基于DM642的视频处理系统设计与实现

1 引言
    在视频处理领域，由于处理的数据量大，算法复杂度高，使得处理的实时性成为难题。如果使用专门的视频算法器件，在保证实时性的同时却使系统的灵活性大大降低。TI公司的TMS320DM642(简称DM642)以其高速的运算能力及
丰富的外设接口，在多媒体领域得到了广泛应用。

2 系统设计方案
2．1 系统的硬件结构
    图1给出系统的结构框图。以DM642为核心，包括视频输入输出模块，存储模块，通信模块等。其中输入输出模块由2片解码器和一片编码器构成，可以同时输入2路视频，输出一路视频。存储模块主要由Flash和2片SDRAM组成。此外系统还包括JTAG仿真接口和网口，可以方便地与外界通信。

2．2 系统电源设计
    DSP系统电源设计模块是关键，高精度的供电才能保证系统正常工作。系统采用5 V电源驱动2个MOSFET的DC—DC调整器(TPS54310)分别供给DSP的核心电压CVDD(1．4V)和外围电压DVDD(3.3 V)。在3.3 V和1.4 V电源之间连接肖特基二极管，保证DM642内核和外部端口同时供电。TI公司的TPS543lO的输出精度是1％，完全满足DSP工作要求。视频输入器件SAA7113H、视频输出器件SAA7105H和CPLD都需要3.3 V供电，选用AMSlll7—3.3 V为这些器件供电。系统的地分为系统地、视频输入地、视频输出模拟地、音频模拟地和网络模拟地6部分。从电源进来的是系统地。在PCB设汁中，各地与系统地之间采用220Ω、100 MHz的磁珠在一点连接起来。调试中，只要电源部分工作正常，都可以通过JTAG口将程序下载到DM642中，进而调试其他模块。
2．3 视频输入与输出
    DM642集成有3个视频(Video Port，VP)口，每个视频口是由20 bit数据线、2个时钟信号VPxCLK0(输入)和VPx-CLKl(输入／输出)、3个控制信号VPxCTL0、VPxCTLl和VPx-CTL2组成。时钟信号作为视频源的时钟信号输入／输出，控制信号作为视频源的同步信号输入／输出(行同步、帧同步、场标志，视频采集使能等)。每个视频口被分为上(B)、下(A)2个通道，VP0的A通道与McBSPO复用，VPl的A通道与McB—SPl复用，VP0和VPl的B通道与McASP复用，VP2则为单功能引脚。每个视频口可被配置为视频输入口或视频输出口，但是上(B)、下(A)2个通道只能同时被配置为输入口，或同时被配置为输出口，不能一个通道配置为输入口，另一个通道配置为输出口。
    系统将VP0和VPl配置成为单通道视频输入和McASP口，VP2配置成为单通路的视频输出口。VPO与VPl配置为单通道视频输入口时，VPxCLK0作为视频源的输入时钟，VPxCLK1未用。而VPxCTL0、VPxCTLl和VPxCTL2则分别作为视频源中的时基码控制。当CAPEN信号无效或在EAV和SAV时基码之间时，将不对视频数据流进行采样。BT．656视频数据流采集的起始、水平同步、垂直同步等，受输入信号CAPEN和视频通道控制寄存器VCxCTL(x=A、B)中的VCEN、EXC、HRST、VRST、FLDD等控制位组合控制。当配置为单通道视频输出口时，VPxCLK1作为视频源输出时钟，VPxCLK0作为输入时钟。而VPxCTL0、VPxCTLl和VPxCTL2分别作为输出视频的HSYNC／HBLNK／AVID/FLD、VSYNC／VBLNK／CSYNC／FLD、CBLKN/FLD。3个VP口均作为8位视频接口，使用lO位数据总线中的高8位，即VPxD[9：2]。系统的视频解码和视频编码器分别选用Philips公司的SAA7l13H和SAA7105H，图2给出视频解码和DM642的连接图。图3给出视频编码和DM642的连接图。其中SAA7lO5H支持复合视频(CVBS)输出、超级视频(S-Video，Y／C)输出和VGA输出，系统同时外扩了这3种接口，用户可通过I2C总线对其内部寄存器设置来实现不同的输出。

