基于DSP芯片TMS320DM642的嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計

選用TMS320DM642作為系統(tǒng)CPU,并采用最新視頻編碼標準H.264壓縮算法,實現(xiàn)基于CDMA網(wǎng)絡傳輸?shù)?strong>無線視頻監(jiān)控和視頻數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。

　　隨著運營商在國內(nèi)大部分地區(qū)推出GRPS和CDMA1x公共無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡,通過公共無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸視頻已成為當今研究和應用的熱點,它能徹底解決微波方式的短距離問題。由于公共無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的帶寬比較窄且不穩(wěn)定,采用編碼效率不高的視頻壓縮算法(如H.263、MPEG-4等),傳輸效果不理想,無法滿足大多數(shù)監(jiān)控場合的要求。

　　H.264是JVT制定的最新視頻壓縮標準,比H.263和MPEG-4在同質量時碼流可低50%,同時支持無線網(wǎng)絡傳輸,但其運算復雜度也是H.263和MPEG-4的3-5倍,因此一般的CPU系統(tǒng)無法滿足要求。TMS320DM642是TI最新推出的高性能數(shù)字媒體處理器,指令最高可達4800MIPS,可以滿足實時H.264編碼算法的要求。

本文設計了基于TMS320DM642的嵌入式系統(tǒng),采用H.264視頻編碼算法,成功的開發(fā)了基于CDMA傳輸?shù)臒o線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)構成

　　1.1      無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計需求

　　本系統(tǒng)要求采用嵌入式視頻發(fā)送終端,對采集視頻圖像進行實時壓縮并通過CDMA網(wǎng)絡發(fā)送,接收端采用PC機對接收視頻數(shù)據(jù)進行解碼并顯示。對于嵌入式視頻發(fā)送終端有如下需求:

　?、僖宦稰AL/NTSC標準模擬視頻輸入,一路模擬音頻輸入;

　?、诓捎肅DMA接入方式將視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡發(fā)送;

　?、鄄捎肅F卡或硬盤對視頻進行本地存儲;

　?、馨l(fā)送圖像和保存圖像的尺寸和幀率等參數(shù)可調;

　?、菘赏ㄟ^無線網(wǎng)絡進行遠程控制,并且要求低功耗。

　　1.2      系統(tǒng)的總體設計

　　由于CDMA無線網(wǎng)絡帶寬窄、帶寬波動大,因此系統(tǒng)中采用H.264作為視頻壓縮算法。同時本地存儲與CDMA發(fā)送視頻在圖像尺寸和幀率上不同,需要采用兩個編碼結構分別進行編碼。

　　圖1顯示了本系統(tǒng)的總體結構框圖,系統(tǒng)主要包括DM642CPU、視頻輸入、音頻輸入/輸出、硬盤接口、串口和USB通信(USB2.0)等主要功能模塊,此外還包括實時時鐘(RTC)、顯示和I/O接口(LCD&I/O)、SDRAM、FLASH和電源(POWER)模塊。下面將詳細地對各個功能模塊進行一一分析和設計。

圖1      視頻發(fā)送終端系統(tǒng)框圖

2 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

　　2.1      TMS320DM642簡介

　　TMS320DM642是TI推出的針對多媒體處理領域應用的高性能數(shù)字媒體處理器。該處理器是專門為視頻與影像市場量身定制的,特別適用于VOIP視頻、視頻點播(VOD)、多信道數(shù)字視頻攝錄像應用以及高品質視頻編碼與解碼解決方案。

　　DM642處理器內(nèi)部集成了TMS320C64X的DSP內(nèi)核,在600MHz運行速度下,指令可達4800MIPS,由于其強大的運算能力,可以實現(xiàn)實時的H.264編解碼算法。

　　DM642內(nèi)部集成了外部內(nèi)存接口(EMIF)控制單元,通過20根地址線和64位數(shù)據(jù)總線可直接與外部的SDRAM、FLASH進行連接。本系統(tǒng)中由于采用100MHz的SDRAM,考慮到信號完整性,SDRAM直接與DM642連接,而FLASH通過總線加以驅動后加以連接。

