摘要:选用TMS320DM642作为系统CPU,并采用最新视频编码标准压缩算法,实现基于CDMA网络传输的无线视频监控和视频数据存储系统文中详细地描述了系统组成、结构和功能,对系统各个组成模块进行了详细分析和设计,主要包括视音频输入、CDMA传输串口、DE及USB通信等模块,并针对DM642高速CPU,分析了系统设计中应注意的问题。
无线视频监控系统是公安、交通、水利等行业的重要装备,目前无线视频传输设备主要采用微波方式,其致命弱点是传输距离短,有障碍物时传输距离大为减少,多年来一直没有得到很好的解决随着运营商在国内大部分地区推出GRPS和CDMA1x公共无线数据网络,通过公共无线数据网络传输视频已成为当今研究和应用的热点,它能彻底解决微波方式的短距离问题。
由于公共无线数据网络的带宽比较窄且不稳定,采用编码效率不高的视频压缩算法(如、MPEG-4等),传输效果不理想,无法满足大多数监控场合的要求是JVT制定的最新视频压缩标准,比和MPEG-4在同质量时码流可低50%,同时支持无线网络传输,但其运算复杂度也是和MPEG-4的3-5倍,因此一般的CPU系统无法满足要求。
TMS320DM642是TI最新推出的高性能数字媒体处理器,指令最高可达4800MIPS,可以满足实时编码算法的要求本文设计了基于TMS320DM642的嵌入式系统,采用视频编码算法,成功的开发了基于CDMA传输的无线视频监控系统。
1无线视频监控系统构成 1.1无线视频监控系统设计需求 本系统要求采用嵌入式视频发送终端,对采集视频图像进行实时压缩并通过CDMA网络发送,接收端采用PC机对接收视频数据进行解码并显示。
对于嵌入式视频发送终端有如下需求: ①一路PAL/NTSC标准模拟视频输入,一路模拟音频输入;②采用CDMA接入方式将视频数据通过网络发送;③采用CF卡或硬盘对视频进行本地存储;④发送图像和保存图像的尺寸和帧率等参数可调;⑤可通过无线网络进行远程控制,并且要求低功耗。
1.2系统的总体设计 由于CDMA无线网络带宽窄、带宽波动大,因此系统中采用作为视频压缩算法同时本地存储与CDMA发送视频在图像尺寸和帧率上不同,需要采用两个编码结构分别进行编码图1显示了本系统的总体结构框图,系统主要包括DM642CPU、视频输入、音频输入/输出、硬盘接口、串口和USB通信(USB2.0)等主要功能模块,此外还包括实时时钟(RTC)、显示和I/O接口(LCD&I/O)、SDRAM、FLASH和电源(POWER)模块。
下面将详细地对各个功能模块进行一一分析和设计
图1视频发送终端系统框图 2无线视频监控系统硬件设计 简介 TMS320DM642是TI推出的针对多媒体处理领域应用的高性能数字媒体处理器该处理器是专门为视频与影像市场量身定制的,特别适用于VOIP视频、视频点播(VOD)、多信道数字视频摄录像应用以及高品质视频编码与解码解决方案。
DM642处理器内部集成了TMS320C64X的DSP内核,在600MHz运行速度下,指令可达4800MIPS,由于其强大的运算能力,可以实现实时的编解码算法 DM642内部集成了外部内存接口(EMIF)控制单元,通过20根地址线和64位数据总线可直接与外部的SDRAM、FLASH进行连接。
本系统中由于采用100MHz的SDRAM,考虑到信号完整性,SDRAM直接与DM642连接,而FLASH通过总线加以驱动后加以连接 2.2视频输入模块 DM642具有三个视频端口,支持多种分辨率和标准,如CCIR601、、等,每个端口为20bit位宽,可以被灵活的配置为一个20/16bit或两个10/8bit通道。
同时,每个端口都可配置为视频输入或视频输出本系统中采用VP0与SAA7113H相连进行视频输入采集 SAA7113H为9bit视频解码器,其内部有由视频源选择、反混叠滤波器和ADC组成的两通道模拟预处理电路、增益控制、时钟发生电路(CGC)、多标准数字解码器、亮度饱和度控制电路等组成。
它支持PAL、NATSC等多种视频输入格式,输出支持标准的∶2∶28bit格式,通过I2C总线进行控制,只需一个外部晶振,采用电源、具有小于的功耗SAA7113H与DM642接口见图2
图2SAA7113H与DM642接口 2.3音频输入输出(CODEC)模块 DM642具有多通道音频串行端口(McASP)和两个多通道有缓存的串口(McBSPs),但它们是与视频端口复用的,本系统中采用VP1中的McBSPs1作为与音频Codec连接的接口。
TLV320AIC23B是TI推出的一款高性能的立体声音频Codec芯片,内置耳机输出放大器,支持MIC和LINEIN两种输入方式(二选一),且对输入和输出都具有可编程增益调节AIC23B的模数转换(ADCs)和数模转换(DACs)部件高度集成在芯片内部,采用了的Sigma-delta过采样技术,可以在8k到96k的频率范围内提供16bit、20bit、24bit和32bit的采样,ADC和DAC的输出信噪比分别可以达到90dB和100dB。
