DM642在視頻處理系統硬件設計的應用

圖像（音頻、視頻）采集和處理是現代樓宇自動(dòng)化、可視對講、電視會(huì )議以及遠程實(shí)時(shí)監控系統等應用中的核心技術(shù)?，F在市面上的可視對講和安防監控產(chǎn)品主要是模擬通道的，且采用同軸電費傳輸。由于模擬信號的抗擾弱等問(wèn)題，傳輸的距離有限并且效果不甚理想。將傳統的圖像模擬化處理改成數字化處理和傳輸，可以極大地提高圖像質(zhì)量與監控效率，并且使得整個(gè)系統易于維護。隨著(zhù)嵌入式系統的不斷發(fā)展，甚至嵌入式音/視頻處理系統正逐步取代傳統的圖像處理系統，呈現強勁的發(fā)展趨勢。

視頻監控系統的設計方案有很多種，但是市場(chǎng)產(chǎn)品的主流一般選擇兩種方案：一是基于CPU和專(zhuān)用的視頻編解碼ASIC芯片。該方案選擇以ARM為核心的CPU和專(zhuān)用媒體處理芯片搭建。優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)發(fā)時(shí)間相對較短，但由于采用ASIC,靈活性較差，產(chǎn)品一旦定型，很難更改。二是采用面向媒體處理的專(zhuān)用DSP.其開(kāi)發(fā)時(shí)間不長(cháng)，優(yōu)點(diǎn)是由于算法是軟件代碼，所以可以不斷對產(chǎn)品性能進(jìn)行升級，重復開(kāi)發(fā)成本較低。由全球最大的DSP制造商德州儀器（TI）推出的TMS320DM642（以下簡(jiǎn)稱(chēng)DM642）作為一款高性?xún)r(jià)比、專(zhuān)用于多媒體應用的DSP,已被國內外視頻應用從業(yè)者廣泛接受和采用。本文較詳細地介紹DM642的主要特性和系統應用開(kāi)發(fā)技術(shù)，并給出基于DM642的視頻監控應用實(shí)例。

1 系統硬件設計方案

1.1 系統的硬件結構

DM642是TI 公司專(zhuān)門(mén)為多媒體應用而開(kāi)發(fā)的DSP,采用TI 的第二代高級超長(cháng)指令字結構（VelociTI），使得在一個(gè)指令周期能夠并行處理多條指令。它可在600MHz時(shí)鐘頻率下工作，每個(gè)指令周期可并行8條32bit指令，因此，可達到4800MIPS的峰值計算速度。DM642采用兩級緩存結構：第一級包括相互獨立的LIP（16kB）和LID （16kB），只能作為高速緩存使用；第二級L2（256kB）是一個(gè)統一的程序/數據空間，可整體作為SRAM映射到存儲空間，也可整體作為第二級Cache,或是二者按比例的一種組合來(lái)使用。DM642具有64個(gè)獨立通道的EDMA（擴展的直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)）控制器，負責片內L2與其他外設之間的數據傳輸。容量較大的兩級緩存和EDMA 通道是DM642高性能的體現之一，若能合理使用和管理，將能大幅度提高程序的運行性能。

數字信號經(jīng)過(guò)DM642的軟件編碼器進(jìn)行編碼壓縮處理，編碼壓縮生成的視頻碼流數據打包后通過(guò)RJ-45接口經(jīng)以太網(wǎng)傳送到遠端的上位機，上位機作為SERVER,這樣就構成監控系統。通過(guò)DM642獨立多媒體接口（MII），片外連接一片以太網(wǎng)處理芯片，就可以構成10/100 Mbpa以太網(wǎng)模塊。本地回放由視頻編碼芯片來(lái)完成。

通過(guò)DM642的EMIF接口可以連接SDRAM和Flash存儲器。盡管DSP提供了片內RAM,但是在大多數情況下不能滿(mǎn)足系統的要求；同時(shí)對于要求實(shí)時(shí)處理的系統而言，又要求盡量減小在數據流動(dòng)過(guò)程中由于存儲器讀寫(xiě)造成的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，因此在系統中配置了高性能的SDRAM,它在運行程序和數據處理時(shí)使用。Flash在系統中主要是用來(lái)存放系統軟件和配置參數的。

系統的總體框圖如圖1所示。

在該視頻處理系統上集成了相當數量的板上設備以適應不同的應用環(huán)境，其主要特點(diǎn)為：

　　1）系統的運行頻率為600 MHzc.

