l 引言

　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)是安全防范系統(tǒng)的重要組成部分，也是一種防范能力較強(qiáng)的綜合系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。近年來，隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)及圖像處理、傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)也得到長足的進(jìn)步，集多媒體技術(shù)、數(shù)字圖像處理和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)為一體的多媒體數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)正在逐步取代傳統(tǒng)的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)。目前，市場上專用的視頻壓縮電路只能實(shí)現(xiàn)一種壓縮算法，靈活性和可擴(kuò)展性較差，基本不具備在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)的能力；各種基于ISA、PCI等總線的圖形采集卡也能在市場上買到，但價(jià)格較貴，且處理功能簡單，二次開發(fā)效率低，不能很好地滿足用戶的特殊需要。

　　為了適應(yīng)多媒體通信技術(shù)的發(fā)展，美國德州儀器公司推出一款針對(duì)視頻和圖像解決方案的TMS320DM642型高性能數(shù)字媒體處理器，它是TI公司C6000系列DSP中的定點(diǎn)DSP，其是C6416型高性能數(shù)字信號(hào)處理器，具有極強(qiáng)的處理性能、高度的靈活性和可編程性，同時(shí)外圍集成了非常完整的音頻、視頻和網(wǎng)絡(luò)通信等設(shè)備及接口，特別適用于機(jī)器視覺、醫(yī)學(xué)成像、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控、數(shù)字廣播以及基于數(shù)字視頻/圖像處理的消費(fèi)類電子產(chǎn)品等高速DSP應(yīng)用領(lǐng)域。

　　2 DM642簡介

　　DM642DM采用第二代高性能、先進(jìn)的超長指令字velociTI.2結(jié)構(gòu)的DSP核及增強(qiáng)的并行機(jī)制，在720 MHz的時(shí)鐘頻率下，其處理性能為5 760Ml/s，使得該款DSP成為數(shù)字媒體解決方案的產(chǎn)品。它不僅擁有高速控制器的操作靈活性，而且具有陣列處理器的數(shù)字處理能力。DM642的外圍集成了非常完整的音頻、視頻和網(wǎng)絡(luò)通信接口，主要包括：

　　3個(gè)可配置的視頻端口（VPORTO-2），能夠與通用的視頻編、解碼器實(shí)現(xiàn)無縫連接，支持多種視頻分辨率及視頻標(biāo)準(zhǔn)，支持RAW視頻輸入/輸出、傳輸流模式；1個(gè)10/100Mb/s以太網(wǎng)接口（EMAC），符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)；1個(gè)多通道帶緩沖音頻串行端口（McASP），支持I2S、DIT、S/PDIF、IEC60958-1、AES-3、CP-430等音頻格式；2個(gè)多通道帶緩沖串行端口（McBSP），采用RS232電平驅(qū)動(dòng)；1個(gè)VCXO內(nèi)插控制單元（VIC），支持音/視頻同步；1個(gè)32位、66MHz、3.3 V主/從PCI接口，遵循PCI2.2規(guī)范；1個(gè)用戶可配置的16/32位主機(jī)接口（HPI）；1個(gè)16位通用輸入/輸出端口（GPIO）；1個(gè)64位外部存儲(chǔ)器接口（EMIF），能夠與大多數(shù)異步存儲(chǔ)器（SRAM、EPROM）及同步存儲(chǔ)器（SDRAM、SBSRAM、ZBT SRAM、FIFO）無縫連接，可尋址外部存儲(chǔ)器空間為1 024MB；1個(gè)具有64路獨(dú)立通道的增強(qiáng)型直接內(nèi)存訪問控制器（EDMA）；1個(gè)數(shù)據(jù)管理輸入/輸出模塊（MDIO）；1個(gè)I2C總線模塊；3個(gè)32位通用定時(shí)器；1個(gè)符合IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口及子板接口等。有關(guān)DM642的詳細(xì)性能介紹請(qǐng)參照其數(shù)據(jù)手冊(cè)。

　　3 系統(tǒng)功能與硬件電路設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖像采集和預(yù)處理單元主要完成圖像信號(hào)的輸入，具有多路信號(hào)復(fù)用功能，對(duì)輸入的模擬視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化及格式的轉(zhuǎn)變。FPGA控制系統(tǒng)的邏輯和圖像數(shù)據(jù)的流向，并且可對(duì)DM642輸出的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，進(jìn)而輸出到圖像編碼單元。圖像處理單元采用DM642進(jìn)行高速數(shù)據(jù)處理和分析。圖像編碼單元對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，形成標(biāo)準(zhǔn)的模擬視頻信號(hào)，可以直接輸出到顯示設(shè)備上。

