基于TMS320F2812的視頻圖像采集系統(tǒng)的設計

　　快速發(fā)展的汽車產業(yè)為車載電子產品提供了廣闊的應用市場，如車載的“紅外監(jiān)視”、“倒車雷達”等視頻監(jiān)視設備，為駕駛員既帶來了方便，也帶來了安全。這些監(jiān)視設備離不開視頻圖像采集，而視頻圖像采集的關鍵環(huán)節(jié)就是視頻信號的AD轉換。傳統(tǒng)的視頻圖像采集系統(tǒng)一般采用專門的圖像采集芯片，如SAA7110視頻解碼芯片，自動完成圖像的采集；缺點是電路復雜、成本高，不方便對其進行軟件編程和升級，進而其采集圖像的精度和速度也受到制約，對非標準視頻信號適應性不好。

　　本設計采用DSP的片上ADC實現圖像采集，不需要專業(yè)的視頻解碼芯片，雖然不能完成圖像的自動采集，但是具有電路簡單、成本低、易于維護和升級的特點。更重要的是可以對其進行軟件編程，以適應不同標準視頻信號的采集。用DSP和CPLD搭建數據采集系統(tǒng)時，不必外接專業(yè)的圖像采集芯片，避免了復雜的硬件設計，同時提供了足夠的處理能力。本設計采用TI公司的TMS320F2812芯片采集圖像，并搭建TMS320C6416t處理圖像，實現了基于DSP的視頻圖像采集。

　　視頻圖像采集的系統(tǒng)方案

　　視頻圖像采集包括視頻預處理電路和A/D轉換電路，其結構框圖如圖1所示。

圖1 視頻采集結構框圖

　　首先對獲取的圖像信號進行同步信號分離，將分離出來的同步信號連接至CPLD。視頻信號在經過電平鉗位、幅度調整等預處理后，將其連接到F2812的ADC輸入端。

　　F2812通過XINTF將其片上ADC的結果輸出至CPLD，CPLD根據分離出的同步信號的時序關系將視頻亮度信號通過HPI傳輸給圖像處理器C6416t進行圖像處理。其中，本文主要設計的是前端圖像采集部分，用戶可以根據自己的需要更換圖像處理器，以滿足不同的圖像處理要求。

　　1 視頻預處理

　　模擬視頻信號中包含有視頻亮度信號、視頻色度信號、視頻同步信號。視頻信號的峰峰值為1V，并且其同步信號電平低于零電平。而F2812采用的ADC量程為0～3V，因此在視頻轉換之前，需要對其進行Y/C分離、同步分離、電平鉗位、幅度放大等預處理。

　　①Y/C分離和電平鉗位

　　本系統(tǒng)采用飛利浦公司的TDA9181和TDA9143芯片進行Y/C分離。TDA9181是多標準動態(tài)梳狀濾波器，由延時、加法器、減法器、帶通濾波器組成，支持PAL B、G、H、D、I、M、N 及NTSC M標準的梳整，可以為其相關制式的視頻信號進行Y/C分離。TDA9181還能對輸入的信號進行電平鉗位。

　　TDA9143是一種由I2C總線控制的PAL/NTSC/SECAM解碼器，可以為TDA9181提供Y/C分離所需要的沙堡脈沖信號和色副載頻信號。

圖2 Y/C分離原理圖

圖3 AD8066視頻緩沖器原理圖

圖4 同步分離

圖5 LM1881分離原理圖

　　TDA9181和TDA9143接口原理圖如圖2所示。

　　②視頻緩沖器

　　由于視頻信號的峰峰值為1V，而F2812的ADC量程為0～3V，所以為了更好的進行視頻采樣，需要對視頻信號放大3倍。

　　系統(tǒng)采用的AD8066是高壓、高速、低功耗和大電流的軌對軌輸出的單路和雙路運算放大器，其微分增益誤差和微分相位誤差分別為0.01% 和0.02%，7MHz帶寬的增益均勻性為0.1dB，非常適合視頻緩沖應用。

　　AD8066用作視頻緩沖器的原理圖如圖3所示。

　　③同步分離

　　同步分離采用NS公司的LM1881芯片。LM1881能夠從峰峰值為0.5～2V的PAL、NTSC和SECAM視頻信號分離出各種同步信號，如圖4所示 （a：復合視頻信號，b：復合同步信號，c：場同步信號，d：奇偶場信號，e：突發(fā)/后肩信號）。此外，LM1881還可應用于非標準視頻信號的同步分離，原理如圖5所示。