    当SAA7105H工作在VGA输出时，其工作时钟的上升沿和下降沿都要接收数据，图3中VP2与SAA7105H的连接方式，只用到VP2的8位数据线，因此VP2在每个时钟周期只有在上升沿输出8位数据，无法满足SAA7105H的工作要求。这就要求VP2的工作频率是SAA7105H的2倍，两者才可以正确传输数据，该时钟关系在CPLD里实现。
2．4 地址空间映射
    DM642的程序／数据空间以字节为单位进行统一编址，整个寻址空间为4 G字节。其片上存储器，片上外设及外部存储器接口(EMIF)均映射到此4 G字节空间中。
    DM642的CEO空间被配置为64 bit SDRAM接口，分配给外扩的SDRAM使用。SDRAM的工作时钟由DM642的ECLKOUTl提供，其可由软件配置为EMIF的ECLKIN或CPU时钟/4、或CPU时钟／6，最高为133 MHz。一般情况下，配置为ECLKIN，即100 MHz。SDRAM在子空间的具体定位为：Ox8000 0000~Ox81FF FFFF。
    DM642的CEl空间被配置为8Mx8 bit的Flash，在CEl子空间占据的具体空间定位为0x9000 0000～0x9007 FFFF。
    DM642外部地址总线只有A[22：3]，总共20根，所以CEl子空间最大的寻址范围为lMx8 bit。系统中CEl子空间除了分配给Flash以外，还分配给状态，控制寄存器、UARTA、UARTB等资源使用，其中Flash只占据CEl子空间的前一半的寻址空间，即最大的可寻址范围为512Kx8 bit，而Flash的设计容量为8 Mx8 bit，所以为寻址到Flash所有的地址空间，采用分页技术来实现对Flash的访问．即将整个8 Mx8 bit的FLASH分成16个512 Kxl6 bit的页．页地址PA22、PA21、PA20、PAl9，则由页地址寄存器提供(页地址寄存器位于CPLD中)。[!--empirenews.page--]
2．5 I2C总线
    I2C总线是一种由Philips公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和器件引脚的数量，降低了互联成本。它支持多主控，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主控端。
    I2C总线由数据线SDA和时钟SCL构成串行总线，可发送和接收数据，在CPU与被控IC之间、IC与IC之间双向传送。在数据传送过程中共有3种信号，分别是开始信号、结束信号和应答信号。其中，开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据；结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据；应答信号：接收数据的IC在接收到8 bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲。表示己收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况判断是否继续传输信号。若未收到应答信号，则认为受控单元出现故障。
    DM642集成有一条I2C总线．DM642为总线的主设备。系统用I2C总线连接了以下从设备：2路视频解码器SAA7113H的控制口、1路视频编码器SAA7105H的控制口和1路实时时钟RTC。每个I2C总线的从设备均对应一个从设备地址，I2C总线以此从设备地址区分所访问的是哪个从设备。DM642通过I2C总线配置上述器件的寄存器。
2．6 网络接口
    DM642的网络接口由EMAC与MDIO两部分组成的。其主要功能有：符合IEEE802．3协议；支持传媒无关接口(MII)；8个独立的发送与接收通路；同步的10／100 Mbit的数据操作；广播及多帧的传送。
    系统选用LXT971ALC作为10／100Base一TX以太网收发器。LXT971ALC的MII接口与DM642的MII接口对接。DM642的MII不支持TXER，它通过求反发送帧CRC来指出网络错误，所以LXT971ALC上的TXER引脚直接接为无效。系统只采用10／lOOBase-TX方式，信号经Hll02 1：1变压器变换成TX+、TX一、RX+和RX一信号，连接到RJ45连接器上。RJ45连接器选用406549一l，其上带2个LED指示灯，绿色LED，用作指示连接状态；黄色LED正常情况下用于指示数据传输。

