基于DM642的視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

隨著人們生活水平的提高和對(duì)工作、生活環(huán)境中安全防衛(wèi)需求的增長(zhǎng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)近年來(lái)得到了迅速的發(fā)展。

引 言

傳統(tǒng)的基于PC機(jī)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)多存在著諸如安裝攜帶不便、不能在惡劣環(huán)境下使用等一些缺點(diǎn)，這就亟待一種全新的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的出現(xiàn)。隨著近年來(lái)超大規(guī)模集成電路和嵌入式軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是DSP、PowerPC等嵌入式芯片的出現(xiàn)，將嵌入式處理器應(yīng)用到視頻監(jiān)控系統(tǒng)中不僅克服了上述基于PC機(jī)系統(tǒng)的一些缺點(diǎn)，而且其強(qiáng)大的功能加上豐富的外設(shè)接口和高度的可編程性使得視頻監(jiān)控的硬件和軟件都更窬易實(shí)現(xiàn)。正是由于越來(lái)越高的性價(jià)比加上體積小、成本低等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使得嵌入式芯片在視頻監(jiān)控領(lǐng)域也漸漸擁有了一席之地。

1 系統(tǒng)概述

文中設(shè)計(jì)的通用視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用TI公司2002年生產(chǎn)的專用多媒體芯片TMS320DM642(簡(jiǎn)稱“DM642”)作為處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)4路音視頻同時(shí)采集，并支持復(fù)雜的音頻視頻壓縮算法(如MPEG4標(biāo)準(zhǔn))，可以24小時(shí)不間斷地進(jìn)行有聲視頻的采集、回放與存儲(chǔ)。

系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：系統(tǒng)上電或復(fù)位后，從Flash加載程序，完成對(duì)芯片的初始化和外圍硬件的配置等工作，之后便開(kāi)始進(jìn)行圖像采集。DM642通過(guò)I2C口對(duì)系統(tǒng)中的其他芯片進(jìn)行控制，從攝像頭采集到的模擬視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)視頻解碼器轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)，送入DM642的視頻通道(VP端口)；同步采集到的模擬音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)音頻編解碼器模／數(shù)轉(zhuǎn)換后，送入DM642的音頻通道(McASP端口)。

DM642將接收到的數(shù)字視頻信號(hào)和數(shù)字音頻信號(hào)用MPEG4標(biāo)準(zhǔn)編碼壓縮，再通過(guò)DM642擴(kuò)展出來(lái)的ATA接口將數(shù)據(jù)以文件的格式存儲(chǔ)到本地硬盤(pán)，供日后調(diào)用。本系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)模塊組成：DM642模塊、存儲(chǔ)模塊、視頻和音頻模塊、電源模塊等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 DM642模塊

DM642基于C64x內(nèi)核，并在其基礎(chǔ)上增加了很多外圍設(shè)備和接口，因而在實(shí)際工程中的應(yīng)用更為廣泛和簡(jiǎn)便。本系統(tǒng)使用50 MHz晶振作為DSP的外部時(shí)鐘輸入，經(jīng)過(guò)內(nèi)部鎖相環(huán)12倍頻后產(chǎn)生600 MHz的工作頻率。DM642采用了2級(jí)緩存結(jié)構(gòu)(L1和L2)，大幅度提高了程序的運(yùn)行性能。片內(nèi)64位的EMIF(External Memory Interface)接口可以與SDRAM、Flash等存儲(chǔ)器件無(wú)縫連接，極大地方便了大量數(shù)據(jù)的搬移。更重要的是，作為一款專用視頻處理芯片，DM642包括了3個(gè)專用的視頻端口(VP0～VP2)，用于接收、處理視頻和音頻數(shù)據(jù)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能。此外，DM642自帶的EMAC口以及從EMIF 口擴(kuò)展出來(lái)的ATA口，還為處理完成后產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)提供了存儲(chǔ)通道。

