基于DM642的視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

引 言
隨著人們生活水平的提高和對工作、生活環(huán)境中安全防衛(wèi)需求的增長，視頻監(jiān)控系統(tǒng)近年來得到了迅速的發(fā)展。傳統(tǒng)的基于PC機的視頻監(jiān)控系統(tǒng)多存在著諸如安裝攜帶不便、不能在惡劣環(huán)境下使用等一些缺點，這就亟待一種全新的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的出現(xiàn)。隨著近年來超大規(guī)模集成電路和嵌入式軟硬件技術的迅猛發(fā)展，特別是DSP、PowerPC等嵌入式芯片的出現(xiàn)，將嵌入式處理器應用到視頻監(jiān)控系統(tǒng)中不僅克服了上述基于PC機系統(tǒng)的一些缺點，而且其強大的功能加上豐富的外設接口和高度的可編程性使得視頻監(jiān)控的硬件和軟件都更容易實現(xiàn)。正是由于越來越高的性價比加上體積小、成本低等獨特優(yōu)勢，使得嵌入式芯片在視頻監(jiān)控領域也漸漸擁有了一席之地。

1 系統(tǒng)概述
文中設計的通用視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用TI公司2002年生產(chǎn)的專用多媒體芯片TMS320DM642(簡稱“DM642”)作為處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)4路音視頻同時采集，并支持復雜的音頻視頻壓縮算法(如MPEG4標準)，可以24小時不間斷地進行有聲視頻的采集、回放與存儲。
系統(tǒng)的工作過程如下：系統(tǒng)上電或復位后，從Flash加載程序，完成對芯片的初始化和外圍硬件的配置等工作，之后便開始進行圖像采集。DM642通過I2C口對系統(tǒng)中的其他芯片進行控制，從攝像頭采集到的摸擬視頻信號經(jīng)過視頻解碼器轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號，送入DM642的視頻通道(VP端口)；同步采集到的模擬音頻信號經(jīng)過音頻編解碼器模／數(shù)轉(zhuǎn)換后，送入DM642的音頻通道(McASP端口)。DM642將接收到的數(shù)字視頻信號和數(shù)字音頻信號用MPEG4標準編碼壓縮，再通過DM642擴展出來的ATA接口將數(shù)據(jù)以文件的格式存儲到本地硬盤，供日后調(diào)用。本系統(tǒng)主要由以下幾個模塊組成：DM642模塊、存儲模塊、視頻和音頻模塊、電源模塊等，系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 DM642模塊
DM642基于C64x內(nèi)核，并在其基礎上增加了很多外圍設備和接口，因而在實際工程中的應用更為廣泛和簡便。本系統(tǒng)使用50 MHz晶振作為DsP的外部時鐘輸入，經(jīng)過內(nèi)部鎖相環(huán)12倍頻后產(chǎn)生600MHz的工作頻率。DM642采用了2級緩存結構(L1和L2)，大幅度提高了程序的運行性能。片內(nèi)64位的EMIF(ExternalMemory Interface)接口可以與SDRAM、Flash等存儲器件無縫連接，極大地方便了大量數(shù)據(jù)的搬移。更重要的是，作為一款專用視頻處理芯片，DM642包括了3個專用的視頻端口(VP0～vP2)，用于接收、處理視頻和音頻數(shù)據(jù)，提高了整個系統(tǒng)的性能。此外，DM642自帶的EMAC口以及從EMTF口擴展出來的ATA口，還為處理完成后產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)提供了存儲通道。

3 視頻和音頻模塊
設計中將DM642的VP0、VPl的A通道以及VP2的A、B通道都配置為視頻采集模式，可同時采集4路視頻信號。若要求進行本地回放，則將VP0端口的A通道設置為回放模式，此時最多可采集3路視頻信號。另外，將VP0和VPl的B通道配置成McASP功能，用于音頻處理。DM642與視頻、音頻編解碼芯片之間的數(shù)據(jù)都經(jīng)過這幾個專用的端口進行傳輸，但是對這些芯片的控制則是通過I2C總線實現(xiàn)的。
3.1 視頻輸入部分
采用模擬攝像頭進行視頻數(shù)據(jù)采集，需要使用視頻解碼芯片將采集到的模擬數(shù)據(jù)進行數(shù)字化，然后送給DM642的視頻端口進行處理。這里選用了4片TI公刊生產(chǎn)的TVP150A，與DM642的連接如圖2所示(只給出了1個芯片的連接圖)。

圖2中，TVP5150A的YOUT口與DM642的VPO口直接連接，用于數(shù)據(jù)的傳輸。點陣時鐘線和DM642上VP口的VP0_CLK相連，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r鐘信號。DM642通過I2C總線對TVP5150A內(nèi)部寄存器進行讀寫，達到控制該芯片的目的。
3．2 視頻輸出部分
設計中使用VP0的A通道進行視頻回放。對采集到的數(shù)據(jù)進行回放時需要先將數(shù)字視頻信號重新轉(zhuǎn)化為模擬信號，才能在監(jiān)視器上播放。這種轉(zhuǎn)換由Philips公司生產(chǎn)的SAA712l來完成，視頻回放部分的電路連接圖如圖3所示。

