系統(tǒng)組成

　　如圖1所示，本文所述數(shù)字視頻采集卡由以下5個部分組成：

圖1 采集卡系統(tǒng)組成框圖

　?。?）高速視頻采集單元,，主要完成模擬視頻信號到數(shù)字視頻信號的變換；

　?。?）數(shù)據(jù)交換單元,，由FPGA和雙口RAM構(gòu)成，采用包交換技術(shù),，完成數(shù)字視頻數(shù)據(jù)向DSP的傳送,；

　　（3）DSP及其外圍接口電路,，包括EMIF接口,、McBSP接口、HPI接口,、PLL時鐘接口,、DMA接口、JTAG接口,、電源監(jiān)控等,；

　　（4）DSP與PCI總線的橋接單元,，主要完成DSP與上位機的通信,；

　　（5）雙供電模式的電源部分,。

　　下面將對系統(tǒng)各個部分的設(shè)計分別進行介紹。

　　系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

　　高速視頻采集單元

　　模擬視頻信號是一類比較復(fù)雜的模擬信號,，信號中包含了像素的亮度信息,，色彩同步信息和行,、場同步信息。要實現(xiàn)正確的圖像采集,，必須從復(fù)合的視頻信號中正確地分離出各種信號,，并利用其中的同步信號控制A/D轉(zhuǎn)換過程，從而實現(xiàn)正確的圖像采集,。

　　如圖2所示,，在硬件設(shè)計上有2種實現(xiàn)方案：

圖2 A/D采樣方案

　　（1）采用通用A/D器件+同步信號分離器件,；

　?。?）采用專用的視頻A/D轉(zhuǎn)換芯片。

　　方案1的實現(xiàn)電路較復(fù)雜,，本文的設(shè)計采用了第2種方案,，以PHILIP公司的視頻采集芯片SAA7111為核心構(gòu)成轉(zhuǎn)換電路。

　　數(shù)據(jù)交換單元

　　在實時視頻圖像處理系統(tǒng)中,，數(shù)據(jù)的吞吐量是很大的,，大量的視頻圖像數(shù)據(jù)被實時采集、傳輸,、處理,。因此，在系統(tǒng)設(shè)計中,，數(shù)據(jù)的傳輸設(shè)計是非常重要的,。在本系統(tǒng)的設(shè)計中，利用FPGA和雙口RAM實現(xiàn)了一種包交換的數(shù)據(jù)傳輸方式,，如圖3所示,。

圖3 FPGA及雙口RAM

　　在系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA首先要完成對A/D采樣的控制,，包括控制采樣的啟停,，采樣數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換等；其次FPGA要完成對雙口RAM數(shù)據(jù)寫入的控制和數(shù)據(jù)發(fā)送中斷信號的產(chǎn)生,；另外,，還要在FPGA中形成從A/D到雙口RAM的數(shù)據(jù)通路，在此基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)一些數(shù)據(jù)預(yù)處理的功能,。

　　在雙口RAM設(shè)計上,，本文將整個雙口RAM分成2個存儲塊，每當(dāng)一個存儲塊在進行寫操作時,，另一個存儲塊在進行讀操作,，這樣數(shù)據(jù)的讀、寫操作在不同的存儲塊上同時進行,，即實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的緩沖,，又實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的不間斷傳送,。數(shù)據(jù)的分塊交換傳輸過程也是數(shù)據(jù)的打包過程，存儲塊的大小決定了數(shù)據(jù)包的大小,，數(shù)據(jù)的打包有利于數(shù)據(jù)的整塊處理,。

　　DSP及其外圍接口電路

　　在DSP芯片選型上，本文選擇了適合圖形圖像處理的TI 公司C6000系列芯片中性價比較高的C6201芯片,，以其為核心構(gòu)建單DSP系統(tǒng),。C6201芯片擁有以下集成外設(shè)：外部存儲器接口EMIF，直接存儲器訪問通道DMA,；多通道緩沖串口McBSP,；主機口HPI；以及芯片設(shè)置管腳,、定時器,、中斷控制、下電邏輯和GPIO等,。

　　在本文的設(shè)計中,，根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，本著設(shè)計簡捷同時又要便于系統(tǒng)將來擴充的原則,，在外圍接口中除去必須使用的接口外,，有些不必要的外圍接口引腳直接浮空，有些則引出了擴展接口,，以便節(jié)約空間和將來系統(tǒng)的擴展,。