3 視頻和音頻模塊

設(shè)計(jì)中將DM642的VP0、VP1的A通道以及VP2的A、B通道都配置為視頻采集模式，可同時(shí)采集4路視頻信號(hào)。若要求進(jìn)行本地回放，則將VP0端口的A通道設(shè)置為回放模式，此時(shí)最多可采集3路視頻信號(hào)。另外，將VP0和VP1的B通道配置成McASP功能，用于音頻處理。DM642與視頻、音頻編解碼芯片之間的數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)這幾個(gè)專用的端口進(jìn)行傳輸，但是對(duì)這些芯片的控制則是通過(guò)I2C總線實(shí)現(xiàn)的。

3.1 視頻輸入部分

采用模擬攝像頭進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)采集，需要使用視頻解碼芯片將采集到的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化，然后送給DM642的視頻端口進(jìn)行處理。這里選用了4片TI公司生產(chǎn)的TVP5150A，與DM642的連接如圖2所示(只給出了1個(gè)芯片的連接圖)。

圖2中，TVP5150A的YOUT口與DM642的VP0口直接連接，用于數(shù)據(jù)的傳輸。點(diǎn)陣時(shí)鐘線和DM642上VP口的VP0_CLK相連，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘信號(hào)。DM642通過(guò)I2C總線對(duì)TVP5150A內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)，達(dá)到控制該芯片的目的。

3.2 視頻輸出部分

設(shè)計(jì)中使用VP0的A通道進(jìn)行視頻回放。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放時(shí)需要先將數(shù)字視頻信號(hào)重新轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，才能在監(jiān)視器上播放。這種轉(zhuǎn)換由Philips公司生產(chǎn)的SAA7121來(lái)完成，視頻回放部分的電路連接圖如圖3所示。

圖3中，DM642的VP0端口向SAA7121的MP口輸出BT.656格式的數(shù)字視頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)SAA7121芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)管理模塊分離出Y信號(hào)和Cb、Cr信號(hào)；然后再送到片內(nèi)相應(yīng)的模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字信號(hào)變換為模擬視頻信號(hào)；最后由CVBS(復(fù)合視頻信號(hào))或者Y、C(S-端子信號(hào))引腳輸出。SAA7121的時(shí)鐘信號(hào)LLC為27 MHz，由DM642的VP0CLK1提供，而DM642的VP0CLK1則是來(lái)自于TVP5150A的SCLK引腳，這就使得視頻的采集和回放達(dá)到同步要求。DM642通過(guò)I2C接口對(duì)SAA7121芯片內(nèi)部的48個(gè)寄存器進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)該芯片的控制。

3.3 音頻模塊

系統(tǒng)中的音頻編解碼芯片采用的是TI公司的TLV320AIC23B芯片，它包含3個(gè)接口：①串行控制接口，與DM642的I2C接口連接；②模擬音頻接口，用于接收來(lái)自MICIN／LINEIN的模擬音頻信號(hào)，或輸出LINE-OUT的模擬音頻信號(hào)；③數(shù)字音頻接口，用于和DM642的McASP端口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。TLV320AIC23B從模擬音頻接口(MICIN／LINEIN)接收音頻信號(hào)，進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后，把數(shù)字音頻信號(hào)通過(guò)數(shù)字接口傳送給DM642的McASP進(jìn)行處理，然后隨同處理后的視頻信號(hào)一起保存到本地硬盤(pán)。需要回放時(shí)，將未經(jīng)過(guò)編碼處理后的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)再由McASP傳回給TLV320AIC23B，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后，從模擬音頻接口輸出(LINEOUT)。DM642通過(guò)I2C接口對(duì)該芯片進(jìn)行配置和控制，4個(gè)TLV320AIC23B芯片在I2C總線上的掛接方式與TVP5150A相同。

3.4 I2C總線

本系統(tǒng)使用了4個(gè)視頻解碼芯片、4個(gè)音頻編解碼芯片和1個(gè)視頻編碼芯片，每個(gè)芯片都提供了2個(gè)從地址，因此系統(tǒng)只需使用2組I2C總線，就可以完成對(duì)4個(gè)相同型號(hào)芯片的控制。而DM642芯片本身只提供了一個(gè)I2C總線接口，所以還需要使用一片2選1切換器SN74CBT3257，使得DM642每次只接收2組I2C總線中的一組。連接示意圖如圖4所示。

