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本世紀以來，隨著以TI公司的TMS320C6000系列、Philips公司的Trimedia、Equator公司的BSP-15等為代表的高性能DSP的出現，由嵌入式處理器來實時高速完成大數據量的數字視頻／音頻編解碼處理成為可能，結合網絡通信技術，集可編程圖像／聲音編解碼、網絡傳輸、和自動化技術為一體的嵌入式數字視頻監控系統應運而生。以DSP為核心的嵌入式數字視頻監控系統，配合嵌入式實時操作系統，可以根據應用對功能、可靠性、穩定性、成本、體積等的綜合要求，對軟／硬件進行裁剪，以滿足視頻監控發展的數字化和網絡化的兩大需要。 本文以TMS320C6000系列DSP中的一款TMS320DM642多媒體芯片為例，來具體說明如何設計嵌入式DSP數字視頻監控系統的硬件電路。 視頻監控系統必需的硬件配置 1．一體化模擬前端 視頻監控系統的模擬前端是來自攝像機和麥克風的模擬視頻和模擬音頻信號，為了降低整個系統的成本，一般會有多路視頻和音頻信號輸入。而攝像機一般安裝在平臺上，攝像機和平臺的控制命令一般通過異步串口提供。另外，對于一個完整的視頻監控系統來說，還需要對環境進行監控，如門禁控制、報警、停車管理等，這些功能一般用數字I/O實現。 由此可見，視頻監控系統一體化模擬前端，除了需要提供多路的模擬視頻／音頻的輸入端口外，還需要為平臺控制提供標準的RS232/RS422/RS485異步串行接口，及環境監控的數字I/O。 2． 數字化 為了用微處理器實時地對輸入的視頻／音頻信號進行數字化的編／解碼處理，必須將輸入的模擬視頻／音頻信號進行數字化，這部分工作由視頻解碼器和音頻解碼器完成。每個模擬視頻輸入對應一路視頻解碼器，每個模擬音頻輸入同樣對應一路音頻解碼器。 實時處理數字視頻／音頻數據 模擬視頻／音頻信號數字化后，為了能夠對高速、實時產生的大量數據進行傳輸、存儲、回放、和分析等功能，首要的工作必須實時地完成大數據量、大計算量的數字視頻／音頻的壓縮編碼處理。數字視頻壓縮編碼算法有：MPGE 2、MPEG 4、H.263、H.264等，數字音頻壓縮算法有：G.711、G.722、G.723、G.728、G.729等。 實時完成這樣的算法需要高速的處理器來實現，高性能DSP的出現正好滿足了這一需求。另外還需要高速、大容量的存儲器作緩存。DSP與高速、大容量存儲器構成數字視頻監控系統的核心。 數據的存儲和傳輸 不同的視頻監控應用，對壓縮后的數字視頻／音頻數據的處理各不相同。對于記錄型應用，需要對壓縮后的數據進行長時間存儲，以便回溯。而對于遠程監視型應用，則需要將壓縮后的數據通過網絡進行傳輸。在數字視頻監控系統對視頻／音頻信息進行實時監視、記錄、回溯處理的同時，還需要記錄相關的時間信息，所以需要提供硬件實時時鐘。另外，為了保護數字視頻監控系統軟／硬件開發者，尤其是軟件開發者的知識產權，還必須提供安全、可靠的硬件加密措施。 TMS320DM642視頻監控系統的電路設計 TMS320DM642是TI公司在其最高性能的TMS320C64x系列DSP基礎上專門為多媒體應用而設計／開發的DSP。TMS320DM642采用TI第2代超長指令集結構（VelociTI.2）的TMS320C64x DSP內核： ·2級Cache（2×16K字節1級程序和數據Cache，256K字節2級Cache） ·支持8個8位和4個16位并行MAC運算，有利于圖像處理 ·64通道EDMA，方便高效數據傳輸 ·主頻600MHz，4800MIPS峰值處理能力，可實時處理4路CIF或1路D1 ·64位、133MHz外部存儲器接口（EMIF） 圖1 TMS320D642視頻監控模板的構成 1． TMS320DM642基本系統 TMS320DM642基本系統由TMS320DM642 + 外擴的存儲器和外設組成，而外擴的存儲器和外設均通過TMS320DM642的外部存儲器接口（EMIF）進行擴展。其次， TMS320DM642基本系統所必須的外擴資源： SDRAM：4M×64位，存放程序和緩存數字視頻／音頻數據 Flash：4M×8位，存放固化程序，以便進行ROM 引導 UART：2×8×8位，擴展2個異步串口（RS232/RS422/RS485） 板上寄存器： n×8位，若干個8位狀態／控制寄存器 ATA硬盤接口： 2×8×16位，本地大容量存儲接口 2． 