　　2.2      視頻輸入模塊

　　DM642具有三個視頻端口,支持多種分辨率和標準,如CCIR601、ITU-BT.656、BT.1120等,每個端口為20bit位寬,可以被靈活的配置為一個20/16bit或兩個10/8bit通道。同時,每個端口都可配置為視頻輸入或視頻輸出。本系統(tǒng)中采用VP0與SAA7113H相連進行視頻輸入采集。

　　SAA7113H為9bit視頻解碼器,其內(nèi)部有由視頻源選擇、反混疊濾波器和ADC組成的兩通道模擬預處理電路、增益控制、時鐘發(fā)生電路(CGC)、多標準數(shù)字解碼器、亮度飽和度控制電路等組成。

　　它支持PAL、NATSC等多種視頻輸入格式,輸出支持標準的ITU.656YUV4∶2∶28bit格式,通過I2C總線進行控制,只需一個24.576MHz外部晶振,采用3.3V電源、具有小于0.5W的功耗。SAA7113H與DM642接口見圖2。

圖2      SAA7113H與DM642接口

　　2.3      音頻輸入輸出(CODEC)模塊

　　DM642具有多通道音頻串行端口(McASP)和兩個多通道有緩存的串口(McBSPs),但它們是與視頻端口復用的,本系統(tǒng)中采用VP1中的McBSPs1作為與音頻Codec連接的接口。

　　TLV320AIC23B是TI推出的一款高性能的立體聲音頻Codec芯片,內(nèi)置耳機輸出放大器,支持MIC和LINEIN兩種輸入方式(二選一),且對輸入和輸出都具有可編程增益調節(jié)。

　　AIC23B的模數(shù)轉換(ADCs)和數(shù)模轉換(DACs)部件高度集成在芯片內(nèi)部,采用了先進的Sigma-delta過采樣技術,可以在8k到96k的頻率范圍內(nèi)提供16bit、20bit、24bit和32bit的采樣,ADC和DAC的輸出信噪比分別可以達到90dB和100dB。

　　AIC23B還具有很低的能耗,回放模式下功率僅為23mW。

　　AIC23B與DM642接口見圖3。

圖3      AIC23B與DM642接口

　　2.4      CDMA無線傳輸串口模塊

　　本系統(tǒng)中采用Q2358C串行接口模塊作為CDMA接入設備,它支持語音通信、支持中英文短信、雙音多頻功能(DTMF)等功能。波特率從300到115,200bit/s,支持上網(wǎng)最高速率153kb/s,采用AT指令集通過RS-232串口進行通信。DM642沒有異步通用串行接口,需采用擴展異步通信芯片來實現(xiàn)串行通信。

　　TL16C752B是UART收發(fā)器,最高波特率可以達到3Mb/s(使用48MHz時鐘源時),其內(nèi)部具有64byte發(fā)送/接收FIFO,接收FIFO的啟動和停止可通過軟件編程實現(xiàn),支持多種波特率、多種串行數(shù)據(jù)格式。DM642與其連接采用EMIF控制,地址線A0～A2、數(shù)據(jù)線D0～D7、讀寫控制信號IOR/IOW與經(jīng)過驅動的總線相連,而選通信號CSA/CSB由GAL產(chǎn)生。TL16C752B與Q2358C模塊之間通過MAX3243進行電平轉換連接。圖4給出一路串行接口連接方式。

圖4      系統(tǒng)串口通信接口

　　2.5      DE及USB通信模塊

　　本系統(tǒng)中對采集視頻要進行本地數(shù)據(jù)存儲,采用CF卡或IDE硬盤來保存數(shù)據(jù),在通過USB2.0將保存于CF卡或DE硬盤中的數(shù)據(jù)在需要時讀出。DM642與DE接口通過GAL16LV8產(chǎn)生的信號進行控制。

　　TUSB6250采用內(nèi)嵌8051內(nèi)核的USB2.0到ATA/ATAPI橋接器,其完全兼容USB2.0標準,支持八個可配置終端(四路輸入和四路輸出)。內(nèi)部集成USB存儲設備傳輸協(xié)議,與ATA/ATAPI設備無縫連接。

