基于TMS320DM355高清红外摄像机设计

摘要：为了能够在低光照强度情况下，获得高清图像，达到夜晚监控的目的，采用嵌入式设计方法，根据具体的应用需求，选择低照度高、解析度的CCD芯片KAI-1010以及与之相匹配的时序产生芯片KSC-1000设计图像采集模块，实现了光信号到电信号的转换；采用AD9945芯片。完成采集到的模拟信号到数字信号的转换；将获得的数字信号经过主处理芯片TMS320DM355进行图像前端处理及后端处理后，送到网络接口芯片DM9000A，经过网络在上位机实时获取视频图像。
关键词：TMS320DM355；红外夜视；高清摄像机；CCD

0 引言
    随着网络化的发展，网络视频越来越贴近人们的生活，高清网络视频的需求也在不断提升。高清视频会议、高清视频电话、高清视频监控等都提出了视频的高清需求。数字视频系统可以在同样的信道上传输更多的视频，而且可以利用现有的网络，与计算机多媒体处理相结合，便于分析处理、存储和显示。特别是采用了以太网通信的网络视频系统，更具有经济，组网灵活，使用方便等优点。
    人们生活水平的提高，安全防范意识也在逐渐增强，高清智能分析摄像机在小区监控和家庭监控中也将起到越来越重要的作用，一方面它可以改善家庭周围的安全状况，防范盗贼起到重要作用；另外，它提供的资料可以用来作为事发现场的证明，对公安机关破案提供最有力的证据。为了实现24 h监控，低照度红外摄像机已经应用在监控场合，但是目前高清红外摄像机的成本相对较高。因此设计低成本、高效益的高清摄像机，具有现实的意义。
    高清摄像机的使用，可以为智能分析和数据挖掘功能的价值体现提供原始图像基础。高清摄像机的使用，必然需要大量的存储空间，以存储大量的高清图片。目前高清监控系统存在的问题之一是较多的无用视频信息也被存储、传输，既浪费了存储空间，又增加了带宽压力，而采用智能分析后，对于这些无用视频则可采用低码流方式进行压缩或存储，以节省存储空间和减少带宽压力。

1 硬件总体设计
    在设计过程中，根据功能进行以下几个模块设计：CCD模块、视频编解码模块、TMS320DM355(简称DM355)模块、存储模块、以太网电路模块、USB接口模块等，硬件设计框图如图1所示。

    高清晰度摄像机前端CCD图像传感器选择的是1／3英寸KAI-1010总像素100万。网络部分采用以太网收发器与DM355直接相联。系统上电后，固化在FLASH中的软件代码通过引导程序自动装载到SDRAM和DM355片上内存中的指定地址，然后运行软件，完成对各硬件单元的初始化(如对DSP，CCD传感器，PHY等芯片的初始化配置)。CCD传感器配置正确并启动后开始采集视频数据；视频数据通过DM355的视频端口进入DSP；DSP对视频数据进行压缩编码(MPEG4，JPEG)，UDP打包，最后通过网络发到用户监控端。
1．1 多媒体处理芯片DM355
    高清摄像机的核心是高性能的数字多媒体处理芯片，DM355是TI公司推出的面向便携式高清视频应用的新型低成本、低功耗的达芬奇(DaVinci)数字处理器，能够实现720P高清MPEG4编码和解码，支持30 f／s实时视频处理，编码解码能力可达每秒5 000万像素，其内核包含ARM9处理器和MJCP协处理器，有前端和后端的视频处理子系统，可支持CCD控制器预览、图像缩放等功能。VPSS+MJCP可以提供相当于640M DSP处理能力，以实现整体系统的控制，也可以实现实时操作系统。
    DM355作为Davinci系列双核数字媒体处理器，不仅具有ARM926E处理器，基于Linux操作系统方便地管理和控制整个芯片的外设，而且为便捷地实现多媒体功能，DM355的外围设备集成了非常丰富的视频和网络通信接口。
1．2 视频数据采集、处理和输出设计
    CCD采集的数据，经过多媒体处理器的视频前端处理(预览引擎、直方图模块、图像缩放模块和自动聚焦／曝光／白平衡等模块)后，将数据送到视频后端处理，然后经过DM9000A芯片处理后，通过RG45接口传送到网络上或者存储到磁盘中，全过程如图2所示。

