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摘 要：本文介紹了一種基于TMS320DM642 DSP的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)設(shè)計(jì)方案，并給出系統(tǒng)組成的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)幾乎能在一個(gè)DSP芯片上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的全部功能，并能對(duì)視頻圖像進(jìn)行H.264實(shí)時(shí)編解碼。
關(guān)鍵詞：TMS320DM642；網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)；壓縮編碼
引言
網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的解決方案有多種選擇，但是市場(chǎng)主流產(chǎn)品一般選擇兩種方案：(1)采用CPU+ASIC。(2)采用雙CPU結(jié)構(gòu)，即一個(gè)嵌入式CPU和一個(gè)專用信號(hào)處理芯片DSP。受專用DSP芯片處理能力的限制，現(xiàn)有的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中使用的視頻處理算法基本是H.263以下的標(biāo)準(zhǔn)。
本文介紹一種基于TMS320DM642 DSP的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)設(shè)計(jì)方案。其操作系統(tǒng)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、音視頻處理軟件均在一顆TMS320DM642上實(shí)現(xiàn)，降低了開發(fā)的難度。
圖1 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)硬件原理圖
圖2 視頻接口原理圖
圖3 網(wǎng)絡(luò)接口原理圖
TMS320DM642芯片簡(jiǎn)介
TI公司的TMS320DM642 (以下簡(jiǎn)稱DM642)是一款專門面向多媒體應(yīng)用的專用DSP。該DSP時(shí)鐘高達(dá)600MHz，8個(gè)并行運(yùn)算單元，處理能力達(dá)4800MIPS；采用二級(jí)緩存結(jié)構(gòu)；具有64位外接存儲(chǔ)器接口；兼容IEEE-1149.1(JTAG)邊界掃描；為了面向多媒體應(yīng)用，還集成了3個(gè)可配置的視頻端口、面向音頻應(yīng)用的McASP(Multi Channel Audio Serial Port)、10/100Mb/s的以太網(wǎng)MAC等外設(shè)。鑒于DM642的上述優(yōu)點(diǎn)，本網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)系統(tǒng)就以DM642為核心，完成音視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、壓縮及傳輸功能。
硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)電路組成如圖1所示。從攝像機(jī)輸入的視頻信號(hào)和從麥克風(fēng)輸入的音頻信號(hào)經(jīng)采集、A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入DSP。DSP在信源處對(duì)音視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼和合流，然后通過局域網(wǎng)或因特網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給視頻監(jiān)控中心。監(jiān)控中心可同時(shí)****多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)，接收或發(fā)送報(bào)警信號(hào)，并根據(jù)需要通過異步串行總線RS-485實(shí)時(shí)控制云臺(tái)，調(diào)整攝像頭的方向和位置。
視頻采集電路
本系統(tǒng)采用的視頻解碼芯片是Philips 公司的SAA7115。從模擬視頻輸入口輸入的全電視信號(hào)在SAA7115內(nèi)部經(jīng)過鉗位、抗混疊濾波、A/D轉(zhuǎn)換、YUV分離電路之后，在YUV到YCrCb的轉(zhuǎn)換電路中轉(zhuǎn)換成BT.656視頻數(shù)據(jù)流，輸入到壓縮核心單元DM642中。DM642的3個(gè)視頻口VP0、VP1、VP2與視頻編解碼芯片相接。
在本系統(tǒng)中，只有一路視頻輸入，故VP1、VP2端口未用，VP0通道配置為8位BT.656視頻輸入口。視頻數(shù)據(jù)的行/場(chǎng)同步信號(hào)包含在BT.656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流的EAV(end of active video)和SAV(start of active video)時(shí)基信號(hào)中，視頻口只需視頻采樣時(shí)鐘和采樣使能信號(hào)即可。SAA7115內(nèi)部寄存器參數(shù)的配置和狀態(tài)的讀出通過I2C總線進(jìn)行。視頻接口的原理如圖2所示。
音頻輸入/輸出電路
本系統(tǒng)采用TI的高性能立體聲編解碼器TLV320AIC23(以下簡(jiǎn)稱AIC23)實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的采集和播放。AIC23與DM642 的I/O電壓兼容，可以實(shí)現(xiàn)與DM642的McASP接口無縫連接。
在本系統(tǒng)中，AIC23工作于主模式，左右聲道的采樣字寬均為16bit。數(shù)據(jù)接口為DSP mode模式。通過I2C總線設(shè)置內(nèi)部寄存器的工作參數(shù)和反饋狀態(tài)信息。
因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓逃刑攸c(diǎn)，音頻數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)端到達(dá)監(jiān)控中心不可能是均勻的，如果網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)端不做任何糾正處理，則很難保證音視頻的同步輸出。為了實(shí)現(xiàn)音頻和視頻的采樣同步，本文利用鎖相環(huán)PLL1708，從SAA7115的LLC引腳輸出27MHz時(shí)鐘，經(jīng)PLL1708產(chǎn)生AIC23的主時(shí)鐘MCLK。由于音視頻采樣信號(hào)采用同一個(gè)時(shí)鐘源，就不會(huì)出現(xiàn)音視頻不同步的問題。PLL1708的SCKO3引腳輸出默認(rèn)時(shí)鐘頻率18.433MHz，作為AIC23的輸入主時(shí)鐘MCLK。AIC23內(nèi)部采用的時(shí)鐘可通過設(shè)置寄存器由主時(shí)鐘MCLK分頻得到。
