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1 引言 數字視頻是利用諸如攝像機的視頻捕捉設備采集外界影像信息并將影像信息數字化，然后將其記錄到儲存介質(zhì)(如錄像帶、硬盤(pán)、光盤(pán))或通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸。而視頻監控在安全防范系統中具有重要意義。這里提出基于TMS320DM355型達芬奇(DaVinci)數字媒體片上系統(DMSoC)的便攜式多媒體視頻監控器。 2 DaVinci技術(shù)簡(jiǎn)介 DaVinci技術(shù)是TI公司針對數字視頻圖像處理及應用而提供的一套完整的解決方案，包括處理器、開(kāi)發(fā)工具、軟件以及系統專(zhuān)業(yè)技術(shù)。DaVinci技術(shù)可利用數字信號處理與集成電路技術(shù)提供高度集成的片上系統(SoC)，優(yōu)化和處理數字視頻。該片上系統具有高效的處理能力、存儲器、I／O帶寬。同時(shí)也是平衡內部互連和專(zhuān)用外設組合。數字視頻子系統的硬件和軟件集成有可配置和編程的開(kāi)發(fā)工具集。DaVinci技術(shù)能夠使開(kāi)發(fā)人員擺脫數字視頻的技術(shù)細節，整的達芬奇軟件架構涵蓋低級的OS驅動(dòng)程序和應用程序接口A(yíng)Pl。便于實(shí)現數字視頻功能。開(kāi)發(fā)人員無(wú)需了解各種音頻、視頻、影像以及語(yǔ)音CODEC背后的機制和DSP的編程，僅需調用少量函數即可提供編解碼功能和視頻功能。DaVinci技術(shù)通過(guò)提供開(kāi)放式平臺降低系統創(chuàng )建和管理的眾多組件的復雜性。在該平臺上，Tl及其第三方合作伙伴集成了構成數字視頻系統所需的各種組件，這些組件都基于DaVinci平臺。同時(shí)開(kāi)放式開(kāi)發(fā)平臺還擴展到應用程序，實(shí)現應用程序也基于相同的DaVinci平臺。 目前TI公司采用Davinci技術(shù)的器件主要分為3類(lèi)：①ARM926EJ+MJCP(MPEG4和JPEG協(xié)處理器MPEG4/JPEG)，典型器件TMS320DM355；②采用TMs320C6000系列的DSP TMS320DM643 1／33/35／37和TMS320DM647/8；③由ARM926EJ+TMS320C6000系列的DSP TMS320DM6446／43／41，其中TMS320DM6446／41還包括視頻圖像協(xié)處理器VICP。表1給出，TI公司的DaVinci技術(shù)器件引比較。 3 TMS320DM355簡(jiǎn)介 高性能、低功耗的TMS32DM355 DaVinci技術(shù)器件由于內部無(wú)DSP內核的多媒體處理器，采用協(xié)處理器MJCP實(shí)現多媒體數據編解碼。因此TMS320DM355可實(shí)現低功耗，低成本設計方案。TMS320DM355在高清MPEG-4編碼過(guò)程中的功耗約為400 mW，而待機功耗僅為1 mW。視頻模式下使用基于TMS320DM355的數碼相機，兩節AA電池可錄制80 min的高清視頻，使HD產(chǎn)品電池壽命延長(cháng)一倍。TMS320DM355內部集成的視頻處理子系統VPSS(Video Processing Subsvrs-tem)、MPEG-4／JPEG協(xié)處理器(MJCP)、ARM926EJ-S內核以及多種外設組成，可應用于數碼相機、IP攝像機、數碼相框、醫學(xué)成像及嬰兒視頻監護器等領(lǐng)域。圖1為T(mén)MS320DM355的內部功能框圖。 TMS320DM355包括1個(gè)哈佛結構ARM核：ARM926EJ-S處理器支持ARM擴展DSP指令和Jazelle技術(shù)、32 KBRAM、8 KB ROM，16 KB I-cache、8 KB D-cache；它能夠處理16／32位指令和8／16／32位數據。