基于DM642的嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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關(guān)鍵詞: TMS320DM642; 嵌入式系統(tǒng); 視頻監(jiān)控; CDMA
無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)是公安、交通、水利等行業(yè)的重要裝備, 目前無線視頻傳輸設(shè)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, 多年來一直沒有得到很好的解決。隨著運(yùn)營(yíng)商在國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)推出GRPS 和CDMA1x公共無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò), 通過公共無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻已成為當(dāng)今研究和應(yīng)用的熱點(diǎn), 它能徹底解決微波方式的短距離問題。由于公共無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的帶寬比較窄且不穩(wěn)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, 無法滿足大多數(shù)監(jiān)控場(chǎng)合的要求。H. 264 是JVT制定的最新視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn) , 比H. 263 和MPEG- 4 在同質(zhì)量時(shí)碼流可低50% , 同時(shí)支持無線網(wǎng)絡(luò)傳輸, 但其運(yùn)算復(fù)雜度也是H.263 和MPEG- 4 的3-5倍, 因此一般的CPU 系統(tǒng)無法滿足要求。TMS320DM642是TI最新推出的高性能數(shù)字媒體處理器, 指令最高可達(dá)4800MIPS, 可以滿足實(shí)時(shí)H. 264 編碼算法的要求。本文設(shè)計(jì)了基于TMS320DM642 的嵌入式系統(tǒng), 采用H. 264 視頻編碼算法, 成功的開發(fā)了基于CDMA 傳輸?shù)臒o線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。
1 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成
1. 1 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求
本系統(tǒng)要求采用嵌入式視頻發(fā)送終端, 對(duì)采集視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮并通過CDMA 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送, 接收端采用PC 機(jī)對(duì)接收視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼并顯示。對(duì)于嵌入式視頻發(fā)送終端有如下需求:
①一路PAL/NTSC 標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送; ③采用CF卡或硬盤對(duì)視頻進(jìn)行本地存儲(chǔ); ④發(fā)送圖像和保存圖像的尺寸和幀率等參數(shù)可調(diào); ⑤可通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制, 并且要求低功耗。
1. 2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
由于CDMA無線網(wǎng)絡(luò)帶寬窄、帶寬波動(dòng)大, 因此系統(tǒng)中采用H. 264作為視頻壓縮算法。同時(shí)本地存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)分別進(jìn)行編碼。圖1 顯示了本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖, 系統(tǒng)主要包括DM642CPU、視頻輸入、音頻輸入/輸出、硬盤接口、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(xì)地對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行一一分析和設(shè)計(jì)。
圖1 視頻發(fā)送終端系統(tǒng)框圖
2 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2. 1 TMS320DM642 簡(jiǎn)介
TMS320DM642是TI 推出的針對(duì)多媒體處理領(lǐng)域應(yīng)用的高性能數(shù)字媒體處理器。該處理器是專門為視頻與影像市場(chǎng)量身定制的, 特別適用于VOIP 視頻、視頻點(diǎn)播(VOD )、多信道數(shù)字視頻攝錄像應(yīng)用以及高品質(zhì)視頻編碼與解碼解決方案。DM642 處理器內(nèi)部集成了TMS320C64X 的DSP內(nèi)核, 在600MHz 運(yùn)行速度下, 指令可達(dá)4800MIPS, 由于其強(qiáng)大的運(yùn)算能力, 可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的H. 264 編解碼算法。
DM642 內(nèi)部集成了外部?jī)?nèi)存接口(EMIF) 控制單元, 通過20 根地址線和64 位數(shù)據(jù)總線可直接與外部的SDRAM、FLASH進(jìn)行連接。本系統(tǒng)中由于采用100MHz 的SDRAM , 考慮到信號(hào)完整性,SDRAM 直接與DM642 連接, 而FLA SH 通過總線加以驅(qū)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(biāo)準(zhǔn), 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(tǒng)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(nèi)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(yù)處理電路、增益控制、時(shí)鐘發(fā)生電路(CGC)、多標(biāo)準(zhǔn)數(shù)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(biāo)準(zhǔn)的ITU. 656 YUV 4∶2∶2 8bit 格式, 通過I2C 總線進(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(fù)用的, 本系統(tǒng)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(nèi)置耳機(jī)輸出放大器, 支持MIC 和LINEIN 兩種輸入方式(二選一) , 且對(duì)輸入和輸出都具有可編程增益調(diào)節(jié)。AIC23B 的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADCs) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換(DACs) 部件高度集成在芯片內(nèi)部, 采用了先進(jìn)的Sigma-delta 過采樣技術(shù),可以在8k 到96k 的頻率范圍內(nèi)提供16bit、20bit、24bit 和32bit 的采樣,ADC 和DAC 的輸出信噪比分別可以達(dá)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 接口見圖3。