　　2）2個(gè)視頻端口：1個(gè)為板上解碼器，1個(gè)為板上編碼器。

　　3）32 MB的同步DRAM空間。

　　4）2 MB的Flash空間。

　　5）以太網(wǎng)接口。

　　6）配有仿真器接口可以用來(lái)進(jìn)行JTAG仿真。

　　7）供電電壓為+5 V.

　　8）蜂鳴器報警。

1.2 存儲器模塊設計

在數據處理模塊中，DSP芯片、SDRAM芯片和Flash芯片這3塊芯片是整個(gè)模塊電路的核心。該模塊的功能是完成與外部數據存儲器的數據傳輸和程序存儲器的程序讀寫(xiě)任務(wù)。通過(guò)JTAG接口電路與仿真器相連后接到計算機主機進(jìn)行仿真調試，實(shí)現與目標主機的數據交換。

1.2.1 SDRAM接口設計

SDRAM:Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步動(dòng)態(tài)隨機存儲器，同步是指 Memory工作需要同步時(shí)鐘，內部的命令的發(fā)送與數據的傳輸都以它為基準；動(dòng)態(tài)是指存儲陣列需要不斷的刷新來(lái)保證數據不丟失；隨機是指數據不是線(xiàn)性依次存儲，而是自由指定地址進(jìn)行數據讀寫(xiě)。

在系統的硬件設計中，SDRAM內存芯片選用Micron公司生產(chǎn)的MT48LCAM3282-1Mx32×4 banks.SDRAM,即Synchronous DRAM（同步動(dòng)態(tài)隨機存儲器），表明它的工作速度是和系統的總線(xiàn)速度同步的。MT48LC4M3282總線(xiàn)最高時(shí)鐘為166 MHz,它主要用來(lái)存儲數據和程序，SDRAM的刷新由DSP芯片自動(dòng)控制。MT48LCAM3282是一款高速CMOS動(dòng)態(tài)隨機存儲器，它內部配置為4個(gè)區的同步接口。

DM642的EMIF可以對SDRAM的地址屬性進(jìn)行編程，它和SDRAM可以實(shí)現無(wú)縫連接。EMIFA最大的時(shí)鐘總線(xiàn)可達133 MHz.SDRAM控制器可以支持16 M~256 Mbit的SDRAM芯片。TMS320DM642上的Cache容量有限，所以視頻數據通常存放在片外SDRAM中，在需要用到的時(shí)候通過(guò)EDMA把數據從片外搬移到片內處理，這樣就可以提高程序的執行效率四。TMS320DM642的SDRAM接口圖如圖2所示。

由于TMS320DM642的數據總線(xiàn)是64位，而每片MT48LC4M3282的數據總線(xiàn)是32位，所以需要并聯(lián)兩片MT48LC4M3282才能構成64位的數據總線(xiàn)，這樣才可以與TMS320DM642的EMW數據總線(xiàn)相連。參照DM642數據手冊中SDRAM的配置方法，EA15、EA16控制SDRAM的組，EA3-EA14控制行地址，EA3-EA11控制列地址，片選信號接到DM642的上

，這樣就把SDRAM分配到CE0空間上。

1.2.2 Flash接口設計

Flash的前身是Future Wave公司的Future Splash,是世界上第一個(gè)商用的二維矢量動(dòng)畫(huà)軟件，用于設計和編輯Flash文檔。1996年11月，美國Macromedia公司收購了Future Wave,并將其改名為Flash.在出到Flash 8以后，Macromedia又被Adobe公司收購。最新版本為：Adobe Flash Professional CS5.5.Flash通常也指Macromedia Flash Player（現Adobe Flash Player），用于播放Flash文件。

DM642 EMIFA的異步接口為各種存儲器和外設類(lèi)型提供了可配置的存儲器周期類(lèi)型，包括SRAM、EPROM、Flash等，在本系統中Flash采用的是SST公司生產(chǎn)的SST39VF1601 Flash,片選信號接到DM642的引腳上。當DSP上電后

，DSP通過(guò)增強的直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)從外部的CE1尋址空間復制1 K字節的數據傳給內部存儲空間，然后再從內部存儲空間0x0處開(kāi)始運行，所以Flash ROM必須配置在DSP的CE1空間，在DSP存儲器中對應的地址是0x90000000-0x90200000.

