基于DM642的嵌入式无线视频监控系统硬件设计
时间：2007-10-23 22:56:00
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[导读]选用TMS320DM642 作为系统CPU , 并采用最新视频编码标准H. 264 压缩算法, 实现基于CDMA 网络传输的无线视频监控和视频数据存储系统。
摘 要: 选用TMS320DM642 作为系统CPU , 并采用最新视频编码标准H. 264 压缩算法, 实现基于CDMA 网络传输的无线视频监控和视频数据存储系统。文中详细地描述了系统组成、结构和功能, 对系统各个组成模块进行了详细分析和设计, 主要包括视音频输入、CDMA 传输串口、DE 及USB 通信等模块, 并针对DM642 高速CPU, 分析了系统设计中应注意的问题。
关键词: TMS320DM642; 嵌入式系统; 视频监控; CDMA
无线视频监控系统是公安、交通、水利等行业的重要装备, 目前无线视频传输设备主要采用微波方式, 其致命弱点是传输距离短, 有障碍物时传输距离大为减少, 多年来一直没有得到很好的解决。随着运营商在国内大部分地区推出GRPS 和CDMA1x公共无线数据网络, 通过公共无线数据网络传输视频已成为当今研究和应用的热点, 它能彻底解决微波方式的短距离问题。由于公共无线数据网络的带宽比较窄且不稳定, 采用编码效率不高的视频压缩算法(如H. 263、MPEG-4 等) , 传输效果不理想, 无法满足大多数监控场合的要求。H. 264 是JVT制定的最新视频压缩标准 , 比H. 263 和MPEG- 4 在同质量时码流可低50% , 同时支持无线网络传输, 但其运算复杂度也是H.263 和MPEG- 4 的3-5倍, 因此一般的CPU 系统无法满足要求。TMS320DM642是TI最新推出的高性能数字媒体处理器, 指令最高可达4800MIPS, 可以满足实时H. 264 编码算法的要求。本文设计了基于TMS320DM642 的嵌入式系统, 采用H. 264 视频编码算法, 成功的开发了基于CDMA 传输的无线视频监控系统。
1 无线视频监控系统构成
1. 1 无线视频监控系统设计需求
本系统要求采用嵌入式视频发送终端, 对采集视频图像进行实时压缩并通过CDMA 网络发送, 接收端采用PC 机对接收视频数据进行解码并显示。对于嵌入式视频发送终端有如下需求:
①一路PAL/NTSC 标准模拟视频输入, 一路模拟音频输入; ②采用CDMA 接入方式将视频数据通过网络发送; ③采用CF卡或硬盘对视频进行本地存储; ④发送图像和保存图像的尺寸和帧率等参数可调; ⑤可通过无线网络进行远程控制, 并且要求低功耗。
1. 2 系统的总体设计
由于CDMA无线网络带宽窄、带宽波动大, 因此系统中采用H. 264作为视频压缩算法。同时本地存储与CDMA 发送视频在图像尺寸和帧率上不同,需要采用两个编码结构分别进行编码。图1 显示了本系统的总体结构框图, 系统主要包括DM642CPU、视频输入、音频输入/输出、硬盘接口、串口和U SB 通信(USB2. 0) 等主要功能模块,此外还包括实时时钟(RTC )、显示和I/O 接口(LCD&I/O )、SDRAM、FLASH 和电源(POWER )模块。下面将详细地对各个功能模块进行一一分析和设计。
图1 视频发送终端系统框图
2 无线视频监控系统硬件设计
2. 1 TMS320DM642 简介
TMS320DM642是TI 推出的针对多媒体处理领域应用的高性能数字媒体处理器。该处理器是专门为视频与影像市场量身定制的, 特别适用于VOIP 视频、视频点播(VOD )、多信道数字视频摄录像应用以及高品质视频编码与解码解决方案。DM642 处理器内部集成了TMS320C64X 的DSP内核, 在600MHz 运行速度下, 指令可达4800MIPS, 由于其强大的运算能力, 可以实现实时的H. 264 编解码算法。
DM642 内部集成了外部内存接口(EMIF) 控制单元, 通过20 根地址线和64 位数据总线可直接与外部的SDRAM、FLASH进行连接。本系统中由于采用100MHz 的SDRAM , 考虑到信号完整性,SDRAM 直接与DM642 连接, 而FLA SH 通过总线加以驱动后加以连接。
2. 2 视频输入模块