　　對(duì)于4路視頻和4路音頻信號(hào)，CPU在1個(gè)時(shí)刻只能處理1路數(shù)據(jù)，DM642片外位于EMIF的CEO地址空間擴(kuò)展了2個(gè)4 Mx32 bit的SDRAM，可分別存放圖像采集數(shù)據(jù)和圖像處理數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)速度。

　　3.2 視頻口接口設(shè)計(jì)

　　DM642有3個(gè)視頻口，每個(gè)都可以配置為上下2個(gè)通道，但2個(gè)通道必須同時(shí)為視頻輸入口或輸出口。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，DM642帶了4路模擬視頻輸入（cif格式，分辨率為352288）和1路模擬視頻輸出。

　　VPO A通道配置為8-bit BT.656視頻輸入或輸出口，接通道視頻輸入或視頻輸出。VPl A通道配置為8-bit BT.656視頻輸入口，接第二通道視頻輸入。VP2 A和B通道配置為2個(gè)8-bit BT.656視頻輸入口，接第三和第四通道視頻輸入。VP0和VPI的B通道配置為MCASP，接4個(gè)音頻Codec。

　　TVP5150型視頻編碼器支持PAL/NTSC、CVBS或Y/C模擬視頻輸入，8-bit BT.656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流輸出。SAA7105型視頻解碼器支持8-bit BT.656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流輸入，PAL/NTSC CVBS或Y/C模擬視頻輸出。通過DM642的I2C總線對(duì)視頻編/解碼器的內(nèi)部寄存器進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)不同的輸入輸出。DM642和TVP5150的對(duì)應(yīng)引腳功能見表1。

　　視頻編解碼器的參數(shù)通過I2C總線配置，由于TVP5150的I2C從地址只有2種選擇，因此需要用CBT3257型2選l轉(zhuǎn)換開關(guān)來切換。

　　作為視頻輸入口時(shí)，視頻數(shù)據(jù)的行/場同步又包含BT.656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流中的EAV和SAV時(shí)基信號(hào)控制，視頻口只需視頻采樣時(shí)鐘和采樣使能信號(hào)（控制采樣起始），TVP5150用系統(tǒng)時(shí)鐘SCLK提供采樣時(shí)鐘，用可編程引腳GPCL提供采樣使能。作為視頻輸出口時(shí)，視頻口要為SAA7105提供時(shí)鐘和行/場同步信號(hào)。

　　在視頻輸出電路中，J1、J2、J3可配置成RGB輸出信號(hào)，J2、J3可連接S端子，J1、J2、J3、J4、J5可直接輸出到電腦的顯示器上。具體接口電路如圖2和圖3所示。DM642與SAA7105的對(duì)應(yīng)引腳功能見表2所列。

　　3.3 多通道音頻串口的接口設(shè)計(jì)

　　筆者采用了4路模擬音頻輸入和1路模擬音頻輸出，采用TLV320AIC23B型音頻編/解碼器，它支持麥克風(fēng)/立體聲模擬輸入/輸出和數(shù)字音頻數(shù)據(jù)流輸出/輸入。

　　PLLl708型可編程視頻/音頻同步數(shù)字鎖相環(huán)給McASP和TLV320AIC23B提供時(shí)鐘信號(hào)，SCK02端口接McASP的AHCLKX，SCK03端口接TLV320AIC23B的主時(shí)鐘MCLK。PLLl708的時(shí)鐘輸入為27 MHz。DM642與TLV320AIC23B的對(duì)應(yīng)引腳功能見表3。

　　AIC23B數(shù)據(jù)口配置為從，McASP的8個(gè)收/發(fā)引腳配置為4收/4發(fā)，分別接4個(gè)編解碼器的Dout/Din。McASP的接收幀同步配置為輸出，同時(shí)給4個(gè)編解碼器的LRCout。McASP的發(fā)送幀同步配置為輸出，同時(shí)給4個(gè)編解碼器的LRCin。McASP的發(fā)送位時(shí)鐘ACLKX配置為輸出（由AHCLKX分頻），同時(shí)給4個(gè)編解碼器的BCLK。AIC23B的控制口配置為I2C，由CBT3257型2選1開關(guān)來切換。具體電路如圖4所示。

　　另外，給DM642供電時(shí)應(yīng)注意CPU的上電次序：CHU內(nèi)核應(yīng)先于I/O上電，后于I/O掉電，CPU內(nèi)核與I/0應(yīng)盡可能同時(shí)供電，二者的時(shí)差不能太大（<1 s），否則會(huì)影響器件的壽命或損壞器件。用可編程時(shí)鐘電路可很好地解決整個(gè)電路的時(shí)鐘問題。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)初始化設(shè)置、圖像處理算法和屏幕疊加程序，具體軟件流程如圖5所示。