　　2 視頻A/D轉換器

　　TMS320F2812為32位定點可編程處理器芯片，最高頻率為150MHz，可以方便地與其他處理器連接，片上12位ADC最高采樣帶寬可達12.5MHz，擁有相當于16級的FIFO，使片上ADC能達到上限工作速率,實現每80ns采集1個數據。此外，TMS320F2812可以方便的進行軟件編程，以適應不同標準的視頻信號，故采用F2812用作AD轉換。

　　采用級聯、連續(xù)自動排序模式工作流程圖如圖6所示。

圖6 AD轉換工作流程圖

　　3 視頻圖像處理

　　本系統(tǒng)設計了用CPLD外擴TMS320C6416t處理圖像，用戶可以根據自己的需要更換圖像處理器，以達到需要的處理效果。

　　圖像采集

　　1 采集流程

　?、?將攝像機輸出的PAL/NTSC制式的模擬視頻信號通過TDA9181和TDA9143進行Y/C分離和電平鉗位后，一路給TMS320F2812變成數字信號，另一路給LM1881分離出同步信號。
　　② 將F2812采集后的圖像數據通過其XINTF傳輸至CPLD；將LM1881分離出奇偶場信號和復合同步信號也交給CPLD進行邏輯控制。
　?、?由CPLD根據奇偶場信號和復合同步信號來決定是采集奇場圖像還是偶場圖像，或者采集一幀完整的圖像。（用戶也可以用自己外擴的圖像處理器來判斷圖像的幀數。）
　　2 行、場處理
　　①當場同步信號到來時，CPLD根據奇偶場信號決定是采集奇場圖像還是偶場圖像，或者采集一幀完整的圖像；當復合同步信號到來時，CPLD判斷是哪一行。CPLD會根據這些邏輯時序來控制F2812的采集，以及提供同步時序給外擴的圖像處理器。
　?、谟脩粢部梢愿鶕约旱男枰幚磉@些同步信號，比如用外擴的圖像處理器代替CPLD來判斷圖像的行、場。

　　系統(tǒng)性能

　　只有AD采集的速度和精度達到視頻圖像變化的要求，才能對視頻圖像進行實時的采集。標準PAL制式模擬視頻信號的每場掃描行數為625行，每幀實際傳送圖像為575行，場頻50Hz，幀頻為每秒25幀，每秒鐘信號的變化頻率是5.52MHz，即圖像信號帶寬為5.52MHz，根據抽樣定理AD采樣的帶寬至少是11MHz；而TMS320F2812片內的AD轉換器最高采樣帶寬可達12.5MHz，因此在速度方面完全滿足采集視頻信號的要求。同樣的，F2812的視頻AD轉換精度為12比特，用戶也可以對F2812的ADC模塊進行編寫校正算法，來不斷的提高ADC的轉換精度。

　　應用

　　本系統(tǒng)平臺可用于多種制式的視頻圖像采集和數據參數采集，可以制作成視頻采集卡和數據采集卡。視頻采集卡可用于車載的視頻監(jiān)視，如目標識別和倒車雷達。

　　在視頻采集卡的輸入端接紅外圖像傳感器，輸出接口接顯示設備，就可以用于夜間紅外監(jiān)視。用戶可以方便的對圖像處理器（如C6416t）進行軟件編程，用于目標獲取和識別。例如，汽車在夜間行駛時，當前面有不明障礙物，紅外監(jiān)視器就會提前發(fā)出警報并在監(jiān)視器上顯示目標來提醒駕駛員。

　　在視頻采集卡的輸入端接普通的光電攝像頭，可以用于倒車視頻監(jiān)視。這樣駕駛員就不必轉身扭頭倒車了，只需要看著旁邊的視頻監(jiān)視器就可以方便的倒車。

　　本系統(tǒng)平臺也可以用于多種數據參數的采集，在視頻采集卡的輸入端接不同的數據傳感器，就可以用于工業(yè)自動化和汽車的數據參數監(jiān)視。例如，汽車的輪胎氣壓是否正常、車內的空氣質量是否達標、行駛的速度是否過快、水溫是否過高，以及剩余的油量是否過少等，都可以通過對數據參數的采集后，來提醒駕駛員。

　　結束語

　　本系統(tǒng)不需要專門的ADC芯片，單片DSP就能實現視頻圖像、數據采集；并且可以方便對F2812進行軟件編程來不斷提高圖像、數據的采集質量；另外CPLD提供了豐富的外擴接口，用戶可以很容易的更換自己的圖像處理器，為以后的圖像數據處理提供了方便。