DM642 具有三个视频端口, 支持多种分辨率和标准, 如CCIR601、ITU- BT. 656、BT. 1120 等, 每个端口为20bit 位宽, 可以被灵活的配置为一个20/16bit 或两个10/8bit 通道。同时, 每个端口都可配置为视频输入或视频输出。本系统中采用VP0与SAA7113H 相连进行视频输入采集。
SAA7113H 为9bit 视频解码器, 其内部有由视频源选择、反混叠滤波器和ADC 组成的两通道模拟预处理电路、增益控制、时钟发生电路(CGC)、多标准数字解码器、亮度饱和度控制电路等组成。它支持PAL、NATSC 等多种视频输入格式, 输出支持标准的ITU. 656 YUV 4∶2∶2 8bit 格式, 通过I2C 总线进行控制, 只需一个24. 576MHz外部晶振, 采用3. 3V电源、具有小于0. 5W 的功耗。SAA 7113H 与DM642 接口见图2。
图2 SAA7113H与DM642 接口
2. 3 音频输入输出(CODEC) 模块
DM642具有多通道音频串行端口(McASP) 和两个多通道有缓存的串口(McBSPs) , 但它们是与视频端口复用的, 本系统中采用VP1 中的McBSPs1作为与音频Codec连接的接口。
TLV320AIC23B是TI推出的一款高性能的立体声音频Codec 芯片, 内置耳机输出放大器, 支持MIC 和LINEIN 两种输入方式(二选一) , 且对输入和输出都具有可编程增益调节。AIC23B 的模数转换(ADCs) 和数模转换(DACs) 部件高度集成在芯片内部, 采用了先进的Sigma-delta 过采样技术,可以在8k 到96k 的频率范围内提供16bit、20bit、24bit 和32bit 的采样,ADC 和DAC 的输出信噪比分别可以达到90dB 和100dB。A IC23B 还具有很低的能耗, 回放模式下功率仅为23 mW。A IC23B 与DM642 接口见图3。
图3 A IC23B 与DM 642 接口
2. 4 CDMA 无线传输串口模块
本系统中采用Q2358C 串行接口模块作为CDMA 接入设备, 它支持语音通信、支持中英文短信、双音多频功能(DTMF) 等功能。波特率从300 到115, 200 bit/s, 支持上网最高速率153 kb/s, 采用AT 指令集通过RS-232串口进行通信。DM642没有异步通用串行接口, 需采用扩展异步通信芯片来实现串行通信。
TL16C752B是UART 收发器, 最高波特率可以达到3Mb/s(使用48MHz 时钟源时) , 其内部具有64byte发送/接收FIFO , 接收FIFO的启动和停止可通过软件编程实现, 支持多种波特率、多种串行数据格式。DM642与其连接采用EMIF 控制, 地址线A0～A2、数据线D0～D7、读写控制信号IOR/IOW 与经过驱动的总线相连, 而选通信号CSA/CSB 由GAL 产生。TL16C752B与Q 2358C模块之间通过MAX3243 进行电平转换连接。图4 给出一路串行接口连接方式。
图4 系统串口通信接口
2. 5 DE及USB 通信模块
本系统中对采集视频要进行本地数据存储, 采用CF卡或IDE 硬盘来保存数据, 在通过USB2.0 将保存于CF卡或DE 硬盘中的数据在需要时读出。DM642与DE 接口通过GAL16LV8产生的信号进行控制。TUSB6250 采用内嵌8051 内核的USB2.0到ATA/ATAPI桥接器, 其完全兼容USB2.0 标准,支持八个可配置终端(四路输入和四路输出) 。内部集成USB 存储设备传输协议, 与ATA/ATAPI设备无缝连接。内部集成的60MHz8051微处理器指令速度可达30MIPS, 40k byte RAM可灵活的配置为数据或代码RAM , 13个通用I/O 口能进行各种通信和控制使用, 并有I2C接口。在本系统中通过I2C和HPI 总线实现DSP 和TUSB6250 之间的通信。DE及USB 部分接口见图5。
图5 DM642与IDE 及USB部分接口
2. 6 电源及其它模块
DM642 采用双电源供电, 内核电源采用为1. 4V 消耗电流为890 mA; I/O 电源采用3. 3 V 消耗电流为210mA。由于内核电源电压低同时消耗电流较大, 如果采用LDO电源效率较低, 消耗功率将加大,所以在本系统中采用两个开关电源芯片TPS54310分别产生3. 3 V 和1. 4 V 电源, 电源效率可达90%以上。DM642 提供了16 个通用I/O , 通过这些I/O 实现键盘输入、控制开关量输入与输出。DM642 的视频端口VP3 配置为输出直接与LCD 连接。另外, 系统中采用DS1338 作为实时时钟, 提供实时时间信息。
