基于DM642的視頻處理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1 引言
    在視頻處理領(lǐng)域，由于處理的數(shù)據(jù)量大，算法復雜度高，使得處理的實時性成為難題。如果使用專門的視頻算法器件，在保證實時性的同時卻使系統(tǒng)的靈活性大大降低。TI公司的TMS320DM642(簡稱DM642)以其高速的運算能力及
豐富的外設(shè)接口，在多媒體領(lǐng)域得到了廣泛應用。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案
2．1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
    圖1給出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。以DM642為核心，包括視頻輸入輸出模塊，存儲模塊，通信模塊等。其中輸入輸出模塊由2片解碼器和一片編碼器構(gòu)成，可以同時輸入2路視頻，輸出一路視頻。存儲模塊主要由Flash和2片SDRAM組成。此外系統(tǒng)還包括JTAG仿真接口和網(wǎng)口，可以方便地與外界通信。

2．2 系統(tǒng)電源設(shè)計
    DSP系統(tǒng)電源設(shè)計模塊是關(guān)鍵，高精度的供電才能保證系統(tǒng)正常工作。系統(tǒng)采用5 V電源驅(qū)動2個MOSFET的DC—DC調(diào)整器(TPS54310)分別供給DSP的核心電壓CVDD(1．4V)和外圍電壓DVDD(3.3 V)。在3.3 V和1.4 V電源之間連接肖特基二極管，保證DM642內(nèi)核和外部端口同時供電。TI公司的TPS543lO的輸出精度是1％，完全滿足DSP工作要求。視頻輸入器件SAA7113H、視頻輸出器件SAA7105H和CPLD都需要3.3 V供電，選用AMSlll7—3.3 V為這些器件供電。系統(tǒng)的地分為系統(tǒng)地、視頻輸入地、視頻輸出模擬地、音頻模擬地和網(wǎng)絡(luò)模擬地6部分。從電源進來的是系統(tǒng)地。在PCB設(shè)汁中，各地與系統(tǒng)地之間采用220Ω、100 MHz的磁珠在一點連接起來。調(diào)試中，只要電源部分工作正常，都可以通過JTAG口將程序下載到DM642中，進而調(diào)試其他模塊。
2．3 視頻輸入與輸出
    DM642集成有3個視頻(Video Port，VP)口，每個視頻口是由20 bit數(shù)據(jù)線、2個時鐘信號VPxCLK0(輸入)和VPx-CLKl(輸入／輸出)、3個控制信號VPxCTL0、VPxCTLl和VPx-CTL2組成。時鐘信號作為視頻源的時鐘信號輸入／輸出，控制信號作為視頻源的同步信號輸入／輸出(行同步、幀同步、場標志，視頻采集使能等)。每個視頻口被分為上(B)、下(A)2個通道，VP0的A通道與McBSPO復用，VPl的A通道與McB—SPl復用，VP0和VPl的B通道與McASP復用，VP2則為單功能引腳。每個視頻口可被配置為視頻輸入口或視頻輸出口，但是上(B)、下(A)2個通道只能同時被配置為輸入口，或同時被配置為輸出口，不能一個通道配置為輸入口，另一個通道配置為輸出口。
    系統(tǒng)將VP0和VPl配置成為單通道視頻輸入和McASP口，VP2配置成為單通路的視頻輸出口。VPO與VPl配置為單通道視頻輸入口時，VPxCLK0作為視頻源的輸入時鐘，VPxCLK1未用。而VPxCTL0、VPxCTLl和VPxCTL2則分別作為視頻源中的時基碼控制。當CAPEN信號無效或在EAV和SAV時基碼之間時，將不對視頻數(shù)據(jù)流進行采樣。BT．656視頻數(shù)據(jù)流采集的起始、水平同步、垂直同步等，受輸入信號CAPEN和視頻通道控制寄存器VCxCTL(x=A、B)中的VCEN、EXC、HRST、VRST、FLDD等控制位組合控制。當配置為單通道視頻輸出口時，VPxCLK1作為視頻源輸出時鐘，VPxCLK0作為輸入時鐘。而VPxCTL0、VPxCTLl和VPxCTL2分別作為輸出視頻的HSYNC／HBLNK／AVID/FLD、VSYNC／VBLNK／CSYNC／FLD、CBLKN/FLD。3個VP口均作為8位視頻接口，使用lO位數(shù)據(jù)總線中的高8位，即VPxD[9：2]。系統(tǒng)的視頻解碼和視頻編碼器分別選用Philips公司的SAA7l13H和SAA7105H，圖2給出視頻解碼和DM642的連接圖。圖3給出視頻編碼和DM642的連接圖。其中SAA7lO5H支持復合視頻(CVBS)輸出、超級視頻(S-Video，Y／C)輸出和VGA輸出，系統(tǒng)同時外擴了這3種接口，用戶可通過I2C總線對其內(nèi)部寄存器設(shè)置來實現(xiàn)不同的輸出。

