基于DM6446的视频编码器的硬件设计

摘要：设计了一套基于TMS320DM6446的视频压缩系统。主芯片采用TI公司的TMS320DM6446，模拟视频信号送入解码器TVP5150后，解码为符合ITU-R BT．656标准的数字视频信号，BT．656数字视频信号被送往TMS320DM6446，TMS320DM6446内嵌DSP实现视频信号的H．264压缩，内嵌ARM对压缩后数据进行打包并进行网络传输。实践证明，该编码方案很好地完成了数据压缩及传输，当码率为372 kb／s时，PSNR为39．18 dB(使用NEWS序列)，符合设计要求。
关键词：视频压缩；嵌入式；DM6446；硬件设计

    随着多媒体技术的发展，视频监控系统被广泛地应用于道路交通、电力系统、银行、宾馆、商场、小区、机场等领域的安全监控。TMS3 20DM6446芯片是达芬奇(DaVinei)技术的杰出代表，TMS320DM6446由TMS320C64x+DSP内核、ARM926EJ-S内核、视频处理子系统(VPSS)、系统控制、电源管理、外部存储器接口、外围控制模块等功能模块组成，单颗TMS320DM6446(以下简称DM6446)可以实现完整D1格式的H．264视频压缩。
    本文论述了嵌入式视频编码器完整的设计方案，完成了一个基于DM6446的最小视频编码系统的硬件设计。

1 总体设计及概述
    系统包括电源部分、视频输入部分、存储部分、接口部分。其主要资源包括：DM6446主处理器；2路CVBS标准模拟视频输入(TVP5150)；256 MB DDR2 SDRAM；64 MB NANDFlash存储器；1路RS485串口(MAX485)；一路10 M／100M标准以太网接口(RTL8201)；1个USB2．0接口。视频编码器系统框图如图1所示。

    系统主要由以下2部分组成：
    1)视频前端设计模拟视频信号输入到视频解码芯片TVP5150，TVP5150将解码后的视频数据输入至DM6446的VPFE视频端口，DM6446内置DSP对输入数据进行压缩。
    2)网络传输及控制部分设计 DM6446内部集成以太网媒体访问控制器，外接以太网PHY后可以提供以太网传输通道。DM6446片内ARM9微处理器将压缩后数据打包并完成网络传输。本部分有一路RS485串口，用来对外部设备进行控制(云台控制器等)。
    DM6446是双核架构，在DM6446中ARM核和DSP核相互之间的通信主要是通过中断来实现。DSP完成数据采集压缩处理等工作，ARM处理器的作用是配置和控制整个系统的工作，包括：DSP子系统、VPSS子系统、大部分的外设以及片外存储器，并且对压缩后数据进行TCP／IP打包及进行网络传输，此外还负责系统资源调度以及对外部设备的控制(云台镜头等)。
    系统工作流程：系统完成上电或者复位后，根据配置模式从Flash存储器加载程序，完成对芯片的初始化和对外围设备的初始配置，模拟视频信号经过TVP5150转换为BT656数字视频信号后，传入DM6446的视频通道(VFPE)，内嵌DSP对数字视频信号进行编码压缩后，内嵌ARM对压缩后数据进行打包，并通过网络接口进行传输。

2 模块设计
2．1 视频输入部分
    系统选用一款高性能视频解码芯片TVP5150将模拟CVBS视频信号转换为BT．656数字视频信号，在视频输入端外接了2片TVP5150。TVP51 50时钟源为14．318 18 MHz晶振，数字和模拟输入电压为1．8 V，IO口电压为3．3 V；PCLK／SCLK脚时钟信号可输出13．5MHz和27MHz两种频率。模拟信号经过TVP5150钳位、抗混叠滤波、A／D转换后，经过配置，从YOUT[0：7]输出YUV422 BT．656视频格式的数据流，输入到DM6446的VPFE中，VPFE由CCD控制器、Preview引擎单元、H3A、缩放(Resizer)单元、以及柱状统计图功能单元组成，对输入视频数据进行前端处理，系统把VPFE配置为YUV的数据格式。
2．2 存储部分
    在DM6446中，有几种形式的外部存储器接口，DDR2存储控制器与DDR2 SDRAM连接，系统采用2片16位的MT47H64M16BT并联，存储空间达到256 MB，为系统提供缓存。在VPFE处理后，输出到DDR中的数据在存放时每个像素点占用16 bit的长度，每个像素占2个字节，连续地存
放在内存单元中，如果像素的位宽不足16 bit，多余的高位会填充0。系统运行代码、图像数据临时搬移、压缩处理的中间数据等都要使用DDR2存储器。系统在CS2存储空间中映射64 MB的NANDFlash，用于存储Linux内核操作系统和内核引导程序。
2．3 接口部分
    系统通过串口收发器MAX485设计了与外设通信接口模块RS-485，用于对外部设备进行控制(如云台镜头控制等)。
    系统含有1路10／100 M网络接口，DM6446内带MAC控制器，在EMAC接口外接1片以太网PHY芯片，PHY采用RTL8201，RTL8201与DM365的MII接口相连，DM6446通过MDIO接口实现对RTL8201寄存器的配置及控制，其他握手信号依次连接，通过上拉下拉电阻对RTL8201进行适当的配置(设置PHY地址等)，RTL8201在上电初导入这些配置信息，并进行相应的工作。在RTL8201的时钟接口外接1个25 M晶体，作为RTL8201的时钟源。RTL8201外接网络变压器，进行信号隔离，通过RJ45连接到网络，与外界实现数据交换。
    DM6446片上集成了USB控制器，可以通过ARM端对控制存储映射寄存器进行操作，通过USB接口可以外接很多USB设备，为系统预留了外设扩展口，用来实现附加功能。
    系统通过GPIO提供2路开关量报警输入和2路开关量报警输出。报警输入通过隔离光藕来实现，当有报警信号输入信号时，光藕导通，输出低电平至DM6446 GPIO，当没有报警信号输入时，光藕截止，输出高电平至DM6446 GPIO，DM6446通过检测GPIO电平来判断报警输入信号的有无。报警输出通过控制继电器的开合来实现。
2．4 电源模块
    系统电源分为+5、+3．3、+1．8+1．2 V，输入电源为+5 V，其余电压均由+5 V电源转换得到。其中+1．2 V提供DM6446内核电压，+1．8 V为DM6446的I／O以及DDR2内存供电，+3．3 V给大部分的外设供电。+1．2 V的内核电压和+3．3 V的外设供电电压由TPS75003得到，TPS62040提供+1．8 V电压输出。本设计采用MAX706对系统进行复位。

3 结论
    通过ITU-T视频测试序列NEWS(150帧)对系统进行了科学的测试，测试环境：Panasonic笔记本一台(配置Intelpentium processor 1．1 GHz，1 G内存，操作系统Windows XP，80 G硬盘)。当码率为372 kb／s时，PSNR为39．18 dB，编码效率合理，符合设计初衷。
    本文有效地利用DM6446设计了嵌入式视频处理最小系统，完全满足视频压缩编码的功能需求。系统运行于Linux操作系统，具有实时性好、通讯速率快、图象质量高、性能稳定、价格便宜、防病毒等特点。