基于DSP的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1 引言

目前視頻監(jiān)控廣泛應(yīng)用于安防監(jiān)控、工業(yè)監(jiān)控和交通監(jiān)控等領(lǐng)域。視頻監(jiān)控系統(tǒng)大致經(jīng)歷3個(gè)階段：首先是基于模擬信號(hào)的電視監(jiān)控系統(tǒng)，其功能單一、易受干擾且不易擴(kuò)展；隨后出現(xiàn)基于PC機(jī)的圖像監(jiān)控系統(tǒng)，其終端功能較強(qiáng)．但價(jià)格昂貴，穩(wěn)定性差；近年來(lái)，隨著嵌入式技術(shù)成熟，嵌入式視頻采集處理系統(tǒng)具有可靠性高、速度快、成本低、體積小、功耗低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?；谇度胧较到y(tǒng)的上述諸多優(yōu)點(diǎn)，這里提出一種基于DSP的視頻監(jiān)控系統(tǒng)解決方案。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2．1 系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由電源、視頻信號(hào)處理、FPGA和外圍接口等模塊組成。其中，圖像處理模塊接收CCD圖像傳感器傳送的模擬視頻信號(hào)，并把模擬視頻信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由DSP處理所轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)，再轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的YUV 4：2：2格式的數(shù)字視頻信號(hào)，并將獲得的數(shù)字視頻信號(hào)送至FPGA模塊，對(duì)YUV數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，從而產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的SVGA格式，幀頻為60 Hz的行、場(chǎng)同步信號(hào)。圖1為該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖。2．2 電源模塊電源模塊將外部輸入的12 V直流電源轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)各模塊所需工作電壓。CCD圖像傳感器所需電壓為15 V和-7 V，DSP所需電壓為3．3 V和5 V，F(xiàn)PGA所需電壓為1．2 V、2．5 V和3．3 V。本設(shè)計(jì)采用MOTOROLA公司的DC-DC電源轉(zhuǎn)換器，MC34063A將12 V直流電壓轉(zhuǎn)換成5 V直流電壓，選用Texas Instruments公司的電源轉(zhuǎn)換器TPS75003將5 V直壓電源轉(zhuǎn)換成1．2 V、2．5 V和3．3 V直流電壓。而CCD圖像傳感器的工作電壓則由NE555和78L15產(chǎn)生。2. 3 圖像處理模塊2．3．1 圖像采集本設(shè)計(jì)圖像采集電路將CCD傳感器輸出的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的模擬視頻信號(hào)，再對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行相關(guān)雙采樣、自動(dòng)增益控制處理后，傳輸至DSP轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。具體工作流程：系統(tǒng)上電復(fù)位后，DSP(CXD3142)產(chǎn)生控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)CCD圖像傳感器，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成PAL制式的模擬視頻信號(hào)，并把該信號(hào)輸入到CXA2096N的引腳DIN和PIN引腳。此時(shí)，在引腳SHD和SHP的控制下對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相關(guān)雙采樣。當(dāng)SHD信號(hào)的下降沿到來(lái)時(shí)，采樣DIN信號(hào)電平，當(dāng)SHP信號(hào)的下降沿到來(lái)時(shí)，再采樣PIN引腳的預(yù)加電平信號(hào)，將這兩路信號(hào)送到CXA2096N內(nèi)部的自動(dòng)增益控制電路，經(jīng)差運(yùn)算后輸出。再對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行黑電平箝位、預(yù)消隱等處理，然后由CXA2096N的DRVOUT引腳輸出。DSP產(chǎn)生CXA2096N的工作時(shí)序。2．3．2 視頻信號(hào)處理(CXD3142R)本設(shè)計(jì)采用SONY公司專用信號(hào)處理器件CXD3142R作為信號(hào)處理器。CXD3142R是專用于對(duì)Ye，Cv，Mg和G補(bǔ)色單片CCD輸出信號(hào)進(jìn)行處理的低功耗、高效率的信號(hào)處理器；具有自動(dòng)曝光和自動(dòng)白平衡功能，可同時(shí)輸出復(fù)合視頻信號(hào)和YUV 8位數(shù)字信號(hào)輸出。內(nèi)部集成9位A／D轉(zhuǎn)換器同步信號(hào)產(chǎn)生電路、外部同步電路和時(shí)鐘控制電路。此外，CXD3142R還具有串口通信功能，用戶可在PC機(jī)中預(yù)先設(shè)定好DSP中的寄存器值，通過(guò)串口下載到DSP，并對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)曝光和自動(dòng)白平衡等處理。圖2為視頻信號(hào)處理模塊電路連接圖。