基于DM642的嵌入式無(wú)線(xiàn)視頻監控系統硬件設計
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關(guān)鍵詞: TMS320DM642; 嵌入式系統; 視頻監控; CDMA
無(wú)線(xiàn)視頻監控系統是公安、交通、水利等行業(yè)的重要裝備, 目前無(wú)線(xiàn)視頻傳輸設備主要采用微波方式, 其致命弱點(diǎn)是傳輸距離短, 有障礙物時(shí)傳輸距離大為減少, 多年來(lái)一直沒(méi)有得到很好的解決。隨著(zhù)運營(yíng)商在國內大部分地區推出GRPS 和CDMA1x公共無(wú)線(xiàn)數據網(wǎng)絡(luò ), 通過(guò)公共無(wú)線(xiàn)數據網(wǎng)絡(luò )傳輸視頻已成為當今研究和應用的熱點(diǎn), 它能徹底解決微波方式的短距離問(wèn)題。由于公共無(wú)線(xiàn)數據網(wǎng)絡(luò )的帶寬比較窄且不穩定, 采用編碼效率不高的視頻壓縮算法(如H. 263、MPEG-4 等) , 傳輸效果不理想, 無(wú)法滿(mǎn)足大多數監控場(chǎng)合的要求。H. 264 是JVT制定的最新視頻壓縮標準 , 比H. 263 和MPEG- 4 在同質(zhì)量時(shí)碼流可低50% , 同時(shí)支持無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸, 但其運算復雜度也是H.263 和MPEG- 4 的3-5倍, 因此一般的CPU 系統無(wú)法滿(mǎn)足要求。TMS320DM642是TI最新推出的高性能數字媒體處理器, 指令最高可達4800MIPS, 可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)H. 264 編碼算法的要求。本文設計了基于TMS320DM642 的嵌入式系統, 采用H. 264 視頻編碼算法, 成功的開(kāi)發(fā)了基于CDMA 傳輸的無(wú)線(xiàn)視頻監控系統。
1 無(wú)線(xiàn)視頻監控系統構成
1. 1 無(wú)線(xiàn)視頻監控系統設計需求
本系統要求采用嵌入式視頻發(fā)送終端, 對采集視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮并通過(guò)CDMA 網(wǎng)絡(luò )發(fā)送, 接收端采用PC 機對接收視頻數據進(jìn)行解碼并顯示。對于嵌入式視頻發(fā)送終端有如下需求:
①一路PAL/NTSC 標準模擬視頻輸入, 一路模擬音頻輸入; ②采用CDMA 接入方式將視頻數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送; ③采用CF卡或硬盤(pán)對視頻進(jìn)行本地存儲; ④發(fā)送圖像和保存圖像的尺寸和幀率等參數可調; ⑤可通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行遠程控制, 并且要求低功耗。
1. 2 系統的總體設計
由于CDMA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )帶寬窄、帶寬波動(dòng)大, 因此系統中采用H. 264作為視頻壓縮算法。同時(shí)本地存儲與CDMA 發(fā)送視頻在圖像尺寸和幀率上不同,需要采用兩個(gè)編碼結構分別進(jìn)行編碼。圖1 顯示了本系統的總體結構框圖, 系統主要包括DM642CPU、視頻輸入、音頻輸入/輸出、硬盤(pán)接口、串口和U SB 通信(USB2. 0) 等主要功能模塊,此外還包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC )、顯示和I/O 接口(LCDI/O )、SDRAM、FLASH 和電源(POWER )模塊。下面將詳細地對各個(gè)功能模塊進(jìn)行一一分析和設計。
圖1 視頻發(fā)送終端系統框圖
2 無(wú)線(xiàn)視頻監控系統硬件設計
2. 1 TMS320DM642 簡(jiǎn)介
TMS320DM642是TI 推出的針對多媒體處理領(lǐng)域應用的高性能數字媒體處理器。該處理器是專(zhuān)門(mén)為視頻與影像市場(chǎng)量身定制的, 特別適用于VOIP 視頻、視頻點(diǎn)播(VOD )、多信道數字視頻攝錄像應用以及高品質(zhì)視頻編碼與解碼解決方案。DM642 處理器內部集成了TMS320C64X 的DSP內核, 在600MHz 運行速度下, 指令可達4800MIPS, 由于其強大的運算能力, 可以實(shí)現實(shí)時(shí)的H. 264 編解碼算法。