3 系统设计中的注意事项
3. 1 原理图设计
DM642 内部运行频率是通过外部时钟输入经内部PLL 倍频后得到, PLL 倍频可通过CLKMODE1 和CL KMODE2 管脚来选择x1、x6 或x12, 因此这两个管脚外部一定要接相应的电阻可调, 以便DM642可在不同速度下运行。DM642 有多种BOOT启动模式可选, 如果选择EMIFA 的FLASH 作为启动时, FLASH 的片选必须接到TCE1上。DM642 可选字节顺序的大/小模式、外设的PC I、HP I、EMAC 模式的选择是通过复位时LEND IAN、PC I_ EN、PC I_ EEA I、HD5、MAC _EN 管脚的电平决定, 一定要考虑其在复位时电平值做成可调的。对于仿真器的EMU [1∶0 ]保证已经上拉, TRST下拉。另外, 在AARDY 管脚不使用时要保证其为高电平, NMI管脚不使用时要接地,在选择HPI 模式时要保证HPI控制信号电平正确,同时对其他不使用的输入管脚进行正确处理。
3. 2 PCB 设计
DM642 作为高性能数字媒体处理器不仅内部具有很高的运行频率600MHz、720MHz 和1GHz,而且与外部的SDRAM 的总线速度也达到100MHz或133MHz, 如果外部的SDRAM 由于布线原因达不到设计的希望速度, 会降低系统的性能。对于100MHz 以上的信号总线, 存在信号完整性问题。要保证信号的完整采用如下方法, 对于SDRAM 的时钟线尽量要短, 到两个SDRAM 的长度尽量相等;FLASH 等其他外设不要直接与数据和地址总线连接, 而应通过缓冲芯片(如SN74LVT16245B) 连接;高速总线上要串入小阻值电阻, 阻值大小可通过仿真得到, 同时对线路更加要求进行阻抗限制。DM642 内部有PLL,对于PLL外部所接器件要尽可能靠近芯片, 而且必须放在线路板的一面上。对于JTAG 的连线长度不能超过6in, 如果超过6in长要加驱动。本系统中既有模拟部分又有数字部分, 要注意模拟电源和数字电源的设计, 尽量减少数字信号对模拟信号的干扰, 否则对采集的视频信号会有雪花、条纹, 音频信号产生噪音等。对视频、音频芯片尽量采用单独的电源芯片供电, 模拟地和数字地要单点或采用磁珠相连。
4 结束语
依据以上硬件设计完成基于DM642 的嵌入式无线视频监控系统, 该系统以高速DSP为核心,辅以相应的外围电路, 实现实时H. 264视频编解码。目前, 该系统已经顺利通过调试, 连续运行稳定, 为公安、交通、水利等行业的无线视频监控提供切实可行的方案, 具有非常高的应用价值。
关键词: TMS320DM642; 嵌入式系统; 视频监控; CDMA
无线视频监控系统是公安、交通、水利等行业的重要装备, 目前无线视频传输设备主要采用微波方式, 其致命弱点是传输距离短, 有障碍物时传输距离大为减少, 多年来一直没有得到很好的解决。随着运营商在国内大部分地区推出GRPS 和CDMA1x公共无线数据网络, 通过公共无线数据网络传输视频已成为当今研究和应用的热点, 它能彻底解决微波方式的短距离问题。由于公共无线数据网络的带宽比较窄且不稳定, 采用编码效率不高的视频压缩算法(如H. 263、MPEG-4 等) , 传输效果不理想, 无法满足大多数监控场合的要求。H. 264 是JVT制定的最新视频压缩标准 , 比H. 263 和MPEG- 4 在同质量时码流可低50% , 同时支持无线网络传输, 但其运算复杂度也是H.263 和MPEG- 4 的3-5倍, 因此一般的CPU 系统无法满足要求。TMS320DM642是TI最新推出的高性能数字媒体处理器, 指令最高可达4800MIPS, 可以满足实时H. 264 编码算法的要求。本文设计了基于TMS320DM642 的嵌入式系统, 采用H. 264 视频编码算法, 成功的开发了基于CDMA 传输的无线视频监控系统。
1 无线视频监控系统构成
1. 1 无线视频监控系统设计需求
本系统要求采用嵌入式视频发送终端, 对采集视频图像进行实时压缩并通过CDMA 网络发送, 接收端采用PC 机对接收视频数据进行解码并显示。对于嵌入式视频发送终端有如下需求:
①一路PAL/NTSC 标准模拟视频输入, 一路模拟音频输入; ②采用CDMA 接入方式将视频数据通过网络发送; ③采用CF卡或硬盘对视频进行本地存储; ④发送图像和保存图像的尺寸和帧率等参数可调; ⑤可通过无线网络进行远程控制, 并且要求低功耗。
1. 2 系统的总体设计
