基于TMS320DM355的四路视频多媒体监控器

1 引言
    数字视频是利用诸如摄像机的视频捕捉设备采集外界影像信息并将影像信息数字化，然后将其记录到储存介质(如录像带、硬盘、光盘)或通过网络传输。而视频监控在安全防范系统中具有重要意义。这里提出基于TMS320DM355型达芬奇(DaVinci)数字媒体片上系统(DMSoC)的便携式多媒体视频监控器。

2 DaVinci技术简介
    DaVinci技术是TI公司针对数字视频图像处理及应用而提供的一套完整的解决方案，包括处理器、开发工具、软件以及系统专业技术。DaVinci技术可利用数字信号处理与集成电路技术提供高度集成的片上系统(SoC)，优化和处理数字视频。该片上系统具有高效的处理能力、存储器、I／O带宽。同时也是平衡内部互连和专用外设组合。数字视频子系统的硬件和软件集成有可配置和编程的开发工具集。DaVinci技术能够使开发人员摆脱数字视频的技术细节，整的达芬奇软件架构涵盖低级的OS驱动程序和应用程序接口APl。便于实现数字视频功能。开发人员无需了解各种音频、视频、影像以及语音CODEC背后的机制和DSP的编程，仅需调用少量函数即可提供编解码功能和视频功能。DaVinci技术通过提供开放式平台降低系统创建和管理的众多组件的复杂性。在该平台上，Tl及其第三方合作伙伴集成了构成数字视频系统所需的各种组件，这些组件都基于DaVinci平台。同时开放式开发平台还扩展到应用程序，实现应用程序也基于相同的DaVinci平台。
    目前TI公司采用Davinci技术的器件主要分为3类：①ARM926EJ+MJCP(MPEG4和JPEG协处理器MPEG4/JPEG)，典型器件TMS320DM355；②采用TMs320C6000系列的DSP TMS320DM643 1／33/35／37和TMS320DM647/8；③由ARM926EJ+TMS320C6000系列的DSP TMS320DM6446／43／41，其中TMS320DM6446／41还包括视频图像协处理器VICP。表1给出，TI公司的DaVinci技术器件引比较。

3 TMS320DM355简介
    高性能、低功耗的TMS32DM355 DaVinci技术器件由于内部无DSP内核的多媒体处理器，采用协处理器MJCP实现多媒体数据编解码。因此TMS320DM355可实现低功耗，低成本设计方案。TMS320DM355在高清MPEG-4编码过程中的功耗约为400 mW，而待机功耗仅为1 mW。视频模式下使用基于TMS320DM355的数码相机，两节AA电池可录制80 min的高清视频，使HD产品电池寿命延长一倍。TMS320DM355内部集成的视频处理子系统VPSS(Video Processing Subsvrs-tem)、MPEG-4／JPEG协处理器(MJCP)、ARM926EJ-S内核以及多种外设组成，可应用于数码相机、IP摄像机、数码相框、医学成像及婴儿视频监护器等领域。图1为TMS320DM355的内部功能框图。

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    TMS320DM355包括1个哈佛结构ARM核：ARM926EJ-S处理器支持ARM扩展DSP指令和Jazelle技术、32 KBRAM、8 KB ROM，16 KB I-cache、8 KB D-cache；它能够处理16／32位指令和8／16／32位数据。它通过使用协处理器CPl5和保护模块增强体系结构，并提供数据和程序内存管理单元MMU。MMU具有2个64项的转换旁路缓存器TLB用于储存指令和数据流，每项均可映射存储器的段、大小页。为了保证在内核周期内存取指令和数据，提供了独立的16 K字节指令Cache和8 K字节数据Cache，指令和数据Cache通过VIVT4路连接。另外，该器件还具有提升内核性能的写缓冲，其缓冲数据容量高达17字。
    专用的视频图像处理器用于处理视频数据：视频处理子系统VPSS包括视频前端输入接口VPFE和视频末端VPBE输出接口，视频前端输入接口用于接收外部传感器或视频译码器等输入的图像信息，视频末端输出接口输出图像到SDTV，LCD，HDTV等显示屏显示。其中视频前端输入(VPFE)接口是由CCD控制器、硬件图像信号处理器一图像通道IP-IPE模块、自动曝光／白平衡／聚焦模块H3A和寄存器组成。CCD控制器可与视频解码器、CMOS传感器或电荷耦合装置连接;IPIPE是实时硬件图形处理器，用于实时图像处理，它把从CMOS／CCD得到的原始图形转换为国际电信联盟ITU数字视频标准BT．60I／BT．656的8／16位数字YCbCr 4：2：2；H3A模块则提供原始图形信息。
    视频末端输出(VPBE)接口由在线视频显示处理器／屏幕视控系统OSD和兼容NTSC／PAL视频输出编码器VENC组成。在线视频显示处理器能显示2组独立的视频窗口或2组独立的OSD窗口．还能以视频窗口、OSD窗口和属性窗口形式显示。视频解码器以54．MHz的速率进行D／A转换，提供NTSC／PA L，S等格式的视频或音频输出。同时该器件还具有8／16位YCC到18位RGB666数字输出；ITU数字视频标准BT．601／BT．656的8／16位数字YCbCr 4：2：2接口：输出还支持同数字高清电视HDTV(720p／1080i)扩展编码器连接的接口。通过缓存逻辑与TMS320DM355的DDR2／mDDR片上控制器相连，便于访问存储器，向存储器存储由摄像头采集并经VPFE处理的图像信息，便于将存储的图像信息通过VPBE输出到显示设备。
    数字图像处理方面，MPEG4和JPEG硬件协处理器MJCP(MPEG4／JPEGG　Coprocessor)能以720p格式与30帧／s的速度提供高清MPEG4-SP编解码功能，和以每秒5千万像素的速度提供JPEG编解码功能。在存储方面，扩展存储器接口EMIF包括1个8／16位和1个16位mDDR／DDR2，可扩展存储器的类型为mDDR，DDR2，SDRAM，OneNAND，NANDFlash，SM／xD等；其他片上外围扩展控制器还包括：2个MMC(Multimedia　Card)／SD(Secure·Digital)接口；2个音频接口ASP(Audio Serial Port)接口控制器，支持AC97音频编码接口、12S等接口形式：1个主／从I2C(Inter-Integrated Circui)接口控制器：1个USB 2．OTG接口控制器：1个可配置的视频专用的输入和输出端口等。