    當SAA7105H工作在VGA輸出時，其工作時鐘的上升沿和下降沿都要接收數(shù)據(jù)，圖3中VP2與SAA7105H的連接方式，只用到VP2的8位數(shù)據(jù)線，因此VP2在每個時鐘周期只有在上升沿輸出8位數(shù)據(jù)，無法滿足SAA7105H的工作要求。這就要求VP2的工作頻率是SAA7105H的2倍，兩者才可以正確傳輸數(shù)據(jù)，該時鐘關(guān)系在CPLD里實現(xiàn)。
2．4 地址空間映射
    DM642的程序／數(shù)據(jù)空間以字節(jié)為單位進行統(tǒng)一編址，整個尋址空間為4 G字節(jié)。其片上存儲器，片上外設(shè)及外部存儲器接口(EMIF)均映射到此4 G字節(jié)空間中。
    DM642的CEO空間被配置為64 bit SDRAM接口，分配給外擴的SDRAM使用。SDRAM的工作時鐘由DM642的ECLKOUTl提供，其可由軟件配置為EMIF的ECLKIN或CPU時鐘/4、或CPU時鐘／6，最高為133 MHz。一般情況下，配置為ECLKIN，即100 MHz。SDRAM在子空間的具體定位為：Ox8000 0000~Ox81FF FFFF。
    DM642的CEl空間被配置為8Mx8 bit的Flash，在CEl子空間占據(jù)的具體空間定位為0x9000 0000～0x9007 FFFF。
    DM642外部地址總線只有A[22：3]，總共20根，所以CEl子空間最大的尋址范圍為lMx8 bit。系統(tǒng)中CEl子空間除了分配給Flash以外，還分配給狀態(tài)，控制寄存器、UARTA、UARTB等資源使用，其中Flash只占據(jù)CEl子空間的前一半的尋址空間，即最大的可尋址范圍為512Kx8 bit，而Flash的設(shè)計容量為8 Mx8 bit，所以為尋址到Flash所有的地址空間，采用分頁技術(shù)來實現(xiàn)對Flash的訪問．即將整個8 Mx8 bit的FLASH分成16個512 Kxl6 bit的頁．頁地址PA22、PA21、PA20、PAl9，則由頁地址寄存器提供(頁地址寄存器位于CPLD中)。[!--empirenews.page--]
2．5 I2C總線
    I2C總線是一種由Philips公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和器件引腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本。它支持多主控，其中任何能夠進行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主控端。
    I2C總線由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，在CPU與被控IC之間、IC與IC之間雙向傳送。在數(shù)據(jù)傳送過程中共有3種信號，分別是開始信號、結(jié)束信號和應答信號。其中，開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)；結(jié)束信號：SCL為低電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)；應答信號：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8 bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖。表示己收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個信號后，等待受控單元發(fā)出一個應答信號，CPU接收到應答信號后，根據(jù)實際情況判斷是否繼續(xù)傳輸信號。若未收到應答信號，則認為受控單元出現(xiàn)故障。
