基于TMS320VC5416和S3C4510B芯片實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前將攝像機(jī)拍攝的圖像傳送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行播放?處理主要有兩種方式：一是通過(guò)圖像采集卡;二是利用攝像機(jī)自帶的USB接口?第一種方式雖然可以保證圖像采集的實(shí)時(shí)性，但不能脫離計(jì)算機(jī)單獨(dú)工作，應(yīng)用領(lǐng)域有局限性;后一種方式在圖像傳輸實(shí)時(shí)性和圖像播放質(zhì)量上又不盡人意?隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)直接嵌入到攝像機(jī)中成為可能?本文介紹一種基于DSP芯片和嵌入式微控制器的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)?該系統(tǒng)內(nèi)部集成了圖像傳感芯片和數(shù)字圖像處理芯片，不需要借助計(jì)算機(jī)，直接連接到互聯(lián)網(wǎng)上（見(jiàn)圖1），向互聯(lián)網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)傳輸高質(zhì)量的實(shí)時(shí)視頻圖像，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信狀況和計(jì)算機(jī)的命令改變傳輸圖像的分辨率和幀率等指標(biāo)?該系統(tǒng)硬件集成度高?圖像傳輸實(shí)時(shí)性好?操作簡(jiǎn)單?控制靈活?

該系統(tǒng)包括兩大部分：圖像處理模塊和NetMCU模塊?系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖2?由圖像處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)圖像進(jìn)行采集和壓縮，先將模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變成YUV格式的數(shù)字信號(hào)，然后由DSP芯片按照J(rèn)PEG標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圖像壓縮編碼?Ne tMCU模塊將接收到的壓縮圖像數(shù)據(jù)按TCP/IP協(xié)議打包，發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)上，并接收計(jì)算機(jī)傳來(lái)的控制命令，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置?以下分別介紹各個(gè)模塊的工作原理和軟件設(shè)計(jì)方法?

1 圖像處理模塊

1.1 芯片介紹

圖像采集芯片采用OmniVision公司的CMOS彩色圖像傳感器OV6620?在它內(nèi)部集成了一個(gè)356×292的彩色圖像陣列?該圖像傳感器能對(duì)所拍攝的圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括自動(dòng)曝光控制?自動(dòng)白平衡調(diào)節(jié)?gamma校正?自動(dòng)圖像增強(qiáng);并可通過(guò)與DSP芯片相連的串行通信接口，對(duì)傳感器內(nèi)部的92個(gè)寄存器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置?

圖像壓縮芯片采用TI公司的TMS320VC5416定點(diǎn)運(yùn)算數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），其內(nèi)部采用一種改進(jìn)型的哈佛總線結(jié)構(gòu)（一條程序總線，三條數(shù)據(jù)總線），數(shù)據(jù)總線寬度為16bit?分開(kāi)的數(shù)據(jù)和指令空間使該芯片具有高度的并行操作能力，在單周期內(nèi)允許指令和數(shù)據(jù)同時(shí)存取，再加上其高度優(yōu)化的指令集，使得該芯片具有很高的運(yùn)算速度，最高可達(dá)160MIPS?

VC5416芯片的外部程序存儲(chǔ)空間為8M×16bits，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間為64K×16bits?在芯片內(nèi)部還集成了128K×16bits片上存儲(chǔ)器?該芯片具有多種片上外部設(shè)備單元，包括一個(gè)16位計(jì)時(shí)器，一個(gè)6通道DMA傳輸控制器，三個(gè)帶緩沖器的串行通信接口（McBSP）和一個(gè)8/16位的主機(jī)通信接口（HPI8/16）?

1.2 功能介紹

圖像處理模塊主要負(fù)責(zé)模擬圖像的采集?數(shù)字化?壓縮等工作?首先，在系統(tǒng)加電運(yùn)行后，由NetMCU模塊對(duì)VC5416芯片復(fù)位，然后VC5416芯片運(yùn)行固化在芯片內(nèi)的BootLoader程序，將存儲(chǔ)在外部程序存儲(chǔ)器上的應(yīng)用程序復(fù)制到內(nèi)部存儲(chǔ)器中，并開(kāi)始運(yùn)行應(yīng)用程序?應(yīng)用程序的任務(wù)主要有以下三個(gè)方面：

（1）通過(guò)VC5416芯片的1號(hào)串行通信接口（McBSP1）對(duì)OV6620的內(nèi)部寄存器進(jìn)行參數(shù)配置?主要參數(shù)包括：將輸出圖像分辨率設(shè)置為352×288，將輸出圖像幀的速率設(shè)置為25幀/秒，將數(shù)字圖像的輸出格式設(shè)置為YUV分量4:2：2格式?

