基于達芬奇技術(shù)的數字視頻系統設計與實(shí)現

　　引 言

　　在數字視頻創(chuàng )新已經(jīng)成為數字信息產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)的今天，數字視頻系統的設計方法不斷提高，數字視頻系統的復雜度已經(jīng)遠遠超過(guò)以往任何時(shí)候。達芬奇技術(shù)成功實(shí)現數字視頻需要四大要素的最新進(jìn)步，即：處理器、開(kāi)發(fā)工具、軟件以及系統專(zhuān)業(yè)技術(shù)。由于能夠在集成這四種要素的平臺中實(shí)現數字視頻、音頻、語(yǔ)音與話(huà)音技術(shù)，因此達芬奇技術(shù)可以為數字視頻的當前變革打下基礎。

　　本設計是在一塊60*60mm 的PCB板上來(lái)完成視頻的采集、處理與顯示。由攝像頭采集的視頻圖像經(jīng)由解碼器轉換成達芬奇處理器能夠處理的格式，在Codec Engine 中實(shí)現H.264 、MPEG-4編解碼，在LCD液晶屏上最高能達到1280*720 分辨率下30fps(幀/每秒)流暢顯示。這樣的數字視頻系統能達到尺寸小，功能強，設計靈活，實(shí)用性廣的優(yōu)點(diǎn)。

　　1. 1.系統的總體架構及工作原理

　　2. 1.1 TMS320DM*6 器件總攬 達芬奇處理器TMS320DM*6 是基于業(yè)界最高性能的DSP平臺—TI TMS320C6000? 由ARM926EJ-S 內核、TMS320C64x+ DSP 內核、系統控制、視頻處理子系統(VPSS)、電源管理、外部存儲器接口、外圍控制模塊等功能模塊組成。

　　TMS320DM*6 中的ARM926EJ-S 內核具有16KB 指令和8KB 數據Cache 及16KB ROM 和16KB RAM 。TMS320C64x+ DSP 內核具有32KB L1 程序R A M / C a c h e 、8 0 K B L1 數據R A M /Cache 及64KB L2 RAM/Cache 。具有DDR2 內存控制器;64 通道增強型DMA 控制器;串行端口(3 個(gè)UART、I2C、SPI、音頻串口);3 個(gè)64 位通用定時(shí)器;10/100M 以太網(wǎng);USB2.0 端口;3 個(gè)PWM 端口;多達71 個(gè)通用I/O 口;支持MMC/SD/CF 卡等。系統控制模塊提供了看門(mén)狗、中斷控制器、電源管理控制器、復位控制器及2 個(gè)片上振蕩器。視頻處理子系統(VPSS) 有用于視頻輸入的視頻前端輸入(VPFF) 接口由CCD 控制器(CCDC)， 預處理器、柱狀模塊、自動(dòng)曝光/白平衡/聚焦模塊(H3A)和寄存器組成;和用于視頻輸出的視頻后端輸出(VPBE)接口由屏幕菜單式調節器(OSD)、視頻編碼器(VENC)和四路10bit DACs 組成。

　　1.2 系統的硬件組成及工作原理

　　整個(gè)數字視頻系統采用的是由達芬奇處理器(TMS320DM*6)、DDR2 SDRAM 、NAND FLASH、視頻解碼器TVP5146 、電源管理芯片TPS65023，LTC3412 加上外圍接口芯片的方案。視頻解碼器把CCD攝像頭傳過(guò)來(lái)的模擬視頻信號進(jìn)行模/數轉換，變成符合ITU-BT.656 標準的數字視頻信號，然后將數字視頻信號傳到達芬奇處理器的視頻處理子系統的前端進(jìn)行預處理經(jīng)過(guò)Codec Engine 編解碼后送到視頻處理子系統的后端，直接輸出數字視頻信號到顯示終端上或是通過(guò)四路54MHz 的DACs來(lái)提供NTSC/PAL制式的模擬視頻輸出。DM*6 上的ARM端主要做為控制器來(lái)控制視頻解碼芯片和外圍接口芯片，DSP端主要負責視頻編解碼工作。系統硬件框圖如圖1所示

