基于ADV202的嵌入式視頻壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO和國(guó)際電信聯(lián)盟ITU于2000年12月正式推出了JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)采用以離散小渡變換為主的多解析編碼方法，具有許多優(yōu)良的特性，然而一直未獲得廣泛的應(yīng)用。AD公司于2004年推出了能實(shí)時(shí)壓縮和解壓縮高質(zhì)量運(yùn)動(dòng)圖像和靜止數(shù)字圖像的JPEG2000編解碼芯片ADV202。本文基于ADV202設(shè)計(jì)一個(gè)完整的嵌入式視頻壓縮系統(tǒng)，其中包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件流程設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)具有USB接口，支持熱插拔，無(wú)需主機(jī)控制。

　　1 ADV202芯片介紹

　　ADV202是美國(guó)AD公司新近推出的一款用于視頻和高帶寬靜止圖像壓縮的單片IPEG2000(ISO/IECl5444-1圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn))編解碼芯片，是當(dāng)今市場(chǎng)上惟一具有實(shí)時(shí)壓縮和解壓縮標(biāo)準(zhǔn)(SD)視頻信 號(hào)和高清晰度(HDTV)視頻信號(hào)的芯片，專利的空間高效遞歸濾波(SURF) 技術(shù)使其具有低功耗和低成本的小波壓縮。它提供的專用視頻接口可以無(wú)縫連接到刪ITU.R-BT656，SMPTE125M、 SMPTE293M[525p]等標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻接口，靈活的異步SRAM風(fēng)格的主機(jī)接口允許無(wú)縫連接到大多數(shù)16/32位的微控制器和ASIC器件。

　　ADV202的內(nèi)部功能框圖如圖1所示，輸入的視頻或圖像數(shù)據(jù)進(jìn)入視頻接口后經(jīng)過(guò)解交錯(cuò)傳輸?shù)叫〔ㄗ儞Q引擎中。在小波引擎中，每幀圖像或每個(gè)圖塊通過(guò)5/3或9/7濾波器分解成許多子帶，生成的小波系數(shù)寫入內(nèi)部寄存器中。熵編碼器將圖像數(shù)據(jù)編碼為符合JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。內(nèi)部DMA引擎提供存儲(chǔ)器之間的高帶寬傳輸以及各模塊和存儲(chǔ)器之間的高性能傳輸。內(nèi)部FIFO提供像素?cái)?shù)據(jù)、碼流數(shù)據(jù)、特征數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間，既可由外部主機(jī)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)地址讀寫周期直接訪問(wèn)，也可以采用DREQ/DACK協(xié)議通過(guò)DMA方式訪問(wèn)或?qū)Ｓ糜布帐謾C(jī)制訪問(wèn)。主機(jī)接口提供16/32位的控制總線和8/16 /32位的數(shù)據(jù)傳輸總線，用于對(duì)內(nèi)部寄存器的配置、控制和狀態(tài)傳遞以及壓縮數(shù)據(jù)流的傳輸。

　　2 視頻壓縮系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)硬件整體構(gòu)架

　　系統(tǒng)硬件整體框架如圖2所示，來(lái)自電視機(jī)或攝像機(jī)的單路PAL/NTSC制式的視頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)SAA7n3編碼為SAV/EAV模式、ITU.R—BT656 YUV4：2：2格式(8位)的視頻信號(hào)，由VPO[7..0]傳輸?shù)紸DV202的視頻接口。在ADV202內(nèi)部，視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)硬件編碼產(chǎn)生.jp2格式的視頻信號(hào)，由主機(jī)接口D[31..0]輸入到TMS320VC33 DSP。經(jīng)DSP壓縮后的視頻信號(hào)由USB接口芯片USBN9602轉(zhuǎn)換后通過(guò)USB口輸出。另外，DSP還通過(guò)數(shù)據(jù)總線D[31..O]和地址總線 A[3..]對(duì)ADV202內(nèi)部直接及間接寄存器進(jìn)行配置，加載ADV202編碼模式所需的固件(由AD公司提供)，對(duì)ADV202編碼數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 USB口只作為壓縮數(shù)據(jù)流的輸出口，由DSP完全控制。

　　2.2 DSP小系統(tǒng)

　　出于對(duì)系統(tǒng)易實(shí)現(xiàn)性和性價(jià)比的考慮，DSP芯片選擇Ⅱ公司的32位高性能數(shù)字信號(hào)處理器 TMS320VC33。TMS320VC33工作在75Mlk主頻時(shí)，運(yùn)算能力可達(dá)150MFLOPS，可以訪問(wèn)的總存儲(chǔ)空間為16M×32bit，程序空間、數(shù)據(jù)空間和I/O空間都包含在整個(gè)16M×32bit空間中，且統(tǒng)一編址。片內(nèi)提供了34K×32bit SRAM，考慮到系統(tǒng)處理對(duì)象是視頻信號(hào)，要求較大的程序空間和數(shù)據(jù)空間，片內(nèi)RAM通常不能滿足系統(tǒng)要求，因而在DSP片外要進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展。

　　DSP外部擴(kuò)展了兩片CY7C1041V33 (256K×16bit)SRAM和1片SST39VF400A(256K×l6bit)FLASH。兩片CY7C1041V33按照數(shù)據(jù)位擴(kuò)展方式擴(kuò)展成為256K×32bit的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，用于存儲(chǔ)壓縮后的視頻數(shù)據(jù)。DSP工作在微計(jì)算機(jī)/引導(dǎo)模式(MCBL/MP=1)下，SST39VF400A 用于存儲(chǔ)DSP的引導(dǎo)程序。

