采用TMS320DM642與VP5150芯片實(shí)現(xiàn)節(jié)能型視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)越來越多地走進(jìn)人們的生活， 系統(tǒng)節(jié)能也是電子系統(tǒng)必須考慮的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)一個(gè)少有人出入的場(chǎng)合， 采用不間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)控不僅沒有必要，也會(huì)浪費(fèi)很多的電能。針對(duì)這種情況， 本文設(shè)計(jì)了一個(gè)無人值守的智能監(jiān)控終端。在沒有人進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域時(shí)，監(jiān)控終端處于低能耗的休眠狀態(tài)； 當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到有人進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域時(shí)， 終端被喚醒并開始攝像， 同時(shí)將處理后的視頻信號(hào)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心， 為中心值班人員提供判斷依據(jù)。對(duì)于出入人員較少的場(chǎng)合， 利用該監(jiān)控終端可以有效減少系統(tǒng)能耗， 減少傳輸、保存的數(shù)據(jù)量， 而且不會(huì)錯(cuò)過監(jiān)控對(duì)象。

1 終端工作原理及總體框圖

終端的總體框圖如圖1 所示， 在沒有人員進(jìn)入監(jiān)控區(qū)時(shí)， 系統(tǒng)處于休眠、節(jié)能狀態(tài)， 當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到有人員進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域時(shí)， 產(chǎn)生外部中斷， 中央處理器TMS320DM642 在接收到外部中斷時(shí)立即啟動(dòng)各模塊進(jìn)行圖像的采集、處理、傳輸?shù)取?/p>

圖1 終端原理框圖

2 終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 中央處理器的選擇

由于終端要處理的數(shù)據(jù)量大， 實(shí)時(shí)性強(qiáng)， 所以采用多媒體處理芯片TMS320DM642( 以下簡(jiǎn)稱為DM642) 。該芯片是TI 公司C6000 系列DSP 中較新的32 位定點(diǎn)DSP ， 工作頻率由內(nèi)部倍頻器設(shè)置， 可以達(dá)500 MHz 、600 MHz 或720 MHz ， 每秒可執(zhí)行指令數(shù)4 000 、4 800 、5 760 MIPS 。DM642 采用TI 公司第2 代增強(qiáng)型超長(zhǎng)指令集， 它的EMIFA 接口數(shù)據(jù)總線寬度為64 位， 最高存取頻率133 MHz ， 可直接與大容量、低成本的SDRAM 芯片無縫連接。DM642 帶有3 個(gè)雙通道(A，B 兩通道)數(shù)字視頻口， 可同時(shí)處理多路數(shù)字視頻流。DM642 擁有I2C 接口， 可以與外部I2C 設(shè)備通信， 用來配置外部I2C 設(shè)備的寄存器，DM642 的網(wǎng)口(EMAC 接口) 、PCI 口和HPI 口共享引腳。因其處理性能強(qiáng)， 外圍接口多而靈活， 在機(jī)器視覺、醫(yī)學(xué)成像、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控、數(shù)字廣播等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2 紅外傳感信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)

為了節(jié)約電能， 本終端采用紅外傳感器來檢測(cè)監(jiān)控區(qū)域有無人員進(jìn)入， 只在有人員進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域時(shí)， 終端才進(jìn)入圖像采集、處理、傳輸狀態(tài)。本設(shè)計(jì)采用BISS0001芯片為熱釋電紅外傳感信號(hào)處理核心元件， 其應(yīng)用電路如圖2 所示。

圖2 紅外信號(hào)處理電路

圖2 中，7805 為三端穩(wěn)壓集成電路， 為信號(hào)處理電路提供電源。BISS0001 芯片的第9 引腳為觸發(fā)控制信號(hào)Vc的輸入腳， 工作中應(yīng)當(dāng)保證輸入電壓Vc>VR ( 通常：

