基于DM365的视频编码器的硬件设计

摘要：为了解决标准清晰度监控系统中存在的一些问题，设计了一个基于TMS320DM365的高清视频压缩系统。采用ITU-T的H．264(DM365内嵌硬件压缩器)视频压缩算法，高清模拟视频信号通过专用视频解码芯片TVP7002转换成数字视频信号，在DM365中进行数据压缩，内嵌ARM把数据打包后传到internet，通过PC机软件解码，进行视频播放。实践证明，本编码方案很好的完成了数据压缩及传输，符合设计要求。
关键词：视频压缩；DM365；H．264；网络传输

    在视频监控应用中，传统视频监控由于图像清晰度不高(CIF～D1分辨率)、管理和维护诸多线缆难度大、配置众多设备结构复杂、扩展不便，这些因素严重制约了安保管理效能的提升，同时也为高清视频监控的发展带来了契机，本文论述了基于DM365的高清视频编码器的硬件设计。

1 硬件平台整体设计
    TMS320DM365延续了DavinciTM家族DM355处理器的架构，集成了一颗ARM926EJ-S内核，一个图像处理子系统(VPSS)，一个H．264高清编码器协处理器HDVICP和一个MPEG-4／JPEG高清编码器协处理器MJCP，支持多格式H．264、MPEG-4、MPEG-2、MJPEG以及VC1等编解码器，可实现高度的视频灵活性。DM365可以同时输出720P，D1，CIF三个码流，或者更多的组合方式，并且编码速率可调，并且支持硬件OSD。该处理器有丰富的外围接口，用户可以方便的外接子系统，本文采用TMS320DM365作为主CPU，对输入视频数据进行采集并进行相应的压缩网络传输处理，设计了基于DM365架构的数字视频编码器。系统除了DM365以外，还有高清视频A／D转换器、音频CODEC、存储、以太网、串口等模块。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。
    系统整体框图如图1所示，系统选用DM365为主CPU，DM365外接音频模块、视频输入模块、存储模块、串口及网络传输模块。本平台由两部分构成：视频输入及图像处理部分和视频输出部分。

    视频输入及图像处理部分：高清晰度模拟视频信号输入TVP7002，经过A／D编码以后变成高清数字视频信号，此数字信号输出给DM365。本模块DM365主要对输入视频数据进行H．264压缩，并可实现噪声过滤、视频稳定、面部检测、自动白平衡、自动对焦、自动曝光以及边缘增强等功能，此外，还对系统上所有I2C设备初始化，实现音频语音对讲等功能。
    视频输出部分：DM365内嵌ARM微处理器，该处理器核心功能是对数据流进行转发，外接存储器模块、以太网模块、串口模块等。ARM先完成压缩数据的RTP、UDP、IP封装，然后经过MAC成帧，最后通过以太网控制器PHY完成数据包的发送。此外ARM还负责解析接收数据，对PC机发来的相关参数命令进行转发，进行相应的运算设置(视频压缩码率、帧率等)，通过串口实现对外设的控制(云台控制器、镜头等)，通过GPIO对报警输入输出的处理等等。

2 模块设计
2．1 视频音频输入模块
    在DM365上有VPFE接口，能支持多种格式的视频输入格式。系统实现1路高清视频输入，高清A／D转换芯片采用TVP7002。TVP7002能实现R／Pr、C／Y、B／Pb信号的数字转换，转换率高达165 MHz，在很多高清数字视频环境中被使用，分辨率高达1080P。DM365通过IIC总线对其配置，对TVP7002内部寄存器进行适当配置，可以处理720P分辨率的视频源，A／D以后的视频数据从TVP7002数字视频口输出到DM365的VPFE。系统同时提供高清数字视频输入接口，HDVICP协处理器可以在1 280X720P30的格式下提供H．264标准的视频编码或解码，而MJCP协处理器除了支持JPEG标准，还可以在1 920x1 080P24的格式下提供MPEG-4的视频编码或解码。
    系统实现1路LINEIN和立体声输出通过AIC23实现，DM365通过IIC总线对其配置，AIC23连接在DM365的MCBSP口。DM365的MCBSP被用作双向数据通道，所有的音频数据流都通过此通道传输，并支持不同的数据格式。
2．2 以太网模块
    系统含有I路10／100M网络接口，DM365内带MAC控制器，在EMAC接口外接一片以太网PHY芯片，PHY采用RTL8201，RTL8201与DM365的MII接口相连。DM365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的时钟接口外接一个25 MHz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。
2．3 存储、USB、串口、RTC、报警模块
    系统提供1路USB接口，支持OTG模式和HOST模式，支持USB2．0 High Speed(480 Mb／s)、Full Speed(12 Mb／s)，可设置的FIFO。DM36 5片载USB Controler和USB PHY，通过相关配置完成其初始化，在USB上可以外接USB-SATA硬盘等外设。
    系统外接DDR2 SDRAM和NAND Flash作为片外存储器，通过设置BTSEL[2：0]为000来选择启动方式为NANDFlash BOOT模式。DM365的AEMIF接口可以支持NANDFlash和NOR Flash，因为NAND Flash存储容量大，价格便宜，本设计选用NAND Flash。
    DM365提供了专门的DDR2控制接口，16位数据线，14位地址线和3根块选择信号，可以支持256 MByte的存储空间，系统选用DDR2 SDRAM芯片K4T1G164QQ。
    DM365有2个UART接口，系统外接两路串口，一路RS232，用做调试，一路RS485外设进行通讯(云台镜头等)。并通过GPIO提供2路开关量报警输入和2路开关量报警输出，报警输入通过光藕来实现，当报警信号输入时，光藕导通，输出低电平至DM365 GPIO，当没有报警信号输入时，光藕截止，输出高电平至DM365 GPIO，DM365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。系统还通过IIC扩展了一路RTC。
    系统通过外部晶体为DM365提供24 MHz时钟输入，DM365内部PLL来产生模块时钟。
2．4 电源部分
    系统提供5 V电源输入接口，通过电源转换芯片提供+1．35 V、+1．8 V和+3．3 V的电源。其中1．35 V和1．8 V采用TPS62040DGQ产生。TPS62040DGQ是TI公司推出的一款高效率低纹波的DC-DC芯片，其输出电压通过电阻进行调节。3．3 V电压采用TPS5430实现，其最高输入电压可以达到36 V，最大提供3 A的电流。
    对系统的上电顺序是：先给内核上电(1．35V)，然后对PLL等模块上电(1.8V)。即先通过TPS5430得到3.3V的电源，然后通过TPS62040DGQ产生1．35 V，通过1．35 V连接到另一片TPS62040DGQ的EN上1．8 V，产生1．8 V以后，通过开关管导通先前产生的3．3 V，3．3 V最后加载到DM365上。产生下电顺序与上电顺序相反。

3 结束语
    为测试设计是否达到预定要求，对系统性能进行了较为完备的测试，选用了多种高清视频输入源在不同的环境中进行测试，有测试运动快慢及剧烈程度的画面，有测试黑自图像效果的全黑与全白，还有测试亮度等级的阶梯图案等。
    实验结果表明，系统能实时的进行编码，解码图像画面清晰流畅，没有马赛克以及动画现象，没有曝光过度、人像曝光不足、偏色、曝光和白平衡不准确等问题，色彩鲜艳，亮度分明。克服了标准清晰度监控系统中存在的不足。
    此设计方案经济使用，符合设计初衷，在可视电话、高清监控系统、车载监控领域有广泛的市场前景。