AIC23B还具有很低的能耗,回放模式下功率仅为23mWAIC23B与DM642接口见图3
图3AIC23B与DM642接口 无线传输串口模块 本系统中采用Q2358C串行接口模块作为CDMA接入设备,它支持语音通信、支持中英文短信、双音多频功能(DTMF)等功能波特率从300到115,200bit/s,支持上网最高速率153kb/s,采用AT指令集通过RS-232串口进行通信。
DM642没有异步通用串行接口,需采用扩展异步通信芯片来实现串行通信 TL16C752B是UART收发器,最高波特率可以达到3Mb/s(使用48MHz时钟源时),其内部具有64byte发送/接收FIFO,接收FIFO的启动和停止可通过软件编程实现,支持多种波特率、多种串行数据格式。
DM642与其连接采用EMIF控制,地址线A0～A2、数据线D0～D7、读写控制信号IOR/IOW与经过驱动的总线相连,而选通信号CSA/CSB由GAL产生TL16C752B与Q2358C模块之间通过MAX3243进行电平转换连接。
图4给出一路串行接口连接方式
图4系统串口通信接口 及USB通信模块 本系统中对采集视频要进行本地数据存储,采用CF卡或IDE硬盘来保存数据,在通过USB2.0将保存于CF卡或DE硬盘中的数据在需要时读出DM642与DE接口通过GAL16LV8产生的信号进行控制。
TUSB6250采用内嵌8051内核的USB2.0到ATA/ATAPI桥接器,其完全兼容USB2.0标准,支持八个可配置终端(四路输入和四路输出)内部集成USB存储设备传输协议,与ATA/ATAPI设备无缝连接。
内部集成的60MHz8051微处理器指令速度可达30MIPS,40kbyteRAM可灵活的配置为数据或代码RAM,13个通用I/O口能进行各种通信和控制使用,并有I2C接口在本系统中通过I2C和HPI总线实现DSP和TUSB6250之间的通信。
DE及USB部分接口见图5
图5DM642与IDE及USB部分接口 2.6电源及其它模块 DM642采用双电源供电,内核电源采用为消耗电流为890mA;I/O电源采用消耗电流为210mA由于内核电源电压低同时消耗电流较大,如果采用LDO电源效率较低,消耗功率将加大,所以在本系统中采用两个开关电源芯片TPS54310分别产生和电源,电源效率可达90%以上。
DM642提供了16个通用I/O,通过这些I/O实现键盘输入、控制开关量输入与输出DM642的视频端口VP3配置为输出直接与LCD连接另外,系统中采用DS1338作为实时时钟,提供实时时间信息 3系统设计中的注意事项
3.1原理图设计 DM642内部运行频率是通过外部时钟输入经内部PLL倍频后得到,PLL倍频可通过CLKMODE1和CLKMODE2管脚来选择x1、x6或x12,因此这两个管脚外部一定要接相应的电阻可调,以便DM642可在不同速度下运行。
DM642有多种BOOT启动模式可选,如果选择EMIFA的FLASH作为启动时,FLASH的片选必须接到TCE1上DM642可选字节顺序的大/小模式、外设的PCI、HPI、EMAC模式的选择是通过复位时LENDIAN、PCI_EN、PCI_EEAI、HD5、MAC_EN管脚的电平决定,一定要考虑其在复位时电平值做成可调的。
对于仿真器的EMU[1∶0]保证已经上拉,TRST下拉另外,在AARDY管脚不使用时要保证其为高电平,NMI管脚不使用时要接地,在选择HPI模式时要保证HPI控制信号电平正确,同时对其他不使用的输入管脚进行正确处理。
设计 DM642作为高性能数字媒体处理器不仅内部具有很高的运行频率600MHz、720MHz和1GHz,而且与外部的SDRAM的总线速度也达到100MHz或133MHz,如果外部的SDRAM由于布线原因达不到设计的希望速度,会降低系统的性能。
对于100MHz以上的信号总线,存在信号完整性问题要保证信号的完整采用如下方法,对于SDRAM的时钟线尽量要短,到两个SDRAM的长度尽量相等;FLASH等其他外设不要直接与数据和地址总线连接,而应通过缓冲芯片(如SN74LVT16245B)连接;高速总线上要串入小阻值电阻,阻值大小可通过仿真得到,同时对线路更加要求进行阻抗限制。
DM642内部有PLL,对于PLL外部所接器件要尽可能靠近芯片,而且必须放在线路板的一面上对于JTAG的连线长度不能超过6in,如果超过6in长要加驱动本系统中既有模拟部分又有数字部分,要注意模拟电源和数字电源的设计,尽量减少数字信号对模拟信号的干扰,否则对采集的视频信号会有雪花、条纹,音频信号产生噪音等。
对视频、音频芯片尽量采用单独的电源芯片供电,模拟地和数字地要单点或采用磁珠相连 4结束语 依据以上硬件设计完成基于DM642的嵌入式无线视频监控系统,该系统以高速DSP为核心,辅以相应的外围电路,实现实时视频编解码。
目前,该系统已经顺利通过调试,连续运行稳定,为公安、交通、水利等行业的无线视频监控提供切实可行的方案,具有非常高的应用价值
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