圖2中，H1，H2，XVl，XV2，XV3，XV4是CCD圖像傳感器的時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)，EEPROM用來(lái)存儲(chǔ)DSP初始化的寄存器值。D0~D7是YUV數(shù)字信號(hào)。其具體工作流程：將CCD圖像傳感器采集的模擬信號(hào)經(jīng)CXA2096N進(jìn)行相關(guān)預(yù)處理后，相應(yīng)數(shù)字信號(hào)經(jīng)VIN引腳傳給DSP(CXD3142)，DSP接收數(shù)字信號(hào)后，利用其內(nèi)部AE／AWB檢測(cè)電路、同步信號(hào)產(chǎn)生電路、外同步電路以及相關(guān)算法對(duì)其進(jìn)行相關(guān)處理，處理完成后在行(H引腳)、場(chǎng)(V引腳)信號(hào)及時(shí)鐘信號(hào)(PCLK)的控制下將8位數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)D0~D7引腳傳給FPGA模塊進(jìn)行相關(guān)處理。通過(guò)引腳SCK、SI、SO、XCS串口通信，通過(guò)CSROM、CASI、CSASO、CASCK引腳與外部EEPROM通信，實(shí)現(xiàn)DSP相關(guān)的初始化。此外，IO引腳輸出經(jīng)DSP處理過(guò)的復(fù)合視頻信號(hào)，通過(guò)相關(guān)接口直接在CRT顯示器上顯示圖像處理結(jié)果。2．3．3 FPGA模塊為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)處理數(shù)字視頻信號(hào)數(shù)據(jù)，增加系統(tǒng)擴(kuò)展性，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)擴(kuò)展一片由Xilinx公司生產(chǎn)的基于90 nm工藝制造的Spartan3E系列FPGA，其型號(hào)為XC3S250E-PQ208-4C，此FPGA具有較高的性價(jià)比，其內(nèi)有25萬(wàn)個(gè)系統(tǒng)門，5508個(gè)邏輯單元(LC)，612個(gè)可配置邏輯塊(CLB)，216 Kbit的塊RAM，12個(gè)專用乘法器，158個(gè)可用的I／O接口，4個(gè)數(shù)字時(shí)鐘管理單元(DCM)。圖3為其電路連接圖。DSP與FPGA的通信是由11根總線完成的，分別是8根數(shù)據(jù)線，行、場(chǎng)同步信號(hào)和數(shù)據(jù)時(shí)鐘總線。因?yàn)镃XD3142RDSP輸出PAL(逐行倒相)制式的數(shù)字視頻信號(hào)，F(xiàn)PGA將此PAL制視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成VGA格式。首先將YUV(4：2：2)格式信號(hào)轉(zhuǎn)換成RGB(5：6：5)格式，然后利用2個(gè)SDRAM作為幀緩存，利用場(chǎng)間插值算法，完成隔行到逐行的轉(zhuǎn)換，并將幀率由25 Hz提升到60 Hz，同時(shí)產(chǎn)生SVGA格式、幀頻為60 Hz的行、場(chǎng)同步信號(hào)，并把被放大的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后輸出到VGA接口，VGA顯示器上實(shí)時(shí)顯示采集的圖像。2．4 外圍接口模塊本設(shè)計(jì)支持RS-232C串口通信。但該串口通信需把3．3 V邏輯電平轉(zhuǎn)化成RS-232C標(biāo)準(zhǔn)電平。因此采用SP3232E系列器件完成電平轉(zhuǎn)換。SP3232E可從+3．0～+5．5 V的電源電壓產(chǎn)生2Vce的RS-232C電壓電平。該系列適用于+3．3 V系統(tǒng)。SP3232E器件的驅(qū)動(dòng)器滿載時(shí)典型數(shù)據(jù)速率為235 kb／s。圖4為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的接口電路圖。需要注意的是，由于采用SP3232E器件，其驅(qū)動(dòng)能力有限，該接口電路只適用于近距離傳輸。如果要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，則必須加強(qiáng)信號(hào)傳輸能力。3 系統(tǒng)硬件調(diào)試系統(tǒng)硬件調(diào)試應(yīng)先調(diào)試電源模塊，如果系統(tǒng)電源錯(cuò)誤，器件將損壞；然后調(diào)試DSP模塊。DSP上電后，空閑情況下一般不會(huì)發(fā)熱，若有輕微的發(fā)熱情況應(yīng)立即斷開(kāi)電源以免損壞DSP器件，其主要原因是把DSP的工作電壓接到DSP的非電壓引腳。DSP的工作電壓正常后，再檢查復(fù)位電路、時(shí)鐘電路是否正確。如果DSP的時(shí)鐘引腳無(wú)信號(hào)，一般是電路虛焊。如果有信號(hào)，但工作頻率達(dá)不到系統(tǒng)工作的正常值，則通過(guò)調(diào)整外部可調(diào)電容。如果還達(dá)不到要求，則應(yīng)考慮時(shí)鐘信號(hào)是否受到低頻信號(hào)干擾，就要認(rèn)真檢查電路板，必要時(shí)應(yīng)修改布線。FPGA模塊的調(diào)試與上述方法相同。4 結(jié)論該系統(tǒng)設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于數(shù)字視頻展臺(tái)項(xiàng)目。目前該產(chǎn)品已投入生產(chǎn)，但圖像質(zhì)量還有待提高，可能是模擬視頻信號(hào)失真和白平衡的值設(shè)置不恰當(dāng)。該設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)的靈活性，還可應(yīng)用于監(jiān)控、安防等產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。