1.3 JTAG接口設計

JTAG也是一種國際標準測試協(xié)議（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片內部測試?，F在多數的高級器件都支持JTAG協(xié)議，如DSP、FPGA器件等。標準的JTAG接口是4線(xiàn)：TMS、TCK、TDI、TDO,分別為模式選擇、時(shí)鐘、數據輸入和數據輸出線(xiàn)。 相關(guān)JTAG引腳的定義為：TCK為測試時(shí)鐘輸入；TDI為測試數據輸入，數據通過(guò)TDI引腳輸入JTAG接口；TDO為測試數據輸出，數據通過(guò)TDO引腳從JTAG接口輸出；TMS為測試模式選擇，TMS用來(lái)設置JTAG接口處于某種特定的測試模式；TRST為測試復位，輸入引腳，低電平有效。

JTAG接口是調試環(huán)境和目標板之間的接口，它的好處是可以讓開(kāi)發(fā)者在對目標板進(jìn)行開(kāi)發(fā)的同時(shí)可以不改變目標板的系統結構，從而方便了系統的開(kāi)發(fā)與測試。XDS510仿真器通過(guò)JTAG接口將系統板與電腦連接起來(lái)，這樣就可以使用TI提供的集成化開(kāi)發(fā)環(huán)境對系統進(jìn)行調試了。JTAG接口采用標準的雙排14腳插座。系統的JTAG接口電路如圖3所示。

1.4 電源模塊設計

DM642需要兩種電源，一種是內核電源（1.4 V），另一種是I/O電源（3.3 V）。通常由于DM642用于嵌入式系統中，因此電源電路設計不僅要考慮電壓精度、穩定度和外圍電路的復雜度等問(wèn)題，還要考慮低功耗問(wèn)題。另外，根據設計要求，為了保證芯片正常工作，在系統上電作時(shí)，對這兩種電源的上電順序還有一定的要求，如果違反該要求，可能降低器件的性能或永久損壞器件。內核電源要比I/O電源早上電，至少不能晚于I/O電源上電。在電路設計中，通過(guò)采用在兩個(gè)電源之間串聯(lián)二極管的方法來(lái)解決系統上電順序的問(wèn)題。

系統設計中，電源芯片采用的是TI公司的TPS54310,它是TI公司生產(chǎn)的一款開(kāi)關(guān)電源調節芯片，它能夠實(shí)現低電壓輸入和高電流輸出（輸人電壓范圍為3~6 V,輸出電壓根據需要可以在0.9~3.3 V之間調節，輸出電流為3 A）。圖4是3.3 V電源產(chǎn)生電路，1.4 V電源產(chǎn)生電路與此類(lèi)似，只需根據TPS54310中的計算公式將相應的電阻和電容值做相應的修改就可以得到1.4 V電源。3.3V的電源不僅是DM642的0電源，同時(shí)也是系統上視頻解碼芯片、視頻編碼芯片、SDRAM芯片等的供給電源。

1.5 視頻輸入輸出模塊設計

1.5.1 視頻輸入模塊設計

視頻輸入模塊設計采用的視頻解碼芯片是TVP5150APBS,它是TI公司專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的一款可以方便攜帶的低功耗視頻解碼芯片，可以廣泛用于視頻系統的設計。TVP5150APBS的視頻輸入端可以輸入兩路復合視頻信號或者一路S端子信號。輸入信號（如PAL、NTSC等制式）通過(guò)增益控制單元、模數轉換器和Y/C分離及處理模塊后，最后可以轉化為8位ITU-R BT.656的數據格式，或者轉化為8位4:2:2的數據格式。TVP5150A-PBS的初始化操作是通過(guò)操作IIC總線(xiàn)來(lái)實(shí)現的。TVP5150APBS的IIC地址可以通過(guò)控制12CSEL引腳的高低電平來(lái)設置。當該引腳是低電平時(shí)，IIC地址是0xB8h,當該引腳是高電平時(shí)，IIC地址則為0xBAh.TVP5150APBS與TMS320DM642的連接示意如圖5所示。

從圖5可知，視頻信號可從TVP5150APBS的AIP1A或AIPIB輸入，數據輸出引腳YOUT[0:7]與DM642的VP0[2:9]引腳連接在一起。TVP5150-APBS的系統時(shí)鐘引腳SCLK與DM642的VPOCLK0引腳連接。因為在本系統的設計中采用的是ITU-R BT.656的視頻輸出格式，所以在系統中不需要分立的同步信號。因此，TVP5150APBS的HSYNC（行同步信號）、VSYNC（場(chǎng)同步信號）、AVID（行消隱指示信號）以及FIDFig.5 Colleetion bet-ween TVP5150APB5 and DM642（奇偶場(chǎng)指示信號）這幾個(gè)引腳并不需要與TMS320DM642連接， 只需要將TVP5150APBS的INTERQ引腳與TMS320DM-642的VPOCTL0引腳連接起來(lái)。

