基于DSP的视频监控系统的硬件设计

1 引言

目前视频监控广泛应用于安防监控、工业监控和交通监控等领域。视频监控系统大致经历3个阶段：首先是基于模拟信号的电视监控系统，其功能单一、易受干扰且不易扩展；随后出现基于PC机的图像监控系统，其终端功能较强．但价格昂贵，稳定性差；近年来，随着嵌入式技术成熟，嵌入式视频采集处理系统具有可靠性高、速度快、成本低、体积小、功耗低、环境适应性强等优点。基于嵌入式系统的上述诸多优点，这里提出一种基于DSP的视频监控系统解决方案。2 系统硬件设计2．1 系统整体硬件结构整个系统硬件设计由电源、视频信号处理、FPGA和外围接口等模块组成。其中，图像处理模块接收CCD图像传感器传送的模拟视频信号，并把模拟视频信号模数转换成数字信号，由DSP处理所转换的数字信号，再转换为标准的YUV 4：2：2格式的数字视频信号，并将获得的数字视频信号送至FPGA模块，对YUV数字信号进行处理，从而产生标准的SVGA格式，帧频为60 Hz的行、场同步信号。图1为该系统硬件设计框图。2．2 电源模块电源模块将外部输入的12 V直流电源转换成系统各模块所需工作电压。CCD图像传感器所需电压为15 V和-7 V，DSP所需电压为3．3 V和5 V，FPGA所需电压为1．2 V、2．5 V和3．3 V。本设计采用MOTOROLA公司的DC-DC电源转换器，MC34063A将12 V直流电压转换成5 V直流电压，选用Texas Instruments公司的电源转换器TPS75003将5 V直压电源转换成1．2 V、2．5 V和3．3 V直流电压。而CCD图像传感器的工作电压则由NE555和78L15产生。2. 3 图像处理模块2．3．1 图像采集本设计图像采集电路将CCD传感器输出的模拟视频信号转换成离散的模拟视频信号，再对模拟信号进行相关双采样、自动增益控制处理后，传输至DSP转换为数字信号。具体工作流程：系统上电复位后，DSP(CXD3142)产生控制信号驱动CCD图像传感器，把光信号转换成PAL制式的模拟视频信号，并把该信号输入到CXA2096N的引脚DIN和PIN引脚。此时，在引脚SHD和SHP的控制下对输入信号进行相关双采样。当SHD信号的下降沿到来时，采样DIN信号电平，当SHP信号的下降沿到来时，再采样PIN引脚的预加电平信号，将这两路信号送到CXA2096N内部的自动增益控制电路，经差运算后输出。再对输出信号进行黑电平箝位、预消隐等处理，然后由CXA2096N的DRVOUT引脚输出。DSP产生CXA2096N的工作时序。2．3．2 视频信号处理(CXD3142R)本设计采用SONY公司专用信号处理器件CXD3142R作为信号处理器。CXD3142R是专用于对Ye，Cv，Mg和G补色单片CCD输出信号进行处理的低功耗、高效率的信号处理器；具有自动曝光和自动白平衡功能，可同时输出复合视频信号和YUV 8位数字信号输出。内部集成9位A／D转换器同步信号产生电路、外部同步电路和时钟控制电路。此外，CXD3142R还具有串口通信功能，用户可在PC机中预先设定好DSP中的寄存器值，通过串口下载到DSP，并对图像信号进行自动曝光和自动白平衡等处理。图2为视频信号处理模块电路连接图。图2中，H1，H2，XVl，XV2，XV3，XV4是CCD图像传感器的时序驱动信号，EEPROM用来存储DSP初始化的寄存器值。D0~D7是YUV数字信号。其具体工作流程：将CCD图像传感器采集的模拟信号经CXA2096N进行相关预处理后，相应数字信号经VIN引脚传给DSP(CXD3142)，DSP接收数字信号后，利用其内部AE／AWB检测电路、同步信号产生电路、外同步电路以及相关算法对其进行相关处理，处理完成后在行(H引脚)、场(V引脚)信号及时钟信号(PCLK)的控制下将8位数字信号经过D0~D7引脚传给FPGA模块进行相关处理。通过引脚SCK、SI、SO、XCS串口通信，通过CSROM、CASI、CSASO、CASCK引脚与外部EEPROM通信，实现DSP相关的初始化。此外，IO引脚输出经DSP处理过的复合视频信号，通过相关接口直接在CRT显示器上显示图像处理结果。2．3．3 FPGA模块为了实现实时预处理数字视频信号数据，增加系统扩展性，该系统设计扩展一片由Xilinx公司生产的基于90 nm工艺制造的Spartan3E系列FPGA，其型号为XC3S250E-PQ208-4C，此FPGA具有较高的性价比，其内有25万个系统门，5508个逻辑单元(LC)，612个可配置逻辑块(CLB)，216 Kbit的块RAM，12个专用乘法器，158个可用的I／O接口，4个数字时钟管理单元(DCM)。图3为其电路连接图。DSP与FPGA的通信是由11根总线完成的，分别是8根数据线，行、场同步信号和数据时钟总线。因为CXD3142RDSP输出PAL(逐行倒相)制式的数字视频信号，FPGA将此PAL制视频信号转换成VGA格式。首先将YUV(4：2：2)格式信号转换成RGB(5：6：5)格式，然后利用2个SDRAM作为帧缓存，利用场间插值算法，完成隔行到逐行的转换，并将帧率由25 Hz提升到60 Hz，同时产生SVGA格式、帧频为60 Hz的行、场同步信号，并把被放大的图像数据经D／A转换后输出到VGA接口，VGA显示器上实时显示采集的图像。2．4 外围接口模块本设计支持RS-232C串口通信。但该串口通信需把3．3 V逻辑电平转化成RS-232C标准电平。因此采用SP3232E系列器件完成电平转换。SP3232E可从+3．0～+5．5 V的电源电压产生2Vce的RS-232C电压电平。该系列适用于+3．3 V系统。SP3232E器件的驱动器满载时典型数据速率为235 kb／s。图4为系统设计的接口电路图。需要注意的是，由于采用SP3232E器件，其驱动能力有限，该接口电路只适用于近距离传输。如果要进行远距离传输，则必须加强信号传输能力。3 系统硬件调试系统硬件调试应先调试电源模块，如果系统电源错误，器件将损坏；然后调试DSP模块。DSP上电后，空闲情况下一般不会发热，若有轻微的发热情况应立即断开电源以免损坏DSP器件，其主要原因是把DSP的工作电压接到DSP的非电压引脚。DSP的工作电压正常后，再检查复位电路、时钟电路是否正确。如果DSP的时钟引脚无信号，一般是电路虚焊。如果有信号，但工作频率达不到系统工作的正常值，则通过调整外部可调电容。如果还达不到要求，则应考虑时钟信号是否受到低频信号干扰，就要认真检查电路板，必要时应修改布线。FPGA模块的调试与上述方法相同。4 结论该系统设计已成功应用于数字视频展台项目。目前该产品已投入生产，但图像质量还有待提高，可能是模拟视频信号失真和白平衡的值设置不恰当。该设计方案具有较强的灵活性，还可应用于监控、安防等产品开发。