一種視頻處理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1 引言

在視頻處理領域，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。tms320dm642是TI公司C6000系列DSP總最新的定點DSP，其核心是C6416型高性能數(shù)字信號處理器，具有極強的處理性能，高度的靈活性和可編程性，同時外圍集成了非常完整的音頻、視頻和網(wǎng)絡通信等設備及接口，特別適用于機器視覺、醫(yī)學成像、網(wǎng)絡視頻監(jiān)控、數(shù)字廣播以及基于數(shù)字視頻/圖像處理的消費類電子產(chǎn)品等高速DSP應用領域。筆者針對市場客戶的需求，設計并實現(xiàn)了一款以TVP5150為視頻輸入解碼器，以PCM1801為音頻輸入采集電路，以TMS320DM642型DSP為核心處理器的多路視頻采集兼壓縮處理PCI板卡，并將其應用于構建高穩(wěn)定性、高魯棒性和多媒體數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。

2 系統(tǒng)設計方案

2.1 系統(tǒng)的硬件結構

圖1給出系統(tǒng)的結構框圖。以DM642為核心，DM642的最高時鐘頻率為720MHz，最大處理能力為5760MIPS。DM642基于C64x內核，采用了增強型超長指令字結構，集成了8個獨立的功能單元（6個32位的算術邏輯單元和2個32位的乘法單元）和64個32位的通用寄存器，在一個周期內可以完成4個16位的乘累加運算或者8個8位的乘累加運算。該芯片的片上外設也是相當?shù)呢S富，包括時鐘高達133MB可與SDRAM、FLASH等外部存儲芯片實現(xiàn)無縫鏈接的外圍存儲器接口（EMIF總線）；三個可配置的視頻接口，同時支持三路視頻輸入或者輸出，非常適合數(shù)字圖像和視頻處理；一個10/100Mit/s的以太網(wǎng)接口；十六個通用輸入輸出口GPIO，以及I2C、PCI和HPI等眾多協(xié)議接口。

2.2 系統(tǒng)電源設計

DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或實際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。

DSP系統(tǒng)電源設計模塊是關鍵，高精度的供電才能保證系統(tǒng)正常工作。系統(tǒng)采用5 V電源驅動2個MOSFET的DC—DC調整器（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。

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。

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。

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，采用分頁技術來實現(xiàn)對Flash的訪問。

2.5 I2C總線

I2C（Inter－Integrated Circuit）總線是由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備。是微電子通信控制領域廣泛采用的一種總線標準。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點。由于連接到I2C 總線的器件有不同種類的工藝（CMOS、NMOS、雙極性），邏輯0（低）和邏輯1（高）的電平不是固定的，它由電源VCC的相關電平?jīng)Q定，每傳輸一個數(shù)據(jù)位就產(chǎn)生一個時鐘脈沖。

I2C總線由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構成串行總線，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)；結束信號：SCL為低電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送數(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。

DM642集成有一條I2C總線。DM642為總線的主設備。系統(tǒng)用I2C總線連接了以下從設備：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總線的從設備均對應一個從設備地址，I2C總線以此從設備地址區(qū)分所訪問的是哪個從設備。DM642通過I2C總線配置上述器件的寄存器。

2.6 網(wǎng)絡接口

DM642的網(wǎng)絡接口由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)調試

3.1 視頻通道的驅動

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，可以調用FWID API函數(shù)，實現(xiàn)對視頻通道的驅動。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)，用結構體的形式打包，并將指向該結構體的指針傳送給mini—driver進行處理；FVID_Attrs *attrs：FVID_Attrs結構參數(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以數(shù)字格式存儲的圖像信號在RAMDAC里經(jīng)過模擬調制成模擬高頻信號，然后再輸出到顯示設備成像。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換函數(shù)，或者調用TI img64.lib庫中的IMG_ycbcr422p_rgb565函數(shù)實現(xiàn)視頻格式的轉換。

3.3 程序從Flash的引導

在系統(tǒng)上調試程序時，利用仿真器把程序下載到SDRAM內執(zhí)行。當程序調試完畢應用時，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的片內內存起始地址為O的地址空間。然后釋放CPU，使其從0地址開始運行程序。

Flash燒寫根據(jù)不同的硬件設計，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.asm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)上電后程序將自動執(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。

4 結語

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接口，減小了系統(tǒng)硬件設計的復雜度，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。