基于TMS320的數(shù)字視頻采集卡設計

傳統(tǒng)的數(shù)字視頻采集卡通常只具備視頻采集功能，而不具備視頻處理功能。介紹了一塊基于TI公司C6000系列DSP芯片的數(shù)字視頻采集卡的設計，該卡具備自主的數(shù)字視頻處理功能，通過PCI接口與主機通信。
 

系統(tǒng)組成

如圖1所示，本文所述數(shù)字視頻采集卡由以下5個部分組成：

圖1 采集卡系統(tǒng)組成框圖

（1）高速視頻采集單元，主要完成模擬視頻信號到數(shù)字視頻信號的變換；

（2）數(shù)據(jù)交換單元，由FPGA和雙口RAM構成，采用包交換技術，完成數(shù)字視頻數(shù)據(jù)向DSP的傳送；

（3）DSP及其外圍接口電路，包括EMIF接口、McBSP接口、HPI接口、PLL時鐘接口、DMA接口、JTAG接口、電源監(jiān)控等；

（4）DSP與PCI總線的橋接單元，主要完成DSP與上位機的通信；

（5）雙供電模式的電源部分。

下面將對系統(tǒng)各個部分的設計分別進行介紹。

系統(tǒng)設計實現(xiàn)

高速視頻采集單元
模擬視頻信號是一類比較復雜的模擬信號，信號中包含了像素的亮度信息，色彩同步信息和行、場同步信息。要實現(xiàn)正確的圖像采集，必須從復合的視頻信號中正確地分離出各種信號，并利用其中的同步信號控制A/D轉換過程，從而實現(xiàn)正確的圖像采集。

如圖2所示，在硬件設計上有2種實現(xiàn)方案：

圖2 A/D采樣方案

（1）采用通用A/D器件+同步信號分離器件；

（2）采用專用的視頻A/D轉換芯片。

方案1的實現(xiàn)電路較復雜，本文的設計采用了第2種方案，以PHILIP公司的視頻采集芯片SAA7111為核心構成轉換電路。

數(shù)據(jù)交換單元
在實時視頻圖像處理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的吞吐量是很大的，大量的視頻圖像數(shù)據(jù)被實時采集、傳輸、處理。因此，在系統(tǒng)設計中，數(shù)據(jù)的傳輸設計是非常重要的。在本系統(tǒng)的設計中，利用FPGA和雙口RAM實現(xiàn)了一種包交換的數(shù)據(jù)傳輸方式，如圖3所示。

圖3 FPGA及雙口RAM

在系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA首先要完成對A/D采樣的控制，包括控制采樣的啟停，采樣數(shù)據(jù)格式的轉換等；其次FPGA要完成對雙口RAM數(shù)據(jù)寫入的控制和數(shù)據(jù)發(fā)送中斷信號的產生；另外，還要在FPGA中形成從A/D到雙口RAM的數(shù)據(jù)通路，在此基礎上可以實現(xiàn)一些數(shù)據(jù)預處理的功能。

在雙口RAM設計上，本文將整個雙口RAM分成2個存儲塊，每當一個存儲塊在進行寫操作時，另一個存儲塊在進行讀操作，這樣數(shù)據(jù)的讀、寫操作在不同的存儲塊上同時進行，即實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的緩沖，又實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的不間斷傳送。數(shù)據(jù)的分塊交換傳輸過程也是數(shù)據(jù)的打包過程，存儲塊的大小決定了數(shù)據(jù)包的大小，數(shù)據(jù)的打包有利于數(shù)據(jù)的整塊處理。[!--empirenews.page--]

DSP及其外圍接口電路
在DSP芯片選型上，本文選擇了適合圖形圖像處理的TI 公司C6000系列芯片中性價比較高的C6201芯片，以其為核心構建單DSP系統(tǒng)。C6201芯片擁有以下集成外設：外部存儲器接口EMIF，直接存儲器訪問通道DMA；多通道緩沖串口McBSP；主機口HPI；以及芯片設置管腳、定時器、中斷控制、下電邏輯和GPIO等。

在本文的設計中，根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，本著設計簡捷同時又要便于系統(tǒng)將來擴充的原則，在外圍接口中除去必須使用的接口外，有些不必要的外圍接口引腳直接浮空，有些則引出了擴展接口，以便節(jié)約空間和將來系統(tǒng)的擴展。

