖象處理和主流產(chǎn)品。
1 電路原理
采集電路如圖1所示,由視頻緩沖器、視頻A/D轉(zhuǎn)換器和視頻同步分離電路等組成。
1.1 視頻緩沖器
來自攝像機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)黑白全電視信號(hào)的幅度峰-峰值為1V,要送往A/D轉(zhuǎn)換器和行、場同步分離電路,而A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程為2V,因此,視頻緩沖器要對(duì)全電視信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配和電壓放大,并能對(duì)全電視信號(hào)進(jìn)行黑電平調(diào)整。圖1中,U8構(gòu)成視頻緩沖器,增益為+2;調(diào)整電阻W1可以調(diào)整輸出信號(hào)的直流電平;R16是輸入匹配電阻,阻值大小由信號(hào)源決定,本電路中為75Ω。
1.2 A/D轉(zhuǎn)換器
TLC5510是美國TI公司生產(chǎn)的新型模數(shù)轉(zhuǎn)換器件(ADC),它是一種采用CMOS工藝制造的8位高阻抗并行A/D芯片,能提供的最小采樣率為20MSPS。由于TLC5510采用了半閃速結(jié)構(gòu)及CMOS工藝,因而大大減少了器件中比較器的數(shù)量,而且在高速轉(zhuǎn)換的同時(shí)能夠保持較低的功耗。在推薦工作條件下,TLC5510的功耗僅為130mW。由于TLC5510不僅具有高速的A/D轉(zhuǎn)換功能,而且還帶有內(nèi)部采樣保持電路,從而大大簡化了外圍電路的設(shè)計(jì);同時(shí),由于其內(nèi)部帶有了標(biāo)準(zhǔn)分壓電阻,因而可以從+5V的電源獲得2V滿刻度的基準(zhǔn)電壓。TLC5510可應(yīng)用于數(shù)字TV、醫(yī)學(xué)圖像、視頻會(huì)議、高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及QAM解調(diào)器等方面。
TLC5510的參考電壓可由其內(nèi)部的3個(gè)電阻R1、Rref、R2設(shè)定,如圖2所示。按圖2連接,將參考低電壓設(shè)定為0.6V,參考高電壓設(shè)定為2.6V,電阻Rref上的2V壓降即為滿足程電壓。當(dāng)輸入電壓為0.6V時(shí),A/D轉(zhuǎn)換的輸出數(shù)據(jù)為0;當(dāng)輸出電壓為2.6V時(shí),A/D轉(zhuǎn)換的輸出數(shù)據(jù)為255。
TLC5510有1個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘輸入端(CLK)和1個(gè)片選端(OE)。CLK的下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,1次A/D轉(zhuǎn)換需要2.5個(gè)CLK周期,即第1個(gè)CLK的下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后,要等第3個(gè)CLK的上升沿出現(xiàn)時(shí),第1個(gè)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)才會(huì)準(zhǔn)備好。當(dāng)片選信號(hào)(OE)為低電平時(shí),A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出到外部數(shù)據(jù)總線上,供DSP讀取。
1.3 采集電路的DSP的連接
采集電路與C5402的連接如圖3所示。其中,U19是16位寬度的高速總線收發(fā)器,并具有電平轉(zhuǎn)換的功能,將5V的奇偶場信號(hào)、復(fù)位同步信號(hào)和A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為C5402能接受的3.3V信號(hào)。
仔細(xì)分析了TLC5510的工作原理和C5402的讀/寫時(shí)序后,沒有將TLC5510作為C5402的擴(kuò)展I/O口,而是將TLC5510作C5402的一個(gè)擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)單元。用該單元的讀選通信號(hào)(ADR)與TLC5510的CLK和OE相連(如圖3所示),這樣C5402讀TLC5510時(shí),1條讀數(shù)指令完成2個(gè)操作:啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換并讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。不過當(dāng)前的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果要等到第4次讀該端口時(shí)才能得到,A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)序如圖4所示。
1.4 同步分離電路
同步分離電路采用LM1881。該器件能接收PAL制、NTSC制和SECAM制的全電視信號(hào),輸出復(fù)合同步信號(hào)、垂直同步信號(hào)、奇偶場信號(hào)和色同步旗形脈沖信號(hào)。C5402根據(jù)奇、偶場信號(hào)找到一場圖像的開始,做好采集圖像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。當(dāng)復(fù)合同步信號(hào)到來時(shí),C5402響應(yīng)行中斷(INT0),連續(xù)采集一行圖像數(shù)據(jù)。
2 圖像采集
壓縮卡的圖像采集是由C5402直接完成的。初始化結(jié)束后,C5402按缺省模式或主機(jī)命令的求確定圖像的大小和采集速率等參數(shù),然后根據(jù)奇、偶場信號(hào)和復(fù)合同步脈沖信號(hào)來采集圖像數(shù)據(jù)。
2.1 采集流程
采集流程可分為以下幾個(gè)步驟:
①等待場開始。
②當(dāng)場開始信號(hào)到來時(shí),C5402進(jìn)入場處理子程序,開放行中斷做好采集一場數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。根據(jù)奇、偶場信號(hào)可以決定是采集奇場圖像還是采集偶場圖像。
?、郛?dāng)復(fù)俁同步信號(hào)到來時(shí),C5402進(jìn)入中斷服務(wù)子程序,并將圖像數(shù)據(jù)存入擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。當(dāng)一場或一幀圖像各行數(shù)據(jù)都采集完畢后,關(guān)閉中斷。
2.2 行、場處理
DSP接收到場開始信號(hào)后進(jìn)入場處理子程序中。在場處理子程序中,先確定將要采集的圖像的大小并設(shè)置采集、編碼及發(fā)送過程中要使用的參數(shù),然后打開行采集中斷INT0,延時(shí)一定數(shù)目的行周期后退出場處理子程序,進(jìn)入圖像采集階段。
行采集中斷要完成圖像采集和其它一些任務(wù)。在每行圖像采集之間應(yīng)根據(jù)圖像大小延時(shí)一段時(shí)間,以保證采集到的圖像位于畫面的中心。采集圖像時(shí),每隔140ns讀取一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),存入幀緩沖器。由于讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果與寫幀緩沖器只用了80ns,因此可以先將圖像數(shù)據(jù)減去128,再存入幀存儲(chǔ)器,這樣就進(jìn)行了JPEG編碼時(shí)就不要執(zhí)行減128操作了,節(jié)約了時(shí)間。
結(jié)語
本電路成本低、容易實(shí)現(xiàn)、占用DSP時(shí)間少、能滿足黑白電視信號(hào)的采集,在合肥工業(yè)大學(xué)DSP聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研制的便攜式準(zhǔn)動(dòng)視頻圖像壓縮系統(tǒng)[2]中得到應(yīng)用,效果良好。以本電路為基礎(chǔ),使用TI公司的其它高速視頻A/D轉(zhuǎn)換器,例如TLC5540或TLC5580,便可構(gòu)成更高分辨率的視頻圖像采集系統(tǒng)。