它通過(guò)使用協(xié)處理器CPl5和保護模塊增強體系結構，并提供數據和程序內存管理單元MMU。MMU具有2個(gè)64項的轉換旁路緩存器TLB用于儲存指令和數據流，每項均可映射存儲器的段、大小頁(yè)。為了保證在內核周期內存取指令和數據，提供了獨立的16 K字節指令Cache和8 K字節數據Cache，指令和數據Cache通過(guò)VIVT4路連接。另外，該器件還具有提升內核性能的寫(xiě)緩沖，其緩沖數據容量高達17字。 專(zhuān)用的視頻圖像處理器用于處理視頻數據：視頻處理子系統VPSS包括視頻前端輸入接口VPFE和視頻末端VPBE輸出接口，視頻前端輸入接口用于接收外部傳感器或視頻譯碼器等輸入的圖像信息，視頻末端輸出接口輸出圖像到SDTV，LCD，HDTV等顯示屏顯示。其中視頻前端輸入(VPFE)接口是由CCD控制器、硬件圖像信號處理器一圖像通道IP-IPE模塊、自動(dòng)曝光／白平衡／聚焦模塊H3A和寄存器組成。CCD控制器可與視頻解碼器、CMOS傳感器或電荷耦合裝置連接;IPIPE是實(shí)時(shí)硬件圖形處理器，用于實(shí)時(shí)圖像處理，它把從CMOS／CCD得到的原始圖形轉換為國際電信聯(lián)盟ITU數字視頻標準BT．60I／BT．656的8／16位數字YCbCr 4：2：2；H3A模塊則提供原始圖形信息。 視頻末端輸出(VPBE)接口由在線(xiàn)視頻顯示處理器／屏幕視控系統OSD和兼容NTSC／PAL視頻輸出編碼器VENC組成。在線(xiàn)視頻顯示處理器能顯示2組獨立的視頻窗口或2組獨立的OSD窗口．還能以視頻窗口、OSD窗口和屬性窗口形式顯示。視頻解碼器以54．MHz的速率進(jìn)行D／A轉換，提供NTSC／PA L，S等格式的視頻或音頻輸出。同時(shí)該器件還具有8／16位YCC到18位RGB666數字輸出；ITU數字視頻標準BT．601／BT．656的8／16位數字YCbCr 4：2：2接口：輸出還支持同數字高清電視HDTV(720p／1080i)擴展編碼器連接的接口。通過(guò)緩存邏輯與TMS320DM355的DDR2／mDDR片上控制器相連，便于訪(fǎng)問(wèn)存儲器，向存儲器存儲由攝像頭采集并經(jīng)VPFE處理的圖像信息，便于將存儲的圖像信息通過(guò)VPBE輸出到顯示設備。 數字圖像處理方面，MPEG4和JPEG硬件協(xié)處理器MJCP(MPEG4／JPEGG Coprocessor)能以720p格式與30幀／s的速度提供高清MPEG4-SP編解碼功能，和以每秒5千萬(wàn)像素的速度提供JPEG編解碼功能。在存儲方面，擴展存儲器接口EMIF包括1個(gè)8／16位和1個(gè)16位mDDR／DDR2，可擴展存儲器的類(lèi)型為mDDR，DDR2，SDRAM，OneNAND，NANDFlash，SM／xD等；其他片上外圍擴展控制器還包括：2個(gè)MMC(Multimedia Card)／SD(Secure·Digital)接口；2個(gè)音頻接口A(yíng)SP(Audio Serial Port)接口控制器，支持AC97音頻編碼接口、12S等接口形式：1個(gè)主／從I2C(Inter-Integrated Circui)接口控制器：1個(gè)USB 2．OTG接口控制器：1個(gè)可配置的視頻專(zhuān)用的輸入和輸出端口等。 4 系統設計 該系統設計結構包括硬件系統和運行在硬件系統上的軟件系統，如圖2所示。圖中虛線(xiàn)以下是系統硬件部分，其主要由3個(gè)部分組成：圖像信息的獲取、圖像信息的處理和存儲、圖像信息的展示．即分別對應夜晚也能攝像的PAL／NTSC紅外攝像頭．印刷電路板PCB板硬件對視頻信息進(jìn)行壓縮等編碼操作和SD卡存儲，以及TFTLCD播放裝置。 