摘要： 采用TI公司的TMS320DM642型數(shù)字媒體數(shù)字信號處理器(DSP)設(shè)計多路音/視頻采集處理系統(tǒng),，實現(xiàn)實時處理4路模擬視頻和音頻輸入,、1路模擬/數(shù)字視頻和l路模擬音頻信號輸出的功能，該系統(tǒng)可適應(yīng)PAL/NTSC標準復(fù)合視頻CVBS或分量視頻Y/C格式的模擬信號和標準麥克風或立體聲音頻模擬輸入,，具有PAL/NTSC標準S端子或數(shù)字RCB模擬/數(shù)字信號輸出和標準立體聲音頻模擬輸出,。并給出軟/硬件設(shè)計原理和電路。
關(guān)鍵詞：TMS320DM642,；圖像采集處理,；PAL/NTSC制式；數(shù)字信號處理器
l 引言
當前,，在數(shù)字圖像處理中,，由于數(shù)據(jù)量大、算法難度高,，因此實時性成為技術(shù)難點之一,。如果采用專用電路實現(xiàn)，雖然實時性得到保證,，但系統(tǒng)的靈活度大大降低,。因此，尋求一種高速通用數(shù)字信號處理系統(tǒng)成為當務(wù)之急,。
II公司推出的TMS320DM642(以下簡稱DM642)型數(shù)字信號處理器可實時處理4路模擬視頻和音頻輸入,、l路模擬/數(shù)字視頻和1路模擬音頻信號輸出，適應(yīng)PAL/NTSC標準復(fù)合視頻CVBS或分量視頻Y/C格式的模擬信號輸入,，可適應(yīng)PAL/NTSC標準S端子或數(shù)字RGB模擬/數(shù)字信號輸出,，可適應(yīng)標準麥克風或立體聲音頻模擬輸入及標準立體聲音頻模擬輸出，具有對多路采集數(shù)據(jù)進行實時處理和分析的功能,，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)和圖像疊加顯示,。
2 DM642簡介
DM642型數(shù)字信號處理器可采用500 MHz或600 MHz的工作頻率，每秒最多可完成4.8 G次操作,，具備在線編程功能,，帶有的豐富外圍接口可以與多種存儲器相連,，可以直接與網(wǎng)絡(luò)連接，是高速圖像處理的優(yōu)選器件,。
DM642的CPU采用第二代VelociTI.2內(nèi)核結(jié)構(gòu),，含有雙數(shù)據(jù)通路、8個運算單元,，每周期可執(zhí)行8條32-bit指令,，支持4個16-bit和8個8-bit連乘加MAC指令，有64個寄存器,，取數(shù)/存數(shù)的數(shù)據(jù)通道為64-bit,。
DM642采用帶2級存儲器的完全存儲器分層體系結(jié)構(gòu)，2級存儲器中的Cache控制器可以自動完成分層存儲器體系結(jié)構(gòu)的管理和調(diào)度,，外部存儲器訪問和片上外設(shè)的訪問通過EDMA完成,。
DM642有3個視頻輸入輸出口和多路音頻信號的輸入輸出串口。外部存儲器接口EMIF提供了64-bit寬度的外總線數(shù)據(jù)接口,，支持與各種器件的無膠合接口,。DM642還具有主機并行接口、外圍設(shè)備互聯(lián)口,、多通道緩存串口和通用I/O端口,。
3 系統(tǒng)功能與硬件電路設(shè)計
3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖像采集和預(yù)處理單元主要完成圖像信號的輸入,，具有多路信號復(fù)用功能,，對輸入的模擬視頻信號進行數(shù)字化及格式的轉(zhuǎn)變。FPGA控制系統(tǒng)的邏輯和圖像數(shù)據(jù)的流向,，并且可對DM642輸出的圖像數(shù)據(jù)進行加工,，進而輸出到圖像編碼單元。圖像處理單元采用DM642進行高速數(shù)據(jù)處理和分析,。圖像編碼單元對圖像數(shù)據(jù)進行編碼,，形成標準的模擬視頻信號,，可以直接輸出到顯示設(shè)備上,。
對于4路視頻和4路音頻信號，CPU在1個時刻只能處理1路數(shù)據(jù),，DM642片外位于EMIF的CEO地址空間擴展了2個4 Mx32 bit的SDRAM,，可分別存放圖像采集數(shù)據(jù)和圖像處理數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)采集和存儲速度,。