　　內(nèi)部集成的60MHz8051微處理器指令速度可達30MIPS,40kbyteRAM可靈活的配置為數(shù)據(jù)或代碼RAM,13個通用I/O口能進行各種通信和控制使用,并有I2C接口。在本系統(tǒng)中通過I2C和HPI總線實現(xiàn)DSP和TUSB6250之間的通信。DE及USB部分接口見圖5。

圖5      DM642與IDE及USB部分接口

　　2.6      電源及其它模塊

　　DM642采用雙電源供電,內(nèi)核電源采用為1.4V消耗電流為890mA;I/O電源采用3.3V消耗電流為210mA。由于內(nèi)核電源電壓低同時消耗電流較大,如果采用LDO電源效率較低,消耗功率將加大,所以在本系統(tǒng)中采用兩個開關電源芯片TPS54310分別產(chǎn)生3.3V和1.4V電源,電源效率可達90%以上。

　　DM642提供了16個通用I/O,通過這些I/O實現(xiàn)鍵盤輸入、控制開關量輸入與輸出。DM642的視頻端口VP3配置為輸出直接與LCD連接。另外,系統(tǒng)中采用DS1338作為實時時鐘,提供實時時間信息。

3 系統(tǒng)設計中的注意事項

　　3.1      原理圖設計

　　DM642內(nèi)部運行頻率是通過外部時鐘輸入經(jīng)內(nèi)部PLL倍頻后得到,PLL倍頻可通過CLKMODE1和CLKMODE2管腳來選擇x1、x6或x12,因此這兩個管腳外部一定要接相應的電阻可調,以便DM642可在不同速度下運行。

　　DM642有多種BOOT啟動模式可選,如果選擇EMIFA的FLASH作為啟動時,FLASH的片選必須接到TCE1上。DM642可選字節(jié)順序的大/小模式、外設的PCI、HPI、EMAC模式的選擇是通過復位時LENDIAN、PCI_EN、PCI_EEAI、HD5、MAC_EN管腳的電平?jīng)Q定,一定要考慮其在復位時電平值做成可調的。

　　對于仿真器的EMU[1∶0]保證已經(jīng)上拉,TRST下拉。另外,在AARDY管腳不使用時要保證其為高電平,NMI管腳不使用時要接地,在選擇HPI模式時要保證HPI控制信號電平正確,同時對其他不使用的輸入管腳進行正確處理。

　　3.2      PCB設計

　　DM642作為高性能數(shù)字媒體處理器不僅內(nèi)部具有很高的運行頻率600MHz、720MHz和1GHz,而且與外部的SDRAM的總線速度也達到100MHz或133MHz,如果外部的SDRAM由于布線原因達不到設計的希望速度,會降低系統(tǒng)的性能。

　　對于100MHz以上的信號總線,存在信號完整性問題。要保證信號的完整采用如下方法,對于SDRAM的時鐘線盡量要短,到兩個SDRAM的長度盡量相等;FLASH等其他外設不要直接與數(shù)據(jù)和地址總線連接,而應通過緩沖芯片(如SN74LVT16245B)連接;高速總線上要串入小阻值電阻,阻值大小可通過仿真得到,同時對線路更加要求進行阻抗限制。

　　DM642內(nèi)部有PLL,對于PLL外部所接器件要盡可能靠近芯片,而且必須放在線路板的一面上。對于JTAG的連線長度不能超過6in,如果超過6in長要加驅動。本系統(tǒng)中既有模擬部分又有數(shù)字部分,要注意模擬電源和數(shù)字電源的設計,盡量減少數(shù)字信號對模擬信號的干擾,否則對采集的視頻信號會有雪花、條紋,音頻信號產(chǎn)生噪音等。對視頻、音頻芯片盡量采用單獨的電源芯片供電,模擬地和數(shù)字地要單點或采用磁珠相連。

4 結束語

　　依據(jù)以上硬件設計完成基于DM642的嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)以高速DSP為核心,輔以相應的外圍電路,實現(xiàn)實時H.264視頻編解碼。目前,該系統(tǒng)已經(jīng)順利通過調試,連續(xù)運行穩(wěn)定,為公安、交通、水利等行業(yè)的無線視頻監(jiān)控提供切實可行的方案,具有非常高的應用價值。