虛線(xiàn)以上是系統軟件部分，軟件部分包括系統軟件、開(kāi)發(fā)支撐軟件和應用軟件。系統軟件包括加載引導Linux操作系統的。BootLoader-U-boot、DaVinci技術(shù)軟件包和Mon-taVista Linux操作系統：開(kāi)發(fā)支撐軟件主要是用于數據管理的嵌入式數據庫，進(jìn)行用戶(hù)圖形界面開(kāi)發(fā)的圖形用戶(hù)界面GUI軟件；應用軟件是在DaVinci技術(shù)、操作系統、數據庫和圖形用戶(hù)界面軟件基礎上開(kāi)發(fā)的便攜式多媒體監控器系統。 5 系統硬件設計 視頻監控器主要包括圖像信息的獲取、圖像信息的處理和存儲、圖像信息展示3部分。對應PAL／NTSC紅外攝像頭用于獲取視頻信號；PCB印刷電路板和SD卡用于完成視頻信息的處理和存儲；TFT LCD用于播放和展示。 系統構成與信號流向如圖3所示，為了方便信號流程的表示，將視頻處理子系統VPSS的兩個(gè)部分獨立，視頻處理前端VPFE連接信號的輸入端，視頻處理后端VPBE連接信號的輸出端。從圖3可看出利用TMS320DM355基本上在不增加外圍控制器的情況下就可構成一個(gè)便攜式多媒體監控器。 選擇紅外攝像頭是因為實(shí)際的視頻監控中通常晚上也需要監控，如果沒(méi)有這種需求可選擇普通的攝像機；因為紅外攝像頭輸出信號一般都是NTSC／PAL制的模擬電視信號，而TMS320DM355的視頻輸入信號是通過(guò)VPFE的CCD控制器CCDC引入的，而該控制器的接口是標準的ITU BT．601／BT．656數字視頻信號，所以還需增加一個(gè)將NTSC／PAL的模擬信號轉換成BT．601／BT．656的解碼器。LCD采用TFTLCD模擬真彩LCD屏，它比偽彩DSTN屏的分辨率和顯示效果都好。它是實(shí)現系統監控現場(chǎng)的視頻圖像和多媒體功能的主要因素，用于播放視頻多媒體和顯示靜態(tài)圖片。 由于紅外攝像頭和TFT LCD一般都是直接購買(mǎi)市場(chǎng)上成熟的外設產(chǎn)品，下面較為詳細的分析系統中視頻圖像的處理和存儲部分，也就是PCB板部分。這里是一種連接形式，如圖4所示，還根據圖3給出的系統框圖并結合TMS320DM-355接口的電氣和物理特性選擇其他功能相同的器件。 通過(guò)MXI和MXO引腳外接晶體振蕩器為T(mén)MS320-DM355提供時(shí)鐘源．再通過(guò)片內時(shí)鐘控制電路為片內各控制器提供所需時(shí)鐘。其中系統外接晶體振蕩器可提供24 MHz或36 MHz的時(shí)鐘，由MXIl，MXO1引腳引入，通過(guò)鎖相環(huán)控制器PLLCl為ARM，MJCP和其他片上外圍接口控制器提供時(shí)鐘，通過(guò)鎖相環(huán)控制器PLLC2為DDR和PHY提供時(shí)鐘；通過(guò)MXl2，MXO2引入27 MHz時(shí)鐘為視頻處理子系統VPSS提供時(shí)鐘。 該系統采用電池供電，通過(guò)具有3個(gè)DC／DC轉換器和3個(gè)線(xiàn)性穩壓器LDO接口，可輸出1"6 V電壓的電源管理器件TPS65021實(shí)現。它由1節鋰離子電池供電，由TMS320DM355通過(guò)I2C與之通信，實(shí)現各路輸出電源電壓的控制，分別為內核、存儲器和I／O接口可提供1.3 V、1．8 V和3．3 V的工作電壓；也可采用5 V穩壓器直流供電，通過(guò)DC／DC轉換器后提供1.3 V、1．8 V、3.3 V供電。 其存儲包括2個(gè)MMC／SD卡接口和2個(gè)擴展存儲接口EMIF。前者實(shí)現2個(gè)SD卡存儲器的擴展連接；后者包括DDR控制器和異步擴展存儲接口A(yíng)EMIF，分別用于擴展連接對DDR存儲器和Flash存儲器。TMS320DM355與這3種存儲器直接相連。 