基于TMS320DM355高清紅外攝像機(jī)設(shè)計(jì)

摘要：為了能夠在低光照強(qiáng)度情況下，獲得高清圖像，達(dá)到夜晚監(jiān)控的目的，采用嵌入式設(shè)計(jì)方法，根據(jù)具體的應(yīng)用需求，選擇低照度高、解析度的CCD芯片KAI-1010以及與之相匹配的時(shí)序產(chǎn)生芯片KSC-1000設(shè)計(jì)圖像采集模塊，實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換；采用AD9945芯片。完成采集到的模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換；將獲得的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)主處理芯片TMS320DM355進(jìn)行圖像前端處理及后端處理后，送到網(wǎng)絡(luò)接口芯片DM9000A，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)在上位機(jī)實(shí)時(shí)獲取視頻圖像。
關(guān)鍵詞：TMS320DM355；紅外夜視；高清攝像機(jī)；CCD

0 引言
    隨著網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)視頻越來(lái)越貼近人們的生活，高清網(wǎng)絡(luò)視頻的需求也在不斷提升。高清視頻會(huì)議、高清視頻電話、高清視頻監(jiān)控等都提出了視頻的高清需求。數(shù)字視頻系統(tǒng)可以在同樣的信道上傳輸更多的視頻，而且可以利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，與計(jì)算機(jī)多媒體處理相結(jié)合，便于分析處理、存儲(chǔ)和顯示。特別是采用了以太網(wǎng)通信的網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)，更具有經(jīng)濟(jì)，組網(wǎng)靈活，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。
    人們生活水平的提高，安全防范意識(shí)也在逐漸增強(qiáng)，高清智能分析攝像機(jī)在小區(qū)監(jiān)控和家庭監(jiān)控中也將起到越來(lái)越重要的作用，一方面它可以改善家庭周圍的安全狀況，防范盜賊起到重要作用；另外，它提供的資料可以用來(lái)作為事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的證明，對(duì)公安機(jī)關(guān)破案提供最有力的證據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)24 h監(jiān)控，低照度紅外攝像機(jī)已經(jīng)應(yīng)用在監(jiān)控場(chǎng)合，但是目前高清紅外攝像機(jī)的成本相對(duì)較高。因此設(shè)計(jì)低成本、高效益的高清攝像機(jī)，具有現(xiàn)實(shí)的意義。
    高清攝像機(jī)的使用，可以為智能分析和數(shù)據(jù)挖掘功能的價(jià)值體現(xiàn)提供原始圖像基礎(chǔ)。高清攝像機(jī)的使用，必然需要大量的存儲(chǔ)空間，以存儲(chǔ)大量的高清圖片。目前高清監(jiān)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題之一是較多的無(wú)用視頻信息也被存儲(chǔ)、傳輸，既浪費(fèi)了存儲(chǔ)空間，又增加了帶寬壓力，而采用智能分析后，對(duì)于這些無(wú)用視頻則可采用低碼流方式進(jìn)行壓縮或存儲(chǔ)，以節(jié)省存儲(chǔ)空間和減少帶寬壓力。

1 硬件總體設(shè)計(jì)
    在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)功能進(jìn)行以下幾個(gè)模塊設(shè)計(jì)：CCD模塊、視頻編解碼模塊、TMS320DM355(簡(jiǎn)稱DM355)模塊、存儲(chǔ)模塊、以太網(wǎng)電路模塊、USB接口模塊等，硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