　　2.3 系統(tǒng)時(shí)序控制電路

　　系統(tǒng)時(shí)序控制電路由一片Altera EPM7128 CPLD芯片構(gòu)成，完成的主要功能有：

　　(1)將DSP通用I/O引腳信號(hào)XFl、XF0擴(kuò)展為I2C總線所需的SCL、SDA信號(hào)，完成DSP對(duì)SAA7113的初始化設(shè)置;

　　(2)產(chǎn)生ADV202的片選信號(hào)CS和復(fù)位信號(hào)RESET，將DSP的讀寫信號(hào)R/W擴(kuò)展為ADV202的讀信號(hào)RD及寫信號(hào)WE;

　　(3)產(chǎn)生DSP外擴(kuò)存儲(chǔ)器SRAM和FLASH的接口信號(hào)：地址譯碼選通信號(hào)CE、寫脈沖信號(hào)WE、讀信號(hào)OE等;

　　(4)產(chǎn)生USBN9602的接口信號(hào)：片選信號(hào)CS、讀信號(hào)RD、寫信號(hào)WR、地址引腳信號(hào)A0。

　　2.4 USB接口設(shè)計(jì)

　　USBN9602是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的一款專用USB接口芯片，支持USBl.1標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)部具有較大的FIFO.可以緩存大量數(shù)據(jù)，從而減輕處理器的負(fù)擔(dān)。在本系統(tǒng)中，USBN9602通過(guò)并行接口與TMS320VC33相連，接口信號(hào)由CPLD控制.工作于非總線復(fù)用模式(MODE0=O，MODEl=0)，連接示意圖如圖3所示。USBN9602操作時(shí)序是先往地址寄存器中寫入地址，然后通過(guò)數(shù)據(jù)輸入寄存器和數(shù)據(jù)輸出寄存器讀寫數(shù)據(jù)，而地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器的選擇則是通過(guò)AO實(shí)現(xiàn)的。

　　2.5 時(shí)鐘信號(hào)的設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)選用3片晶振，其中24.576MHz晶振提供SAA7113所需的外部時(shí)鐘，LLC產(chǎn)生的 27MHz時(shí)鐘輸出信號(hào)提供給ADV202編碼芯片使用;5V供電的。15MHz晶振提供給CPLD，并經(jīng)過(guò)CPLD間接提供給DSP使用。從而解決 了不同電平之間的匹配問(wèn)題，DSP內(nèi)部鎖相環(huán)使用×5模式(CLKMDO=CLKMDl=1)，工作主頻為75MHz;48MHz晶振提供 USBN9602所需的輸入時(shí)鐘。在電路板設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)盡可能接近相應(yīng)輸入引腳。

　　2.6 電源及系統(tǒng)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)需要四種電源供電：5V、3.3V、1.8V和1.5V。其中，5V由系統(tǒng)外部電源提供，3.3V、1.8V和1.5V由TI公司的電源芯片TPS767D301通過(guò)5V變換提供。TPS767D301可將5V的電源輸入轉(zhuǎn)換為3.3V的固定電源輸出和1.5~5.5V的可變電源輸出，同時(shí)產(chǎn)生CPLD的復(fù)位信號(hào)。

　　3 視頻壓縮系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)軟件流程殛總體設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為DSP初始化程序(dspinit.c)、I2C器件SAA7113初始化程序(iic.c)、ADV202初始化程序(init202.c)、 DSP主控制程序(dspetl.c)以及uSB通訊軟件的設(shè)計(jì)。些程序全部在DSP上完成。用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)DSP程序可以縮短開(kāi)發(fā)周期，提高程序開(kāi)發(fā)的效率，也可以使程序的可讀性、可移植性大大提高，并且能為系統(tǒng)的改進(jìn)和升級(jí)換代帶來(lái)極大的便利;對(duì)于C語(yǔ)言編寫的代碼，采用優(yōu)化編譯器生成高效率的匯編代碼，可提高程序的運(yùn)行速度，減少目標(biāo)代碼的度。故在系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)上，采取了以上方法。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

　　3.2 主要程序?qū)崿F(xiàn)舉例

　　ADV202初始化程序(init202.c)主要完成以下功能：

　　(1)校驗(yàn)和配置ADV202內(nèi)部直接寄存器和間接寄存器;

　　(2)加載編碼模式下ADV202所需的固件程序;

　　(3)對(duì)固件配置寄存器進(jìn)行配置，設(shè)置其工作狀態(tài);

　　(4)檢驗(yàn)應(yīng)用程序ID;

　　(5)清除中斷標(biāo)記，使ADV202進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

　　ADV202初始化流程圖如圖5所示。

　　本系統(tǒng)具有體積小、實(shí)時(shí)性好、壓縮信號(hào)易恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于非線性編輯系統(tǒng)、遠(yuǎn)程閉路監(jiān)視系統(tǒng)、視頻信號(hào)采集系統(tǒng)、圖像和視頻檔案系統(tǒng)、高質(zhì)量視頻會(huì)議系統(tǒng)等。隨著ADV202的廣泛應(yīng)用，JPEG2000技術(shù)必將成為業(yè)界圖像視頻壓縮的主流技術(shù)之一。