視頻接口 視頻接口涉及標準模擬視頻輸入／輸出、模擬視頻信號數字化（解碼器）、數字視頻信號轉換為模擬視頻信號（編碼器）、以及視頻編碼器／解碼器如何與TMS320DM642的接口。 視頻接口的總體設計要求： 模擬視頻輸入： 4路標準PAL/NTSC復合視頻CVBS或分量視頻Y/C模擬視頻輸入。 模擬視頻輸出：1路標準PAL/NTSC復合視頻CVBS或分量視頻Y/C模擬視頻輸出，用于本地預覽或特性測試。 據此，選擇視頻解碼器和編碼器： 視頻解碼器：選用TI公司的TVP5150A，其輸入為標準的PAL/NTSC復合視頻CVBS或分量視頻Y/C模擬視頻，輸出為標準的8位BT.656數字視頻數據流。 視頻編碼器：選用Philips公司的SAA7121，其輸入為標準的8位BT.656數字視頻數據流輸入，輸出為標準的PAL/NTSC復合視頻CVBS或分量視頻Y/C模擬視頻。 TVP5150A和SAA7121均有2個外部接口，數據口：用于輸入／輸出數字視頻數據流，其中包含8/10位數據線，時鐘SCLK行／場同步控制信號HSYNC/VSYNC、FID等接口信號。控制口：用于設置視頻編／解碼器工作參數和反饋狀態信息，用I2C總線實現。 TMS320DM642的每個視頻口可配置為上（B）、下（A）2個通道，但2個通道必須同時為視頻輸入口或輸出口。VP0的A通道與McBSP0復用，VP1的A通道與McBSP1復用，VP0和VP1的B通道與McASP復用。 TMS320DM642視頻口與視頻編、解碼器的接口如圖2所示。 作為視頻輸出口時，視頻口必須要為視頻編碼器SAA7121提供視頻時鐘和行／場同步信號。視頻編、解碼器的參數配置則通過I2C總線進行，由于TVP5150A的I2C從地址只有2種選擇，所以DM642的一個I2C總線接口4片TVP5150A時，需要通過2選1開關SN74CBT3257來切換控制。 3． 音頻接口 TMS320DM642音頻接口涉及標準模擬音頻的輸入／輸出、音頻編解碼器Codec的連接問題。 音頻接口的總體設計要求： 模擬音頻輸入：4路標準麥克風輸入或立體聲模擬音頻輸入（2V有效值）。 模擬音頻輸出：1路標準立體聲模擬音頻輸出（2V有效值）。 采樣同步：音頻采樣必須與視頻采樣同步。 據此，音頻編解碼器，選用TI公司的TLV320AIC23 B，麥克風／立體聲模擬輸入／輸出，數字音頻數據流輸出／輸入。 TLV320AIC23B有2個外部接口，數據口：用于輸入／輸出數字音頻數據流，其中包含DIN、DOUT數字音頻數據流，BCLK串行位-時鐘，LRCIN、LRCOUT左右通道時鐘。控制口：用于設置音頻編解碼器工作參數和反饋狀態信息，用I2C總線實現。 還有TMS320DM642的多通道音頻接口（McASP）具有8個串行收／發引腳AXR[7:0]，所有接收引腳公用接收幀同步AFSR和時鐘ACLKR、AHCLKR信號，所有發送引腳公用發送幀同步AFSX和時鐘ACLKX、AHCLKX信號。 McASP接口與音頻Codec的連接如圖3所示。 4． 外部接口： 經TMS320DM642壓縮處理的數字視頻數據，需通過一定的外部接口進行傳輸。DM642提供3種外部接口，但它們復用引腳，每次只能配置為一種外部接口。DM642通過復位時某些特殊引腳電平的配置，可分別提供下列3種接口： * 32-位PCI接口 * 32-位HPI接口 * HPI16 + 以太網接口 為了簡化設計，HPI-32和HPI-16均借用PCI連接器與外部主機接口，并用PCI總線上的B3（GND）和B10（保留）作為3種接口的自動檢測和自動接口配置。另外，以太網接口信號與PCI或HPI-32信號在板上并存，所以這些信號需要用2選1開關SN74CBT3257來切換。還需要注意的是，DM642的PCI接口只支持+3.3V環境，為了適應+5V PCI總線環境，PCI總線與DM642之間用SN74CBTD16210和SN74CBT3245A進行電平轉換。 總結 TMS320DM642作為一款高性能／價格比、專用于多媒體應用的DSP，已被國內、外視頻應用從業者廣泛接受和采用。目前國內已有多家單位在'DM642上成功地開發了MPEG4、H.264等視頻編碼算法，單片'DM642可同時完成4路CIF格式的MPEG4或H.264，可以相信還會不斷涌現更多的算法和應用。 |