4路PAL／NTSC模擬視頻輸入信號通過(guò)4個(gè)3 V的視頻前端濾波器放大器OPA369放大，經(jīng)過(guò)視頻輸出格式可編程控制的TVP5146將模擬信號變成所需的ITU數字信號，再經(jīng)過(guò)2個(gè)12位2選1的FET多路復用器／多路解復用器對輸入的4路視頻信號選擇1路輸入TMS320DM355的VPF完成視頻輸入。其中OPA369支持S-Video、CVBS、SDTV等級的影像帶寬。TVP5146是高性能混合信號視頻解碼器，可將基帶模擬NTSC、PAL及SECAM視頻信號轉換為數字分量視頻信號；可支持10組視頻輸入，包括S端子、YPbPr以及RGB；輸出ITU-R BT．656；并有提供最佳亮色分離效果的5線(xiàn)自適應梳狀濾波器和4路可提供出色防噪性能的10位、30 MS／s模數轉換器。視頻輸出信號通過(guò)TMS320DM355的VPBE與3通道集成視頻緩沖器THS7315連接輸出PAL／NTSC、Y和C信號，而外接LCD的背光通過(guò)白光LED驅動(dòng)充電泵TPS60230驅動(dòng)。其中THS7315視頻緩沖放大器采用五階巴特沃思濾波器，可AC耦合和DC耦合，可用作編碼器的D／A轉換器重建濾波器，或作為A／D轉換器的抗混淆濾波器；它支持HDTV、SDTV、CVBS、S-Video、YUV、YPbPr、480i／576i以及多種數字媒體處理器輸入。TPS60230具有無(wú)需電感，可限制浪涌電流，低輸人紋波與低電磁干擾(EMI)和較寬輸入電壓范圍2．7-6．5 V，可通過(guò)PWM引腳控制LED亮度。 通過(guò)TMS320DM355的ASP與PCMl870 A／D轉換器相連實(shí)現音頻，該器件具有麥克風(fēng)偏置、音效與陷波濾波器的低功耗立體聲A／D轉換器，包括線(xiàn)路輸入放大器、升壓放大器、麥克風(fēng)偏置、可編程增益控制、音效以及自動(dòng)音量控制功能。音箱和喇叭用于輸出音頻信號，通過(guò)TMS320DM355的音頻接口與ASP控制器連接，并根據外圍連接物理設備選擇AC97音頻編碼接口、FS、TDM I2S、軟件S／PDIF等接口。 對視頻和圖片的操作功能可以通過(guò)觸摸屏實(shí)現．觸摸屏的功能是通過(guò)電平轉換器PGA9306、溫度傳感器TMPl00與TMS320DM355的串行外圍接口SPI共同完成。電平轉換器PGA9306實(shí)現觸摸屏的物理電平和CMOS電平之間的轉換。而具有I2C串行接口的數字溫度傳感器實(shí)現觸摸屏的功能。而觸摸按鍵式記錄器可以實(shí)現多媒體等操作的按鍵化操作。串口和USB OTG都是常規直接與物理接口的連接．其中USB OTG(On The Go)控制器，便于USB設備連接。 6 系統軟件設計 軟件開(kāi)發(fā)實(shí)現比較復雜，涉及到操作系統、音視頻編解碼算法及ARM和MJCP之間的分工協(xié)作．圖5給出4路視頻多媒體監控器的主程序流程，圖6給出監控部分的流程圖。 主程序完成系統的加載，包括BootLoader的啟動(dòng)和加載，硬件驅動(dòng)程序、SQLite、MiniGUI的操作系統的加載和啟動(dòng)，操作系統啟動(dòng)成功后通過(guò)Shell程序加載啟動(dòng)多媒體監控系統軟件，進(jìn)入監控系統。 監控首先判斷是一路視頻播放和錄制，還是4路視頻的循環(huán)分時(shí)錄制；其次在成音、視頻播放的同時(shí)完成音、視頻的錄制，在錄制視頻前要先對視頻進(jìn)行MPEG-4壓縮。同時(shí)還需要注意音視頻的同步。 7 結論 實(shí)現了基于達芬奇技術(shù)TMS320DM355的4路視頻多媒體監控器系統，詳細分析其硬件設計和軟件設計。該系統設計采用最新的技術(shù)，降低產(chǎn)品成本，功耗，具有很強的實(shí)用性。該視頻多媒體監控器可廣泛應用于人流密集和流動(dòng)性大的車(chē)站、碼頭、機場(chǎng)、公園、銀行、政府、超市及商業(yè)街等視頻監控領(lǐng)域。 |