    高清晰度攝像機(jī)前端CCD圖像傳感器選擇的是1／3英寸KAI-1010總像素100萬(wàn)。網(wǎng)絡(luò)部分采用以太網(wǎng)收發(fā)器與DM355直接相聯(lián)。系統(tǒng)上電后，固化在FLASH中的軟件代碼通過(guò)引導(dǎo)程序自動(dòng)裝載到SDRAM和DM355片上內(nèi)存中的指定地址，然后運(yùn)行軟件，完成對(duì)各硬件單元的初始化(如對(duì)DSP，CCD傳感器，PHY等芯片的初始化配置)。CCD傳感器配置正確并啟動(dòng)后開(kāi)始采集視頻數(shù)據(jù)；視頻數(shù)據(jù)通過(guò)DM355的視頻端口進(jìn)入DSP；DSP對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼(MPEG4，JPEG)，UDP打包，最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)到用戶監(jiān)控端。
1．1 多媒體處理芯片DM355
    高清攝像機(jī)的核心是高性能的數(shù)字多媒體處理芯片，DM355是TI公司推出的面向便攜式高清視頻應(yīng)用的新型低成本、低功耗的達(dá)芬奇(DaVinci)數(shù)字處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)720P高清MPEG4編碼和解碼，支持30 f／s實(shí)時(shí)視頻處理，編碼解碼能力可達(dá)每秒5 000萬(wàn)像素，其內(nèi)核包含ARM9處理器和MJCP協(xié)處理器，有前端和后端的視頻處理子系統(tǒng)，可支持CCD控制器預(yù)覽、圖像縮放等功能。VPSS+MJCP可以提供相當(dāng)于640M DSP處理能力，以實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的控制，也可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。
    DM355作為Davinci系列雙核數(shù)字媒體處理器，不僅具有ARM926E處理器，基于Linux操作系統(tǒng)方便地管理和控制整個(gè)芯片的外設(shè)，而且為便捷地實(shí)現(xiàn)多媒體功能，DM355的外圍設(shè)備集成了非常豐富的視頻和網(wǎng)絡(luò)通信接口。[!--empirenews.page--]
1．2 視頻數(shù)據(jù)采集、處理和輸出設(shè)計(jì)
    CCD采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)多媒體處理器的視頻前端處理(預(yù)覽引擎、直方圖模塊、圖像縮放模塊和自動(dòng)聚焦／曝光／白平衡等模塊)后，將數(shù)據(jù)送到視頻后端處理，然后經(jīng)過(guò)DM9000A芯片處理后，通過(guò)RG45接口傳送到網(wǎng)絡(luò)上或者存儲(chǔ)到磁盤中，全過(guò)程如圖2所示。