4 存儲(chǔ)模塊

DM642的EMIF在內(nèi)存中的地址映射分為4個(gè)可獨(dú)立尋址的空間CE[3：0]，自地址0x80000000起各占256MB。根據(jù)設(shè)計(jì)中所選用芯片的數(shù)據(jù)寬度等的特點(diǎn)，可以對(duì)這4個(gè)尋址空間進(jìn)行配置。其中，CE0空間配置成64位寬度，只用于SDRAM內(nèi)存的映射；CE1空間配置成8位寬度，用于Flash、UART的映射；CE2空間配置成16位寬度，用于ATA寄存器的映射；CE3本設(shè)計(jì)中未使用，可以作為將來(lái)擴(kuò)展子卡用。擴(kuò)展示意圖如圖5所示。

5 電源模塊

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，電源模塊起著舉足輕重的作用。它由2部分組成：供電電路和電源監(jiān)測(cè)電路。

5.1 供電電路

整個(gè)電路板采用+5 V電壓供電，可以從外部引入，也可以從擴(kuò)展的PCI接口引入。DM642芯片需要2個(gè)獨(dú)立的電壓：CPU內(nèi)核電壓GVDD(+1.4 V)和外圍I／O電壓DVDD(+3.3 V)。這兩個(gè)電壓在供電時(shí)需要嚴(yán)格按照順序進(jìn)行，即GVDD要比DVDD上電早，至少不能晚于DVDD。設(shè)計(jì)中采用2片TI公司專為高性能DSP、FPGA、ASIC和微處理器的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的電源芯片TPS54310，分別給DM642提供CVDD和DVDD電壓。在電路連接上將TPS54310(1)的PWRGD引腳和TPS54310(2)的SS／EN引腳相連。當(dāng)(1)的輸出電壓高于1.2 V時(shí)，芯片(2)開(kāi)始工作；當(dāng)這個(gè)值達(dá)到穩(wěn)定的+1.4 V后，PWRGD引腳輸出高電平送到芯片(2)的SS／EN引腳。這就保證了CPU內(nèi)核的上電時(shí)間早于I／O的上電時(shí)間，如圖6(a)所示。

5.2 電源監(jiān)測(cè)電路

為了保證DM642芯片在電源未達(dá)到要求的電平時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生不受控制的狀態(tài)，而且允許系統(tǒng)中的各個(gè)芯片在任意時(shí)刻可以通過(guò)復(fù)位來(lái)調(diào)整工作狀態(tài)，這就需要在系統(tǒng)中加入一個(gè)電源監(jiān)測(cè)電路，如圖6(b)所示。該電路能確保在系統(tǒng)的加電過(guò)程中，CVDD和DVDD達(dá)到要求的電平之前，DSP始終處于復(fù)位狀態(tài)。選用了TI公司生產(chǎn)的TPS3823-33芯片，其固定復(fù)位信號(hào)時(shí)問(wèn)長(zhǎng)達(dá)200 ms，能滿足系統(tǒng)中所有芯片的復(fù)位需求。芯片帶有一個(gè)看門(mén)狗電路，通過(guò)WDI引腳接收來(lái)自CPU的定時(shí)信號(hào)，避免發(fā)生系統(tǒng)程序跑飛的情況。

結(jié) 語(yǔ)

DM642具有高速的處理能力以及出色的對(duì)外接口能力，這就使其設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品在圖像質(zhì)量、硬件成本、靈活性及產(chǎn)品更新等方面都優(yōu)于專門(mén)的視頻編解碼芯片。在數(shù)據(jù)保存方面，系統(tǒng)不僅可以選擇本地保存方式，還可以使用DM642中自帶的EMAC接口將處理后的大量數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)保存到服務(wù)器，或者通過(guò)PCI口將數(shù)據(jù)保存到主機(jī)中的硬盤(pán)上。這種易于擴(kuò)展性使用戶在實(shí)際使用過(guò)程中有了更多的選擇。