　　C6201的EMIF接口可以掛接3種外部存儲器：同步靜態(tài)存儲器SDRAM、同步突發(fā)靜態(tài)存儲器SBSRAM和異步存儲器,。在系統(tǒng)中,，用于數(shù)據(jù)緩沖和交換傳輸?shù)碾p口RAM是異步存儲器，此外,，為了處理的中間結(jié)果數(shù)據(jù),、最終數(shù)據(jù)和DSP程序，系統(tǒng)中分別掛接了2片大容量SDRAM和一片SBSRAM,。DMA是C6000DSP中一種重要的數(shù)據(jù)訪問方式,，它可以在沒有CPU參與的情況下，由DMA控制器完成DSP存儲空間內(nèi)的數(shù)據(jù)搬移,。在C6201 中提供了4 個輸出管腳（DMAC0-DMAC3）可以向外部邏輯反饋DMA傳輸?shù)耐綘顟B(tài),，這些引腳信號可有可無，因此在系統(tǒng)中沒有連接,。C6000的多通道緩沖串口（McBSP）是在C2x,、C3x、C5x和C54標(biāo)準(zhǔn)串口的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,。C6201提供了2路McBSP接口,，系統(tǒng)中引出了其中的一路作為將來系統(tǒng)功能擴展用,。主機口（HPI）是一個并行端口,，主機（也稱為上位機）掌管該接口的主控權(quán),，通過它可以直接訪問DSP的存儲空間（包括映射的片內(nèi)外設(shè)）。系統(tǒng)中HPI通過粘合邏輯與主模式的PCI橋S5933相連,。

　　PCI總線的橋接單元

　　DSP既可以單獨構(gòu)成一個完全獨立的處理系統(tǒng),，也可以多DSP聯(lián)合構(gòu)成功能更強大的并行系統(tǒng)，還可以通過橋接電路與上位機相連構(gòu)成一個大系統(tǒng)中的一個功能單元,。在本文所設(shè)計的系統(tǒng)中,，整個系統(tǒng)作為一個標(biāo)準(zhǔn)的PCI擴展卡，可以與上位的PC機進行通信,。

　　在DSP與上位的PC機之間有2種PCI橋可供選擇,，一種為主模式PCI橋，如AMCC S5933,。主模式下,，DSP與上位機之間可以相互訪問對方外圍設(shè)備，并且支持突發(fā)方式的數(shù)據(jù)傳送,，缺點是要通過中間的粘合邏輯相連,，不能直連。另外一種為從模式PCI橋,，如TI 2040,。從模式下，上位機可以訪問DSP的外圍設(shè)備,，而DSP則無法訪問上位機外圍設(shè)備,。從模式橋可以與DSP直連（無縫連接）。在本文的設(shè)計中,，選用了主模式的PCI橋,，在DSP與PCI橋之間通過一片CPLD進行粘合。

圖4所示為C6201與S5933之間的連接,。

　　雙供電模式的電源

　　C6000系列DSP需要2種電源,，分別為CPU核心和周邊I/O接口供電。周邊電壓需要3.3V,，CPU核心電壓則隨低功耗技術(shù)的發(fā)展,，逐漸從2.5V降到1.8、1.5,、1.2和1.0V,。

　　因為需要2種電壓，所以需要考慮供電系統(tǒng)的配合問題,。加電過程中,，應(yīng)當(dāng)保證內(nèi)核電源（CVdd）先上電,，最晚也要與I/O電源（DVdd）一起加。關(guān)閉電源時,，先關(guān)閉DVdd,，再關(guān)閉CVdd。講究供電次序的原因在于：如果僅給CPU內(nèi)核供電,，對芯片不會產(chǎn)生損害,，只是沒有輸入輸出的能力而已；如果反過來,，則芯片緩沖驅(qū)動部分的晶體管將在一個未知狀態(tài)下工作,，這是非常危險的。

　　本文中采用了一種最簡單的雙電源供電實現(xiàn)方案：利用1個電源驅(qū)動2個線性穩(wěn)壓模塊,，產(chǎn)生需要的DVdd和CVdd,。由于DVdd和CVdd由同一個電源產(chǎn)生，因此在加點次序上不存在問題,。

　　小結(jié)

　　數(shù)字視頻的采集,、處理、存儲和傳輸技術(shù)在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,。本文介紹的基于TMS320C6201 DSP芯片的數(shù)字視頻采集卡的設(shè)計,，在完成數(shù)字視頻采集的同時具備自主的實時數(shù)字視頻處理功能，并通過PCI接口實現(xiàn)與主機的通信,。這樣的設(shè)計在構(gòu)建數(shù)字視頻處理系統(tǒng)時將大幅度減輕主機的計算量,，從而提高系統(tǒng)性能。