    自然界的圖像從鏡頭折射后，進(jìn)入到CCD感光器上，CCD感光器將收集到的信息轉(zhuǎn)換為RGB貝爾模板格式，傳送給DM355的視頻處理前端預(yù)覽引擎，并將圖像數(shù)據(jù)由RGB貝爾模板格式轉(zhuǎn)換為YUV422格式，通過(guò)視頻處理前端的直方圖模塊，可以統(tǒng)計(jì)計(jì)算出原始圖像的信息，用于圖像處理和圖像內(nèi)容的識(shí)別。自動(dòng)聚焦／曝光／白平衡模塊，也可以根據(jù)直方圖模塊統(tǒng)計(jì)計(jì)算的結(jié)果做相應(yīng)的調(diào)節(jié)操作。為了看到高清視頻演示，在輸出接口前外接選用合適的提幀擴(kuò)展芯片THS8200，用來(lái)支持HDTV的720p格式的信號(hào)輸出。
    DM355通過(guò)EMIF接口與DM9000A芯片相聯(lián)，DM355與DM9000A之間的數(shù)據(jù)傳輸采用默認(rèn)的FIFO模式。系統(tǒng)上電時(shí)，DM355主芯片通過(guò)I2C總線配置DM9000A內(nèi)部寄存器，初始化DM9000A；初始化完畢，DM9000A進(jìn)入數(shù)據(jù)收發(fā)等待狀態(tài)；DM355處理完視頻數(shù)據(jù)后，將視頻數(shù)據(jù)打包成UDP數(shù)據(jù)包，并通過(guò)總線將發(fā)送到DM9000A的數(shù)據(jù)發(fā)送緩存中，然后將數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等信息填充到DM9000A的相應(yīng)寄存器內(nèi)，當(dāng)使能信號(hào)到達(dá)時(shí)，開(kāi)始，發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)DM9000A接收到外部網(wǎng)絡(luò)送來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢測(cè)收到的數(shù)據(jù)幀是否合法，若存在幀頭標(biāo)志有誤，則丟棄幀數(shù)據(jù)，否則緩存到內(nèi)部RAM，并通過(guò)中斷標(biāo)志位通知DM355，由DM355對(duì)DM9000A接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
1．3 電源模塊設(shè)計(jì)
    電源模塊的主要功能是為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到各個(gè)芯片的供電需求，將供電電壓設(shè)置為1．3 V，1．8 V，3．3 V，5 V共4種電平的供應(yīng)。在DM355系統(tǒng)中采用電源和休眠控制器控制電源和始終的開(kāi)／關(guān)或重啟。在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用到了電容的去耦和旁路，以防止能量從一個(gè)電路傳到另一個(gè)電路，進(jìn)而提供配電系統(tǒng)的質(zhì)量。
1．4 DM355存儲(chǔ)電路和接口控制邏輯設(shè)計(jì)
    視頻處理主模塊以DM355以及輔助外設(shè)共同完成高清晰視頻的MPEG-4編碼，NAND FLASH用于保存U-Boot，Linux操作系統(tǒng)以及Ramdisk文件系統(tǒng)，還包括JTAG調(diào)試接口、異步外設(shè)存儲(chǔ)器接口。
    為使DM355能夠快速可靠的運(yùn)行，設(shè)計(jì)中采用了SDRAM和FLASH的外圍存儲(chǔ)方式。SDRAM利用單一的系統(tǒng)時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)進(jìn)行同步，可以顯著地提高系統(tǒng)性能，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提供高速的數(shù)據(jù)傳輸。AEMIF接口支持NAND FLASH存儲(chǔ)器，NANDFLASH片內(nèi)尋址采用26位地址形式，運(yùn)用仿真器將DDR2中一段存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)(如Bootloader)寫(xiě)到NAND FLASH存儲(chǔ)空間，并能夠被UBL讀到DDR2中運(yùn)行。

    設(shè)計(jì)中采用的NAND FLASH存儲(chǔ)器芯片，以擴(kuò)展程序存儲(chǔ)空間，它實(shí)現(xiàn)了與DM355的AEMIF接口進(jìn)行無(wú)縫連接，圖3所示為AEMIF外部引腳與NANDFLASH簡(jiǎn)化接口圖，AEMIF的地址線用于NANDFLASH的命令鎖存使能信號(hào)(CLE)和地址鎖存使能信號(hào)(ALE)，任何EMIF地址引腳都可以當(dāng)作CLE和ALE驅(qū)動(dòng)NAND FLASH，但是在本設(shè)計(jì)中NANDFLAsH主要用于保存DM355啟動(dòng)的U-Boot文件和MontaVista linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核，在啟動(dòng)操作系統(tǒng)時(shí)，CLE和ALE需要一直使用，所以選用EMIF地址引腳中的EMA[2：1]作為CLE和ALE信號(hào)，因?yàn)镋MA[2：1]沒(méi)有與其他外設(shè)引腳復(fù)用，可以用作惟一功能控制NAND FLASH。

2 結(jié)語(yǔ)
    高清晰度攝像機(jī)的在今后的日常生活中將被廣泛應(yīng)用，基于TMS320DM355高清攝像機(jī)，具有成本低，功耗小的特點(diǎn)，可用于便攜式設(shè)備，監(jiān)控等場(chǎng)合。本論文設(shè)計(jì)了高清攝像機(jī)的硬件平臺(tái)，為下面的軟件設(shè)計(jì)提供了開(kāi)發(fā)平臺(tái)。由CCD獲得原始圖像，經(jīng)過(guò)DM355芯片的處理，獲得高清數(shù)字圖像，不僅可以對(duì)提取的信號(hào)進(jìn)行分析識(shí)別，有選擇的保存重要信息，而且通過(guò)分析后，在存儲(chǔ)過(guò)程中只存儲(chǔ)有價(jià)值信息。