TMS320C54xDSP的視頻圖像采集接口設(shè)計(jì)

摘要：介紹一種基于DSP的黑白電視信號(hào)采集電路。電路由通信視頻A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，DSP啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換并讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、成本低、容易實(shí)現(xiàn)，能滿足黑白電視信號(hào)采集的需要。

關(guān)鍵詞：視頻圖像采集 A/D轉(zhuǎn)換 DSP TMS320C54x

引言

視頻圖像采集的方法很多，基本上可分為2大類：自動(dòng)圖像采集和基于處理的圖像采集。前者采用專用圖像采集芯片，自動(dòng)完成圖像的采集、幀存儲(chǔ)器地址生成以及圖像數(shù)據(jù)的刷新；除了要對(duì)采集模式進(jìn)行設(shè)定外，主處理器不參與采集過程。這種方法的特點(diǎn)是采集不占用CPU的時(shí)間，實(shí)時(shí)性好，適合活動(dòng)圖像的采集，但電路較復(fù)雜、成本高。后者采用通用視頻A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)圖像的采集，不能完成圖像的自動(dòng)采集，整個(gè)采集過程在CPU的控制下完成，由CPU啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存入幀存儲(chǔ)器。其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集占用CPU的時(shí)間，對(duì)處理器的速度要求高，但電路簡(jiǎn)單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)，能夠滿足某些圖像采集系統(tǒng)的需要。下面以TI公司的TMS320VC5402（以下簡(jiǎn)稱C5402）DSP[1]為例，介紹基于數(shù)據(jù)信號(hào)處理器（DSP）的視頻圖像采集電路和采集方法。

1 電路原理

采集電路如圖1所示，由視頻緩沖器、視頻A/D轉(zhuǎn)換器和視頻同步分離電路等組成。

1.1 視頻緩沖器

來自攝像機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)黑白全電視信號(hào)的幅度峰-峰值為1V，要送往A/D轉(zhuǎn)換器和行、場(chǎng)同步分離電路，而A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程為2V，因此，視頻緩沖器要對(duì)全電視信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配和電壓放大，并能對(duì)全電視信號(hào)進(jìn)行黑電平調(diào)整。圖1中，U8構(gòu)成視頻緩沖器，增益為+2；調(diào)整電阻W1可以調(diào)整輸出信號(hào)的直流電平；R16是輸入匹配電阻，阻值大小由信號(hào)源決定，本電路中為75Ω。

1.2 A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器采用TI公司的TLC5510芯片。TLC5510為5V電源、8bit、20Msps的高速并行A/D轉(zhuǎn)換器，最大量程為2V。

TLC5510的參考電壓可由其內(nèi)部的3個(gè)電阻R1、Rref、R2設(shè)定，如圖2所示。按圖2連接，將參考低電壓設(shè)定為0.6V，參考高電壓設(shè)定為2.6V，電阻Rref上的2V壓降即為滿足程電壓。當(dāng)輸入電壓為0.6V時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換的輸出數(shù)據(jù)為0；當(dāng)輸出電壓為2.6V時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換的輸出數(shù)據(jù)為255。

TLC5510有1個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘輸入端（CLK）和1個(gè)片選端（OE）。CLK的下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，1次A/D轉(zhuǎn)換需要2.5個(gè)CLK周期，即第1個(gè)CLK的下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后，要等第3個(gè)CLK的上升沿出現(xiàn)時(shí)，第1個(gè)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)才會(huì)準(zhǔn)備好。當(dāng)片選信號(hào)（OE）為低電平時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出到外部數(shù)據(jù)總線上，供DSP讀取。

1.3 采集電路的DSP的連接

采集電路與C5402的連接如圖3所示。其中，U19是16位寬度的高速總線收發(fā)器，并具有電平轉(zhuǎn)換的功能，將5V的奇偶場(chǎng)信號(hào)、復(fù)位同步信號(hào)和A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為C5402能接受的3.3V信號(hào)。