由于CDMA无线网络带宽窄、带宽波动大, 因此系统中采用H. 264作为视频压缩算法。同时本地存储与CDMA 发送视频在图像尺寸和帧率上不同,需要采用两个编码结构分别进行编码。图1 显示了本系统的总体结构框图, 系统主要包括DM642CPU、视频输入、音频输入/输出、硬盘接口、串口和U SB 通信(USB2. 0) 等主要功能模块,此外还包括实时时钟(RTC )、显示和I/O 接口(LCD&I/O )、SDRAM、FLASH 和电源(POWER )模块。下面将详细地对各个功能模块进行一一分析和设计。
图1 视频发送终端系统框图
2 无线视频监控系统硬件设计
2. 1 TMS320DM642 简介
TMS320DM642是TI 推出的针对多媒体处理领域应用的高性能数字媒体处理器。该处理器是专门为视频与影像市场量身定制的, 特别适用于VOIP 视频、视频点播(VOD )、多信道数字视频摄录像应用以及高品质视频编码与解码解决方案。DM642 处理器内部集成了TMS320C64X 的DSP内核, 在600MHz 运行速度下, 指令可达4800MIPS, 由于其强大的运算能力, 可以实现实时的H. 264 编解码算法。
DM642 内部集成了外部内存接口(EMIF) 控制单元, 通过20 根地址线和64 位数据总线可直接与外部的SDRAM、FLASH进行连接。本系统中由于采用100MHz 的SDRAM , 考虑到信号完整性,SDRAM 直接与DM642 连接, 而FLA SH 通过总线加以驱动后加以连接。
2. 2 视频输入模块
DM642 具有三个视频端口, 支持多种分辨率和标准, 如CCIR601、ITU- BT. 656、BT. 1120 等, 每个端口为20bit 位宽, 可以被灵活的配置为一个20/16bit 或两个10/8bit 通道。同时, 每个端口都可配置为视频输入或视频输出。本系统中采用VP0与SAA7113H 相连进行视频输入采集。
SAA7113H 为9bit 视频解码器, 其内部有由视频源选择、反混叠滤波器和ADC 组成的两通道模拟预处理电路、增益控制、时钟发生电路(CGC)、多标准数字解码器、亮度饱和度控制电路等组成。它支持PAL、NATSC 等多种视频输入格式, 输出支持标准的ITU. 656 YUV 4∶2∶2 8bit 格式, 通过I2C 总线进行控制, 只需一个24. 576MHz外部晶振, 采用3. 3V电源、具有小于0. 5W 的功耗。SAA 7113H 与DM642 接口见图2。
图2 SAA7113H与DM642 接口
2. 3 音频输入输出(CODEC) 模块
DM642具有多通道音频串行端口(McASP) 和两个多通道有缓存的串口(McBSPs) , 但它们是与视频端口复用的, 本系统中采用VP1 中的McBSPs1作为与音频Codec连接的接口。
TLV320AIC23B是TI推出的一款高性能的立体声音频Codec 芯片, 内置耳机输出放大器, 支持MIC 和LINEIN 两种输入方式(二选一) , 且对输入和输出都具有可编程增益调节。AIC23B 的模数转换(ADCs) 和数模转换(DACs) 部件高度集成在芯片内部, 采用了先进的Sigma-delta 过采样技术,可以在8k 到96k 的频率范围内提供16bit、20bit、24bit 和32bit 的采样,ADC 和DAC 的输出信噪比分别可以达到90dB 和100dB。A IC23B 还具有很低的能耗, 回放模式下功率仅为23 mW。A IC23B 与DM642 接口见图3。
图3 A IC23B 与DM 642 接口
2. 4 CDMA 无线传输串口模块
本系统中采用Q2358C 串行接口模块作为CDMA 接入设备, 它支持语音通信、支持中英文短信、双音多频功能(DTMF) 等功能。波特率从300 到115, 200 bit/s, 支持上网最高速率153 kb/s, 采用AT 指令集通过RS-232串口进行通信。DM642没有异步通用串行接口, 需采用扩展异步通信芯片来实现串行通信。
TL16C752B是UART 收发器, 最高波特率可以达到3Mb/s(使用48MHz 时钟源时) , 其内部具有64byte发送/接收FIFO , 接收FIFO的启动和停止可通过软件编程实现, 支持多种波特率、多种串行数据格式。DM642与其连接采用EMIF 控制, 地址线A0～A2、数据线D0～D7、读写控制信号IOR/IOW 与经过驱动的总线相连, 而选通信号CSA/CSB 由GAL 产生。TL16C752B与Q 2358C模块之间通过MAX3243 进行电平转换连接。图4 给出一路串行接口连接方式。