　　4.1 系統(tǒng)初始化設(shè)置程序

　　對(duì)整個(gè)硬件系統(tǒng)進(jìn)行初始化，其中包括DM642的上電初始化、DM642的寄存器和系統(tǒng)配置引腳的設(shè)置、利用I2C總線對(duì)TVP5150和SAA7105進(jìn)行寄存器設(shè)置。

　　DM642的引導(dǎo)模式為從EMIFA引導(dǎo)，把引腳AEA[22：21]設(shè)置為ll，其他配置引腳的初始化設(shè)置為默認(rèn)值。外圍配置寄存器（PERCFG）用于對(duì)控制視頻口、多通道緩沖串口、多通道音頻串口進(jìn)行配置，初始化為0x0000 0079h。設(shè)備狀態(tài)寄存器（DEVS-TAT）用于控制電路各個(gè)外圍設(shè)備的狀態(tài)：EMAC、HPI、PCI、CPU時(shí)鐘頻率選擇模式、電路引導(dǎo)模式、EMIFA輸入時(shí)鐘的選擇，初始化為0x0000 005Ch。

　　4.2 圖像處理程序

　　對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，對(duì)視頻流進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，可以是復(fù)合視頻或分量視頻，也可以壓縮存儲(chǔ)以便于此后的瀏覽。

　　4.3 屏幕疊加程序

　　把FPGA內(nèi)部FIFO中的數(shù)據(jù)和視頻口輸出的數(shù)據(jù)混和完成屏幕顯示的功能。屏幕疊加有幾種方式，背景為透明的、半透明的、不透明的，疊加的位置也可任意設(shè)置，只需修改疊加圖像的起始點(diǎn)坐標(biāo)，把相應(yīng)的圖像信息加到對(duì)應(yīng)的視頻圖像隊(duì)列中。

　　4.4 視/音頻信號(hào)采集存儲(chǔ)與圖像數(shù)據(jù)讀取程序

　　對(duì)于4路視頻信號(hào)和4路音頻信號(hào)，CPU在1個(gè)時(shí)刻只能處理1路數(shù)據(jù)，因此在DM642片外擴(kuò)展了2個(gè)4Mx32bit的SDRAM，在系統(tǒng)工作的任一時(shí)刻，一個(gè)用于圖像的采集，采集部分向該存儲(chǔ)區(qū)寫圖像數(shù)據(jù)，另一個(gè)用于外部對(duì)圖像數(shù)據(jù)的讀取，DSP可以讀取該存儲(chǔ)區(qū)中的圖像數(shù)據(jù)。雙SDRAM結(jié)構(gòu)的重要特點(diǎn)是DSP對(duì)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)操作是來回切換的。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫滿SDRAM-l時(shí)，F(xiàn)PGA會(huì)向DSP發(fā)出中斷信號(hào)，此時(shí)，在DSP讀取SDRAM-l中數(shù)據(jù)的同時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫入SDRAM-2，當(dāng)SDRAM-2中的數(shù)據(jù)寫滿時(shí)，F(xiàn)PGA向DSP發(fā)出中斷信號(hào)，此時(shí)DSP讀取SDRAM-2中的數(shù)據(jù)，同時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫入SDRAM-l，如此交替，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入與讀取同時(shí)進(jìn)行。由于DSP讀取SDRAM中數(shù)據(jù)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A/D轉(zhuǎn)換寫入數(shù)據(jù)的速度，因而允許采集與外部訪問同時(shí)進(jìn)行，采用2個(gè)存儲(chǔ)區(qū)操作的乒乓式切換滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換的要求。

　　由于DSP對(duì)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)操作是來回切換的，因此需要采用中斷來實(shí)現(xiàn)取數(shù)。具體實(shí)現(xiàn)是在DSP內(nèi)部設(shè)置中斷，這里選用INT6作為中斷觸發(fā)引腳。當(dāng)外部中斷信號(hào)到來時(shí)，則相應(yīng)中斷服務(wù)程序執(zhí)行中斷響應(yīng)。

　　5 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)能夠同時(shí)處理4路CIF格式的數(shù)字視頻，并且可以動(dòng)態(tài)切換，總采樣速率可達(dá)100幀/秒，每路速率為25幀/秒，可以完全保證圖像實(shí)時(shí)采集。

　　對(duì)圖像的疊加有多種方法，疊加的位置也可通過修改疊加圖像的起始點(diǎn)坐標(biāo)來進(jìn)行任意設(shè)置。DM642還具有網(wǎng)絡(luò)接口，可以對(duì)輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮并由網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸。

　　基于DM642的圖像采集處理系統(tǒng)能廣泛應(yīng)用于機(jī)頂盒、IP可視電話、網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議等領(lǐng)域。