基于TMS320DM642的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的設(shè)計(jì)

　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用,數(shù)字網(wǎng)絡(luò)視頻得到了飛速發(fā)展.在網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控領(lǐng)域中,將傳統(tǒng)的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號(hào),并且借助于現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸已成為當(dāng)今的一大熱點(diǎn).

　　從技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式來講,通常是采用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)來實(shí)現(xiàn).目前市場(chǎng)上的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)一般有兩類:一類是普通攝像機(jī)加視頻網(wǎng)關(guān)構(gòu)成,但是這種方案體積龐大、操作繁瑣;另一類是把全部網(wǎng)絡(luò)接入功能都集成在攝像機(jī)中,其體積小、功能全、易于使用和維護(hù).后類攝像機(jī)有多種解決方案,本文提出一種基于嵌入式DSP的設(shè)計(jì)方案,并且給出具體的硬件及軟件實(shí)現(xiàn).

　　1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1嵌入式處理器TMS320DM642

　　TMS320DM642(以下簡稱DM462)是TI公司近來發(fā)布的新一代多媒體處理器,它基于其第二代高性能的VelociTI VLIW結(jié)構(gòu),適用于多種數(shù)字媒體應(yīng)用.DM642的時(shí)鐘頻率為600MHz,指令速度高達(dá)4800MIPS.這款DSP的兩大特色在于:第一,擁有三個(gè)可配置的視頻接口(VP),可同時(shí)采集三路視頻信號(hào);第二,集成了以太網(wǎng)接口,10/100Mbps模式自適應(yīng),能工作在全雙工或半雙工模式下,并具有硬件流控制和服務(wù)質(zhì)量保證(QoS)支持.DM642的功能十分強(qiáng)大,它是構(gòu)成多媒體通信系統(tǒng)的最佳平臺(tái)之一.

　　1.2硬件整體架構(gòu)

　　本系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由六部分組成,分別是視頻采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、視頻處理、視頻顯示、網(wǎng)絡(luò)和電源管理.其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

　　視頻采集部分采用模擬PAL制攝像頭,配合高精度視頻A/D轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字圖像.A/D轉(zhuǎn)換器采用TI公司的TVP5145芯片,其采樣精度達(dá)到10bit,輸出支持CCIR-656和BT656等格式.

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分的RAM采用三星公司的SDRAM.為配合DM642的64位EMIF(外部存儲(chǔ)器接口),使用四片SDRAM,每片工作在16位模式,單片容量為32MB.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分的ROM采用ATMEL公司的NOR型的Flash芯片,總?cè)萘繛?56KB,數(shù)據(jù)總線為8位.本系統(tǒng)中的SDRAM用來存放系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的代碼以及臨時(shí)圖像數(shù)據(jù),Flash用來保存系統(tǒng)自啟動(dòng)代碼以及系統(tǒng)程序代碼.

　　視頻顯示部分采用數(shù)字LCD,可省去數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片,只需一片CPLD驅(qū)動(dòng)LCD.CPLD采用Altera公司的MAX3000系列.這部分作為輔助功能,可根據(jù)實(shí)際運(yùn)用場(chǎng)合進(jìn)行選擇.

　　DM642的以太網(wǎng)控制器(即EMAC)屬于數(shù)據(jù)鏈路層,因此需外接物理層芯片才能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信.這里采用Intel公司的LXT971A芯片,它提供了MII(Media Independent Interface)接口,可以方便地和DM642連接.

　　電源管理部分在一個(gè)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有舉足輕重的地位.本系統(tǒng)的電源模塊采用MAXIM公司的解決方案,包括一片MAX1762芯片(產(chǎn)生1.4V電源給DM642的I/O供電和產(chǎn)生5V電源給LCD的逆變器供電).

　　2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

　　TI為DM642的VP口開發(fā)了一個(gè)兩層設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型.上層驅(qū)動(dòng)稱為Class Driver,更靠近底層硬件.應(yīng)用時(shí)只需根據(jù)這個(gè)模型編寫驅(qū)動(dòng)程序就可以了.

　　對(duì)于以太網(wǎng)口,TI提供了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)組件(NDK),為在DSP上開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序提供了平臺(tái).有了這個(gè)平臺(tái),在開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序時(shí),就不用過多考慮數(shù)據(jù)如何封閉成IP包,也不用過多關(guān)心TCP/IP協(xié)議內(nèi)部的工作機(jī)制,這樣可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期及上市時(shí)間.