VR=0.2VCC)， 可以通過調(diào)節(jié)電阻R3來達(dá)到目的。當(dāng)有行人進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域時(shí)， 熱釋電紅外傳感器PIR 將檢測(cè)到的人體發(fā)出的紅外線轉(zhuǎn)化為電信號(hào)， 并將其送到BISS0001內(nèi)部， 信號(hào)經(jīng)BISS0001 處理后由2 腳輸出， 輸出Vo為低電平到高電平的跳變。如果BISS0001 工作在有效狀態(tài)不可重復(fù)觸發(fā)的情況下(即圖2 中S1 接低電平)， 高電平的持續(xù)時(shí)間為Ts (Ts=49 152 R1C1)， 在Ts時(shí)間段結(jié)束時(shí)，輸出Vo即刻由高電平進(jìn)入低電平并被封鎖Ti (Ti =24R2C2 ) 時(shí)長(zhǎng)； 對(duì)于有效狀態(tài)可重復(fù)觸發(fā)的情況來講( 即圖2 中S1 接高電平)， 如果在前一Ts時(shí)間段內(nèi)， 輸入的變化使得輸出有效狀態(tài)再次觸發(fā)， 則Vo高電平信號(hào)將從此刻算起再持續(xù)一個(gè)Tx時(shí)長(zhǎng)， 之后才轉(zhuǎn)換為低電平并進(jìn)入封鎖時(shí)間Ti。在封鎖時(shí)間內(nèi)， 即使由于負(fù)載的切換而引入的干擾也不會(huì)改變輸出Vo的狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中讓S1 接高電平， 紅外傳感信號(hào)處理電路的輸出信號(hào)Vo作為DM642 的外部中斷信號(hào)， 將Vo與DM642 的GP[5:4]

連接， 同時(shí)也作為TVP5150 芯片的節(jié)電模式輸入控制信號(hào)， 如圖2 所示。

2.3 圖像采集模塊的設(shè)計(jì)

對(duì)于圖像采集模塊， 本設(shè)計(jì)采用TI 公司的TVP5150作為解碼芯片。TVP5150 是一款超低功耗的解碼芯片，正常操作時(shí)的功耗只有113 mW， 節(jié)電模式下功耗為1 mW， 并支持PAL/NTSC/SECAM 等格式， 它能將攝像頭所采集到的模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為YUV4:2:2 格式的ITU-R BT.656 數(shù)字信號(hào)， 它可以接收2 路復(fù)合視頻信號(hào)(CVBS) 或1 路S -Video 信號(hào)， 通過I2C 總線設(shè)置內(nèi)部寄存器， 可以選擇輸出8 位4:2:2 的ITU-R BT.656 數(shù)字信號(hào)( 同步信號(hào)內(nèi)嵌)， 以及8 位4:2:2 的ITU-R BT.601 信號(hào)(同步信號(hào)分離， 單獨(dú)引腳輸出)。TVP5150 與DM642 的硬件連接如圖3 所示。

圖3 TVP5150 與DM642 硬件連接圖

TVP5150 芯片的AIP1A 和AIP1B 為模擬信號(hào)的輸入端， 該引腳需接0.1～1 μF 的濾波電容，HSYNC 為行同步信號(hào)的輸出引腳。由于本設(shè)計(jì)采用了同步信號(hào)內(nèi)嵌的ITU-R BT.656 格式， 所以該引腳未與DM642 相關(guān)引腳相連接。PND 引腳為省電模式的控制信號(hào)輸入端， 低電平有效， 與紅外傳感信號(hào)處理電路的輸出信號(hào)Vo連接，當(dāng)監(jiān)控區(qū)域無行人走動(dòng)時(shí)，Vo為低電平， 這將使TVP5150 芯片進(jìn)入省電模式。YOUT[6:0] 為BT.656/YUV數(shù)據(jù)輸出引腳，YOUT [7]/I2CSEL 是BT.656/YUV 數(shù)據(jù)的第7 位， 也是I2C 接口設(shè)備地址設(shè)置位，TVP5150 設(shè)備地址由I2CSEL 引腳所接的上拉電阻或下拉電阻確定，I2CSEL 引腳的狀態(tài)與設(shè)備地址映射關(guān)系如表1 所示，DM642 和TVP5150 應(yīng)答過程中需要從片TVP5150 的地址。SCL、SDA 分別為I2C 接口的串行時(shí)鐘和數(shù)據(jù)引腳，DM642 對(duì)TVP5150 內(nèi)部寄存器的訪問通過I2C 總線實(shí)現(xiàn)。