圖3中，DM642的VP0端口向SAA7121的MP口輸出BT．656格式的數(shù)字視頻信號，經(jīng)過SAA712l芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)管理模塊分離出Y信號和Cb、CT信號；然后再送到片內(nèi)相應的模／數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字信號變換為模擬視頻信號；最后由CVBS(復合視頻信號)或者Y、C(S一端子信號)引腳輸出。SAA712l的時鐘信號LLC為27 MHz，由DM642的VP0CLKl提供，而DM642的VP0CLKl則是來自于TVP5150A的SCLK引腳，這就使得視頻的采集和回放達到同步要求。DM642通過I2C接口對SAA7121芯片內(nèi)部的48個寄存器進行配置，實現(xiàn)對該芯片的控制。
3．3 音頻模塊
系統(tǒng)中的音頻編解碼芯片采用的是TI公司的TLV320AIC23B芯片，它包含3個接口：①串行控制接口，與DM642的I2C接口連接；②模擬音頻接口，用于接收來自MICIN／LINEIN的模擬音頻信號，或輸出LINE-OUT的模擬音頻信號；③數(shù)字音頻接口，用于和DM642的McASP端口進行數(shù)據(jù)傳輸。TLV320AIC23B從模擬音頻接口(MICIN／LINEIN)接收音頻信號，進行A／D轉(zhuǎn)換后，把數(shù)字音頻信號通過數(shù)字接口傳送給DM642的McASP進行處理，然后隨同處理后的視頻信號一起保存到本地硬盤。需要回放時，將未經(jīng)過編碼處理后的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)再由McASP傳回給TLV320AIC23B，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后，從模擬音頻接口輸出(LINEOUT)。DM642通過I2C接口對該芯片進行配置和控制，4個TLV320AIC23B芯片在I2C總線上的掛接方式與TVP5150A相同。
3．4 I2C總線
本系統(tǒng)使用了4個視頻解碼芯片、4個音頻編解碼芯片和1個視頻編碼芯片，每個芯片都提供了2個從地址，因此系統(tǒng)只需使用2組I2C總線，就可以完成對4個相同型號芯片的控制。而DM642芯片本身只提供了一個I2C總線接口，所以還需要使用一片2選1切換器SN74CBT3257，使得DM642每次只接收2紐I2C總線中的一組。連接示意圖如圖4所示。

4 存儲模塊
DM642的EMIF、在內(nèi)存中的地址映射分為4個可獨立尋址的空間CE[3：O]，自地址0x80000000起各占256MB。根據(jù)設計中所選用芯片的數(shù)據(jù)寬度等的特點，可以對這4個尋址空間進行配置。其中，CE0空間配置成64位寬度，只用于SDRAM內(nèi)存的映射；CEl空間配置成8位寬度，用于Flash、UART的映射；CE2空間配置成16位寬度，用于ATA寄存器的映射；CE3本設計中未使用，可以作為將來擴展子卡用。擴展示意圖如圖5所示。

5 電源模塊
在系統(tǒng)設計過程中，電源模塊起著舉足輕重的作用。它由2部分組成：供電電路和電源監(jiān)測電路。
5．1 供電電路
整個電路板采用+5 V電壓供電，可以從外部引入，也可以從擴展的PCI接口引入。DM642芯片需要2個獨立的電壓：CPU內(nèi)核電壓CVDD(+l.4V)和外圍I／O電壓DVDD(+3．3V)。這兩個電壓在供電時需要嚴格按照順序進行，即CVDD要比DVDD上電早，至少不能晚于DVDD。設計中采用2片TI公司專為高性能DSP、FPGA、ASIC和微處理器的應用而設計的電源芯片TPS543lO，分別給DM642提供CVDD和DVDD電壓。在電路連接上將TPS54310(1)的PWRGD引腳和TPS54310(2)的SS／EN引腳相連。當(1)的輸出電壓高于1．2 V時，芯片(2)開始工作；當這個值達到穩(wěn)定的+l.4 V后，PWRGD引腳輸出高電平送到芯片(2)的SS／EN引腳。這就保證了CPU內(nèi)核的上電時間早于I／O的上電時間，如圖6(a)所示。

5．2 電源監(jiān)測電路
為了保證DM642芯片在電源未達到要求的電平時，不會產(chǎn)生不受控制的狀態(tài)，而且允許系統(tǒng)中的各個芯片在任意時刻可以通過復位來調(diào)整工作狀態(tài)，這就需要在系統(tǒng)中加入一個電源監(jiān)測電路，如圖6(b)所示。該電路能確保在系統(tǒng)的加電過程中，CVDD和DVDD達到要求的電平之前，DSP始終處于復位狀態(tài)。選用了TI公司生產(chǎn)的TPSS823―33芯片，其固定復位信號時間長達200 ms，能滿足系統(tǒng)中所有芯片的復位需求。芯片帶有一個看門狗電路，通過WDI引腳接收來自CPU的定時信號，避免發(fā)生系統(tǒng)程序跑飛的情況。

結語
DM642具有高速的處理能力以及出色的對外接口能力，這就使其設計出的產(chǎn)品在圖像質(zhì)量、硬件成本、靈活性及產(chǎn)品更新等方面都優(yōu)于專門的視頻編解碼芯片。在數(shù)據(jù)保存方面，系統(tǒng)不僅可以選擇本地保存方式，還可以使用DM642中自帶的EMAC接口將處理后的大量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡保存到服務器，或者通過PCI口將數(shù)據(jù)保存到主機中的硬盤上。這種易于擴展性使用戶在實際使用過程中有了更多的選擇。