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基于TMS320DM642的網(wǎng)絡(luò)攝像機設(shè)計

發(fā)布時間:2010-11-25 22:51    發(fā)布者:designer
網(wǎng)絡(luò)攝像機的解決方案有多種選擇,但是市場主流產(chǎn)品一般選擇兩種方案:(1)采用CPU+ASIC。(2)采用雙CPU結(jié)構(gòu),即一個嵌入式CPU和一個專用信號處理芯片DSP。受專用DSP芯片處理能力的限制,現(xiàn)有的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機中使用的視頻處理算法基本是H.263以下的標準。

本文介紹一種基于TMS320DM642 DSP的網(wǎng)絡(luò)攝像機設(shè)計方案。其操作系統(tǒng)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、音視頻處理軟件均在一顆TMS320DM642上實現(xiàn),降低了開發(fā)的難度。





圖1 網(wǎng)絡(luò)攝像機硬件原理圖




圖2 視頻接口原理圖





圖3 網(wǎng)絡(luò)接口原理圖

TMS320DM642芯片簡介

TI公司的TMS320DM642 (以下簡稱DM642)是一款專門面向多媒體應(yīng)用的專用DSP。該DSP時鐘高達600MHz,8個并行運算單元,處理能力達4800MIPS;采用二級緩存結(jié)構(gòu);具有64位外接存儲器接口;兼容IEEE-1149.1(JTAG)邊界掃描;為了面向多媒體應(yīng)用,還集成了3個可配置的視頻端口、面向音頻應(yīng)用的McASP(Multi Channel Audio Serial Port)、10/100Mb/s的以太網(wǎng)MAC等外設(shè)。鑒于DM642的上述優(yōu)點,本網(wǎng)絡(luò)攝像機系統(tǒng)就以DM642為核心,完成音視頻信號的實時采集、壓縮及傳輸功能。

硬件設(shè)計

系統(tǒng)電路組成如圖1所示。從攝像機輸入的視頻信號和從麥克風(fēng)輸入的音頻信號經(jīng)采集、A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送入DSP。DSP在信源處對音視頻信號進行壓縮編碼和合流,然后通過局域網(wǎng)或因特網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給視頻監(jiān)控中心。監(jiān)控中心可同時監(jiān)視多個現(xiàn)場,接收或發(fā)送報警信號,并根據(jù)需要通過異步串行總線RS-485實時控制云臺,調(diào)整攝像頭的方向和位置。

視頻采集電路

本系統(tǒng)采用的視頻解碼芯片是Philips 公司的SAA7115。從模擬視頻輸入口輸入的全電視信號在SAA7115內(nèi)部經(jīng)過鉗位、抗混疊濾波、A/D轉(zhuǎn)換、YUV分離電路之后,在YUV到Y(jié)CrCb的轉(zhuǎn)換電路中轉(zhuǎn)換成BT.656視頻數(shù)據(jù)流,輸入到壓縮核心單元DM642中。DM642的3個視頻口VP0、VP1、VP2與視頻編解碼芯片相接。

在本系統(tǒng)中,只有一路視頻輸入,故VP1、VP2端口未用,VP0通道配置為8位BT.656視頻輸入口。視頻數(shù)據(jù)的行/場同步信號包含在BT.656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流的EAV(end of active video)和SAV(start of active video)時基信號中,視頻口只需視頻采樣時鐘和采樣使能信號即可。SAA7115內(nèi)部寄存器參數(shù)的配置和狀態(tài)的讀出通過I2C總線進行。視頻接口的原理如圖2所示。

音頻輸入/輸出電路

本系統(tǒng)采用TI的高性能立體聲編解碼器TLV320AIC23(以下簡稱AIC23)實現(xiàn)音頻信號的采集和播放。AIC23與DM642 的I/O電壓兼容,可以實現(xiàn)與DM642的McASP接口無縫連接。

在本系統(tǒng)中,AIC23工作于主模式,左右聲道的采樣字寬均為16bit。數(shù)據(jù)接口為DSP mode模式。通過I2C總線設(shè)置內(nèi)部寄存器的工作參數(shù)和反饋狀態(tài)信息。

因為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓逃刑攸c,音頻數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)攝像機端到達監(jiān)控中心不可能是均勻的,如果網(wǎng)絡(luò)攝像機端不做任何糾正處理,則很難保證音視頻的同步輸出。為了實現(xiàn)音頻和視頻的采樣同步,本文利用鎖相環(huán)PLL1708,從SAA7115的LLC引腳輸出27MHz時鐘,經(jīng)PLL1708產(chǎn)生AIC23的主時鐘MCLK。由于音視頻采樣信號采用同一個時鐘源,就不會出現(xiàn)音視頻不同步的問題。PLL1708的SCKO3引腳輸出默認時鐘頻率18.433MHz,作為AIC23的輸入主時鐘MCLK。AIC23內(nèi)部采用的時鐘可通過設(shè)置寄存器由主時鐘MCLK分頻得到。