以太網(wǎng)接口電路
本系統(tǒng)用LXT971作為快速以太網(wǎng)物理層自適應(yīng)收發(fā)器。由于LXT971支持IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，提供MII(media independent interface)接口，可以支持MAC，而DM642內(nèi)部正好集成有以太網(wǎng)媒體存取控制器，所以LXT971可以和DM642實(shí)現(xiàn)無縫連接。連接電路如圖3所示，其中BH1102為1:1的隔離變壓器。從DM642傳輸過來的數(shù)據(jù)通過LXT971轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)物理層能接收的數(shù)據(jù)后，通過RJ-45頭傳輸?shù)揭蛱鼐W(wǎng)。
存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路
DM642內(nèi)部有16KB的一級(jí)程序緩存，16KB的一級(jí)數(shù)據(jù)緩存和256KB的程序數(shù)據(jù)共享二級(jí)緩存。但這對(duì)于直接處理圖像數(shù)據(jù)是不夠的，因此擴(kuò)展了兩片32MB的SDRAM來存放原始圖像數(shù)據(jù)，4 MB的FLASH來存放應(yīng)用程序。二者都映射到DM642的外部數(shù)據(jù)空間。
CPLD電路
本系統(tǒng)采用的CPLD是Xilinx公司的XC9572XL。該芯片具有72個(gè)宏單元，1600個(gè)邏輯門； 5ns pin-to-pin的邏輯延遲； 178MHz的系統(tǒng)頻率。CPLD的功能主要是：為FLASH 、UART和CPLD 異步寄存器空間作地址解碼；為FLASH產(chǎn)生3bit的頁選信號(hào);監(jiān)控來自UART的電平中斷信號(hào)，轉(zhuǎn)換為邊沿觸發(fā)中斷信號(hào)送給DSP。
RS-485接口電路
該接口連接到攝像機(jī)的云臺(tái)，用來控制云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整攝像頭的方向和位置。RS-485總線抗干擾能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)遠(yuǎn)距離通信。本壓縮卡擬采用UART芯片SC16C550和MAXIM公司的MAX487E來實(shí)現(xiàn)RS-485信號(hào)的傳輸。SC16C550主要功能是把DSP傳送過來的并行信號(hào)轉(zhuǎn)換為串行信號(hào)。SC16C550內(nèi)部的接收器和發(fā)送器各有16B的FIFO，能處理的串行信號(hào)的速率高達(dá)3Mbps。MAX487E是RS-485總線接口芯片，可以工作在全雙工、半雙工模式。傳輸速率可達(dá)2.5Mbps。
電源電路
整個(gè)壓縮卡用一個(gè)5V的直流變壓器供電。由這個(gè)5V的電壓器產(chǎn)生1.4V和3.3V電壓分別給DSP內(nèi)核和 I/O端口供電，產(chǎn)生另外一個(gè)3.3V給視頻編解碼及其他芯片供電。注意這兩個(gè)3.3V電源要分開設(shè)計(jì)，以免電源噪聲相互干擾。
由于DSP需要兩種電壓，所以要考慮供電系統(tǒng)的配合問題。加電過程中，應(yīng)當(dāng)保證內(nèi)核電源先上電，最晚也應(yīng)當(dāng)與I/O電源一起加。關(guān)閉電源時(shí)，先關(guān)閉內(nèi)核電源，再關(guān)閉I/O電源。講究供電次序的原因在于：如果僅CPU內(nèi)核獲得供電，周邊I/O沒有供電，對(duì)芯片不會(huì)產(chǎn)生損害，只是沒有輸入/輸出能力而已。如果反過來，周邊I/O得到供電而CPU內(nèi)核沒有加電，那么芯片緩沖/驅(qū)動(dòng)部分的晶體管將在一個(gè)未知狀態(tài)下工作，這是非常危險(xiǎn)的。
為了解決這個(gè)問題，本文采用了開關(guān)電源芯片TPS54310PWP，把1.4V模塊的電源輸出有效引腳PG(power good)連接到3.3V模塊的允許電壓輸入引腳EN。這樣，只有當(dāng)1.4V電壓有效之后，3.3V電壓才開始上電，這就保證了DM642的內(nèi)核電壓先于I/O電壓上電。
軟件設(shè)計(jì)
在本系統(tǒng)中，圖像壓縮采用H.264標(biāo)準(zhǔn)。H.264具有很高的編碼效率，在相同的重建圖像質(zhì)量下，能夠比H.263節(jié)約50%左右的碼率。H.264的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)，增加了差錯(cuò)恢復(fù)能力，能夠很好地適應(yīng)IP和無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。音頻編解碼采用G.729算法。網(wǎng)絡(luò)傳輸采用RTP/RTCP協(xié)議以及組播方式，這樣可以保證傳送的質(zhì)量。在操作系統(tǒng)方面，采用基于DSP/BIOS 的TI 參考架構(gòu)5(RF5)�；�RF5操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序模塊主要包括：音視頻采集模塊、壓縮編碼模塊、UART控制模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。
結(jié)語
本方案能在一顆DM642芯片上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的幾乎全部功能，能對(duì)音視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)的編解碼和實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。圖像質(zhì)量高、開發(fā)難度低、易于升級(jí)，是一種比較理想的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)解決方案，可廣泛應(yīng)用于視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。
66821730(技術(shù)支持)