　　圖1 系統硬件框圖

　　1. 3.視頻部分的硬件結構及其分析

　　視頻采集與解碼

　　本設計選用TI公司的視頻解碼芯片TVP5146 完成從模擬到數字視頻的轉換。TVP5146 允許10路模擬視頻輸入,具有4路10bit A/D 轉換器;場(chǎng)同步信號VS,行同步信號HS,奇偶場(chǎng)信號FID,時(shí)鐘輸出信號DATACLK 等都由引腳直接引出,省去同步時(shí)鐘電路的設計。

　　TVP5146 上的Y[9：2]為輸出的亮度視頻信號，DATACLK 為行鎖定系統的輸出時(shí)鐘，像素時(shí)鐘頻率為27MHz， 用來(lái)同步數據采集，HS為行同步信號，VS為場(chǎng)同步信號分別與達芬奇處理器DM*6 視頻端口對應的信號相連接。HS的高電平表示一行有效采樣點(diǎn)個(gè)數，VS 的高電平表示一場(chǎng)有效信號，對于NTSC 制信號，單場(chǎng)為243 行， 奇偶場(chǎng)信號FID為"1" 時(shí)，表示當前為奇數場(chǎng)，為"0" 表示偶數場(chǎng)。視頻解碼芯片與DM*6 的接口電路如圖2所示。

　　圖2 視頻前端模塊接口

　　2. 圖像處理與顯示

　　實(shí)時(shí)圖像處理系統設計的難點(diǎn)是如何在有限的時(shí)間內完成大量圖像數據的處理。只有圖像處理系統的處理速度達到每秒25幀以上時(shí)才能達到實(shí)時(shí)的效果并且要想在顯示終端上顯示出高清晰的圖像最重要的就是在Codec Engine 中的視頻編解碼運算。而達芬奇處理器能通過(guò)多種復雜的視頻編解碼來(lái)實(shí)現高清視頻輸出，如MPEG-4編解碼能顯示30fps分辨率為720p(1280*720);H.264 編解碼能顯示30fps 分辨率為D1(720*480) 等。TMS320DM*6 處理器視頻處理子系統中的視頻后端提供的在線(xiàn)視頻顯示處理器既能夠顯示兩組獨立的視頻窗口或兩組獨立的OSD窗口，還可以以一個(gè)視頻窗口、一個(gè)OSD窗口和一個(gè)屬性窗口的形式顯示。視頻編碼器完成圖像數據編碼后可以通過(guò)內部的LCD控制器直接輸出數字視頻信號到液晶顯示器上也可以通過(guò)四路54MHz 的DACs 進(jìn)行D/A轉換，來(lái)提供NTSC/PAL、S-video 等格式的視頻或音頻輸出。

　　3.電源設計

　　本設計采用的是TI 最新的基于達芬奇技術(shù)的TMS320DM*x DSP 的電源管理芯片TPS65023 在高達1.5A 的最寬負載電流范圍內可實(shí)現高性能的數控功能與效率最大化。TPS65023 集成了三個(gè)降壓轉換器以支持系統的內核電壓、外設、I/O 以及存儲器電壓，還集成了兩個(gè)可由外部輸入引腳啟動(dòng)的通用200mA 線(xiàn)性低壓降 (LDO) 穩壓器。每個(gè)LDO 的輸入電壓范圍都在2.5 V 至6.5 V 之間，因此既可通過(guò)其中一個(gè)集成降壓轉換器供電，也能直接通過(guò)電池供電。

　　在本設計中TPS65023 的VDCDC1 管腳輸出1.2V 電壓用于DM*6 的內核供電，VDCDC2 管腳輸出1.8V 電壓用于DM*6 的存儲器接口供電，VDCDC3 管腳輸出3.3V 電壓用于DM*6 的外設接口供電。由于TPS65023 只提供1A/1.8V 電壓不夠供應兩片DDR2 SDRAM，故還需一個(gè)輸出1.8V 的電源管理芯片來(lái)為DDR2 供電，此系統選用的是LTC3412A 輸出電流3A。這樣用兩個(gè)電源管理芯片就能滿(mǎn)足系統供電。TPS65023 與達芬奇DM*6 的接口電路如圖3 所示。