（2）將OV6620芯片輸出的圖像數(shù)據(jù)利用JPEG算法進(jìn)行數(shù)字圖像壓縮?在本設(shè)計(jì)中采用一種改進(jìn)的JPEG算法［4］?將二維DCT變換分解成兩次一維快速DCT變換?對(duì)8×8象素塊的DCT變換，共需176次乘法和464次加法，比標(biāo)準(zhǔn)DCT算法的1024次乘法和896次加法在運(yùn)算速度上有極大提高?

（3）VC5416芯片通過(guò)與NetMCU模塊相連的0號(hào)串行通信接口（Mc BAP0），接收改變傳輸圖像的分辨率?幀速?曝光時(shí)間等參數(shù)的命令，并及時(shí)調(diào)整OV6620芯片的內(nèi)部寄存器參數(shù)?

OV6620芯片和VC5416芯片之間存在大量的數(shù)據(jù)傳輸，因此在系統(tǒng)中采用一片ALTERA公司的FPGA（FLEX10K20）芯片作為數(shù)據(jù)傳輸接口，代替VC5416芯片管理外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)?在FPGA芯片中集成了一個(gè)512×16bits的FIFO和一個(gè)存儲(chǔ)控制器?通過(guò)OV6620芯片輸出的圖像象素移位脈沖和圖像的行?場(chǎng)同步脈沖的控制，將原始圖像數(shù)據(jù)存入FIFO中?由于JPEG圖像壓縮以8×8象素塊基本運(yùn)算單位，需要存儲(chǔ)控制器將FIFO中以行順序輸入的原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)地址調(diào)整，變換成按8×8像素塊順序存入外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)?同時(shí)，由于受VC5416芯片的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)容量的限制，存儲(chǔ)控制器將一幀原始圖像數(shù)據(jù)分成上下兩個(gè)半?yún)^(qū)，各占用一個(gè)64KB地址空間?當(dāng)VC5416芯片讀數(shù)據(jù)時(shí)，存儲(chǔ)控制器會(huì)自動(dòng)在這兩個(gè)半?yún)^(qū)之間切換，使得DSP芯片能夠處理一幀圖像?

2 NetMCU模塊

2.1 芯片介紹

本系統(tǒng)采用三星公司的S3C4510B芯片作為主控制器?芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3?S3C4510B芯片集成了ARM公司的32位精簡(jiǎn)指令集處理器ARM7TDMI核?ARM7TDMI核采用馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)，使用單-32位總線傳送指令和數(shù)據(jù)，使用三級(jí)流水線操作以提高處理器執(zhí)行速度?ARM7TDMI核可以使用兩種指令集：一種是32位ARM指令集;一種是16位Thumb指令集?Thumb指令集是ARM指令集的子集，但它能提供比16位體系結(jié)構(gòu)更高的性能?比32位體系結(jié)構(gòu)更高的代碼密度?因此，Thumb指令集使ARM7TDMI核非常適合有存儲(chǔ)器寬度和代碼密度限制的嵌入式場(chǎng)合? S3C4510B芯片的存儲(chǔ)空間最大可達(dá)16M×32bits（包括程序存儲(chǔ)區(qū)?數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和I/O設(shè)備區(qū)），它內(nèi)部集成了一個(gè)存儲(chǔ)控制器，具有自動(dòng)刷新存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)和自動(dòng)插入可編程等待周期的功能，可以支持多種類型的存儲(chǔ)芯片（包括ROM?SRAM?FLASH和DRAM）?在芯片內(nèi)部還集成有8K×8bits的指令/數(shù)據(jù)Cache，采用pseudo-LRU（Least Recently Used）算法，大大提高了芯片的性能?

由于S3C4510B芯片面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，因此在芯片內(nèi)部集成了一個(gè)以太網(wǎng)控制器?該控制器工作于MAC層，完全兼容IEEE802.3協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)?它能運(yùn)行于10Mbps/100Mbps模式?該控制器包括一個(gè)接收/發(fā)送單元?一個(gè)流控制器?一個(gè)用于存放網(wǎng)絡(luò)地址的內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)單元和一系列命令/狀態(tài)寄存器?

2.2 功能介紹

S3C4510B芯片作為系統(tǒng)的主控制芯片，負(fù)責(zé)控制嵌入式網(wǎng)絡(luò)數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)的正常工作，包括將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)按照TCPIP協(xié)議發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)上并接收計(jì)算機(jī)的命令修改系統(tǒng)工作參數(shù)等?