DM642 內部集成了外部?jì)却娼涌?EMIF) 控制單元, 通過(guò)20 根地址線(xiàn)和64 位數據總線(xiàn)可直接與外部的SDRAM、FLASH進(jìn)行連接。本系統中由于采用100MHz 的SDRAM , 考慮到信號完整性,SDRAM 直接與DM642 連接, 而FLA SH 通過(guò)總線(xiàn)加以驅動(dòng)后加以連接。
2. 2 視頻輸入模塊
DM642 具有三個(gè)視頻端口, 支持多種分辨率和標準, 如CCIR601、ITU- BT. 656、BT. 1120 等, 每個(gè)端口為20bit 位寬, 可以被靈活的配置為一個(gè)20/16bit 或兩個(gè)10/8bit 通道。同時(shí), 每個(gè)端口都可配置為視頻輸入或視頻輸出。本系統中采用VP0與SAA7113H 相連進(jìn)行視頻輸入采集。
SAA7113H 為9bit 視頻解碼器, 其內部有由視頻源選擇、反混疊濾波器和ADC 組成的兩通道模擬預處理電路、增益控制、時(shí)鐘發(fā)生電路(CGC)、多標準數字解碼器、亮度飽和度控制電路等組成。它支持PAL、NATSC 等多種視頻輸入格式, 輸出支持標準的ITU. 656 YUV 4∶2∶2 8bit 格式, 通過(guò)I2C 總線(xiàn)進(jìn)行控制, 只需一個(gè)24. 576MHz外部晶振, 采用3. 3V電源、具有小于0. 5W 的功耗。SAA 7113H 與DM642 接口見(jiàn)圖2。
圖2 SAA7113H與DM642 接口
2. 3 音頻輸入輸出(CODEC) 模塊
DM642具有多通道音頻串行端口(McASP) 和兩個(gè)多通道有緩存的串口(McBSPs) , 但它們是與視頻端口復用的, 本系統中采用VP1 中的McBSPs1作為與音頻Codec連接的接口。
TLV320AIC23B是TI推出的一款高性能的立體聲音頻Codec 芯片, 內置耳機輸出放大器, 支持MIC 和LINEIN 兩種輸入方式(二選一) , 且對輸入和輸出都具有可編程增益調節。AIC23B 的模數轉換(ADCs) 和數模轉換(DACs) 部件高度集成在芯片內部, 采用了先進(jìn)的Sigma-delta 過(guò)采樣技術(shù),可以在8k 到96k 的頻率范圍內提供16bit、20bit、24bit 和32bit 的采樣,ADC 和DAC 的輸出信噪比分別可以達到90dB 和100dB。A IC23B 還具有很低的能耗, 回放模式下功率僅為23 mW。A IC23B 與DM642 接口見(jiàn)圖3。
圖3 A IC23B 與DM 642 接口
2. 4 CDMA 無(wú)線(xiàn)傳輸串口模塊
本系統中采用Q2358C 串行接口模塊作為CDMA 接入設備, 它支持語(yǔ)音通信、支持中英文短信、雙音多頻功能(DTMF) 等功能。波特率從300 到115, 200 bit/s, 支持上網(wǎng)最高速率153 kb/s, 采用AT 指令集通過(guò)RS-232串口進(jìn)行通信。DM642沒(méi)有異步通用串行接口, 需采用擴展異步通信芯片來(lái)實(shí)現串行通信。
TL16C752B是UART 收發(fā)器, 最高波特率可以達到3Mb/s(使用48MHz 時(shí)鐘源時(shí)) , 其內部具有64byte發(fā)送/接收FIFO , 接收FIFO的啟動(dòng)和停止可通過(guò)軟件編程實(shí)現, 支持多種波特率、多種串行數據格式。DM642與其連接采用EMIF 控制, 地址線(xiàn)A0～A2、數據線(xiàn)D0～D7、讀寫(xiě)控制信號IOR/IOW 與經(jīng)過(guò)驅動(dòng)的總線(xiàn)相連, 而選通信號CSA/CSB 由GAL 產(chǎn)生。TL16C752B與Q 2358C模塊之間通過(guò)MAX3243 進(jìn)行電平轉換連接。圖4 給出一路串行接口連接方式。
圖4 系統串口通信接口
2. 5 DE及USB 通信模塊
本系統中對采集視頻要進(jìn)行本地數據存儲, 采用CF卡或IDE 硬盤(pán)來(lái)保存數據, 在通過(guò)USB2.0 將保存于CF卡或DE 硬盤(pán)中的數據在需要時(shí)讀出。DM642與DE 接口通過(guò)GAL16LV8產(chǎn)生的信號進(jìn)行控制。TUSB6250 采用內嵌8051 內核的USB2.0到ATA/ATAPI橋接器, 其完全兼容USB2.0 標準,支持八個(gè)可配置終端(四路輸入和四路輸出) 。內部集成USB 存儲設備傳輸協(xié)議, 與ATA/ATAPI設備無(wú)縫連接。內部集成的60MHz8051微處理器指令速度可達30MIPS, 40k byte RAM可靈活的配置為數據或代碼RAM , 13個(gè)通用I/O 口能進(jìn)行各種通信和控制使用, 并有I2C接口。在本系統中通過(guò)I2C和HPI 總線(xiàn)實(shí)現DSP 和TUSB6250 之間的通信。DE及USB 部分接口見(jiàn)圖5。