1.5.2 視頻輸出模塊設計

在系統設計中，視頻輸出模塊中的視頻編碼芯片選用的是Philips公司的SAA7105H,它同時(shí)具有SDTV（標準清晰度電視）和HDTV（高清晰度電視）信號編碼能力，可以廣泛用于視頻輸出的設計中。視頻輸出模塊的電路如圖6所示。

從圖6中可知，將DM642的VP2端口配置成視頻輸出端口。由于VP2端口的數據線(xiàn)與SAA710SH的數據線(xiàn)相互錯位，因此這會(huì )造成無(wú)法正常顯示視頻輸出。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在將VP2端口配置成ITU-R BT.656視頻輸出時(shí)，數據就會(huì )從VP2 A通道的VPD02-VP2D09輸出，VP2D00-VP2D 01則輸出無(wú)效，因此就需要將VP2D02-VP2D09這8根數據線(xiàn)連接到SAA7105H的PD0-PD7對應的引腳。這樣VP2D10-VP2D19在視頻回放中就沒(méi)有使用。

SAA7105H將從DM642端傳送來(lái)的PC信號轉化為PAL制式（50 Hz）或者是NISC制式（60 Hz）送到外部TV端輸出。SAA7105H默認為休眠狀態(tài)，在休眠過(guò)程中HC總線(xiàn)仍然可以接受來(lái)自DM642的命令。當SAA7105H的3個(gè)數模轉換器視頻輸出與外部TV相連接時(shí)，SAA7105H能夠自動(dòng)檢測到數模轉換器接口的阻抗變化，然后通過(guò)芯片的TVD（電視信號檢測）引腳向TMS320DM642發(fā)出中斷請求，表明外部有播放要求。此時(shí)，DM642就會(huì )通過(guò)IIC總線(xiàn)來(lái)配置SAA7105H的內部寄存器，激活還處于休眠狀態(tài)的SAA7105H,開(kāi)始進(jìn)行本地視頻的播放。

在視頻輸出模塊中，SAA7105H的HSVGC（水平同步輸出）、VSVGC（垂直同步輸出）、FSVGC（幀同步輸出）分別于TMS320DM642端口的VP2CTL0、VF2CTL1以及VP2CTL2這3個(gè)引腳相連。SAA7105H的輸出方式可以有RGB格式、CVBS（混合視頻）格式、S-Video格式以及VGA格式等幾種。其輸出方式的選擇通過(guò)SAA7105H的應用子地址來(lái)控制。

1.6 以太網(wǎng)接口設計

以太網(wǎng)接口設計中的以太網(wǎng)處理芯片采用Intel公司的LXT97lA,它符合IEEE標準，直接支持10 Mbps和100Mbps的雙絞線(xiàn)應用，也可以支持100 Mbps的光纖接口。LXT971A與DM642的連接示意圖如圖7所示，在以太網(wǎng)模塊中還需要用到網(wǎng)絡(luò )變壓器和RJ-45以太網(wǎng)連接器。

1.7 報警電路設計

系統的報警電路結構比較簡(jiǎn)單，它由驅動(dòng)電路與蜂鳴器構成，驅動(dòng)電路與DSP的一個(gè)GPIO引腳連在一起，電路如圖8所示。

從圖8中可以看出，當GP10輸出高電平（通知報警）時(shí)，三極管的集電極和發(fā)射極之間將視為短接，從而驅動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲報警，系統設計中采用的是有源蜂鳴器來(lái)進(jìn)行報警。

2 系統調試

2.1 Flash的調試

Flash調試的步驟如下：

　　1）配置寄存器，Flash的基地址是0x90000000,共有512個(gè)扇區，每個(gè)扇區有4 K字節，Flash的大小為2M字節。將Flash的空間映射到TMS320D-M642的存儲器空間內；

　　2）進(jìn)行Flash的擦除操作；

　　3）判斷擦除操作是否結束。Flash的DQ6位和DQ7位都可以用來(lái)判斷擦除是否結束，這里采用的是DQ7位。在內部擦除操作過(guò)程中，讀出的DQ7的值是0,一旦內部擦除操作完成，DQ7的值就會(huì )變化為1;

