TMS320F2812與CPLD的視頻采集系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

摘要：介紹基于TMS320F2812和CPLD的數(shù)字視頻采集系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用同步分離電路、TMS320F2812、EPM7128、TMS320C6416、IDE硬盤存儲(chǔ)器以及顯示器接口等芯片，利用TMs320F2812中的ADC采樣速度和轉(zhuǎn)換精度高的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行視頻的A／D轉(zhuǎn)換，可應(yīng)用于智能防盜、電力系統(tǒng)、智能交通、銀行、智能小區(qū)、醫(yī)療行業(yè)以及消防自動(dòng)報(bào)警等視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：TMS320F2812；EPM7128；視頻采集；采樣速度；A／D轉(zhuǎn)換

引言
    隨著現(xiàn)代視頻采集處理技術(shù)的快速發(fā)展，視頻采集系統(tǒng)接口在智能防盜、智能交通、銀行、智能小區(qū)、醫(yī)療行業(yè)以及消防報(bào)警等系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越普遍。本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)以TMS320F2812為視頻A／D轉(zhuǎn)換器，CPLD為時(shí)序和邏輯控制電路，TMS320C6416為圖像處理算法及控制芯片，IDE硬盤為大容量存儲(chǔ)器，2個(gè)SDRAM為圖像幀存儲(chǔ)器的硬件接口電路。與其他嵌入式視頻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，該設(shè)計(jì)具有采集速度高、功耗低，能進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)采集和處理，能大容量存儲(chǔ)圖像等特點(diǎn)。

1 視頻采集系統(tǒng)原理及接口設(shè)計(jì)
1．1 視頻采集系統(tǒng)原理
    視頻采集系統(tǒng)原理如圖1所示。按電路功能，系統(tǒng)可分為圖像輸入模塊、圖像存儲(chǔ)模塊、圖像解碼模塊、CPLD控制模塊、DSP圖像處理與顯示接口模塊。

    攝像頭輸出標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合模擬視頻信號(hào)經(jīng)過鉗位放大(EL4089)、同步信號(hào)分離(LMl881)、自增益控制以及A／D轉(zhuǎn)換后，輸出YUV422的數(shù)字信號(hào)，行、場(chǎng)同步信號(hào)，奇偶場(chǎng)信號(hào)以及像素時(shí)鐘信號(hào)等圖像數(shù)據(jù)。圖像輸入模塊將模擬視頻信號(hào)進(jìn)行行、場(chǎng)同步分離，并將行、場(chǎng)同步信號(hào)輸出到CPLD(EMP7128)作為基準(zhǔn)信號(hào)。CPLD作為邏輯時(shí)序控制器，用于完成數(shù)字視頻信號(hào)的存儲(chǔ)與時(shí)序控制，并以中斷方式通知DSP(TMS3-20F2812)讀取數(shù)據(jù)。DSP將SDRAM中的視頻數(shù)據(jù)讀出，并寫入大容量的IDE硬盤存儲(chǔ)器中，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；且根據(jù)存儲(chǔ)的圖像算法，對(duì)圖像進(jìn)行校正、濾波、壓縮、分割、特征提取以及識(shí)別等處理。最后，將處理后的視頻信號(hào)傳送給顯示器實(shí)時(shí)顯示。
1．2 接口設(shè)計(jì)
    一般情況下，視頻采集經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換后，需要經(jīng)過圖像預(yù)處理、特征提取、圖像分割與識(shí)別等操作，才輸出到顯示器顯示。這些功能的實(shí)現(xiàn)都需要DSP來完成。
    圖像預(yù)處理包括圖像調(diào)整和圖像壓縮。圖像調(diào)整是指對(duì)視頻圖像進(jìn)行亮度、飽和度、色度以及對(duì)比度的調(diào)整，使圖像清晰、顏色明顯；而圖像壓縮是指根據(jù)需要設(shè)定視頻采集分辨率，通過壓縮可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。特征提取是指使圖像從視頻背景中分離出來的過程。圖像分割是指對(duì)特征提取得到的圖像進(jìn)行區(qū)域劃分的過程。最簡(jiǎn)單的圖像分割方法是，將圖像中的所有像素劃分為目標(biāo)像素和非目標(biāo)像素，用數(shù)字1表示目標(biāo)像素點(diǎn)，數(shù)字O表示其他像素點(diǎn)。[!--empirenews.page--]
    圖像輸入模塊。圖像的輸入由模擬攝像頭完成。攝像頭輸出的視頻信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合視頻信號(hào)CVBS，必須經(jīng)過視頻解碼芯片和A／D變換后進(jìn)入數(shù)字系統(tǒng)才有效。模擬視頻信號(hào)包含圖像信號(hào)、行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)、像素時(shí)鐘等信號(hào)。
    圖像存儲(chǔ)模塊。采用2片外部存儲(chǔ)器SDRAMA和SDRAMB，用于存儲(chǔ)數(shù)字視頻信號(hào)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送給TMS320C6416進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)采取兩片存儲(chǔ)器輪換讀寫的方式。
    圖像解碼模塊。負(fù)責(zé)將攝像頭輸出的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成Y：U：V=4：2：2的數(shù)字視頻信號(hào)；并將圖像逐幀存入SDRAM中，通過中斷通知DSP讀取數(shù)據(jù)。該圖像解碼模塊采用的是TI公司的DSP芯片TMS320F2812。模擬信號(hào)經(jīng)過處理后從TMS320F2812的系統(tǒng)外部接口XINTF的引腳XD[15…0]輸出YUV422數(shù)字信號(hào)，YUV422信號(hào)輸出到TMS320C6416的VP0端口，再通過多通道緩沖端口McBSP來控制TMS320F2812的工作。TMS320-F2812與TMS320C6416的連接如圖2所示。