　　1.2 視頻端口的兩層設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型

　　兩層設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型如圖2 所示.最上層是應(yīng)用程序,最下層是底層硬件,包括DM642的VP口和視頻A/D芯片.中間大花括號(hào)括起來部分即為設(shè)備驅(qū)動(dòng).圖中還有一層芯片支持庫(CSL),它提供配置及控制片上外設(shè)的C語言接口.

　　根據(jù)VP口的特點(diǎn),設(shè)備驅(qū)動(dòng)的兩層驅(qū)動(dòng)模型的每一層又細(xì)分了兩層.從圖2可以看到,把Class Driver分為FVID Class Driver和GIO Class Driver.前者更靠近應(yīng)用程序,它提供一些特別適用于圖像的API函數(shù);后者提供與Mini Driver進(jìn)行通信的API函數(shù).Mini Driver分成通用部分和特殊部分,這樣分的優(yōu)勢(shì)在于:當(dāng)改變硬件構(gòu)成時(shí),無需重寫Mini Driver,只需修改特殊部分即可,提高了代碼的重復(fù)使用性.

　　2.2網(wǎng)絡(luò)開發(fā)組件

　　網(wǎng)絡(luò)開發(fā)組件的核心即為一系列TCP/IP協(xié)議棧庫.包括:(1)棧庫和網(wǎng)絡(luò)工具庫,它含有一些經(jīng)過優(yōu)化編譯的協(xié)議棧代碼;(2)操作系統(tǒng)適應(yīng)庫,它用來協(xié)調(diào)TCP/IP協(xié)議棧和DSP/BIOS之間的接口;(3)網(wǎng)絡(luò)控制及調(diào)度庫,它決定TCP/IP環(huán)境的初始化以及網(wǎng)絡(luò)相關(guān)事件是如何被調(diào)度的;(4)多種硬件抽象層平臺(tái)庫,為TI公司的多種開發(fā)板(比如DSK、TEB和EVM等)提供支持.由于本系統(tǒng)為自行開發(fā),所以不涉及HAL.

　　協(xié)議棧庫的流程框圖如圖3所示,其中灰色模塊分別代表前術(shù)五個(gè)庫.

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　　3 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

　　TI公司的DSP開發(fā)軟件包括集成開發(fā)環(huán)境(CCS)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(DSP/BIOS)、第三方算法庫標(biāo)準(zhǔn)(eXpressDSP).DSP/BIOS是一個(gè)用戶可裁剪的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),包含內(nèi)存管理、線程管理、中斷、外設(shè)管理和任務(wù)調(diào)度等功能.另外,還需使用JPEG標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圖像壓縮,因?yàn)椴捎肑PEG進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí),如果出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)短暫阻塞,可將當(dāng)前幀拋棄而不影響下一幀的圖像,所以能夠保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求.在本系統(tǒng)中調(diào)用了TI提供的JPEG算法庫來完成JPEG壓縮.

　　3.1軟件流程結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)本系統(tǒng)的要求,整個(gè)軟件系統(tǒng)分為五個(gè)任務(wù)模塊,每個(gè)模塊完成穩(wěn)中有降自的功能.這五個(gè)任務(wù)模塊分別為輸入任務(wù)、處理任務(wù)、輸出任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)任務(wù)以及控制任務(wù),其流程如圖4所示.下面敘述任務(wù)間調(diào)度及分別完成的功能.

　　(1)輸入任務(wù)

　　該任務(wù)模塊主要完成將VP口采集到的數(shù)字圖像存入動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存空間中,圖像格式為YUV4:2:2(可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置),分辨率為720×480.然后對(duì)該圖像色度信號(hào)進(jìn)行4:2:0重采樣,這樣做的目的是為了調(diào)用JPEG算法庫.完成以上兩步后,輸入任務(wù)模塊發(fā)出一個(gè)消息給處理任務(wù)模塊,告知圖像在內(nèi)存空間的中位置,讓處理任務(wù)模塊去做進(jìn)一步的處理.接著,輸入任務(wù)模塊等待處理任務(wù)模塊回復(fù),收到回復(fù)消息后,繼續(xù)采集下一幀圖像.