3.2 視頻口接口設(shè)計
DM642有3個視頻口,，每個都可以配置為上下2個通道，但2個通道必須同時為視頻輸入口或輸出口,。結(jié)合實際應(yīng)用,，DM642帶了4路模擬視頻輸入(cif格式，分辨率為352×288)和1路模擬視頻輸出。
VPO A通道配置為8-bit BT.656視頻輸入或輸出口,，接第一通道視頻輸入或視頻輸出,。VPl A通道配置為8-bit BT.656視頻輸入口，接第二通道視頻輸入,。VP2 A和B通道配置為2個8-bit BT.656視頻輸入口,，接第三和第四通道視頻輸入。VP0和VPI的B通道配置為MCASP,，接4個音頻Codec,。
TVP5150型視頻編碼器支持PAL/NTSC、CVBS或Y/C模擬視頻輸入,，8-bit BT.656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流輸出,。SAA7105型視頻解碼器支持8-bit BT.656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流輸入，PAL/NTSC CVBS或Y/C模擬視頻輸出,。通過DM642的I2C總線對視頻編/解碼器的內(nèi)部寄存器進行編程,，實現(xiàn)不同的輸入輸出。DM642和TVP5150的對應(yīng)引腳功能見表1,。
視頻編解碼器的參數(shù)通過I2C總線配置,，由于TVP5150的I2C從地址只有2種選擇，因此需要用CBT3257型2選l轉(zhuǎn)換開關(guān)來切換,。
作為視頻輸入口時,，視頻數(shù)據(jù)的行/場同步又包含BT.656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流中的EAV和SAV時基信號控制，視頻口只需視頻采樣時鐘和采樣使能信號(控制采樣起始),，TVP5150用系統(tǒng)時鐘SCLK提供采樣時鐘,，用可編程引腳GPCL提供采樣使能。作為視頻輸出口時,，視頻口要為SAA7105提供時鐘和行/場同步信號,。
在視頻輸出電路中，J1,、J2,、J3可配置成RGB輸出信號，J2,、J3可連接S端子,，J1、J2,、J3,、J4、J5可直接輸出到電腦的顯示器上,。具體接口電路如圖2和圖3所示,。DM642與SAA7105的對應(yīng)引腳功能見表2所列,。
3.3 多通道音頻串口的接口設(shè)計
筆者采用了4路模擬音頻輸入和1路模擬音頻輸出，采用TLV320AIC23B型音頻編/解碼器,，它支持麥克風/立體聲模擬輸入/輸出和數(shù)字音頻數(shù)據(jù)流輸出/輸入,。
PLLl708型可編程視頻/音頻同步數(shù)字鎖相環(huán)給McASP和TLV320AIC23B提供時鐘信號，SCK02端口接McASP的AHCLKX,，SCK03端口接TLV320AIC23B的主時鐘MCLK,。PLLl708的時鐘輸入為27 MHz。DM642與TLV320AIC23B的對應(yīng)引腳功能見表3,。
AIC23B數(shù)據(jù)口配置為從,，McASP的8個收/發(fā)引腳配置為4收/4發(fā)，分別接4個編解碼器的Dout/Din,。McASP的接收幀同步配置為輸出,，同時給4個編解碼器的LRCout。McASP的發(fā)送幀同步配置為輸出,，同時給4個編解碼器的LRCin,。McASP的發(fā)送位時鐘ACLKX配置為輸出(由AHCLKX分頻)，同時給4個編解碼器的BCLK,。AIC23B的控制口配置為I2C,，由CBT3257型2選1開關(guān)來切換。具體電路如圖4所示,。
另外,，給DM642供電時應(yīng)注意CPU的上電次序：CHU內(nèi)核應(yīng)先于I/O上電，后于I/O掉電,，CPU內(nèi)核與I/0應(yīng)盡可能同時供電,，二者的時差不能太大(<1 s)，否則會影響器件的壽命或損壞器件,。用可編程時鐘電路可很好地解決整個電路的時鐘問題,。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)初始化設(shè)置、圖像處理算法和屏幕疊加程序,，具體軟件流程如圖5所示,。
4.1 系統(tǒng)初始化設(shè)置程序