　　圖3 TPS65023 與DM*6 的接口電路

　　4.軟件實(shí)現

　　達芬奇軟件架構涵蓋低級的OS 驅動(dòng)程序乃至應用API。在達芬奇軟件平臺中可以細分為多任務(wù)的CODEC， 即視頻(Video) 、影像(Image) 、語(yǔ)音(Speech) 、音頻(Audio),統稱(chēng)VISA。另外還包含具有多媒體框架組件的CODEC 引擎遠程服務(wù)器。由此構成的信號處理層(SPL) 一方面通過(guò)VISA API 接口與應用層(APL)連接，另一方面則通過(guò)DSP/BIOS 與底層內核溝通。APL 包含客戶(hù)增值差異化設計軟件模塊，并通過(guò)Linux API 溝通底層內核的許多外圍接口驅動(dòng)。

　　eXpressDSP 配置工具的使用使得配置一個(gè)CODEC 的過(guò)程極其簡(jiǎn)單，下面就是一個(gè)完整的應用程序開(kāi)發(fā)步驟：

　　第一步，開(kāi)發(fā)并完成Codec。就是要開(kāi)發(fā)音視頻編解碼的核心算法，按照xDM 標準封裝成為Codec 庫，Codec 主要完成音視頻的核心算法，應用程序運行時(shí)被調用，并不參與其他功能。

　　第二步，將Codec 集成到Codec Engine 中。將第一步開(kāi)發(fā)完成的Codec 或已有的符合x(chóng)DM 的Codec 集成到Codec Engine 中，這一步需要配置兩個(gè)JavaScript. 的腳本文件，其中一個(gè)腳本文件表明了，Codec 的使用和配置信息，文件名一般為*.cfg， 另一個(gè)描述了Codec 在達芬奇上的內存分配的配置，文件名一般為*tcf ，配置好這兩個(gè)文件后，使用make 命令即可生成Codec Engine， 其文件名一般為*.X64P ?？杀粦贸绦蛑苯诱{用。

　　第三步，開(kāi)發(fā)音視頻應用程序，并在其中調用Codec Engine 。在Linux 下開(kāi)發(fā)音視頻應用程序，包括用戶(hù)界面，音視頻的采集、播放、同步等，其中完成對Codec Engine 的調用，應用程序也要完成一個(gè)擴展名為cfg 的腳本配置文件，以表明對Codec Engine 的使用狀況。

　　第四步，加載DSPLINK 和CMEM 模塊，運行應用程序至此一個(gè)完整的達芬奇音視頻應用程序就完成了，其中許多過(guò)程是通過(guò)腳本文件配置完成的，過(guò)程非常簡(jiǎn)單易懂，下面我們需要在達芬奇上運行它，首先要加載DSPLINK 和CMEM 兩個(gè)驅動(dòng)程序模塊，其中DSPLINK 主要實(shí)現了arm 和dsp 的底層通信，而CMEM 則主要是完成了在物理段上分配連續內存的功能，加載完這兩個(gè)模塊，這樣便可以直接運行已完成的應用程序。

　　5.結論

　　基于TMS320DM*6 為核心處理器的數字視頻系統已經(jīng)實(shí)現并且功能強大，性能穩定，擴展性強，功耗低，能很好的加速數字視頻創(chuàng )新。本文的創(chuàng )新點(diǎn)：1.基于TI 強大的達芬奇處理器(雙核)能夠實(shí)現H.264 等復雜的編解碼。2.利用TI 專(zhuān)門(mén)針對達芬奇供電的電源管理芯片TPS65023 為其供電，很好的解決干擾、EMI/EMC 的問(wèn)題而且還能達到功耗低的效果。