數(shù)字媒體DSP在視頻監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用 - 全文

關(guān)鍵詞： dsp , 監(jiān)控 , 數(shù)字視頻

本世紀(jì)以來(lái)，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(xiàn)，由嵌入式處理器來(lái)實(shí)時(shí)高速完成大數(shù)據(jù)量的數(shù)字視頻／音頻編解碼處理成為可能，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，集可編程圖像／聲音編解碼、網(wǎng)絡(luò)傳輸、和自動(dòng)化技術(shù)為一體的嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。以DSP為核心的嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，配合嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以根據(jù)應(yīng)用對(duì)功能、可靠性、穩(wěn)定性、成本、體積等的綜合要求，對(duì)軟／硬件進(jìn)行裁剪，以滿足視頻監(jiān)控發(fā)展的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)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(lái)具體說(shuō)明如何設(shè)計(jì)嵌入式DSP數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)必需的硬件配置  

1．一體化模擬前端

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的模擬前端是來(lái)自攝像機(jī)和麥克風(fēng)的模擬視頻和模擬音頻信號(hào)，為了降低整個(gè)系統(tǒng)的成本，一般會(huì)有多路視頻和音頻信號(hào)輸入。而攝像機(jī)一般安裝在平臺(tái)上，攝像機(jī)和平臺(tái)的控制命令一般通過(guò)異步串口提供。另外，對(duì)于一個(gè)完整的視頻監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，還需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，如門禁控制、報(bào)警、停車管理等，這些功能一般用數(shù)字I/O實(shí)現(xiàn)。  

由此可見(jiàn)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)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(tái)控制提供標(biāo)準(zhǔn)的RS232/RS422/RS485異步串行接口，及環(huán)境監(jiān)控的數(shù)字I/O。

2． 數(shù)字化  

為了用微處理器實(shí)時(shí)地對(duì)輸入的視頻／音頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化的編／解碼處理，必須將輸入的模擬視頻／音頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，這部分工作由視頻解碼器和音頻解碼器完成。每個(gè)模擬視頻輸入對(duì)應(yīng)一路視頻解碼器，每個(gè)模擬音頻輸入同樣對(duì)應(yīng)一路音頻解碼器。

實(shí)時(shí)處理數(shù)字視頻／音頻數(shù)據(jù)

模擬視頻／音頻信號(hào)數(shù)字化后，為了能夠?qū)Ω咚?、?shí)時(shí)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、存儲(chǔ)、回放、和分析等功能，首要的工作必須實(shí)時(shí)地完成大數(shù)據(jù)量、大計(jì)算量的數(shù)字視頻／音頻的壓縮編碼處理。數(shù)字視頻壓縮編碼算法有：MPGE 2、MPEG 4、H.263、H.264等，數(shù)字音頻壓縮算法有：G.711、G.722、G.723、G.728、G.729等。

實(shí)時(shí)完成這樣的算法需要高速的處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)，高性能DSP的出現(xiàn)正好滿足了這一需求。另外還需要高速、大容量的存儲(chǔ)器作緩存。DSP與高速、大容量存儲(chǔ)器構(gòu)成數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心。

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸

不同的視頻監(jiān)控應(yīng)用，對(duì)壓縮后的數(shù)字視頻／音頻數(shù)據(jù)的處理各不相同。對(duì)于記錄型應(yīng)用，需要對(duì)壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)，以便回溯。而對(duì)于遠(yuǎn)程監(jiān)視型應(yīng)用，則需要將壓縮后的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。在數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)視頻／音頻信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、記錄、回溯處理的同時(shí)，還需要記錄相關(guān)的時(shí)間信息，所以需要提供硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘。另外，為了保護(hù)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟／硬件開(kāi)發(fā)者，尤其是軟件開(kāi)發(fā)者的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，還必須提供安全、可靠的硬件加密措施。

TMS320DM642視頻監(jiān)控系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

TMS320DM642是TI公司在其最高性能的TMS320C64x系列DSP基礎(chǔ)上專門為多媒體應(yīng)用而設(shè)計(jì)／開(kāi)發(fā)的DSP。TMS320DM642采用TI第2代超長(zhǎng)指令集結(jié)構(gòu)（VelociTI.2）的TMS320C64x DSP內(nèi)核：

·2級(jí)Cache（2×16K字節(jié)1級(jí)程序和數(shù)據(jù)Cache，256K字節(jié)2級(jí)Cache）

·支持8個(gè)8位和4個(gè)16位并行MAC運(yùn)算，有利于圖像處理

·64通道EDMA，方便高效數(shù)據(jù)傳輸

·主頻600MHz，4800MIPS峰值處理能力，可實(shí)時(shí)處理4路CIF或1路D1

·64位、133MHz外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）

圖1 TMS320D642視頻監(jiān)控模板的構(gòu)成

1． TMS320DM642基本系統(tǒng)

TMS320DM642基本系統(tǒng)由TMS320DM642 + 外擴(kuò)的存儲(chǔ)器和外設(shè)組成，而外擴(kuò)的存儲(chǔ)器和外設(shè)均通過(guò)TMS320DM642的外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）進(jìn)行擴(kuò)展。其次， TMS320DM642基本系統(tǒng)所必須的外擴(kuò)資源：

SDRAM：4M×64位，存放程序和緩存數(shù)字視頻／音頻數(shù)據(jù)

Flash：4M×8位，存放固化程序，以便進(jìn)行ROM 引導(dǎo)

