基于數(shù)字信號(hào)處理器和PCI總線實(shí)現(xiàn)視頻圖像語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,視頻圖像和語(yǔ)音數(shù)字化處理在軍事、科研、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。早期的糧情監(jiān)測(cè)主要是基于對(duì)糧倉(cāng)溫度、濕度的采集觀測(cè)。隨著糧情系統(tǒng)的進(jìn)一步完善,人們提出了更高要求,希望對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像語(yǔ)音監(jiān)控,進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)蟲(chóng)害和火災(zāi)觀測(cè)和預(yù)防。本文所采用的基于TMS320C6201的視頻圖像語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)就是應(yīng)用于糧情的監(jiān)測(cè),在滿足以上要求的前提下設(shè)計(jì)完成的。

圖像語(yǔ)音的壓縮傳輸系統(tǒng)有二種基本的實(shí)現(xiàn)方法:一種是基于微機(jī)實(shí)現(xiàn),圖像語(yǔ)音處理系統(tǒng)通過(guò)PCI總線以插卡的形式集成在微機(jī)系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)通過(guò)PCI總線或卡上所帶的接口進(jìn)行交換和傳輸;另一種是脫離了微機(jī)而獨(dú)立運(yùn)行,利用微處理芯片對(duì)圖像語(yǔ)音進(jìn)行數(shù)字化壓縮傳輸。本文介紹的設(shè)計(jì)采用了后一種方法。

1 系統(tǒng)的組成和基本原理

一個(gè)完整的視頻圖像語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)不但要具備對(duì)圖像語(yǔ)音信號(hào)的采集功能,還要求完成對(duì)采集上來(lái)的圖像語(yǔ)音信號(hào)的分析及處理算法(如圖像壓縮等),最后采用一定的媒質(zhì)將處理好的信號(hào)傳輸?shù)浇K端主機(jī)顯示。視頻圖像語(yǔ)音信號(hào)的分析及處理算法的運(yùn)算量很大,同時(shí)又要滿足實(shí)時(shí)顯示的要求,因此采用了高速DSP芯片作為數(shù)據(jù)核心的處理單元。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 模擬視頻輸入接口設(shè)計(jì)

(1)視頻采樣要求。模擬視頻輸入接口電路的作用是對(duì)輸入的模擬視頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,并將其數(shù)字化。視頻采樣有2個(gè)重要指標(biāo):采樣分辨率和采樣頻率。采樣分辨率代表圖像灰度量化的等級(jí),位數(shù)越多,圖像層次越豐富,同時(shí)圖像數(shù)據(jù)量也越大;采樣頻率決定可數(shù)字化后圖像的空間分辨率,為了不失真,它必須大于模擬視頻信號(hào)的頻譜中最高頻率的2倍。另外,還要求模擬視頻輸入接口所引入的系統(tǒng)噪聲最小。DSP模擬視頻輸入接口的原理框圖如圖2所示。

(2)模擬視頻解碼模塊。視頻解碼模塊的作用是將復(fù)合視頻、YC分量等模擬視頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,提取其中的同步和時(shí)鐘信號(hào),所有轉(zhuǎn)換電路均集中在一塊芯片內(nèi)。根據(jù)以上要求,選擇Philips公司生產(chǎn)的可編程的數(shù)字視頻A/D變換器SAA7111A,它有4路模擬輸入和2路模擬信號(hào)處理通道,可以通過(guò)編程選擇信號(hào)制式。輸出信號(hào)可以是YUV411(12位)、YUV422(16位)、YUV422(CCIR-656)(8位)、RGB(5、6和5)(16位)或RGB(8、8和8)(24位)格式。系統(tǒng)通過(guò)I2C總線對(duì)SAA7111A編程,完成初始配置工作。來(lái)自攝像頭的模擬信號(hào),首先在模擬信號(hào)控制下,進(jìn)行信號(hào)箝位、模擬放大、反混淆濾波、A/D轉(zhuǎn)換,然后將得到的8位亮度信號(hào)和8位色度信號(hào)分別送往亮度處理電路和色度處理電路進(jìn)行處理,產(chǎn)生16位的YUV信號(hào)。Y(7:0)為8位數(shù)字亮度信號(hào),UV(7:0)為不同顏色(B-Y和R-Y)復(fù)用信號(hào)。信號(hào)輸出格式由I2C總線控制(YUV信號(hào)輸出格式由I2C總線控制電路決定),幀時(shí)序由HREF信號(hào)控制。在系統(tǒng)中將采用帶有I2C接口的、與51系列兼容的單片機(jī)T89C51IC2對(duì)SAA7111A進(jìn)行控制,即對(duì)模擬視頻前端SAA7111A的采樣率、箝位電平、鎖相環(huán)等進(jìn)行編程設(shè)置,以使整個(gè)視頻輸入接口電路按照預(yù)先設(shè)計(jì)的方式工作。

(3)采用FIFO作為實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)輸入緩沖器。從性能上來(lái)說(shuō),普通型的幀存儲(chǔ)體在采集的同時(shí)不能讀取采集數(shù)據(jù)。雖然采用雙端口RAM也可以解決并發(fā)訪問(wèn)的問(wèn)題,但它所必需的地址譯碼和占用大段的主存儲(chǔ)器映射空間(或繁雜的頁(yè)面切換)是不可忽視的實(shí)際問(wèn)題。從對(duì)采集到的數(shù)據(jù)的處理方式可以看出,對(duì)于單純采集應(yīng)用(不需要對(duì)數(shù)據(jù)做諸如疊加等預(yù)處理工作),其系統(tǒng)緩存單元在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于先進(jìn)先出(FIFO)隊(duì)列,即按信號(hào)時(shí)間順序先采集的數(shù)據(jù)先被主處理芯片讀取及處理。所以采用專(zhuān)門(mén)的FIFO芯片可去掉復(fù)雜的緩存器幀內(nèi)地址譯碼電路,大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。FIFO(IDT72V3640)用于向TMS320C6201傳輸經(jīng)SAA7111A轉(zhuǎn)換后的16位實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)VPO(0:15)。FIFO不存在地址線的問(wèn)題,所以不用連接地址線。

2.2 音頻編解碼器的選取

采用Crystal公司的CS4231A芯片作為核心音頻編碼解碼器(CODEC)模塊。CS4231A多媒體芯片為系統(tǒng)提供一個(gè)靈活、通用的音頻前端。它是一個(gè)16位立體聲器件,包含完整的片上濾波、模擬混音和可編程控制的增益和衰減調(diào)節(jié)。CS4231A支持8、9.6、11.025、16、22.05、32、44.1、48kHz等通用的采樣頻率,如此寬范圍的采樣頻率可以適應(yīng)從電信到音頻的各種應(yīng)用需求。CS4231A采用頻率分別為16.9344MHz和24.576MHz的2個(gè)晶振來(lái)作為采樣頻率的時(shí)鐘源。