    自然界的图像从镜头折射后，进入到CCD感光器上，CCD感光器将收集到的信息转换为RGB贝尔模板格式，传送给DM355的视频处理前端预览引擎，并将图像数据由RGB贝尔模板格式转换为YUV422格式，通过视频处理前端的直方图模块，可以统计计算出原始图像的信息，用于图像处理和图像内容的识别。自动聚焦／曝光／白平衡模块，也可以根据直方图模块统计计算的结果做相应的调节操作。为了看到高清视频演示，在输出接口前外接选用合适的提帧扩展芯片THS8200，用来支持HDTV的720p格式的信号输出。
    DM355通过EMIF接口与DM9000A芯片相联，DM355与DM9000A之间的数据传输采用默认的FIFO模式。系统上电时，DM355主芯片通过I2C总线配置DM9000A内部寄存器，初始化DM9000A；初始化完毕，DM9000A进入数据收发等待状态；DM355处理完视频数据后，将视频数据打包成UDP数据包，并通过总线将发送到DM9000A的数据发送缓存中，然后将数据长度等信息填充到DM9000A的相应寄存器内，当使能信号到达时，开始，发送数据。当DM9000A接收到外部网络送来的数据时，首先检测收到的数据帧是否合法，若存在帧头标志有误，则丢弃帧数据，否则缓存到内部RAM，并通过中断标志位通知DM355，由DM355对DM9000A接收到的数据进行处理。
1．3 电源模块设计
    电源模块的主要功能是为整个系统提供稳定的电源供应。在设计过程中，考虑到各个芯片的供电需求，将供电电压设置为1．3 V，1．8 V，3．3 V，5 V共4种电平的供应。在DM355系统中采用电源和休眠控制器控制电源和始终的开／关或重启。在电源系统设计中使用到了电容的去耦和旁路，以防止能量从一个电路传到另一个电路，进而提供配电系统的质量。
1．4 DM355存储电路和接口控制逻辑设计
    视频处理主模块以DM355以及辅助外设共同完成高清晰视频的MPEG-4编码，NAND FLASH用于保存U-Boot，Linux操作系统以及Ramdisk文件系统，还包括JTAG调试接口、异步外设存储器接口。
    为使DM355能够快速可靠的运行，设计中采用了SDRAM和FLASH的外围存储方式。SDRAM利用单一的系统时钟对数据、地址和控制信号进行同步，可以显著地提高系统性能，简化设计，提供高速的数据传输。AEMIF接口支持NAND FLASH存储器，NANDFLASH片内寻址采用26位地址形式，运用仿真器将DDR2中一段存储区的数据(如Bootloader)写到NAND FLASH存储空间，并能够被UBL读到DDR2中运行。

    设计中采用的NAND FLASH存储器芯片，以扩展程序存储空间，它实现了与DM355的AEMIF接口进行无缝连接，图3所示为AEMIF外部引脚与NANDFLASH简化接口图，AEMIF的地址线用于NANDFLASH的命令锁存使能信号(CLE)和地址锁存使能信号(ALE)，任何EMIF地址引脚都可以当作CLE和ALE驱动NAND FLASH，但是在本设计中NANDFLAsH主要用于保存DM355启动的U-Boot文件和MontaVista linux操作系统的内核，在启动操作系统时，CLE和ALE需要一直使用，所以选用EMIF地址引脚中的EMA[2：1]作为CLE和ALE信号，因为EMA[2：1]没有与其他外设引脚复用，可以用作惟一功能控制NAND FLASH。

2 结语
    高清晰度摄像机的在今后的日常生活中将被广泛应用，基于TMS320DM355高清摄像机，具有成本低，功耗小的特点，可用于便携式设备，监控等场合。本论文设计了高清摄像机的硬件平台，为下面的软件设计提供了开发平台。由CCD获得原始图像，经过DM355芯片的处理，获得高清数字图像，不仅可以对提取的信号进行分析识别，有选择的保存重要信息，而且通过分析后，在存储过程中只存储有价值信息。