一種視頻處理系統設計與實(shí)現

1 引言

在視頻處理領(lǐng)域，由于處理的數據量大，算法復雜度高，使得處理的實(shí)時(shí)性成為難題。如果使用專(zhuān)門(mén)的視頻算法器件，在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)卻使系統的靈活性大大降低。tms320dm642是TI公司C6000系列DSP總最新的定點(diǎn)DSP，其核心是C6416型高性能數字信號處理器，具有極強的處理性能，高度的靈活性和可編程性，同時(shí)外圍集成了非常完整的音頻、視頻和網(wǎng)絡(luò )通信等設備及接口，特別適用于機器視覺(jué)、醫學(xué)成像、網(wǎng)絡(luò )視頻監控、數字廣播以及基于數字視頻/圖像處理的消費類(lèi)電子產(chǎn)品等高速DSP應用領(lǐng)域。筆者針對市場(chǎng)客戶(hù)的需求，設計并實(shí)現了一款以TVP5150為視頻輸入解碼器，以PCM1801為音頻輸入采集電路，以TMS320DM642型DSP為核心處理器的多路視頻采集兼壓縮處理PCI板卡，并將其應用于構建高穩定性、高魯棒性和多媒體數字監控系統，取得了較好的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益。

2 系統設計方案

2.1 系統的硬件結構

圖1給出系統的結構框圖。以DM642為核心，DM642的最高時(shí)鐘頻率為720MHz，最大處理能力為5760MIPS。DM642基于C64x內核，采用了增強型超長(cháng)指令字結構，集成了8個(gè)獨立的功能單元（6個(gè)32位的算術(shù)邏輯單元和2個(gè)32位的乘法單元）和64個(gè)32位的通用寄存器，在一個(gè)周期內可以完成4個(gè)16位的乘累加運算或者8個(gè)8位的乘累加運算。該芯片的片上外設也是相當的豐富，包括時(shí)鐘高達133MB可與SDRAM、FLASH等外部存儲芯片實(shí)現無(wú)縫鏈接的外圍存儲器接口（EMIF總線(xiàn)）；三個(gè)可配置的視頻接口，同時(shí)支持三路視頻輸入或者輸出，非常適合數字圖像和視頻處理；一個(gè)10/100Mit/s的以太網(wǎng)接口；十六個(gè)通用輸入輸出口GPIO，以及I2C、PCI和HPI等眾多協(xié)議接口。

2.2 系統電源設計

DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數字信號來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數字信號。再對數字信號進(jìn)行修改、刪除、強化，并在其他系統芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實(shí)際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運行速度可達每秒數以千萬(wàn)條復雜指令程序，遠遠超過(guò)通用微處理器，是數字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數據處理能力和高運行速度，是最值得稱(chēng)道的兩大特色。

DSP系統電源設計模塊是關(guān)鍵，高精度的供電才能保證系統正常工作。系統采用5 V電源驅動(dòng)2個(gè)MOSFET的DC—DC調整器（TPS54310）分別供給DSP的核心電壓CVDD（1.4V）和外圍電壓DVDD（3.3 V）。在3.3 V和1.4 V電源之間連接肖特基二極管，保證DM642內核和外部端口同時(shí)供電。TI公司的TPS543lO的輸出精度是1％，完全滿(mǎn)足DSP工作要求。

2.3 視頻輸入與輸出

DM642集成有3個(gè)視頻（Video Port，VP）口，每個(gè)視頻口是由20 bit數據線(xiàn)、2個(gè)時(shí)鐘信號VPxCLK0（輸入）和VPx-CLKl（輸入／輸出）、3個(gè)控制信號VPxCTL0、VPxCTLl和VPx-CTL2組成。時(shí)鐘信號作為視頻源的時(shí)鐘信號輸入／輸出，控制信號作為視頻源的同步信號輸入／輸出（行同步、幀同步、場(chǎng)標志，視頻采集使能等）。每個(gè)視頻口被分為上（B）、下（A）2個(gè)通道，VP0的A通道與McBSPO復用，VPl的A通道與McB—SPl復用，VP0和VPl的B通道與McASP復用，VP2則為單功能引腳。每個(gè)視頻口可被配置為視頻輸入口或視頻輸出口，但是上（B）、下（A）2個(gè)通道只能同時(shí)被配置為輸入口，或同時(shí)被配置為輸出口，不能一個(gè)通道配置為輸入口，另一個(gè)通道配置為輸出口。

