數(shù)字媒體DSP在視頻監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用
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本世紀(jì)以來,隨著以TI公司的TMS320C6000系列、Philips公司的Trimedia、Equator公司的BSP-15等為代表的高性能DSP的出現(xiàn),由嵌入式處理器來實(shí)時(shí)高速完成大數(shù)據(jù)量的數(shù)字視頻/音頻編解碼處理成為可能,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),集可編程圖像/聲音編解碼、網(wǎng)絡(luò)傳輸、和自動(dòng)化技術(shù)為一體的嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。以DSP為核心的嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng),配合嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),可以根據(jù)應(yīng)用對(duì)功能、可靠性、穩(wěn)定性、成本、體積等的綜合要求,對(duì)軟/硬件進(jìn)行裁剪,以滿足視頻監(jiān)控發(fā)展的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的兩大需要。
本文以TMS320C6000系列DSP中的一款TMS320DM642多媒體芯片為例,來具體說明如何設(shè)計(jì)嵌入式DSP數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路。
視頻監(jiān)控系統(tǒng)必需的硬件配置
1.一體化模擬前端
視頻監(jiān)控系統(tǒng)的模擬前端是來自攝像機(jī)和麥克風(fēng)的模擬視頻和模擬音頻信號(hào),為了降低整個(gè)系統(tǒng)的成本,一般會(huì)有多路視頻和音頻信號(hào)輸入。而攝像機(jī)一般安裝在平臺(tái)上,攝像機(jī)和平臺(tái)的控制命令一般通過異步串口提供。另外,對(duì)于一個(gè)完整的視頻監(jiān)控系統(tǒng)來說,還需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控,如門禁控制、報(bào)警、停車管理等,這些功能一般用數(shù)字I/O實(shí)現(xiàn)。
由此可見,視頻監(jiān)控系統(tǒng)一體化模擬前端,除了需要提供多路的模擬視頻/音頻的輸入端口外,還需要為平臺(tái)控制提供標(biāo)準(zhǔn)的RS232/RS422/RS485異步串行接口,及環(huán)境監(jiān)控的數(shù)字I/O。
2. 數(shù)字化
為了用微處理器實(shí)時(shí)地對(duì)輸入的視頻/音頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化的編/解碼處理,必須將輸入的模擬視頻/音頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化,這部分工作由視頻解碼器和音頻解碼器完成。每個(gè)模擬視頻輸入對(duì)應(yīng)一路視頻解碼器,每個(gè)模擬音頻輸入同樣對(duì)應(yīng)一路音頻解碼器。
實(shí)時(shí)處理數(shù)字視頻/音頻數(shù)據(jù)
模擬視頻/音頻信號(hào)數(shù)字化后,為了能夠?qū)Ω咚?、?shí)時(shí)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、存儲(chǔ)、回放、和分析等功能,首要的工作必須實(shí)時(shí)地完成大數(shù)據(jù)量、大計(jì)算量的數(shù)字視頻/音頻的壓縮編碼處理。數(shù)字視頻壓縮編碼算法有:MPGE 2、MPEG 4、H.263、H.264等,數(shù)字音頻壓縮算法有:G.711、G.722、G.723、G.728、G.729等。
實(shí)時(shí)完成這樣的算法需要高速的處理器來實(shí)現(xiàn),高性能DSP的出現(xiàn)正好滿足了這一需求。另外還需要高速、大容量的存儲(chǔ)器作緩存。DSP與高速、大容量存儲(chǔ)器構(gòu)成數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心。
數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸
不同的視頻監(jiān)控應(yīng)用,對(duì)壓縮后的數(shù)字視頻/音頻數(shù)據(jù)的處理各不相同。對(duì)于記錄型應(yīng)用,需要對(duì)壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行長時(shí)間存儲(chǔ),以便回溯。而對(duì)于遠(yuǎn)程監(jiān)視型應(yīng)用,則需要將壓縮后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。在數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)視頻/音頻信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、記錄、回溯處理的同時(shí),還需要記錄相關(guān)的時(shí)間信息,所以需要提供硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘。另外,為了保護(hù)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟/硬件開發(fā)者,尤其是軟件開發(fā)者的知識(shí)產(chǎn)權(quán),還必須提供安全、可靠的硬件加密措施。
TMS320DM642視頻監(jiān)控系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)
TMS320DM642是TI公司在其最高性能的TMS320C64x系列DSP基礎(chǔ)上專門為多媒體應(yīng)用而設(shè)計(jì)/開發(fā)的DSP。TMS320DM642采用TI第2代超長指令集結(jié)構(gòu)(VelociTI.2)的TMS320C64x DSP內(nèi)核:
·2級(jí)Cache(2×16K字節(jié)1級(jí)程序和數(shù)據(jù)Cache,256K字節(jié)2級(jí)Cache)
·支持8個(gè)8位和4個(gè)16位并行MAC運(yùn)算,有利于圖像處理
·64通道EDMA,方便高效數(shù)據(jù)傳輸
·主頻600MHz,4800MIPS峰值處理能力,可實(shí)時(shí)處理4路CIF或1路D1
·64位、133MHz外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)
圖1 TMS320D642視頻監(jiān)控模板的構(gòu)成
1. TMS320DM642基本系統(tǒng)
TMS320DM642基本系統(tǒng)由TMS320DM642 + 外擴(kuò)的存儲(chǔ)器和外設(shè)組成,而外擴(kuò)的存儲(chǔ)器和外設(shè)均通過TMS320DM642的外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)進(jìn)行擴(kuò)展。其次,TMS320DM642基本系統(tǒng)所必須的外擴(kuò)資源:
SDRAM: 4M×64位,存放程序和緩存數(shù)字視頻/音頻數(shù)據(jù)
Flash: 4M×8位,存放固化程序,以便進(jìn)行ROM 引導(dǎo)
UART: 2×8×8位,擴(kuò)展2個(gè)異步串口(RS232/RS422/RS485)
板上寄存器: n×8位,若干個(gè)8位狀態(tài)/控制寄存器
ATA硬盤接口: 2×8×16位,本地大容量存儲(chǔ)接口
2. 視頻接口
視頻接口涉及標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻輸入/輸出、模擬視頻信號(hào)數(shù)字化(解碼器)、數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬視頻信號(hào)(編碼器)、以及視頻編碼器/解碼器如何與TMS320DM642的接口。
視頻接口的總體設(shè)計(jì)要求:
模擬視頻輸入: 4路標(biāo)準(zhǔn)PAL/NTSC復(fù)合視頻CVBS或分量視頻Y/C模擬視頻輸入
模擬視頻輸出:1路標(biāo)準(zhǔn)PAL/NTSC復(fù)合視頻CVBS或分量視頻Y/C模擬視頻輸出,用于本地預(yù)覽或特性測試
據(jù)此,選擇視頻解碼器和編碼器:
視頻解碼器:選用TI公司的TVP5150A,其輸入為標(biāo)準(zhǔn)的PAL/NTSC復(fù)合視頻CVBS或分量視頻Y/C模擬視頻,輸出為標(biāo)準(zhǔn)的8位BT.656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流