　　(2)處理任務(wù)模塊

　　該任務(wù)模塊主要完成JPEG壓縮.處理任務(wù)模塊首先獲得一個(gè)從輸入任務(wù)模塊發(fā)出的消息,并且從中得到圖像數(shù)據(jù).接著進(jìn)行JPEG壓縮,如前所述,壓縮調(diào)用了JPEG算法庫,其壓縮的速度和性能比較好.在處理任務(wù)模塊完成圖像壓縮后,發(fā)出三個(gè)消息:第一個(gè)發(fā)給輸入任務(wù)模塊,使其繼續(xù)采集下一幀圖像;第二個(gè)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)任務(wù)模塊,把JPEG圖像在內(nèi)存中的位置以及字節(jié)數(shù)告訴網(wǎng)絡(luò)任務(wù)模塊供其處理,同時(shí),處理任務(wù)模塊將等待網(wǎng)絡(luò)任務(wù)模塊回復(fù)消息;最后一個(gè)消息發(fā)給輸出任務(wù)模塊,告知原始圖像在內(nèi)存中的位置,讓輸出任務(wù)模塊把它輸出到LCD進(jìn)行顯示.同樣,它也將等待輸出任務(wù)模塊回復(fù)消息.

　　(3)輸出任務(wù)模塊

　　該任務(wù)模塊完成將采集到的原始圖像輸出LCD進(jìn)行顯示.由于采集到的是YUV圖像,而本系統(tǒng)的LCD使用RGB信號(hào)作為輸入,這需要經(jīng)過數(shù)字圖像格式轉(zhuǎn)換,該轉(zhuǎn)換交由CPLD完成.

　　(4)網(wǎng)絡(luò)任務(wù)模塊

　　該任務(wù)模塊完成網(wǎng)絡(luò)傳輸功能.分三部分實(shí)現(xiàn):第一部分先獲得一個(gè)從處理傷模塊發(fā)出的消息,從中得到JPEG圖像的大小和在內(nèi)存中的位置,并通過UDP協(xié)議的Socket套接字將其發(fā)送給客戶.同時(shí)發(fā)出一個(gè)消息給處理任務(wù)模塊,告知已獲得JPEG圖像,可進(jìn)行下一幀圖像的壓縮.第二部分進(jìn)行協(xié)議棧的初始化,包括IP地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)的設(shè)定.如果要連接Internet,必須設(shè)置DHCP,動(dòng)態(tài)分配IP地址.除此以外,還要選擇哪種網(wǎng)絡(luò)服務(wù),DM642支持Telnet、HTTP、Data server等服務(wù),本系統(tǒng)使用HTTP服務(wù).第三部分為加載網(wǎng)頁,在PC機(jī)上用HTML編寫網(wǎng)頁,在該網(wǎng)頁中內(nèi)嵌一段JavaApplet小程序以實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)和客戶端的交互.HTML文件不能直接加載給DM642,必須在DOS環(huán)境下使用binsrc插件把它轉(zhuǎn)換成用C語言描述的數(shù)據(jù)數(shù)組.當(dāng)用戶通過IE瀏覽器訪問本系統(tǒng)時(shí),HTTP服務(wù)器通過嵌入式文件系統(tǒng)訪問內(nèi)存中的HTML網(wǎng)頁(即訪問那個(gè)用C語言描述的數(shù)據(jù)數(shù)組),該文件系統(tǒng)是基于RAM的文件系統(tǒng),它駐留在OS.LIB中.同時(shí),JavaApplet小程序隨同HTML文件下載到客戶端 并由IE瀏覽器解釋執(zhí)行.

　　(5)控制任務(wù)模塊

　　該任務(wù)模塊完成在HTML網(wǎng)頁上對(duì)JPEG壓縮性能的控制.在網(wǎng)頁中接收的用戶自定義參數(shù),通過DSP/BIOS中的郵箱機(jī)制傳北宜給處理任務(wù)模塊,從而修改JPEG的壓縮參數(shù),改變壓縮質(zhì)量.圖5所示即為接收用戶修改參數(shù)的對(duì)話框,1表示壓縮質(zhì)量最差,100表示壓縮質(zhì)量最好.

　　這些任務(wù)的初始化在系統(tǒng)的main()函數(shù)里實(shí)現(xiàn).另外,對(duì)DM642芯片的初始化(包括初始化寄存器、二級(jí)緩存(L2)的設(shè)置等)均在dm642init()函數(shù)中完成,該函數(shù)定義在DSP/BIOS的用戶初始化函數(shù)列表中,在此不再贅述.

　　本文提出的基于TMS320DM642的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的設(shè)計(jì)方案已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn).在客戶端打開IE瀏覽器,即可看到實(shí)時(shí)監(jiān)控的圖像,圖像顯示較流暢,在局域網(wǎng)內(nèi)的圖像幀率可以達(dá)到30幀/秒.而且可以同時(shí)采集多路視頻信號(hào),滿足多個(gè)客戶的連接請(qǐng)求.本系統(tǒng)滿足了目前寬帶環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議以及視頻監(jiān)控的要求,其應(yīng)用前景十分廣泛.