C6201的EMIF接口可以掛接3種外部存儲器：同步靜態(tài)存儲器SDRAM、同步突發(fā)靜態(tài)存儲器SBSRAM和異步存儲器。在系統(tǒng)中，用于數(shù)據(jù)緩沖和交換傳輸?shù)?strong>雙口RAM是異步存儲器，此外，為了處理的中間結果數(shù)據(jù)、最終數(shù)據(jù)和DSP程序，系統(tǒng)中分別掛接了2片大容量SDRAM和一片SBSRAM。DMA是C6000DSP中一種重要的數(shù)據(jù)訪問方式，它可以在沒有CPU參與的情況下，由DMA控制器完成DSP存儲空間內的數(shù)據(jù)搬移。在C6201 中提供了4 個輸出管腳（DMAC0-DMAC3）可以向外部邏輯反饋DMA傳輸?shù)耐綘顟B(tài)，這些引腳信號可有可無，因此在系統(tǒng)中沒有連接。C6000的多通道緩沖串口（McBSP）是在C2x、C3x、C5x和C54標準串口的基礎上發(fā)展起來的。C6201提供了2路McBSP接口，系統(tǒng)中引出了其中的一路作為將來系統(tǒng)功能擴展用。主機口（HPI）是一個并行端口，主機（也稱為上位機）掌管該接口的主控權，通過它可以直接訪問DSP的存儲空間（包括映射的片內外設）。系統(tǒng)中HPI通過粘合邏輯與主模式的PCI橋S5933相連。

PCI總線的橋接單元
DSP既可以單獨構成一個完全獨立的處理系統(tǒng)，也可以多DSP聯(lián)合構成功能更強大的并行系統(tǒng)，還可以通過橋接電路與上位機相連構成一個大系統(tǒng)中的一個功能單元。在本文所設計的系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)作為一個標準的PCI擴展卡，可以與上位的PC機進行通信。

在DSP與上位的PC機之間有2種PCI橋可供選擇，一種為主模式PCI橋，如AMCC S5933。主模式下，DSP與上位機之間可以相互訪問對方外圍設備，并且支持突發(fā)方式的數(shù)據(jù)傳送，缺點是要通過中間的粘合邏輯相連，不能直連。另外一種為從模式PCI橋，如TI 2040。從模式下，上位機可以訪問DSP的外圍設備，而DSP則無法訪問上位機外圍設備。從模式橋可以與DSP直連（無縫連接）。在本文的設計中，選用了主模式的PCI橋，在DSP與PCI橋之間通過一片CPLD進行粘合。

圖4所示為C6201與S5933之間的連接。

圖4C6201與S5933之間的連接。

雙供電模式的電源
C6000系列DSP需要2種電源，分別為CPU核心和周邊I/O接口供電。周邊電壓需要3.3V，CPU核心電壓則隨低功耗技術的發(fā)展，逐漸從2.5V降到1.8、1.5、1.2和1.0V。

因為需要2種電壓，所以需要考慮供電系統(tǒng)的配合問題。加電過程中，應當保證內核電源（CVdd）先上電，最晚也要與I/O電源（DVdd）一起加。關閉電源時，先關閉DVdd，再關閉CVdd。講究供電次序的原因在于：如果僅給CPU內核供電，對芯片不會產生損害，只是沒有輸入輸出的能力而已；如果反過來，則芯片緩沖驅動部分的晶體管將在一個未知狀態(tài)下工作，這是非常危險的。

本文中采用了一種最簡單的雙電源供電實現(xiàn)方案：利用1個電源驅動2個線性穩(wěn)壓模塊，產生需要的DVdd和CVdd。由于DVdd和CVdd由同一個電源產生，因此在加點次序上不存在問題。

小 結

數(shù)字視頻的采集、處理、存儲和傳輸技術在眾多領域有著廣泛的應用。本文介紹的基于TMS320C6201 DSP芯片的數(shù)字視頻采集卡的設計，在完成數(shù)字視頻采集的同時具備自主的實時數(shù)字視頻處理功能，并通過PCI接口實現(xiàn)與主機的通信。這樣的設計在構建數(shù)字視頻處理系統(tǒng)時將大幅度減輕主機的計算量，從而提高系統(tǒng)性能。