基于dsp的視頻采集與壓縮傳輸系統的設計論文正文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 。對于C64x器件，像DM642,通過EDMA控制器實現PCI 口和DSP的接口。這種結構考慮到PCI主設備和從設備處理，并可以使DMA/EDMA通道資源用于其他應用。（3）擴展內存接口EMIFTMS320DM642的數據總線寬度為64位，劃分為4個存儲空間CE0~CE3，每個存儲空間的大小為256MB。DM642通過EMIF接口擴展外部存儲器時，使用CE0~CE3信號作為空間片選信號，可以把外擴的存儲器映射在不同空間中，空間片選信號低電平有效，EMIF接口的數據寬度也支持8位、16位和32位的數據。（4）多路音頻串口（McASP）TMS320DM642設備包含一個多聲道音頻串行端口（McASP）接口外設（McASP 0），為了多聲道音頻應用需要，McASP是一個被優化了的串口。McASP由發射部分和接收部分組成，它們能夠用不同的數據格式、隔離的主時鐘、位時鐘、幀同步或者一部分完全獨立地進行操作，傳輸部分和接收部分可以是同步的。McASP模塊還包括一個 16 位移位寄存器池，可配置為用于傳輸數據，接收數據，或通用輸入/輸出（GPIO）。McASP的傳輸段可以用時分復用同步串行格式傳送數據，或用一個數字音頻接口格式傳輸數據，它的位流可被編碼為S / PDIF， AES 3 ，IEC 60958，CP 430的傳輸。接收段的McASP支持的TDM同步串行格式。多路緩存串口 McBSPMcBSP 能夠和多種標準的端口相連，McBSP 是一種同步串口。（5）通用 I/O 端口GPIO該GPIO外圍設備提供專用普通用途引腳，可以配置為輸入或輸出。當配置為輸出，可以寫一個內部寄存器以控制外部引腳的狀態驅動。當配置為輸入，可以通過內部寄存器的狀態來探測輸入引腳的狀態。另外，GPIO外圍設備可能導致CPU中斷和EDMA事件用不同的中斷或事件方式。綜上所述可知：TMS320DM642是一個強大的多媒體處理器，是構成多媒體通信系統的良好平臺。它的豐富的外圍接口使得它近乎是一個多媒體嵌入式系統的單芯片硬件平臺；它的完全可編程性，又可以使得它能夠兼容正在發展的各種多媒體信號處理標準，構成通用的軟件平臺。這些特性必將使得它得到廣泛的應用。 視頻采集壓縮系統的核心電路設計基于TMS320DM642的視頻采集壓縮系統硬件設計包含以下核心模塊：音視頻A/D轉換模塊、擴展存儲模塊、網絡模塊、電源模塊、串行通信模塊。音視頻A/D轉換模塊主要完成4路模擬CVBS信號和4路LINE_IN信號的模數轉換以及與DM642視頻口的連接；擴展存儲模塊主要是完成DM642 EMIF 接口與SDRAM及FLASH的連接；網絡模塊實現DM642 EMAC接口與以太網物理層控制器之間的連接；電源模塊實現對視頻采集壓縮系統各芯片的電源供應，以及對系統電壓監控并產生復位信號；串行通信模塊主要實現專用異步通信芯片對DM642 McBSP接口的擴展，從而實現穩定、準確的串行通信。 音視頻 A/D 轉換模塊的設計一般采集彩色圖像，首先要進行視頻解碼，即把復合的視頻信號分解成亮度和兩個色差信號，各個分量再獨立進行量化。傳統的模擬電路的亮色分離存在著如下兩個缺點：（1）模擬的亮色分離電路一般采用帶通濾波器和陷波器，但模擬濾波器結構復雜，調整較繁，相頻特性不理想，常使亮色分離不干凈。而且帶寬受限制，難以達到高保真的效果。（2）信源送來的行場同步都有抖動，有時還會失同步，鎖相電路應能跟上行同步，并且輸出的抖動要小。因為實際的視頻采樣系統中，為了使后級的處理簡單，往往需要采樣時鐘與行頻鎖相，形成所謂的行頻鎖相視頻采樣，以使得到的樣點為行正交結構。另外，解碼器中還要恢復副載波信號來解調色差信號，恢復色副載波的頻率和相位的準確度直接影響到解調的質量。因此，解碼器系統(特別是多制式的解碼器)中，鎖相系統要能完成多種頻率的高精度鎖相。 音視頻A/D轉換模塊由音視頻解碼芯片構成，由于DM642的VP口能夠接受CCIR60 Video等多種格式的視頻數據，提供了與目前市面上流行的視頻編解碼芯片的無縫連接，因而大大簡化了設計，在芯片的選擇上更多集中在視頻解碼質量，芯片功耗等方面進行考慮。由于設計中采用模擬攝像頭進行視頻數據的采集，因此需要使用視頻解碼芯片將采集到的模擬數據進行數字化，然后傳送給DM642的視頻端口進行處理。這里的視頻解碼芯片選用了TI公司生產的TVP5150芯片。該芯片是一款超低功耗的視頻解碼器，正常工作時功耗僅為115mW，在省電模式下功耗不超過1mW。