DM642 芯片的VP0D [19:0] 為視頻口VP0 的數(shù)據(jù)總線引腳， 其中VP0D [8:2] 與多通道串行口McBSP0 引腳復(fù)用， 為了將VP0D [8:2] 配置為VP0 的低位數(shù)據(jù)引腳，需要把PERCFG 寄存器中的VP0EN 位置1。VP0CLK0 為外部像素時(shí)鐘輸入引腳， 與視頻解碼芯片TVP5150 的像素時(shí)鐘輸出引腳PCLK/SCLK 連接。

2.4 網(wǎng)絡(luò)模塊的設(shè)計(jì)

為了將監(jiān)控終端所采集到的視頻圖像傳回值班中心， 終端應(yīng)當(dāng)支持網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。DM642 上EMAC 口支持網(wǎng)絡(luò)通信，EMAC 接口與PCI、HPI 接口共用相同的引腳， 在系統(tǒng)上電時(shí)， 通過上/下拉電阻配置系統(tǒng)使用的模式。本設(shè)計(jì)中令PCI_EN=0 ，MAC_EN=1 ，HD5=0 將復(fù)用接口配置為16 位的EMAC 接口和16 位的HPI 接口。

表1 TVP5150 設(shè)備地址

DM642 的EMAC 接口符合IEEE802.3 協(xié)議， 支持傳媒無關(guān)接口， 具有8 個(gè)獨(dú)立的發(fā)送與接收通道， 支持同步10/100 Mbit 的數(shù)據(jù)操作和廣播、多幀傳輸格式。EMAC 接口需要外擴(kuò)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)電路才能完成網(wǎng)絡(luò)與DM642 之間的數(shù)據(jù)包交換。本終端設(shè)計(jì)中， 采用INTEL 公司的LXT971ALC 芯片完成網(wǎng)絡(luò)功能， 最后通過一個(gè)網(wǎng)絡(luò)電平轉(zhuǎn)化芯片PM44-11BG 和外部相連， 其硬件連接如圖4所示。

圖4 EMAC 與底層網(wǎng)絡(luò)芯片的連接

3 終端工作流程

終端工作流程如圖5 所示。上電復(fù)位時(shí)，DM642 執(zhí)行復(fù)位中斷， 完成對(duì)自身及周圍芯片的初始化。DM642的外部中斷EXTIN4~EXTIN7 與GPIO 口的GP[7:4]復(fù)用，當(dāng)這些引腳配置為外部中斷輸入引腳時(shí)， 可通過設(shè)置中斷寄存器IER[7:4] 相應(yīng)位來使能中斷， 觸發(fā)方式( 上升沿觸發(fā)或下降沿觸發(fā)等) 由中斷方式寄存器EXTPOL[3:0] 設(shè)置。本設(shè)計(jì)中對(duì)相關(guān)寄存器做如下配置： 令寄存器EXTPOL [1:0] =01 ， 將外部中斷EXTIN5 (GP [5]) 設(shè)置為上升沿觸發(fā)，EXTIN4 (GP [4]) 設(shè)置為下降沿觸發(fā)。因此與EXTIN5 對(duì)應(yīng)的中斷函數(shù)執(zhí)行喚醒芯片， 啟動(dòng)圖像采集、處理、傳輸?shù)裙δ埽?而與EXTIN4 對(duì)應(yīng)的中斷函數(shù)執(zhí)行停止圖像采集、處理、傳輸?shù)裙δ埽?并將控制狀態(tài)寄存器設(shè)置為CSR [15:10] =010001 ， 使CPU 的工作模式轉(zhuǎn)變?yōu)楣β氏陆的Ｊ絇D1 。