    CPLD控制模塊。主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯控制和存儲(chǔ)器地址譯碼功能。CPLD將經(jīng)過同步分離后的行、場(chǎng)同步信號(hào)轉(zhuǎn)換成YUV422格式的數(shù)字信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生SDRAM的地址、讀寫選通等信號(hào)。由CPLD輸出的YUV422格式的數(shù)字信號(hào)按像素逐個(gè)存入2片存儲(chǔ)器中，其中2片SDRAM以乒乓方式工作。這里CPLD選用Altera公司的EPM7128芯片。
    DSP圖像處理與顯示接口模塊。選用TI公司的DSP芯片TMS320C6416。該芯片有HPI和EMIF接口，2個(gè)外部總線接口EMIF-A和EMIF-B的時(shí)鐘為100MHz，2片存儲(chǔ)器被映射到這2個(gè)總線上。其中，SDRAMA映射到EMIF-A，256 MB，64位寬，800 MB／s的瞬時(shí)突發(fā)率；SDRAMB映射到EMIF-B，8 MB，16位寬，200 MB／s的瞬時(shí)突發(fā)率?？梢苑奖愕嘏c其他處理器連接，有實(shí)時(shí)的硬件調(diào)試功能。開發(fā)工具包含CCS環(huán)境、DSP BIOS、JTAG掃描控制器等。CPLD寫完一幀圖像后發(fā)中斷信號(hào)通知DSP讀取，DSP執(zhí)行中斷服務(wù)程序從SRAM中將一幀圖像讀入，隨即進(jìn)行處理。其模塊與顯示器接口的連接如圖3所示。

    FPGA用于對(duì)FIFO的讀／寫時(shí)序與邏輯控制。FIFO的寫時(shí)序信號(hào)由TMS320C6416的EMIF外部總線產(chǎn)生。通過DMA方式將視頻數(shù)據(jù)寫入FIFO緩存器中，再通過DAC輸出視頻編碼器將YUV422格式的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成SVGA格式的RGB信號(hào)格式，并將它輸出到顯示器上。輸出VGA分辨率為800×600(SVGA制)，但在TMS320C6416存儲(chǔ)器中的像素格式為RGB565。每個(gè)像素存儲(chǔ)在16位的存儲(chǔ)器中，其SVGA輸出像素格式的存儲(chǔ)方式如下：