4 系统设计
    该系统设计结构包括硬件系统和运行在硬件系统上的软件系统，如图2所示。图中虚线以下是系统硬件部分，其主要由3个部分组成：图像信息的获取、图像信息的处理和存储、图像信息的展示．即分别对应夜晚也能摄像的PAL／NTSC红外摄像头．印刷电路板PCB板硬件对视频信息进行压缩等编码操作和SD卡存储，以及TFTLCD播放装置。

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    虚线以上是系统软件部分，软件部分包括系统软件、开发支撑软件和应用软件。系统软件包括加载引导Linux操作系统的。BootLoader-U-boot、DaVinci技术软件包和Mon-taVista Linux操作系统：开发支撑软件主要是用于数据管理的嵌入式数据库，进行用户图形界面开发的图形用户界面GUI软件；应用软件是在DaVinci技术、操作系统、数据库和图形用户界面软件基础上开发的便携式多媒体监控器系统。

5 系统硬件设计
    视频监控器主要包括图像信息的获取、图像信息的处理和存储、图像信息展示3部分。对应PAL／NTSC红外摄像头用于获取视频信号；PCB印刷电路板和SD卡用于完成视频信息的处理和存储；TFT LCD用于播放和展示。
    系统构成与信号流向如图3所示，为了方便信号流程的表示，将视频处理子系统VPSS的两个部分独立，视频处理前端VPFE连接信号的输入端，视频处理后端VPBE连接信号的输出端。从图3可看出利用TMS320DM355基本上在不增加外围控制器的情况下就可构成一个便携式多媒体监控器。

    选择红外摄像头是因为实际的视频监控中通常晚上也需要监控，如果没有这种需求可选择普通的摄像机；因为红外摄像头输出信号一般都是NTSC／PAL制的模拟电视信号，而TMS320DM355的视频输入信号是通过VPFE的CCD控制器CCDC引入的，而该控制器的接口是标准的ITU BT．601／BT．656数字视频信号，所以还需增加一个将NTSC／PAL的模拟信号转换成BT．601／BT．656的解码器。LCD采用TFTLCD模拟真彩LCD屏，它比伪彩DSTN屏的分辨率和显示效果都好。它是实现系统监控现场的视频图像和多媒体功能的主要因素，用于播放视频多媒体和显示静态图片。
    由于红外摄像头和TFT LCD一般都是直接购买市场上成熟的外设产品，下面较为详细的分析系统中视频图像的处理和存储部分，也就是PCB板部分。这里是一种连接形式，如图4所示，还根据图3给出的系统框图并结合TMS320DM-355接口的电气和物理特性选择其他功能相同的器件。