图4 系统串口通信接口
2. 5 DE及USB 通信模块
本系统中对采集视频要进行本地数据存储, 采用CF卡或IDE 硬盘来保存数据, 在通过USB2.0 将保存于CF卡或DE 硬盘中的数据在需要时读出。DM642与DE 接口通过GAL16LV8产生的信号进行控制。TUSB6250 采用内嵌8051 内核的USB2.0到ATA/ATAPI桥接器, 其完全兼容USB2.0 标准,支持八个可配置终端(四路输入和四路输出) 。内部集成USB 存储设备传输协议, 与ATA/ATAPI设备无缝连接。内部集成的60MHz8051微处理器指令速度可达30MIPS, 40k byte RAM可灵活的配置为数据或代码RAM , 13个通用I/O 口能进行各种通信和控制使用, 并有I2C接口。在本系统中通过I2C和HPI 总线实现DSP 和TUSB6250 之间的通信。DE及USB 部分接口见图5。
图5 DM642与IDE 及USB部分接口
2. 6 电源及其它模块
DM642 采用双电源供电, 内核电源采用为1. 4V 消耗电流为890 mA; I/O 电源采用3. 3 V 消耗电流为210mA。由于内核电源电压低同时消耗电流较大, 如果采用LDO电源效率较低, 消耗功率将加大,所以在本系统中采用两个开关电源芯片TPS54310分别产生3. 3 V 和1. 4 V 电源, 电源效率可达90%以上。DM642 提供了16 个通用I/O , 通过这些I/O 实现键盘输入、控制开关量输入与输出。DM642 的视频端口VP3 配置为输出直接与LCD 连接。另外, 系统中采用DS1338 作为实时时钟, 提供实时时间信息。
3 系统设计中的注意事项
3. 1 原理图设计
DM642 内部运行频率是通过外部时钟输入经内部PLL 倍频后得到, PLL 倍频可通过CLKMODE1 和CL KMODE2 管脚来选择x1、x6 或x12, 因此这两个管脚外部一定要接相应的电阻可调, 以便DM642可在不同速度下运行。DM642 有多种BOOT启动模式可选, 如果选择EMIFA 的FLASH 作为启动时, FLASH 的片选必须接到TCE1上。DM642 可选字节顺序的大/小模式、外设的PC I、HP I、EMAC 模式的选择是通过复位时LEND IAN、PC I_ EN、PC I_ EEA I、HD5、MAC _EN 管脚的电平决定, 一定要考虑其在复位时电平值做成可调的。对于仿真器的EMU [1∶0 ]保证已经上拉, TRST下拉。另外, 在AARDY 管脚不使用时要保证其为高电平, NMI管脚不使用时要接地,在选择HPI 模式时要保证HPI控制信号电平正确,同时对其他不使用的输入管脚进行正确处理。
3. 2 PCB 设计
DM642 作为高性能数字媒体处理器不仅内部具有很高的运行频率600MHz、720MHz 和1GHz,而且与外部的SDRAM 的总线速度也达到100MHz或133MHz, 如果外部的SDRAM 由于布线原因达不到设计的希望速度, 会降低系统的性能。对于100MHz 以上的信号总线, 存在信号完整性问题。要保证信号的完整采用如下方法, 对于SDRAM 的时钟线尽量要短, 到两个SDRAM 的长度尽量相等;FLASH 等其他外设不要直接与数据和地址总线连接, 而应通过缓冲芯片(如SN74LVT16245B) 连接;高速总线上要串入小阻值电阻, 阻值大小可通过仿真得到, 同时对线路更加要求进行阻抗限制。DM642 内部有PLL,对于PLL外部所接器件要尽可能靠近芯片, 而且必须放在线路板的一面上。对于JTAG 的连线长度不能超过6in, 如果超过6in长要加驱动。本系统中既有模拟部分又有数字部分, 要注意模拟电源和数字电源的设计, 尽量减少数字信号对模拟信号的干扰, 否则对采集的视频信号会有雪花、条纹, 音频信号产生噪音等。对视频、音频芯片尽量采用单独的电源芯片供电, 模拟地和数字地要单点或采用磁珠相连。
4 结束语
依据以上硬件设计完成基于DM642 的嵌入式无线视频监控系统, 该系统以高速DSP为核心,辅以相应的外围电路, 实现实时H. 264视频编解码。目前, 该系统已经顺利通过调试, 连续运行稳定, 为公安、交通、水利等行业的无线视频监控提供切实可行的方案, 具有非常高的应用价值。
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