圖3 A IC23B 與DM 642 接口
2. 4 CDMA 無線傳輸串口模塊
本系統(tǒng)中采用Q2358C 串行接口模塊作為CDMA 接入設(shè)備, 它支持語音通信、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RS-232串口進(jìn)行通信。DM642沒有異步通用串行接口, 需采用擴(kuò)展異步通信芯片來實(shí)現(xiàn)串行通信。
TL16C752B是UART 收發(fā)器, 最高波特率可以達(dá)到3Mb/s(使用48MHz 時(shí)鐘源時(shí)) , 其內(nèi)部具有64byte發(fā)送/接收FIFO , 接收FIFO的啟動(dòng)和停止可通過軟件編程實(shí)現(xiàn), 支持多種波特率、多種串行數(shù)據(jù)格式。DM642與其連接采用EMIF 控制, 地址線A0～A2、數(shù)據(jù)線D0～D7、讀寫控制信號(hào)IOR/IOW 與經(jīng)過驅(qū)動(dòng)的總線相連, 而選通信號(hào)CSA/CSB 由GAL 產(chǎn)生。TL16C752B與Q 2358C模塊之間通過MAX3243 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換連接。圖4 給出一路串行接口連接方式。
圖4 系統(tǒng)串口通信接口
2. 5 DE及USB 通信模塊
本系統(tǒng)中對(duì)采集視頻要進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ), 采用CF卡或IDE 硬盤來保存數(shù)據(jù), 在通過USB2.0 將保存于CF卡或DE 硬盤中的數(shù)據(jù)在需要時(shí)讀出。DM642與DE 接口通過GAL16LV8產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行控制。TUSB6250 采用內(nèi)嵌8051 內(nèi)核的USB2.0到ATA/ATAPI橋接器, 其完全兼容USB2.0 標(biāo)準(zhǔn),支持八個(gè)可配置終端(四路輸入和四路輸出) 。內(nèi)部集成USB 存儲(chǔ)設(shè)備傳輸協(xié)議, 與ATA/ATAPI設(shè)備無縫連接。內(nèi)部集成的60MHz8051微處理器指令速度可達(dá)30MIPS, 40k byte RAM可靈活的配置為數(shù)據(jù)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(tǒng)中通過I2C和HPI 總線實(shí)現(xiàn)DSP 和TUSB6250 之間的通信。DE及USB 部分接口見圖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(nèi)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(nèi)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(tǒng)中采用兩個(gè)開關(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(dá)90%以上。DM642 提供了16 個(gè)通用I/O , 通過這些I/O 實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入、控制開關(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(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)
3. 1 原理圖設(shè)計(jì)
DM642 內(nèi)部運(yùn)行頻率是通過外部時(shí)鐘輸入經(jīng)內(nèi)部PLL 倍頻后得到, PLL 倍頻可通過CLKMODE1 和CL KMODE2 管腳來選擇x1、x6 或x12, 因此這兩個(gè)管腳外部一定要接相應(yīng)的電阻可調(diào), 以便DM642可在不同速度下運(yùn)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(jié)順序的大/小模式、外設(shè)的PC I、HP I、EMAC 模式的選擇是通過復(fù)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(fù)位時(shí)電平值做成可調(diào)的。對(duì)于仿真器的EMU [1∶0 ]保證已經(jīng)上拉, TRST下拉。另外, 在AARDY 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(hào)電平正確,同時(shí)對(duì)其他不使用的輸入管腳進(jìn)行正確處理。
3. 2 PCB 設(shè)計(jì)
DM642 作為高性能數(shù)字媒體處理器不僅內(nèi)部具有很高的運(yùn)行頻率600MHz、720MHz 和1GHz,而且與外部的SDRAM 的總線速度也達(dá)到100MHz或133MHz, 如果外部的SDRAM 由于布線原因達(dá)不到設(shè)計(jì)的希望速度, 會(huì)降低系統(tǒng)的性能。對(duì)于100MHz 以上的信號(hào)總線, 存在信號(hào)完整性問題。要保證信號(hào)的完整采用如下方法, 對(duì)于SDRAM 的時(shí)鐘線盡量要短, 到兩個(gè)SDRAM 的長(zhǎng)度盡量相等;FLASH 等其他外設(shè)不要直接與數(shù)據(jù)和地址總線連接, 而應(yīng)通過緩沖芯片(如SN74LVT16245B) 連接;高速總線上要串入小阻值電阻, 阻值大小可通過仿真得到, 同時(shí)對(duì)線路更加要求進(jìn)行阻抗限制。DM642 內(nèi)部有PLL,對(duì)于PLL外部所接器件要盡可能靠近芯片, 而且必須放在線路板的一面上。對(duì)于JTAG 的連線長(zhǎng)度不能超過6in, 如果超過6in長(zhǎng)要加驅(qū)動(dòng)。本系統(tǒng)中既有模擬部分又有數(shù)字部分, 要注意模擬電源和數(shù)字電源的設(shè)計(jì), 盡量減少數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾, 否則對(duì)采集的視頻信號(hào)會(huì)有雪花、條紋, 音頻信號(hào)產(chǎn)生噪音等。對(duì)視頻、音頻芯片盡量采用單獨(dú)的電源芯片供電, 模擬地和數(shù)字地要單點(diǎn)或采用磁珠相連。
4 結(jié)束語
依據(jù)以上硬件設(shè)計(jì)完成基于DM642 的嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng), 該系統(tǒng)以高速DSP為核心,輔以相應(yīng)的外圍電路, 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)H. 264視頻編解碼。目前, 該系統(tǒng)已經(jīng)順利通過調(diào)試, 連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定, 為公安、交通、水利等行業(yè)的無線視頻監(jiān)控提供切實(shí)可行的方案, 具有非常高的應(yīng)用價(jià)值。
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）
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