它支持PAL/NTSC/SECAM制式的視頻信號，采用了節省空間的32pinTQFP封裝，芯片需要++。TVP5150支持2路復合視頻(CVBS)或1路S一端子(Svideo)輸入，將輸入的模擬視頻信號轉換為帶離散同步信號的8bit 4：2：2YCbCr或者帶內嵌同步信號的8bit ，除此之外，TVP5150還輸出同步信號，消隱信號，鎖定信號和時鐘信號。TVP5150A解碼器還包括一組內部寄存器(地址從00hFFh )，芯片的所有工作參數包括視頻特征(色調、對比度、明亮度、飽和度和尖銳度)和其他一些相關的控制等都由DM642通過I2C串行端口在這些寄存器中設置。圖７ 視頻芯片與 DM642 的連接系統對音頻信號的處理使用 TI 的TLV320AIC23音頻編解碼器，模擬的音頻信號通過線性輸入接口輸入AIC23，經過模數轉換后傳送給DSP 進行處理。DSP 處理后的音頻信號再通過AIC23 轉換為模擬信號輸出。AIC23編解碼器使用兩個串行通道，一個通道控制編解碼器的內部配置寄存器，另一個用于收發數字音頻信號。I2C總線作為單向的控制通道，實現DSP對編解碼器的配置。雙向的數據通道則由McASP來實現，所有的音頻數據均由此處交換。圖8 DM642與音頻芯片接口圖 擴展存儲模塊的設計DSP訪問外部存儲器時必須通過外部存儲器接口EMIF。DM642有很強的接口能力，不僅具有很高的數據吞吐率，而且可以與目前幾乎所有類型的存儲器直接接口，如 pipeline結構的同步突發靜態 RAM(SBRAM)，異步器件，包括 SRAM、ROM和 FIFO 等，還有外部共享存儲空間的設備。圖9 DM642 視頻口分配DM642上有兩個擴展內存接口總線，分別為EMIFA和EMIFB。EMIFA 提供64 位寬度的外總線數據接口，EMIFB提供 16 位寬度的外總線數據接口，最大總線速度為133MHz。由于對視頻圖像的處理需要比較大的存儲空間，所以系統通過DM642的外部存儲器接口(EMIF)擴展了片外存儲空間。DM642的64位 EMIF 根據地址空間劃分為4個部分，CE0CE3，這4個部分分別與擴展的片外設備相連。在本系統中，片外設備包括： 2 塊 4M32bit，133MHz速率的 SDRAM、1塊64Mbit的FLASH以及TI的UART。系統程序固化在FLASH存儲器中，當程序運行時，DM642把程序和臨時數據保存在SDRAM中。FLASH存儲器具有總線寫入功能，這對系統啟動程序的修改和升級帶來了極大的方便。（1）SDRAM系統選用的SDRAM容量為4Mbit，數據寬度為32位，由于DM642的EMIFA數據線寬度為64位，所以選用兩片SDRAM與DM642相連接。SDRAM具有如下特征：l 信號與時鐘同步。在SDRAM中，所有的輸入、輸出信號都是與時鐘信號同步，SDRAM在時鐘的上升沿對輸入信號進行采樣并鎖存。l 命令操作。SDRAM的各種操作都是通過命令進行控制的，控制命令在時鐘的上升沿有效且只持續一拍。l 多塊并行。在SDRAM芯片中，一般有24個存儲塊，當一個塊在工作時，其他塊可立即進行讀寫準備(預充電、運行地址、刷新等)。前一個工作快完成后，下一個塊可立即進行工作。這樣隱藏了存儲塊的啟動時間，提高了數據傳輸率。表3 DM642的 EMIF 的地址空間分配表Chip selectFunctionCE0SDRAM busCE18 bit FlashCE2UARTCE3l 數據突發傳輸。SDRAM內部設有地址計數器，在突發方式工作時，只需要對SDRAM送一次初始地址，即可實現連續訪問，后續列地址由 SDRAM內的列地址計數器自動提供。l 抗干擾能力強。由于SDRAM是在時鐘上升沿對輸入信號進行采樣，數據在其它時間的變化不會影響SDRAM的工作，因而具有較強的抗干擾能力。本文中，DM642的外部擴展兩片HY57V283220T芯片，共4M*64位SDRAM空間，選擇工作頻率為133MHz的HY57V283220T芯片。圖中，使用CE0引腳產生SDRAM芯片的片選信號，即把兩片HY57V283220T芯片擴展的片選信號，即把兩片HY57V283220T芯片擴展在DM642的CE0空間。圖10 DM642 與 SDRAM 連接關系（2）FLASHTMS320DM642片內不帶FLASH或EEPROM，系統掉電DM642存儲器中的數據和程序將全部丟失，所以DM642外部通常需要擴展FLASH存儲器，用于存儲程序和重要的數據。FLASH存儲器也是通過DM642的EMIFA接口加以擴展，由DSP或CPLD器件產生FLASH芯片需要的邏輯控制。目前市場上的EPROM工作電壓一般在 5V，而且體積都比較大。