    通过MXI和MXO引脚外接晶体振荡器为TMS320-DM355提供时钟源．再通过片内时钟控制电路为片内各控制器提供所需时钟。其中系统外接晶体振荡器可提供24 MHz或36 MHz的时钟，由MXIl，MXO1引脚引入，通过锁相环控制器PLLCl为ARM，MJCP和其他片上外围接口控制器提供时钟，通过锁相环控制器PLLC2为DDR和PHY提供时钟；通过MXl2，MXO2引入27 MHz时钟为视频处理子系统VPSS提供时钟。
    该系统采用电池供电，通过具有3个DC／DC转换器和3个线性稳压器LDO接口，可输出1~6 V电压的电源管理器件TPS65021实现。它由1节锂离子电池供电，由TMS320DM355通过I2C与之通信，实现各路输出电源电压的控制，分别为内核、存储器和I／O接口可提供1.3 V、1．8 V和3．3 V的工作电压；也可采用5 V稳压器直流供电，通过DC／DC转换器后提供1.3 V、1．8 V、3.3 V供电。[!--empirenews.page--]
    其存储包括2个MMC／SD卡接口和2个扩展存储接口EMIF。前者实现2个SD卡存储器的扩展连接；后者包括DDR控制器和异步扩展存储接口AEMIF，分别用于扩展连接对DDR存储器和Flash存储器。TMS320DM355与这3种存储器直接相连。
    4路PAL／NTSC模拟视频输入信号通过4个3 V的视频前端滤波器放大器OPA369放大，经过视频输出格式可编程控制的TVP5146将模拟信号变成所需的ITU数字信号，再经过2个12位2选1的FET多路复用器／多路解复用器对输入的4路视频信号选择1路输入TMS320DM355的VPF完成视频输入。其中OPA369支持S-Video、CVBS、SDTV等级的影像带宽。TVP5146是高性能混合信号视频解码器，可将基带模拟NTSC、PAL及SECAM视频信号转换为数字分量视频信号；可支持10组视频输入，包括S端子、YPbPr以及RGB；输出ITU-R BT．656；并有提供最佳亮色分离效果的5线自适应梳状滤波器和4路可提供出色防噪性能的10位、30 MS／s模数转换器。视频输出信号通过TMS320DM355的VPBE与3通道集成视频缓冲器THS7315连接输出PAL／NTSC、Y和C信号，而外接LCD的背光通过白光LED驱动充电泵TPS60230驱动。其中THS7315视频缓冲放大器采用五阶巴特沃思滤波器，可AC耦合和DC耦合，可用作编码器的D／A转换器重建滤波器，或作为A／D转换器的抗混淆滤波器；它支持HDTV、SDTV、CVBS、S-Video、YUV、YPbPr、480i／576i以及多种数字媒体处理器输入。TPS60230具有无需电感，可限制浪涌电流，低输人纹波与低电磁干扰(EMI)和较宽输入电压范围2．7-6．5 V，可通过PWM引脚控制LED亮度。
    通过TMS320DM355的ASP与PCMl870 A／D转换器相连实现音频，该器件具有麦克风偏置、音效与陷波滤波器的低功耗立体声A／D转换器，包括线路输入放大器、升压放大器、麦克风偏置、可编程增益控制、音效以及自动音量控制功能。音箱和喇叭用于输出音频信号，通过TMS320DM355的音频接口与ASP控制器连接，并根据外围连接物理设备选择AC97音频编码接口、FS、TDM I2S、软件S／PDIF等接口。
    对视频和图片的操作功能可以通过触摸屏实现．触摸屏的功能是通过电平转换器PGA9306、温度传感器TMPl00与TMS320DM355的串行外围接口SPI共同完成。电平转换器PGA9306实现触摸屏的物理电平和CMOS电平之间的转换。而具有I2C串行接口的数字温度传感器实现触摸屏的功能。而触摸按键式记录器可以实现多媒体等操作的按键化操作。串口和USB OTG都是常规直接与物理接口的连接．其中USB OTG(On The Go)控制器，便于USB设备连接。

6 系统软件设计
    软件开发实现比较复杂，涉及到操作系统、音视频编解码算法及ARM和MJCP之间的分工协作．图5给出4路视频多媒体监控器的主程序流程，图6给出监控部分的流程图。

    主程序完成系统的加载，包括BootLoader的启动和加载，硬件驱动程序、SQLite、MiniGUI的操作系统的加载和启动，操作系统启动成功后通过Shell程序加载启动多媒体监控系统软件，进入监控系统。
    监控首先判断是一路视频播放和录制，还是4路视频的循环分时录制；其次在成音、视频播放的同时完成音、视频的录制，在录制视频前要先对视频进行MPEG-4压缩。同时还需要注意音视频的同步。

7 结论
    实现了基于达芬奇技术TMS320DM355的4路视频多媒体监控器系统，详细分析其硬件设计和软件设计。该系统设计采用最新的技术，降低产品成本，功耗，具有很强的实用性。该视频多媒体监控器可广泛应用于人流密集和流动性大的车站、码头、机场、公园、银行、政府、超市及商业街等视频监控领域。