系統將VP0和VPl配置成為單通道視頻輸入和McASP口，VP2配置成為單通路的視頻輸出口。VPO與VPl配置為單通道視頻輸入口時(shí)，VPxCLK0作為視頻源的輸入時(shí)鐘，VPxCLK1未用。而VPxCTL0、VPxCTLl和VPxCTL2則分別作為視頻源中的時(shí)基碼控制。當CAPEN信號無(wú)效或在EAV和SAV時(shí)基碼之間時(shí)，將不對視頻數據流進(jìn)行采樣。BT.656視頻數據流采集的起始、水平同步、垂直同步等，受輸入信號CAPEN和視頻通道控制寄存器VCxCTL（x=A、B）中的VCEN、EXC、HRST、VRST、FLDD等控制位組合控制。當配置為單通道視頻輸出口時(shí)，VPxCLK1作為視頻源輸出時(shí)鐘，VPxCLK0作為輸入時(shí)鐘。而VPxCTL0、VPxCTLl和VPxCTL2分別作為輸出視頻的HSYNC／HBLNK／AVID/FLD、VSYNC／VBLNK／CSYNC／FLD、CBLKN/FLD。3個(gè)VP口均作為8位視頻接口，使用lO位數據總線(xiàn)中的高8位，即VPxD[9：2]。系統的視頻解碼和視頻編碼器分別選用Philips公司的SAA7l13H和SAA7105H，圖2給出視頻解碼和DM642的連接圖。圖3給出視頻編碼和DM642的連接圖。

當SAA7105H工作在VGA輸出時(shí)，其工作時(shí)鐘的上升沿和下降沿都要接收數據，圖3中VP2與SAA7105H的連接方式，只用到VP2的8位數據線(xiàn)，因此VP2在每個(gè)時(shí)鐘周期只有在上升沿輸出8位數據，無(wú)法滿(mǎn)足SAA7105H的工作要求。

2.4 地址空間映射

DM642的程序／數據空間以字節為單位進(jìn)行統一編址，整個(gè)尋址空間為4 G字節。其片上存儲器，片上外設及外部存儲器接口（EMIF）均映射到此4 G字節空間中。

DM642的CEO空間被配置為64 bit SDRAM接口，分配給外擴的SDRAM使用。SDRAM的工作時(shí)鐘由DM642的ECLKOUTl提供，其可由軟件配置為EMIF的ECLKIN或CPU時(shí)鐘/4、或CPU時(shí)鐘／6，最高為133 MHz。一般情況下，配置為ECLKIN，即100 MHz。SDRAM在子空間的具體定位為：Ox8000 0000~Ox81FF FFFF。

DM642的CEl空間被配置為8Mx8 bit的Flash，在CEl子空間占據的具體空間定位為0x9000 0000～0x9007 FFFF。

DM642外部地址總線(xiàn)只有A[22：3]，總共20根，所以CEl子空間最大的尋址范圍為lMx8 bit。系統中CEl子空間除了分配給Flash以外，還分配給狀態(tài)，控制寄存器、UARTA、UARTB等資源使用，其中Flash只占據CEl子空間的前一半的尋址空間，即最大的可尋址范圍為512Kx8 bit，而Flash的設計容量為8 Mx8 bit，所以為尋址到Flash所有的地址空間，采用分頁(yè)技術(shù)來(lái)實(shí)現對Flash的訪(fǎng)問(wèn)。

2.5 I2C總線(xiàn)

I2C（Inter－Integrated Circuit）總線(xiàn)是由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的兩線(xiàn)式串行總線(xiàn)，用于連接微控制器及其外圍設備。是微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種總線(xiàn)標準。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線(xiàn)少，控制方式簡(jiǎn)單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。由于連接到I2C 總線(xiàn)的器件有不同種類(lèi)的工藝（CMOS、NMOS、雙極性），邏輯0（低）和邏輯1（高）的電平不是固定的，它由電源VCC的相關(guān)電平?jīng)Q定，每傳輸一個(gè)數據位就產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖。