UART：2×8×8位，擴(kuò)展2個(gè)異步串口（RS232/RS422/RS485）

板上寄存器： n×8位，若干個(gè)8位狀態(tài)／控制寄存器

ATA硬盤接口： 2×8×16位，本地大容量存儲(chǔ)接口

2． 視頻接口

視頻接口涉及標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻輸入／輸出、模擬視頻信號(hào)數(shù)字化（解碼器）、數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬視頻信號(hào)（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(shè)計(jì)要求：

模擬視頻輸入： 4路標(biāo)準(zhǔn)PAL/NTSC復(fù)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(biāo)準(zhǔn)PAL/NTSC復(fù)合視頻CVBS或分量視頻Y/C模擬視頻輸出，用于本地預(yù)覽或特性測(cè)試。

據(jù)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(biāo)準(zhǔn)的PAL/NTSC復(fù)合視頻CVBS或分量視頻Y/C模擬視頻，輸出為標(biāo)準(zhǔn)的8位BT.656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流。

視頻編碼器：選用Philips公司的SAA7121，其輸入為標(biāo)準(zhǔn)的8位BT.656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流輸入，輸出為標(biāo)準(zhǔn)的PAL/NTSC復(fù)合視頻CVBS或分量視頻Y/C模擬視頻。

TVP5150A和SAA7121均有2個(gè)外部接口，數(shù)據(jù)口：用于輸入／輸出數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流，其中包含8/10位數(shù)據(jù)線，時(shí)鐘SCLK行／場(chǎng)同步控制信號(hào)HSYNC/VSYNC、FID等接口信號(hào)?？刂瓶冢河糜谠O(shè)置視頻編／解碼器工作參數(shù)和反饋狀態(tài)信息，用I2C總線實(shí)現(xiàn)。

TMS320DM642的每個(gè)視頻口可配置為上（B）、下（A）2個(gè)通道，但2個(gè)通道必須同時(shí)為視頻輸入口或輸出口。VP0的A通道與McBSP0復(fù)用，VP1的A通道與McBSP1復(fù)用，VP0和VP1的B通道與McASP復(fù)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(shí)，視頻口必須要為視頻編碼器SAA7121提供視頻時(shí)鐘和行／場(chǎng)同步信號(hào)。視頻編、解碼器的參數(shù)配置則通過(guò)I2C總線進(jìn)行，由于TVP5150A的I2C從地址只有2種選擇，所以DM642的一個(gè)I2C總線接口4片TVP5150A時(shí)，需要通過(guò)2選1開(kāi)關(guān)SN74CBT3257來(lái)切換控制。

3． 音頻接口

TMS320DM642音頻接口涉及標(biāo)準(zhǔn)模擬音頻的輸入／輸出、音頻編解碼器Codec的連接問(wèn)題。

音頻接口的總體設(shè)計(jì)要求：

模擬音頻輸入：4路標(biāo)準(zhǔn)麥克風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)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(jù)此，音頻編解碼器，選用TI公司的TLV320AIC23 B，麥克風(fēng)／立體聲模擬輸入／輸出，數(shù)字音頻數(shù)據(jù)流輸出／輸入。

TLV320AIC23B有2個(gè)外部接口，數(shù)據(jù)口：用于輸入／輸出數(shù)字音頻數(shù)據(jù)流，其中包含DIN、DOUT數(shù)字音頻數(shù)據(jù)流，BCLK串行位-時(shí)鐘，LRCIN、LRCOUT左右通道時(shí)鐘?？刂瓶冢河糜谠O(shè)置音頻編解碼器工作參數(shù)和反饋狀態(tài)信息，用I2C總線實(shí)現(xiàn)。

還有TMS320DM642的多通道音頻接口（McASP）具有8個(gè)串行收／發(fā)引腳AXR[7:0]，所有接收引腳公用接收幀同步AFSR和時(shí)鐘ACLKR、AHCLKR信號(hào)，所有發(fā)送引腳公用發(fā)送幀同步AFSX和時(shí)鐘ACLKX、AHCLKX信號(hào)。

McASP接口與音頻Codec的連接如圖3所示。

4． 外部接口：

經(jīng)TMS320DM642壓縮處理的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，需通過(guò)一定的外部接口進(jìn)行傳輸。DM642提供3種外部接口，但它們復(fù)用引腳，每次只能配置為一種外部接口。DM642通過(guò)復(fù)位時(shí)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(wǎng)接口

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，HPI-32和HPI-16均借用PCI連接器與外部主機(jī)接口，并用PCI總線上的B3（GND）和B10（保留）作為3種接口的自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)接口配置。另外，以太網(wǎng)接口信號(hào)與PCI或HPI-32信號(hào)在板上并存，所以這些信號(hào)需要用2選1開(kāi)關(guān)SN74CBT3257來(lái)切換。還需要注意的是，DM642的PCI接口只支持+3.3V環(huán)境，為了適應(yīng)+5V PCI總線環(huán)境，PCI總線與DM642之間用SN74CBTD16210和SN74CBT3245A進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

總結(jié)

TMS320DM642作為一款高性能／價(jià)格比、專用于多媒體應(yīng)用的DSP，已被國(guó)內(nèi)、外視頻應(yīng)用從業(yè)者廣泛接受和采用。目前國(guó)內(nèi)已有多家單位在'DM642上成功地開(kāi)發(fā)了MPEG4、H.264等視頻編碼算法，單片'DM642可同時(shí)完成4路CIF格式的MPEG4或H.264，可以相信還會(huì)不斷涌現(xiàn)更多的算法和應(yīng)用。