對整個硬件系統(tǒng)進行初始化，其中包括DM642的上電初始化,、DM642的寄存器和系統(tǒng)配置引腳的設(shè)置,、利用I2C總線對TVP5150和SAA7105進行寄存器設(shè)置。
DM642的引導(dǎo)模式為從EMIFA引導(dǎo),，把引腳AEA[22：21]設(shè)置為ll，其他配置引腳的初始化設(shè)置為默認值,。外圍配置寄存器(PERCFG)用于對控制視頻口,、多通道緩沖串口,、多通道音頻串口進行配置，初始化為0x0000 0079h,。設(shè)備狀態(tài)寄存器(DEVS-TAT)用于控制電路各個外圍設(shè)備的狀態(tài)：EMAC,、HPI、PCI,、CPU時鐘頻率選擇模式,、電路引導(dǎo)模式、EMIFA輸入時鐘的選擇,，初始化為0x0000 005Ch,。
4.2 圖像處理程序
對采集的圖像數(shù)據(jù)進行處理和分析，對視頻流進行格式轉(zhuǎn)換,，可以是復(fù)合視頻或分量視頻,，也可以壓縮存儲以便于此后的瀏覽。
4.3 屏幕疊加程序
把FPGA內(nèi)部FIFO中的數(shù)據(jù)和視頻口輸出的數(shù)據(jù)混和完成屏幕顯示的功能,。屏幕疊加有幾種方式,，背景為透明的、半透明的,、不透明的,，疊加的位置也可任意設(shè)置，只需修改疊加圖像的起始點坐標,，把相應(yīng)的圖像信息加到對應(yīng)的視頻圖像隊列中,。
4.4 視/音頻信號采集存儲與圖像數(shù)據(jù)讀取程序
對于4路視頻信號和4路音頻信號，CPU在1個時刻只能處理1路數(shù)據(jù),，因此在DM642片外擴展了2個4Mx32bit的SDRAM,，在系統(tǒng)工作的任一時刻，一個用于圖像的采集,，采集部分向該存儲區(qū)寫圖像數(shù)據(jù),，另一個用于外部對圖像數(shù)據(jù)的讀取，DSP可以讀取該存儲區(qū)中的圖像數(shù)據(jù),。雙SDRAM結(jié)構(gòu)的重要特點是DSP對存儲區(qū)的數(shù)據(jù)操作是來回切換的,。當A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫滿SDRAM-l時，F(xiàn)PGA會向DSP發(fā)出中斷信號,，此時,，在DSP讀取SDRAM-l中數(shù)據(jù)的同時，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫入SDRAM-2,，當SDRAM-2中的數(shù)據(jù)寫滿時,，F(xiàn)PGA向DSP發(fā)出中斷信號，此時DSP讀取SDRAM-2中的數(shù)據(jù),，同時,，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫入SDRAM-l,，如此交替，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入與讀取同時進行,。由于DSP讀取SDRAM中數(shù)據(jù)的速度遠遠大于A/D轉(zhuǎn)換寫入數(shù)據(jù)的速度,，因而允許采集與外部訪問同時進行，采用2個存儲區(qū)操作的乒乓式切換滿足數(shù)據(jù)實時交換的要求,。
由于DSP對存儲區(qū)的數(shù)據(jù)操作是來回切換的,，因此需要采用中斷來實現(xiàn)取數(shù)。具體實現(xiàn)是在DSP內(nèi)部設(shè)置中斷,，這里選用INT6作為中斷觸發(fā)引腳,。當外部中斷信號到來時，則相應(yīng)中斷服務(wù)程序執(zhí)行中斷響應(yīng),。
5 結(jié)束語
本系統(tǒng)能夠同時處理4路CIF格式的數(shù)字視頻,，并且可以動態(tài)切換，總采樣速率可達100幀/秒,，每路速率為25幀/秒,，可以完全保證圖像實時采集。
對圖像的疊加有多種方法,，疊加的位置也可通過修改疊加圖像的起始點坐標來進行任意設(shè)置,。DM642還具有網(wǎng)絡(luò)接口，可以對輸出的視頻信號進行壓縮并由網(wǎng)絡(luò)實時傳輸,。
基于DM642的圖像采集處理系統(tǒng)能廣泛應(yīng)用于機頂盒,、IP可視電話、網(wǎng)絡(luò)視頻會議等領(lǐng)域,。