I2C總線(xiàn)由數據線(xiàn)SDA和時(shí)鐘SCL構成串行總線(xiàn)，可發(fā)送和接收數據，在CPU與被控IC之間、IC與IC之間雙向傳送。在數據傳送過(guò)程中共有3種信號，分別是開(kāi)始信號、結束信號和應答信號。其中，開(kāi)始信號：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開(kāi)始傳送數據；結束信號：SCL為低電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送數據；應答信號：接收數據的IC在接收到8 bit數據后，向發(fā)送數據的IC發(fā)出特定的低電平脈沖。

DM642集成有一條I2C總線(xiàn)。DM642為總線(xiàn)的主設備。系統用I2C總線(xiàn)連接了以下從設備：2路視頻解碼器SAA7113H的控制口、1路視頻編碼器SAA7105H的控制口和1路實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC。每個(gè)I2C總線(xiàn)的從設備均對應一個(gè)從設備地址，I2C總線(xiàn)以此從設備地址區分所訪(fǎng)問(wèn)的是哪個(gè)從設備。DM642通過(guò)I2C總線(xiàn)配置上述器件的寄存器。

2.6 網(wǎng)絡(luò )接口

DM642的網(wǎng)絡(luò )接口由EMAC與MDIO兩部分組成的。其主要功能有：符合IEEE802.3協(xié)議；支持傳媒無(wú)關(guān)接口（MII）；8個(gè)獨立的發(fā)送與接收通路；同步的10／100 Mbit的數據操作；廣播及多幀的傳送。

系統選用LXT971ALC作為10／100Base一TX以太網(wǎng)收發(fā)器。LXT971ALC的MII接口與DM642的MII接口對接。DM642的MII不支持TXER，它通過(guò)求反發(fā)送幀CRC來(lái)指出網(wǎng)絡(luò )錯誤，所以L(fǎng)XT971ALC上的TXER引腳直接接為無(wú)效。系統只采用10／lOOBase-TX方式，信號經(jīng)Hll02 1：1變壓器變換成TX+、TX一、RX+和RX一信號，連接到RJ45連接器上。RJ45連接器選用406549一l，其上帶2個(gè)LED指示燈，綠色LED，用作指示連接狀態(tài)；黃色LED正常情況下用于指示數據傳輸。

3 系統調試

3.1 視頻通道的驅動(dòng)

系統中視頻解碼通道使用SAA7113，編碼通道使用SAA7105H。這2個(gè)器件需要經(jīng)過(guò)寄存器配置才能正常工作，因為寄存器數量眾多，直接逐個(gè)配置寄存器相當復雜。系統開(kāi)發(fā)了基于DSP／BIOS的應用程序，可以調用FWID API函數，實(shí)現對視頻通道的驅動(dòng)。以下是幾個(gè)接口函數的使用說(shuō)明：

（1）初始化工作 FVID_croat（name，mode，*status，

optArgs，*attm）參數說(shuō)明：String name：device driver的名字，該device driver在DSP／BIOS中定義；Int mode：指定設備的打開(kāi)模式為輸入/輸出；Int*status：該參數是application送給mini—driver的一個(gè)狀態(tài)指針，由mini—dIiver來(lái)返回狀態(tài)的；PtroptArgs：用于初始化FVID channel的具體參數，用結構體的形式打包，并將指向該結構體的指針傳送給mini—driver進(jìn)行處理；FVID_Attrs *attrs：FVID_Attrs結構參數為空，表示FVID_alloc，FVID_free,FVID_exchange calls為非block形式，無(wú)論成功與否，立刻返回。