    DM642集成有一條I2C總線．DM642為總線的主設(shè)備。系統(tǒng)用I2C總線連接了以下從設(shè)備：2路視頻解碼器SAA7113H的控制口、1路視頻編碼器SAA7105H的控制口和1路實時時鐘RTC。每個I2C總線的從設(shè)備均對應一個從設(shè)備地址，I2C總線以此從設(shè)備地址區(qū)分所訪問的是哪個從設(shè)備。DM642通過I2C總線配置上述器件的寄存器。
2．6 網(wǎng)絡(luò)接口
    DM642的網(wǎng)絡(luò)接口由EMAC與MDIO兩部分組成的。其主要功能有：符合IEEE802．3協(xié)議；支持傳媒無關(guān)接口(MII)；8個獨立的發(fā)送與接收通路；同步的10／100 Mbit的數(shù)據(jù)操作；廣播及多幀的傳送。
    系統(tǒng)選用LXT971ALC作為10／100Base一TX以太網(wǎng)收發(fā)器。LXT971ALC的MII接口與DM642的MII接口對接。DM642的MII不支持TXER，它通過求反發(fā)送幀CRC來指出網(wǎng)絡(luò)錯誤，所以LXT971ALC上的TXER引腳直接接為無效。系統(tǒng)只采用10／lOOBase-TX方式，信號經(jīng)Hll02 1：1變壓器變換成TX+、TX一、RX+和RX一信號，連接到RJ45連接器上。RJ45連接器選用406549一l，其上帶2個LED指示燈，綠色LED，用作指示連接狀態(tài)；黃色LED正常情況下用于指示數(shù)據(jù)傳輸。

3 系統(tǒng)調(diào)試
3．1 視頻通道的驅(qū)動
    系統(tǒng)中視頻解碼通道使用SAA7113，編碼通道使用SAA7105H。這2個器件需要經(jīng)過寄存器配置才能正常工作，因為寄存器數(shù)量眾多，直接逐個配置寄存器相當復雜。系統(tǒng)開發(fā)了基于DSP／BIOS的應用程序，可以調(diào)用FWID API函數(shù)，實現(xiàn)對視頻通道的驅(qū)動。以下是幾個接口函數(shù)的使用說明：
    (1)初始化工作 FVID_croat(name，mode，*status，
optArgs，*attm)參數(shù)說明：String name：device driver的名字，該device driver在DSP／BIOS中定義；Int mode：指定設(shè)備的打開模式為輸入/輸出；Int*status：該參數(shù)是application送給mini—driver的一個狀態(tài)指針，由mini—dIiver來返回狀態(tài)的；PtroptArgs：用于初始化FVID channel的具體參數(shù)，用結(jié)構(gòu)體的形式打包，并將指向該結(jié)構(gòu)體的指針傳送給mini—driver進行處理；FVID_Attrs *attrs：FVID_Attrs結(jié)構(gòu)參數(shù)為空，表示FVID_alloc，F(xiàn)VID_free,FVID_exchange calls為非block形式，無論成功與否，立刻返回。
    (2)發(fā)送控制命令到mini—driver FVID_control(disChan，VPORT_CMD_START， NULL)參數(shù)說明：FVID_HandlevidChan：fvid通道句柄；Int cmd：cmd命令；Ptr args：cmd命令附帶的信息。該函數(shù)發(fā)送一個控制命令給mini—dTiver，將由mini—driver做相應的響應，在這里通知vport端口開始工作。
    (3)給VP口分配緩沖區(qū)FVID_alloc(fvidChan，bufp)參數(shù)說明：FVID_handle fvidChan：fvid通道句柄；Ptr bafp：分配的緩沖區(qū)指針。該函數(shù)從mini—ditver獲取緩沖區(qū)指針。