系統(tǒng)加電后，S3C4510B芯片自動(dòng)從地址0x00處運(yùn)行系統(tǒng)程序?系統(tǒng)程序首先初始化異常向量表，之后初始化1K×32bits的系統(tǒng)堆棧區(qū)，用于存放出現(xiàn)異常情況（中斷）時(shí)的寄存器值?然后，系統(tǒng)程序設(shè)置系統(tǒng)正常工作時(shí)的各個(gè)存儲(chǔ)區(qū)起始地址及存儲(chǔ)區(qū)容量，將地址0x00000~0x7FFFF共512K×32bits范圍作為程序存儲(chǔ)區(qū)（ROM），用于存放系統(tǒng)程序和用戶程序;將地址0x1000000~0x10FFFFF共1M×32bits作為程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)（RAM），又將該段存儲(chǔ)區(qū)分為用戶程序段?用戶堆棧段和用戶數(shù)據(jù)段;將片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)地址映射到0x3FE0000~0x3FEFFFF;將特殊寄存器區(qū)地址映射到0x3FF0000~0x3FFFFFF?最后系統(tǒng)程序設(shè)置片內(nèi)寄存器的值，初始化S3C4510BS3C4510B芯片的各個(gè)外部接口，包括異步串行通信接口（UART）?計(jì)時(shí)器?可編程I/O口?以太網(wǎng)控制器等?在系統(tǒng)初始化結(jié)束后，自動(dòng)進(jìn)入用戶模式，執(zhí)行用戶程序?

在用戶模式下，攝像系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器?根據(jù)用戶程序設(shè)置的MAC地址和IP地址，接收來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)中計(jì)算機(jī)發(fā)出的請(qǐng)求信號(hào)?當(dāng)系統(tǒng)收到請(qǐng)求信號(hào)后，用戶程序立即在本地與計(jì)算機(jī)建立TCP連接?將待傳輸?shù)囊粠瑝嚎s圖像數(shù)據(jù)首先按TCP協(xié)議封裝成TCP數(shù)據(jù)報(bào)，然后交付給IP層子程序封裝成IP數(shù)據(jù)報(bào)，最后由S3C4510B芯片內(nèi)的MAC控制器將其拆分封裝成幀并發(fā)送到目的計(jì)算機(jī)上?當(dāng)有多個(gè)計(jì)算機(jī)用戶發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，用戶程序會(huì)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中設(shè)置一個(gè)用戶列表，自動(dòng)根據(jù)各個(gè)計(jì)算機(jī)的IP地址和建立連接時(shí)的端口號(hào)分別發(fā)送圖像數(shù)據(jù)?圖4顯示了用戶程序與一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)送和接收TCP/IP數(shù)據(jù)報(bào)的流程圖?目的計(jì)算機(jī)將接收到的TCP/IP數(shù)據(jù)報(bào)解封，恢復(fù)成JPEG壓縮圖像幀，再解壓縮，完成視頻圖像流的接收和播放?

用戶程序在發(fā)送數(shù)據(jù)幀的同時(shí)，會(huì)根據(jù)圖像數(shù)據(jù)發(fā)送的速度及網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況，自動(dòng)通過(guò)異步串行通信接口（UART0）向VC5416VC5416芯片發(fā)送控制信號(hào)，及時(shí)改變圖像采集和壓縮的速率?本系統(tǒng)在發(fā)送視頻數(shù)據(jù)的同時(shí)，還能夠接收來(lái)自計(jì)算機(jī)的控制命令?根據(jù)不同的控制命令，系統(tǒng)也可以完成對(duì)圖像分辨率?圖像幀速率等指標(biāo)的調(diào)節(jié)?

本文介紹的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)目前運(yùn)行于評(píng)估板平臺(tái)上，下一步將繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)的集成和優(yōu)化并最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化?由于該設(shè)計(jì)方案采用高性能的32位微控制器和多個(gè)通用可編程器件（FPGA和DSP），因此該系統(tǒng)能夠支持VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和更為復(fù)雜的應(yīng)用程序?而且軟件和硬件設(shè)計(jì)只需稍加改進(jìn)就能實(shí)現(xiàn)無(wú)線聯(lián)網(wǎng)，使得數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)能在移動(dòng)中傳輸實(shí)時(shí)圖像?該網(wǎng)絡(luò)數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)具有硬件集成度高?圖像傳輸實(shí)時(shí)性好?操作簡(jiǎn)單?維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)?可以用于電視會(huì)議?電訊基站?智能樓宇?銀行的保安監(jiān)控以及交通違章和流量管理等?

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