Flash存儲器與EPROM相比，具有更高的性價比，而且體積較小、功耗低、電可擦寫，使用比較方便， Flash 可直接與DSP相接。因此采用Flash存儲器存儲程序和固定數據是比較好的選擇。Flash主要作用是固化程序和保存歷史數據，也就是開機后執行閃存的程序，并在程序執行的過程中實時地保存或修改其內部的數據單元。我們使用的是AMD公司的AM29LV033C Flash存儲器，容量為4M*8位，單電源供電，~，該芯片可以和DM642直接連接。其主要特點有：l 僅需3V單電源供電便可進行讀、編程和擦除操作；l 完全支持JEDEC單電源Flash存儲器標準；l 支持在系統編程，用戶只需向其命令寄存器寫入標準的微處理器指令，具體l 編程、擦除操作便由內部電路實現；l 可對某一扇區進行操作而不影響其他部分的數據；l 有硬件數據保護功能，以防止誤操作。AM29LV033C芯片的地址線共有22條A[21:0]，但DM642的地址線只有19條AEA[22:3]，兩種芯片之間的地址線數量不匹配，所以DM642不能遍歷FLASH芯片的所有地址單元。為了解決這一問題，在DM642電路系統中才用CPLD器件，把FLASH存儲區的64個扇區劃分為若干個頁，每頁包括多個扇區。在CPLD內部擴展控制A[21:19]引腳信號的寄存器，DM642通過操作寄存器端口實現遍歷FLASH芯片所有地址單元的任務。CPLD器件選用EPM7128AETC芯片，在CPLD內部設計FLASH翻頁用的各種寄存器，PA1PA 20 和PA21 3個引腳用于管理FLASH存儲器的頁和扇區。Flash第0頁的前1K字節空間為Bootloader段，用于存放用戶的二級Bootloader，剩下的空間可以全部用來存放大型用戶程序。在兩級Bootloader完成系統初始化后，可以通過設置DM642的GPIO控制寄存器來實現對Flash其他頁面的訪問。值得注意的是，由于在此設計中沒有采用硬件自動跨頁訪問，在編寫DSP用戶程序時，如果涉及到Flash第0頁以后的讀寫，應注意根據程序訪問的地址，控制GPIO的狀態。圖11 TMS320DM642和Flash的接口 網絡模塊的設計RTL8019AS是一種全雙工即插即用的以太網控制器，它在一塊芯片上集成了RTL8019內核和一個16KB的SDRAM存儲器。它兼容RTL8019控制軟件和NE2000 8bit或16bit的傳輸，支持UTP,AUI,BNC和PNP自動檢測模式，支持外接閃爍存儲器讀寫操作，支持I/O口地址的完全解碼，具有LED指示功能。（10Base5,10Base2,10BaseT）標準。圖12 DM642網絡接口與物理層設備的連接 電源模塊的設計由于DSP系統工作頻率高，數據吞吐量大，所以功耗也相對較高。TI公司的TMS320C6000系列DSP需要兩種電源，CVdd和DVdd，分別給內核和周邊I/O接口供電，周邊I/。正是因為DSP系統中需要兩種電源，所以必須考慮它們的配合問題。在加電過程中，如果只有內核獲得供電，周邊沒有得到供電，對芯片不會產生任何損害，只是沒有輸入/輸出能力而已；相反，如果周邊I/O接口得到供電而內核退后加電，有可能會導致DSP和外圍引腳同時作為輸出端，此時如果雙方輸出的值是相反的，那么兩輸出端就會因反向驅動可能出現大電流，這將影響器件的使用壽命，甚至損壞器件。同樣，在關閉電源時，如果內核先掉電，也有可能產生大電流。因此，在加電過程中，應當保證內核電源CVdd先加上，最晚也應當與周邊I/O接口電源DVdd同時加。關閉電源時，先關DVdd，再關CVdd。另外系統視頻A/。因此供電系統的好壞將直接影響到開發的系統穩定性，所以如何選擇適合的電源轉換芯片設計出高效率、高性能的供電系統具有極其重要的意義。目前常用的電源轉換器主要有：線性低壓降LDO(Low Drop Output)穩壓器、電容電荷泵DCDC變換器和電感型開關模式DCDC變換器等等。LDO穩壓器可適用于降壓變換，具體效果與I/O電壓有關。從基本原理來說，LDO根據負載電阻的變化情況來調節自身的內電阻，從而保證穩壓輸出端的電壓不變。轉換效率可以簡單看成輸出與輸入電壓之比。LDO的轉換效率較低，故發熱量大，但LDO在采用線性低壓降技術之后，壓降低，本質上沒有輸出紋波。電荷泵也稱為開關電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”或“泵送”電容(而非電感或變壓器)來儲能的DCDC變換器。它們能使輸入電壓升高或降低，也可以用于產生負電壓。其內部的FET開關陣列以一定方式控制快速電容器的充電和放電，使輸入電壓以一定因數(，2或3)倍增或降低，從而得到所需要的輸出電壓。這種特別的調制過程可以保證高