（2）發(fā)送控制命令到mini—driver FVID_control（disChan，VPORT_CMD_START， NULL）參數說(shuō)明：FVID_HandlevidChan：fvid通道句柄；Int cmd：cmd命令；Ptr args：cmd命令附帶的信息。該函數發(fā)送一個(gè)控制命令給mini—dTiver，將由mini—driver做相應的響應，在這里通知vport端口開(kāi)始工作。

（3）給VP口分配緩沖區FVID_alloc（fvidChan，bufp）參數說(shuō)明：FVID_handle fvidChan：fvid通道句柄；Ptr bafp：分配的緩沖區指針。該函數從mini—ditver獲取緩沖區指針。

（4）FVID_exchange（fvidChan,bufp） 參數說(shuō)明：FVID_handle fvidChan：fvid通道句柄；Ptr butp：交換的緩沖區指針。該函數將轉換好的圖像數據發(fā)送給mini—driver處理，并傳回空緩沖區指針，FVID_exchange函數相當于順序執行FVID_free和FVID_alloc函數。利用FVID的API函數可方便配置和驅動(dòng)視頻通道，實(shí)現視頻的采集和輸出。

3.2 VGA輸出

VGA（VideoGraphic Array）接口，即視頻圖形陣列，也叫DSub接口。VGA接口采用非對稱(chēng)分布的15針連接方式，其工作原理是將顯存內以數字格式存儲的圖像信號在RAMDAC里經(jīng)過(guò)模擬調制成模擬高頻信號，然后再輸出到顯示設備成像。視頻編碼器SAA7105H支持VGA輸出，SAA7105H被配置為VGA輸出時(shí)，送輸出緩沖區的數據必須為RGB格式，而非YUV4：2：2。用戶(hù)可以自行編寫(xiě)相應的轉換函數，或者調用TI img64.lib庫中的IMG_ycbcr422p_rgb565函數實(shí)現視頻格式的轉換。

3.3 程序從Flash的引導

在系統上調試程序時(shí)，利用仿真器把程序下載到SDRAM內執行。當程序調試完畢應用時(shí)，應該把程序燒寫(xiě)到外部Flash里，實(shí)現系統每次上電后程序從Flash引導加載自動(dòng)運行，省去每次利用仿真器下載程序。

DM642是以ROM方式引導系統的，當DSP上電或復位時(shí)，內核處于復位狀態(tài)，并自動(dòng)以ROM的讀寫(xiě)時(shí)序從Flash的第0頁(yè)起始地址開(kāi)始復制lK字節的代碼到DSP的片內內存起始地址為O的地址空間。然后釋放CPU，使其從0地址開(kāi)始運行程序。

Flash燒寫(xiě)根據不同的硬件設計，燒寫(xiě)步驟略有不同，但基本過(guò)程相同。系統Flash的燒寫(xiě)過(guò)程：①把引導程序文件boot.asm添加到要燒寫(xiě)的工程中，在BIOS中添加BOOT段，修改相應的CMD文件，編譯原工程生成新的。out文件；②使用hex6x工具把生成的COFF格式的。out文件轉化為。hex文件；③用FlashBurn建立。ccd文件；④用FlashBurn打開(kāi)建立的。ccd文件，先擦除Flash，然后燒寫(xiě)Flash。

按照上述步驟燒寫(xiě)程序到Flash，在系統上電后程序將自動(dòng)執行。應該注意的是，燒寫(xiě)程序后的系統仿真環(huán)境將難以進(jìn)去，解決的辦法是一邊反復按復位鍵，一邊打開(kāi)仿真環(huán)境則可進(jìn)去。

4 結語(yǔ)

系統研究并實(shí)現了一個(gè)通用的基于DM642的視頻處理系統。采用了針對多媒體應用開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用媒體處理芯片DM642，該芯片配有豐富的外設接口，減小了系統硬件設計的復雜度，提高了系統的性?xún)r(jià)比；通過(guò)外接的SDRAM編程實(shí)現MPEG一2、MPEG-4、H.264等多種視頻壓縮編解碼算法，靈活性大，實(shí)用性強，優(yōu)于專(zhuān)用的視頻編解碼系統；由于DM642的高速運算能力，實(shí)時(shí)性強也是系統的一大優(yōu)點(diǎn)。