    (4)FVID_exchange(fvidChan,bufp) 參數(shù)說明：FVID_handle fvidChan：fvid通道句柄；Ptr butp：交換的緩沖區(qū)指針。該函數(shù)將轉(zhuǎn)換好的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給mini—driver處理，并傳回空緩沖區(qū)指針，F(xiàn)VID_exchange函數(shù)相當于順序執(zhí)行FVID_free和FVID_alloc函數(shù)。利用FVID的API函數(shù)可方便配置和驅(qū)動視頻通道，實現(xiàn)視頻的采集和輸出。
3．2 VGA輸出
    VGA(VideoGraphic Array)接口，即視頻圖形陣列，也叫DSub接口。VGA接口采用非對稱分布的15針連接方式，其工作原理是將顯存內(nèi)以數(shù)字格式存儲的圖像信號在RAMDAC里經(jīng)過模擬調(diào)制成模擬高頻信號，然后再輸出到顯示設(shè)備成像。視頻編碼器SAA7105H支持VGA輸出，SAA7105H被配置為VGA輸出時，送輸出緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)必須為RGB格式，而非YUV4：2：2。用戶可以自行編寫相應的轉(zhuǎn)換函數(shù)，或者調(diào)用TI img64.lib庫中的IMG_ycbcr422p_rgb565函數(shù)實現(xiàn)視頻格式的轉(zhuǎn)換。SAA7105H最高可實現(xiàn)XGA輸出，即1 024x768分辨率。
3．3 程序從Flash的引導
    在系統(tǒng)上調(diào)試程序時，利用仿真器把程序下載到SDRAM內(nèi)執(zhí)行。當程序調(diào)試完畢應用時，應該把程序燒寫到外部Flash里，實現(xiàn)系統(tǒng)每次上電后程序從Flash引導加載自動運行，省去每次利用仿真器下載程序。
    DM642是以ROM方式引導系統(tǒng)的，當DSP上電或復位時，內(nèi)核處于復位狀態(tài)，并自動以ROM的讀寫時序從Flash的第0頁起始地址開始復制lK字節(jié)的代碼到DSP的片內(nèi)內(nèi)存起始地址為O的地址空間。然后釋放CPU，使其從0地址開始運行程序。即第一次引導只能引導1K字節(jié)的程序。執(zhí)行第一步引導的程序，將用戶自己的程序從Flash中搬到運行的地址中，然后進入c_int00，完成整個BOOT過程。
    Flash燒寫根據(jù)不同的硬件設(shè)計，燒寫步驟略有不同，但基本過程相同。系統(tǒng)Flash的燒寫過程：①把引導程序文件boot．a(chǎn)sm添加到要燒寫的工程中，在BIOS中添加BOOT段，修改相應的CMD文件，編譯原工程生成新的．out文件；②使用hex6x工具把生成的COFF格式的．out文件轉(zhuǎn)化為．hex文件；③用FlashBurn建立．ccd文件；④用FlashBurn打開建立的．ccd文件，先擦除Flash，然后燒寫Flash。
    按照上述步驟燒寫程序到Flash，在系統(tǒng)上電后程序?qū)⒆詣訄?zhí)行。應該注意的是，燒寫程序后的系統(tǒng)仿真環(huán)境將難以進去，解決的辦法是一邊反復按復位鍵，一邊打開仿真環(huán)境則可進去。DM642有多種引導，本系統(tǒng)默認方式為EMIFA通過8-bit Flash引導。

4 結(jié)語
    系統(tǒng)研究并實現(xiàn)了一個通用的基于DM642的視頻處理系統(tǒng)。采用了針對多媒體應用開發(fā)的專用媒體處理芯片DM642，該芯片配有豐富的外設(shè)接口，減小了系統(tǒng)硬件設(shè)計的復雜度，提高了系統(tǒng)的性價比；通過外接的SDRAM編程實現(xiàn)MPEG一2、MPEG-4、H．264等多種視頻壓縮編解碼算法，靈活性大，實用性強，優(yōu)于專用的視頻編解碼系統(tǒng)；由于DM642的高速運算能力，實時性強也是系統(tǒng)的一大優(yōu)點。該系統(tǒng)作為視頻處理的通用平臺，在此基礎(chǔ)上增加一些其他功能即可應用于交通、監(jiān)控等諸多領(lǐng)域。