3 系统调试
3．1 视频通道的驱动
    系统中视频解码通道使用SAA7113，编码通道使用SAA7105H。这2个器件需要经过寄存器配置才能正常工作，因为寄存器数量众多，直接逐个配置寄存器相当复杂。系统开发了基于DSP／BIOS的应用程序，可以调用FWID API函数，实现对视频通道的驱动。以下是几个接口函数的使用说明：
    (1)初始化工作 FVID_croat(name，mode，*status，
optArgs，*attm)参数说明：String name：device driver的名字，该device driver在DSP／BIOS中定义；Int mode：指定设备的打开模式为输入/输出；Int*status：该参数是application送给mini—driver的一个状态指针，由mini—dIiver来返回状态的；PtroptArgs：用于初始化FVID channel的具体参数，用结构体的形式打包，并将指向该结构体的指针传送给mini—driver进行处理；FVID_Attrs *attrs：FVID_Attrs结构参数为空，表示FVID_alloc，FVID_free,FVID_exchange calls为非block形式，无论成功与否，立刻返回。
    (2)发送控制命令到mini—driver FVID_control(disChan，VPORT_CMD_START， NULL)参数说明：FVID_HandlevidChan：fvid通道句柄；Int cmd：cmd命令；Ptr args：cmd命令附带的信息。该函数发送一个控制命令给mini—dTiver，将由mini—driver做相应的响应，在这里通知vport端口开始工作。
    (3)给VP口分配缓冲区FVID_alloc(fvidChan，bufp)参数说明：FVID_handle fvidChan：fvid通道句柄；Ptr bafp：分配的缓冲区指针。该函数从mini—ditver获取缓冲区指针。
    (4)FVID_exchange(fvidChan,bufp) 参数说明：FVID_handle fvidChan：fvid通道句柄；Ptr butp：交换的缓冲区指针。该函数将转换好的图像数据发送给mini—driver处理，并传回空缓冲区指针，FVID_exchange函数相当于顺序执行FVID_free和FVID_alloc函数。利用FVID的API函数可方便配置和驱动视频通道，实现视频的采集和输出。
3．2 VGA输出
    VGA(VideoGraphic Array)接口，即视频图形阵列，也叫DSub接口。VGA接口采用非对称分布的15针连接方式，其工作原理是将显存内以数字格式存储的图像信号在RAMDAC里经过模拟调制成模拟高频信号，然后再输出到显示设备成像。视频编码器SAA7105H支持VGA输出，SAA7105H被配置为VGA输出时，送输出缓冲区的数据必须为RGB格式，而非YUV4：2：2。用户可以自行编写相应的转换函数，或者调用TI img64.lib库中的IMG_ycbcr422p_rgb565函数实现视频格式的转换。SAA7105H最高可实现XGA输出，即1 024x768分辨率。
3．3 程序从Flash的引导
    在系统上调试程序时，利用仿真器把程序下载到SDRAM内执行。当程序调试完毕应用时，应该把程序烧写到外部Flash里，实现系统每次上电后程序从Flash引导加载自动运行，省去每次利用仿真器下载程序。
    DM642是以ROM方式引导系统的，当DSP上电或复位时，内核处于复位状态，并自动以ROM的读写时序从Flash的第0页起始地址开始复制lK字节的代码到DSP的片内内存起始地址为O的地址空间。然后释放CPU，使其从0地址开始运行程序。即第一次引导只能引导1K字节的程序。执行第一步引导的程序，将用户自己的程序从Flash中搬到运行的地址中，然后进入c_int00，完成整个BOOT过程。
    Flash烧写根据不同的硬件设计，烧写步骤略有不同，但基本过程相同。系统Flash的烧写过程：①把引导程序文件boot．asm添加到要烧写的工程中，在BIOS中添加BOOT段，修改相应的CMD文件，编译原工程生成新的．out文件；②使用hex6x工具把生成的COFF格式的．out文件转化为．hex文件；③用FlashBurn建立．ccd文件；④用FlashBurn打开建立的．ccd文件，先擦除Flash，然后烧写Flash。
    按照上述步骤烧写程序到Flash，在系统上电后程序将自动执行。应该注意的是，烧写程序后的系统仿真环境将难以进去，解决的办法是一边反复按复位键，一边打开仿真环境则可进去。DM642有多种引导，本系统默认方式为EMIFA通过8-bit Flash引导。

4 结语
    系统研究并实现了一个通用的基于DM642的视频处理系统。采用了针对多媒体应用开发的专用媒体处理芯片DM642，该芯片配有丰富的外设接口，减小了系统硬件设计的复杂度，提高了系统的性价比；通过外接的SDRAM编程实现MPEG一2、MPEG-4、H．264等多种视频压缩编解码算法，灵活性大，实用性强，优于专用的视频编解码系统；由于DM642的高速运算能力，实时性强也是系统的一大优点。该系统作为视频处理的通用平台，在此基础上增加一些其他功能即可应用于交通、监控等诸多领域。