圖5 終端工作流程

在中斷使能寄存器IER 中，IE[15:4] 位用于使能CPU 中斷INT[15:4] 。當(dāng)IEx=1 時(shí)， 使能INTx 中斷響應(yīng)， 此時(shí)程序的中斷服務(wù)函數(shù)才起作用； 當(dāng)IEx=0 時(shí)， 禁止INTx 中斷響應(yīng)。使用匯編語言設(shè)置IER 寄存器的中斷位使能外部中斷的程序代碼如下：

MVK 30H，B1； //B1 寄存器賦初值， 對(duì)應(yīng)INT4 、INT5

MVC IER，B0； // 把IER 的當(dāng)前值賦予寄存器B0

OR B1，B0，B0； //兩個(gè)寄存器中的值按位取“ 或”

MVC B0，IER； // 把B0 寄存器的值賦予IER 寄存器，IE4、IE5 被置位， 使能INT4 ，INT5如果禁止中斷INT5 ， 可采用如下代碼：

MVK FFDFH，B1； //B1 寄存器賦初值， 對(duì)應(yīng)INT5

MVC IER，B0；// 把IER 寄存器的當(dāng)前值賦予寄存器B0

AND B1 ，B0，B0； //B0 和B1 寄存器中的值按位取“ 與” ，把結(jié)果保存在寄存器B0 中

MVC B0，IER // 把B0 寄存器的值賦予IER 寄存器中，IE5 被清除

當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到監(jiān)控區(qū)域有人員進(jìn)入時(shí)， 紅外傳感信號(hào)處理電路輸出端Vo由低電平變?yōu)楦唠娖剑?并保持一段時(shí)間的高電平。DM642 的EXTIN5(GP[5]) 端在檢測(cè)到上升沿觸發(fā)信號(hào)后， 執(zhí)行與之對(duì)應(yīng)的中斷函數(shù)，喚醒芯片， 啟動(dòng)圖像采集、處理、傳輸?shù)裙δ?。由于紅外傳感信號(hào)處理電路設(shè)置為可重復(fù)觸發(fā)模式， 則只要監(jiān)控區(qū)有人員走動(dòng)， 輸出端就一直保持高電平， 終端就一直保持采集、處理、傳輸視頻圖像。當(dāng)監(jiān)控區(qū)域無行人走動(dòng)時(shí)，Vo由高電平變?yōu)榈碗娖剑?并進(jìn)入低電平的封鎖時(shí)間段，EXTIN4(GP[4]) 端在檢測(cè)到下降沿觸發(fā)信號(hào)后， 執(zhí)行對(duì)應(yīng)的中斷函數(shù)， 停止圖像采集、處理、傳輸?shù)裙δ?，并使CPU 的工作模式再次轉(zhuǎn)變?yōu)楣β氏陆的Ｊ絇D1 。

本文面向?qū)崟r(shí)圖像處理， 采用模塊化設(shè)計(jì)思想， 以多媒體專用DSP 處理器TMS32ODM642 為核心， 在紅外傳感器、圖像采集芯片、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理芯片等的緊密配合下， 終端既能完成圖像的采集、處理、傳輸功能， 又能實(shí)時(shí)地根據(jù)監(jiān)控區(qū)域的人員變化情況調(diào)整工作模式，減少了無用數(shù)據(jù)的處理， 提高了效率， 節(jié)約了成本， 滿足了社會(huì)對(duì)電子產(chǎn)品的綠色、低碳的要求。