視頻編碼器:選用Philips公司的SAA7121,其輸入為標(biāo)準(zhǔn)的8位BT.656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流輸入,輸出為標(biāo)準(zhǔn)的PAL/NTSC復(fù)合視頻CVBS或分量視頻Y/C模擬視頻
TVP5150A和SAA7121均有2個(gè)外部接口,數(shù)據(jù)口: 用于輸入/輸出數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流,其中包含8/10位數(shù)據(jù)線,時(shí)鐘SCLK行/場同步控制信號(hào)HSYNC/VSYNC、FID等接口信號(hào)。控制口:用于設(shè)置視頻編/解碼器工作參數(shù)和反饋狀態(tài)信息,用I2C總線實(shí)現(xiàn)。
TMS320DM642的每個(gè)視頻口可配置為上(B)、下(A)2個(gè)通道,但2個(gè)通道必須同時(shí)為視頻輸入口或輸出口。VP0的A通道與McBSP0復(fù)用,VP1的A通道與McBSP1復(fù)用,VP0和VP1的B通道與McASP復(fù)用。[!--empirenews.page--]
TMS320DM642視頻口與視頻編、解碼器的接口如圖2所示。
作為視頻輸出口時(shí),視頻口必須要為視頻編碼器SAA7121提供視頻時(shí)鐘和行/場同步信號(hào)。視頻編、解碼器的參數(shù)配置則通過I2C總線進(jìn)行,由于TVP5150A的I2C從地址只有2種選擇,所以DM642的一個(gè)I2C總線接口4片TVP5150A時(shí),需要通過2選1開關(guān)SN74CBT3257來切換控制。
3. 音頻接口
TMS320DM642音頻接口涉及標(biāo)準(zhǔn)模擬音頻的輸入/輸出、音頻編解碼器Codec的連接問題。
音頻接口的總體設(shè)計(jì)要求:
模擬音頻輸入: 4路標(biāo)準(zhǔn)麥克風(fēng)輸入或立體聲模擬音頻輸入(2V有效值)
模擬音頻輸出: 1路標(biāo)準(zhǔn)立體聲模擬音頻輸出(2V有效值)
采樣同步: 音頻采樣必須與視頻采樣同步
據(jù)此,音頻編解碼器, 選用TI公司的TLV320AIC23B,麥克風(fēng)/立體聲模擬輸入/輸出,數(shù)字音頻數(shù)據(jù)流輸出/輸入TLV320AIC23B有2個(gè)外部接口,數(shù)據(jù)口:用于輸入/輸出數(shù)字音頻數(shù)據(jù)流,其中包含DIN、DOUT數(shù)字音頻數(shù)據(jù)流,BCLK串行位-時(shí)鐘,LRCIN、LRCOUT左右通道時(shí)鐘??刂瓶冢河糜谠O(shè)置音頻編解碼器工作參數(shù)和反饋狀態(tài)信息,用I2C總線實(shí)現(xiàn)。
還有TMS320DM642的多通道音頻接口(McASP)具有8個(gè)串行收/發(fā)引腳AXR[7:0],所有接收引腳公用接收幀同步AFSR和時(shí)鐘ACLKR、AHCLKR信號(hào),所有發(fā)送引腳公用發(fā)送幀同步AFSX和時(shí)鐘ACLKX、AHCLKX信號(hào)。
McASP接口與音頻Codec的連接如圖3所示。
4. 外部接口:
經(jīng)TMS320DM642壓縮處理的數(shù)字視頻數(shù)據(jù),需通過一定的外部接口進(jìn)行傳輸。DM642提供3種外部接口,但它們復(fù)用引腳,每次只能配置為一種外部接口。DM642通過復(fù)位時(shí)某些特殊引腳電平的配置,可分別提供下列3種接口:
* 32-位PCI接口
* 32-位HPI接口
* HPI16 + 以太網(wǎng)接口
為了簡化設(shè)計(jì),HPI-32和HPI-16均借用PCI連接器與外部主機(jī)接口,并用PCI總線上的B3(GND)和B10(保留)作為3種接口的自動(dòng)檢測和自動(dòng)接口配置。另外,以太網(wǎng)接口信號(hào)與PCI或HPI-32信號(hào)在板上并存,所以這些信號(hào)需要用2選1開關(guān)SN74CBT3257來切換。還需要注意的是,DM642的PCI接口只支持+3.3V環(huán)境,為了適應(yīng)+5V PCI總線環(huán)境,PCI總線與DM642之間用SN74CBTD16210和SN74CBT3245A進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
總結(jié)
TMS320DM642作為一款高性能/價(jià)格比、專用于多媒體應(yīng)用的DSP,已被國內(nèi)、外視頻應(yīng)用從業(yè)者廣泛接受和采用。目前國內(nèi)已有多家單位在'DM642上成功地開發(fā)了MPEG4、H.264等視頻編碼算法,單片'DM642可同時(shí)完成4路CIF格式的MPEG4或H.264,可以相信還會(huì)不斷涌現(xiàn)更多的算法和應(yīng)用。