圖5 DM642與IDE 及USB部分接口
2. 6 電源及其它模塊
DM642 采用雙電源供電, 內核電源采用為1. 4V 消耗電流為890 mA; I/O 電源采用3. 3 V 消耗電流為210mA。由于內核電源電壓低同時(shí)消耗電流較大, 如果采用LDO電源效率較低, 消耗功率將加大,所以在本系統中采用兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源芯片TPS54310分別產(chǎn)生3. 3 V 和1. 4 V 電源, 電源效率可達90%以上。DM642 提供了16 個(gè)通用I/O , 通過(guò)這些I/O 實(shí)現鍵盤(pán)輸入、控制開(kāi)關(guān)量輸入與輸出。DM642 的視頻端口VP3 配置為輸出直接與LCD 連接。另外, 系統中采用DS1338 作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘, 提供實(shí)時(shí)時(shí)間信息。
3 系統設計中的注意事項
3. 1 原理圖設計
DM642 內部運行頻率是通過(guò)外部時(shí)鐘輸入經(jīng)內部PLL 倍頻后得到, PLL 倍頻可通過(guò)CLKMODE1 和CL KMODE2 管腳來(lái)選擇x1、x6 或x12, 因此這兩個(gè)管腳外部一定要接相應的電阻可調, 以便DM642可在不同速度下運行。DM642 有多種BOOT啟動(dòng)模式可選, 如果選擇EMIFA 的FLASH 作為啟動(dòng)時(shí), FLASH 的片選必須接到TCE1上。DM642 可選字節順序的大/小模式、外設的PC I、HP I、EMAC 模式的選擇是通過(guò)復位時(shí)LEND IAN、PC I_ EN、PC I_ EEA I、HD5、MAC _EN 管腳的電平?jīng)Q定, 一定要考慮其在復位時(shí)電平值做成可調的。對于仿真器的EMU [1∶0 ]保證已經(jīng)上拉, TRST下拉。另外, 在A(yíng)ARDY 管腳不使用時(shí)要保證其為高電平, NMI管腳不使用時(shí)要接地,在選擇HPI 模式時(shí)要保證HPI控制信號電平正確,同時(shí)對其他不使用的輸入管腳進(jìn)行正確處理。
3. 2 PCB 設計
DM642 作為高性能數字媒體處理器不僅內部具有很高的運行頻率600MHz、720MHz 和1GHz,而且與外部的SDRAM 的總線(xiàn)速度也達到100MHz或133MHz, 如果外部的SDRAM 由于布線(xiàn)原因達不到設計的希望速度, 會(huì )降低系統的性能。對于100MHz 以上的信號總線(xiàn), 存在信號完整性問(wèn)題。要保證信號的完整采用如下方法, 對于SDRAM 的時(shí)鐘線(xiàn)盡量要短, 到兩個(gè)SDRAM 的長(cháng)度盡量相等;FLASH 等其他外設不要直接與數據和地址總線(xiàn)連接, 而應通過(guò)緩沖芯片(如SN74LVT16245B) 連接;高速總線(xiàn)上要串入小阻值電阻, 阻值大小可通過(guò)仿真得到, 同時(shí)對線(xiàn)路更加要求進(jìn)行阻抗限制。DM642 內部有PLL,對于PLL外部所接器件要盡可能靠近芯片, 而且必須放在線(xiàn)路板的一面上。對于JTAG 的連線(xiàn)長(cháng)度不能超過(guò)6in, 如果超過(guò)6in長(cháng)要加驅動(dòng)。本系統中既有模擬部分又有數字部分, 要注意模擬電源和數字電源的設計, 盡量減少數字信號對模擬信號的干擾, 否則對采集的視頻信號會(huì )有雪花、條紋, 音頻信號產(chǎn)生噪音等。對視頻、音頻芯片盡量采用單獨的電源芯片供電, 模擬地和數字地要單點(diǎn)或采用磁珠相連。
4 結束語(yǔ)
依據以上硬件設計完成基于DM642 的嵌入式無(wú)線(xiàn)視頻監控系統, 該系統以高速DSP為核心,輔以相應的外圍電路, 實(shí)現實(shí)時(shí)H. 264視頻編解碼。目前, 該系統已經(jīng)順利通過(guò)調試, 連續運行穩定, 為公安、交通、水利等行業(yè)的無(wú)線(xiàn)視頻監控提供切實(shí)可行的方案, 具有非常高的應用價(jià)值。
linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）
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