　　4）開(kāi)始Flash的寫(xiě)操作和讀操作。

　　可以通過(guò)CCS的Memory窗口可以觀(guān)察Flash的寫(xiě)入是否正確。讀出的數據和寫(xiě)入的數據經(jīng)過(guò)對比后無(wú)誤，說(shuō)明系統的Flash工作正常。

2.2 SDRAM的調試

兩塊SDRAM芯片MT48LC4M3282的片選信號是與TMS320DM642的引腳接在一起的，因此SDRAM的基地址是Ox800000000.在測試SDRAM時(shí)，從SDRAM的基地址開(kāi)始，長(cháng)度為32 M字節。在編程時(shí)向SDRAM中寫(xiě)入數據。然后再讀出數據，將讀出的數據與寫(xiě)入的數據進(jìn)行對比，測試后對比無(wú)誤，說(shuō)明系統的SDRAM工作是正常的。

2.3 靜態(tài)圖像的采集

在圖像采集中用到的是TMS320DM642的VP0口，需要一個(gè)CCD攝像頭。采集到的靜態(tài)圖像通過(guò)CCS的View功能來(lái)顯示。

視頻解碼芯片TVP5150APBS的IIC地址設置為0xB8.另外，在程序中還需要對TVP5150APBS相關(guān)的寄存器進(jìn)行必要的設置以滿(mǎn)足系統的要求。編寫(xiě)圖像采集程序，TVP5150APBS能夠實(shí)時(shí)采集圖像。程序在CCS中經(jīng)過(guò)編譯、運行后采集到的圖像如圖9所示。

2.4 視頻顯示的調試

視頻顯示模塊主要是在圖像采集的基礎上實(shí)現VGA制式視頻圖像的實(shí)時(shí)顯示。在調試過(guò)程中需要編寫(xiě)視頻接口的顯示驅動(dòng)程序以及整個(gè)視頻顯示通道的調試程序，還需要對視頻編碼芯片SAA7105H的寄存器進(jìn)行設置。視頻輸出信號通過(guò)VGA接口連接到顯示器上，這里采用的是電腦顯示器。調試程序經(jīng)過(guò)編譯、運行后，會(huì )將TVP5150APBS采集到的圖像通過(guò)SAA7105H送到顯示器實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，如圖10所示。

2.5 報警模塊的調試

在調試時(shí)通過(guò)編程將GP10引腳設置為1,即給報警電路輸入一個(gè)報警信號，此時(shí)蜂鳴器將會(huì )發(fā)聲報警。

2.6 以太網(wǎng)模塊的調試

以太網(wǎng)模塊的調試主要是測試EMAC與MDIO的配置及使用，以及如何配置一個(gè)PHY設備和CSL庫中關(guān)于網(wǎng)絡(luò )接口部分程序的應用。在調試過(guò)程中，是采用自閉環(huán)的方式來(lái)完成的。

將系統板上的RJ-45網(wǎng)絡(luò )接口用網(wǎng)線(xiàn)和局域網(wǎng)連在一起，在調試中需要用到TI推出的TCP/IP NDK（Network Developer's Kit）開(kāi)發(fā)套件中提供的調試程序。程序運行后，系統板可以和局域網(wǎng)中的電腦正確地進(jìn)行數據傳輸，說(shuō)明系統的以太網(wǎng)模塊是可以正常工作的。

3 結束語(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。該系統已經(jīng)調試成功，它可以完成視頻信號的輸入與輸出，可以應用于視頻圖象采集和處理的各種場(chǎng)合中。系統還擴展了一個(gè)網(wǎng)口，可以方便地與外界通信。與傳統的視頻處理系統相比，該系統在視頻輸出方式上更趨多樣化，視頻輸出接口既可以接到電視機上，也可以與PC機的顯示器相連接，彌補了以往接口單一的缺陷。系統新增的報警功能增強了系統的實(shí)用性。下一步研究的方向是對該系統做進(jìn)一步的完善，比如可以增加USB接口，擴展系統的應用范圍，將蜂鳴器報警改為語(yǔ)音報警等。最后，在此系統上研究各種算法，比如視頻壓縮算法、圖像處理算法等，這樣它可以應用于視頻會(huì )議、交通、監控等諸多領(lǐng)域，具有廣泛的應用前景。