以太網(wǎng)接口電路

本系統(tǒng)用LXT971作為快速以太網(wǎng)物理層自適應(yīng)收發(fā)器。由于LXT971支持IEEE 802.3標準,提供MII(media independent interface)接口,可以支持MAC,而DM642內(nèi)部正好集成有以太網(wǎng)媒體存取控制器,所以LXT971可以和DM642實現(xiàn)無縫連接。連接電路如圖3所示,其中BH1102為1:1的隔離變壓器。從DM642傳輸過來的數(shù)據(jù)通過LXT971轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)物理層能接收的數(shù)據(jù)后,通過RJ-45頭傳輸?shù)揭蛱鼐W(wǎng)。

存儲器擴展電路

DM642內(nèi)部有16KB的一級程序緩存,16KB的一級數(shù)據(jù)緩存和256KB的程序數(shù)據(jù)共享二級緩存。但這對于直接處理圖像數(shù)據(jù)是不夠的,因此擴展了兩片32MB的SDRAM來存放原始圖像數(shù)據(jù),4 MB的FLASH來存放應(yīng)用程序。二者都映射到DM642的外部數(shù)據(jù)空間。

CPLD電路

本系統(tǒng)采用的CPLD是Xilinx公司的XC9572XL。該芯片具有72個宏單元,1600個邏輯門; 5ns pin-to-pin的邏輯延遲; 178MHz的系統(tǒng)頻率。CPLD的功能主要是:為FLASH 、UART和CPLD 異步寄存器空間作地址解碼;為FLASH產(chǎn)生3bit的頁選信號;監(jiān)控來自UART的電平中斷信號,轉(zhuǎn)換為邊沿觸發(fā)中斷信號送給DSP。

RS-485接口電路

該接口連接到攝像機的云臺,用來控制云臺的轉(zhuǎn)動,調(diào)整攝像頭的方向和位置。RS-485總線抗干擾能力強,能實現(xiàn)多站點遠距離通信。本壓縮卡擬采用UART芯片SC16C550和MAXIM公司的MAX487E來實現(xiàn)RS-485信號的傳輸。SC16C550主要功能是把DSP傳送過來的并行信號轉(zhuǎn)換為串行信號。SC16C550內(nèi)部的接收器和發(fā)送器各有16B的FIFO,能處理的串行信號的速率高達3Mbps。MAX487E是RS-485總線接口芯片,可以工作在全雙工、半雙工模式。傳輸速率可達2.5Mbps。

電源電路

整個壓縮卡用一個5V的直流變壓器供電。由這個5V的電壓器產(chǎn)生1.4V和3.3V電壓分別給DSP內(nèi)核和 I/O端口供電,產(chǎn)生另外一個3.3V給視頻編解碼及其他芯片供電。注意這兩個3.3V電源要分開設(shè)計,以免電源噪聲相互干擾。


由于DSP需要兩種電壓,所以要考慮供電系統(tǒng)的配合問題。加電過程中,應(yīng)當保證內(nèi)核電源先上電,最晚也應(yīng)當與I/O電源一起加。關(guān)閉電源時,先關(guān)閉內(nèi)核電源,再關(guān)閉I/O電源。講究供電次序的原因在于:如果僅CPU內(nèi)核獲得供電,周邊I/O沒有供電,對芯片不會產(chǎn)生損害,只是沒有輸入/輸出能力而已。如果反過來,周邊I/O得到供電而CPU內(nèi)核沒有加電,那么芯片緩沖/驅(qū)動部分的晶體管將在一個未知狀態(tài)下工作,這是非常危險的。

為了解決這個問題,本文采用了開關(guān)電源芯片TPS54310PWP,把1.4V模塊的電源輸出有效引腳PG(power good)連接到3.3V模塊的允許電壓輸入引腳EN 。這樣,只有當1.4V電壓有效之后,3.3V電壓才開始上電,這就保證了DM642的內(nèi)核電壓先于I/O電壓上電。

軟件設(shè)計

在本系統(tǒng)中,圖像壓縮采用H.264標準。H.264具有很高的編碼效率,在相同的重建圖像質(zhì)量下,能夠比H.263節(jié)約50%左右的碼率。H.264的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強,增加了差錯恢復(fù)能力,能夠很好地適應(yīng)IP和無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。音頻編解碼采用G.729算法。網(wǎng)絡(luò)傳輸采用RTP/RTCP協(xié)議以及組播方式,這樣可以保證傳送的質(zhì)量。在操作系統(tǒng)方面,采用基于DSP/BIOS 的TI 參考架構(gòu)5(RF5)。基于RF5操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序模塊主要包括:音視頻采集模塊、壓縮編碼模塊、UART控制模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。

結(jié)語

本方案能在一顆DM642芯片上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攝像機的幾乎全部功能,能對音視頻進行實時的編解碼和實時的網(wǎng)絡(luò)傳輸。圖像質(zhì)量高、開發(fā)難度低、易于升級,是一種比較理想的網(wǎng)絡(luò)攝像機解決方案,可廣泛應(yīng)用于視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。
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