仔細(xì)分析了TLC5510的工作原理和C5402的讀/寫時(shí)序[1]后，沒有將TLC5510作為C5402的擴(kuò)展I/O口，而是將TLC5510作C5402的一個(gè)擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)單元。用該單元的讀選通信號(hào)（ADR）與TLC5510的CLK和OE相連（如圖3所示），這樣C5402讀TLC5510時(shí)，1條讀數(shù)指令完成2個(gè)操作：?jiǎn)?dòng)A/D轉(zhuǎn)換并讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。不過當(dāng)前的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果要等到第4次讀該端口時(shí)才能得到，A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)序如圖4所示。讀選通信號(hào)（ADR）是由高速譯碼器（74AHCT138）經(jīng)過一級(jí)譯碼得到。這種設(shè)計(jì)方案既簡(jiǎn)化了線路，又簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)采集的程序設(shè)計(jì)，減少了DSP參與A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)方案性能優(yōu)越——DSP在采集圖像數(shù)據(jù)時(shí)只要直接讀TLC5510就可以了。

1.4 同步分離電路

同步分離電路采用LM1881。該器件能接收PAL制、NTSC制和SECAM制的全電視信號(hào)，輸出復(fù)合同步信號(hào)、垂直同步信號(hào)、奇偶場(chǎng)信號(hào)和色同步旗形脈沖信號(hào)。本電路中，復(fù)合同步信號(hào)與C5402的INT0引腳相連，奇、偶場(chǎng)信號(hào)與C5402的輸入引腳BIO相連（如圖3所示）。C5402根據(jù)奇、偶場(chǎng)信號(hào)找到一場(chǎng)圖像的開始，做好采集圖像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。當(dāng)復(fù)合同步信號(hào)到來時(shí)，C5402響應(yīng)行中斷（INT0），連續(xù)采集一行圖像數(shù)據(jù)。

2 圖像采集

壓縮卡的圖像采集是由C5402直接完成的。初始化結(jié)束后，C5402按缺省模式或主機(jī)命令的求確定圖像的大小和采集速率等參數(shù)，然后根據(jù)奇、偶場(chǎng)信號(hào)和復(fù)合同步脈沖信號(hào)來采集圖像數(shù)據(jù)。

2.1 采集流程

采集流程可分為以下幾個(gè)步驟：

①等待場(chǎng)開始。

②當(dāng)場(chǎng)開始信號(hào)到來時(shí)，C5402進(jìn)入場(chǎng)處理子程序，開放行中斷做好采集一場(chǎng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。根據(jù)奇、偶場(chǎng)信號(hào)可以決定是采集奇場(chǎng)圖像還是采集偶場(chǎng)圖像，或者采集一幀完整的圖像。

③當(dāng)復(fù)俁同步信號(hào)到來時(shí)，C5402進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，連續(xù)采集一行圖像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)存入擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。當(dāng)一場(chǎng)或一幀圖像各行數(shù)據(jù)都采集完畢后，關(guān)閉中斷。

2.2 行、場(chǎng)處理

DSP接收到場(chǎng)開始信號(hào)后進(jìn)入場(chǎng)處理子程序中。在場(chǎng)處理子程序中，先確定將要采集的圖像的大小并設(shè)置采集、編碼及發(fā)送過程中要使用的參數(shù)，然后打開行采集中斷INT0，延時(shí)一定數(shù)目的行周期后退出場(chǎng)處理子程序，進(jìn)入圖像采集階段。

行采集中斷要完成圖像采集和其它一些任務(wù)。在每行圖像采集之間應(yīng)根據(jù)圖像大小延時(shí)一段時(shí)間，以保證采集到的圖像位于畫面的中心。在采集圖像時(shí)，每隔140ns讀取一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并存入幀緩沖器。由于讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果和寫幀緩沖器只用了80ns，因此可以先將圖像數(shù)據(jù)減去128，再存入幀存儲(chǔ)器，這樣就進(jìn)行了JPEG編碼時(shí)就不要執(zhí)行減128操作了，節(jié)約了時(shí)間。

結(jié)束語

本電路成本低、容易實(shí)現(xiàn)、占用DSP時(shí)間少、能滿足黑白電視信號(hào)的采集，在合肥工業(yè)大學(xué)DSP聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研制的便攜式準(zhǔn)動(dòng)視頻圖像壓縮系統(tǒng)[2]中得到應(yīng)用，效果良好。以本電路為基礎(chǔ)，使用TI公司的其它高速視頻A/D轉(zhuǎn)換器，例如TLC5540或TLC5580，便可構(gòu)成更高分辨率的視頻圖像采集系統(tǒng)。