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2 視頻采集系統(tǒng)接口軟件設(shè)計(jì)
    TMS320C6416上電后進(jìn)行初始化，即對(duì)狀態(tài)寄存器STO、STl，處理器模式控制寄存器PMST和時(shí)鐘模式寄存器CLKMD等進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲谩?nbsp; TMS320C6416內(nèi)部的boot程序按照外部中斷或者通用I／O接口的設(shè)置，將Flash中的程序讀到TMS320C6416內(nèi)部的RAM中，并運(yùn)行程序；然后通過它的McBSP多通道緩沖口，將控制字寫入TMS320F2812的寄存器中，從而設(shè)置其工作模式。TMS320C6416開始啟動(dòng)采集數(shù)據(jù)，并從sDRAM中讀取數(shù)據(jù)，隨后進(jìn)行視頻信號(hào)處理。CPLD會(huì)對(duì)同步分離電路LMl881輸出的各種視頻信號(hào)進(jìn)行判斷與控制。當(dāng)CPLD產(chǎn)生SDRAM的地址寫選通信號(hào)后，會(huì)將一幀數(shù)據(jù)寫入SDRAM；然后發(fā)中斷信號(hào)給TMS320C6416，以通知TMS320C6416可以讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮、編碼、校正、濾波、分割與特征提取等；同時(shí)寫入到IDE硬盤中，并送顯示器進(jìn)行顯示。
    攝像頭輸出2路復(fù)合模擬視頻信號(hào)：一路送給鉗位電路進(jìn)行放大，然后輸出到TMS320F2812進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，輸出需要的YUV422數(shù)字視頻信號(hào)。由CPLD對(duì)它進(jìn)行邏輯與時(shí)序控制，TMS320F2812通過系統(tǒng)外部接口將數(shù)據(jù)傳送給TMS320C6416進(jìn)行圖像處理并顯示。另一路經(jīng)過LMl881同步分離電路輸出模擬視頻行、場(chǎng)同步信號(hào)。再通過CPLD產(chǎn)生YUV422數(shù)字視頻信號(hào)，并逐幀存入SDRAMA和SDRAMB中。SDRAMA和SDRAMB的地址寫時(shí)序信號(hào)由行、場(chǎng)視頻信號(hào)產(chǎn)生。其讀信號(hào)由DSP的EMIF控制信號(hào)產(chǎn)生。當(dāng)CPLD向SDRAMA寫入一幀圖像數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)中斷信號(hào)給TMS320C6416。  TMS320C6416將從SDRAMB讀取一幀圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)寫入IDE硬盤中，并且送顯示器顯示。當(dāng)SDRAMA存滿圖像且SDRAMB中的圖像數(shù)據(jù)被讀完時(shí)，CPLD進(jìn)行讀／寫地址信號(hào)切換。這樣，CPLD將向SDRAMB存入圖像數(shù)據(jù)，而DSP將從SDRAMA中讀取圖像數(shù)據(jù)。如此循環(huán)，可以提高圖像的存儲(chǔ)／讀取速度，以及實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像處理與顯示的效果。視頻采集流程如圖4所示。

2．1 TMS320F2812 ADC模塊初始化設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)可以對(duì)TMS320F2812的ADC模塊進(jìn)行編程，即對(duì)ADC模塊中的寄存器及工作模式進(jìn)行初始化配置，并且可以實(shí)現(xiàn)升級(jí)來提高采集的精確度和速度。ADC模塊中有16個(gè)輸入通道口，包括8個(gè)A口和8個(gè)B口。2個(gè)通道口可以級(jí)連工作，此時(shí)16個(gè)通道由排序器SEQ控制和管理。模塊中有2個(gè)多路選擇開關(guān)，用來選擇8個(gè)通道中的任何一個(gè)通道進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。如果排序器轉(zhuǎn)換完成，就將所轉(zhuǎn)換的通道的值存儲(chǔ)到相應(yīng)的ADCRE-SUT寄存器中。TMS320F2812中的ADC內(nèi)部含有2個(gè)采樣保持(S／H)的12位ADC核心。ADC的采樣率為12．5 Msps，即能實(shí)現(xiàn)80 ns采樣一次。在自動(dòng)排序模式下，允許對(duì)同個(gè)通道口進(jìn)行多次采樣與A／D轉(zhuǎn)換，即能進(jìn)行過采樣算法的A／D轉(zhuǎn)換。與傳統(tǒng)單次轉(zhuǎn)換相比較，具有采樣和轉(zhuǎn)換精度高的優(yōu)點(diǎn)。其A／D轉(zhuǎn)換工作流程如圖5所示。

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2．2 TMS320C6416與顯示接口軟件設(shè)計(jì)
    TMS320C6416與顯示接口流程如圖6所示。其中，DAC編碼的作用是，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PAL或NTSC格式。

3 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果
    本文給出了Quartus II軟件下，TMS320C6416將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)緩沖器FIFO的時(shí)序仿真圖。仿真結(jié)果清晰明了，有利于整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析與處理。其中，包括時(shí)鐘信號(hào)clock、數(shù)據(jù)寫脈沖信號(hào)wrreq、數(shù)據(jù)讀脈沖信號(hào)rdreq、數(shù)據(jù)清空信號(hào)reset、數(shù)據(jù)輸入信號(hào)datain、數(shù)據(jù)輸出信號(hào)dataout，以及數(shù)據(jù)滿信號(hào)full和數(shù)據(jù)空信號(hào)empty。仿真結(jié)果如圖7所示。

結(jié)語(yǔ)
    本系統(tǒng)給出了基于TMS320F2812和CPLD的數(shù)字視頻采集系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)方案，采用存儲(chǔ)器的2幀存儲(chǔ)方式存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的圖像采集、存儲(chǔ)及處理功能。由于用到TMS320F2812芯片，因此能應(yīng)用于工業(yè)控制的視頻圖像采集系統(tǒng)中。本系統(tǒng)不需要專門的視頻解碼器，也可對(duì)TMS320F2812與TMS320C6416進(jìn)行軟件編程，使得系統(tǒng)的應(yīng)用更靈活和易于升級(jí)。