基于TMS320DM642的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)設(shè)計

引言

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的解決方案有多種選擇，但是市場主流產(chǎn)品一般選擇兩種方案：(1)采用cpu+asic。(2)采用雙cpu結(jié)構(gòu)，即一個嵌入式cpu和一個專用信號處理芯片dsp。受專用dsp芯片處理能力的限制，現(xiàn)有的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中使用的視頻處理算法基本是h.263以下的標(biāo)準(zhǔn)。

本文介紹一種基于tms320dm642 dsp的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)設(shè)計方案。其操作系統(tǒng)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、音視頻處理軟件均在一顆tms320dm642上實(shí)現(xiàn)，降低了開發(fā)的難度。

ti公司的tms320dm642 (以下簡稱dm642)是一款專門面向多媒體應(yīng)用的專用dsp。該dsp時鐘高達(dá)600mhz，8個并行運(yùn)算單元，處理能力達(dá)4800mips；采用二級緩存結(jié)構(gòu)；具有64位外接存儲器接口；兼容ieee-1149.1(jtag)邊界掃描；為了面向多媒體應(yīng)用，還集成了3個可配置的視頻端口、面向音頻應(yīng)用的mcasp(multi channel audio serial port)、10/100mb/s的以太網(wǎng)mac等外設(shè)。鑒于dm642的上述優(yōu)點(diǎn)，本網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)系統(tǒng)就以dm642為核心，完成音視頻信號的實(shí)時采集、壓縮及傳輸功能。

硬件設(shè)計

傳輸給視頻監(jiān)控中心。監(jiān)控中心可同時監(jiān)視多個現(xiàn)場，接收或發(fā)送報警信號，并根據(jù)需要通過異步串行總線rs-485實(shí)時控制云臺，調(diào)整攝像頭的方向和位置。

視頻采集電路

本系統(tǒng)采用的視頻解碼芯片是philips 公司的saa7115。從模擬視頻輸入口輸入的全電視信號在saa7115內(nèi)部經(jīng)過鉗位、抗混疊濾波、a/d轉(zhuǎn)換、yuv分離電路之后，在yuv到y(tǒng)crcb的轉(zhuǎn)換電路中轉(zhuǎn)換成bt.656視頻數(shù)據(jù)流，輸入到壓縮核心單元dm642中。dm642的3個視頻口vp0、vp1、vp2與視頻編解碼芯片相接。

在本系統(tǒng)中，只有一路視頻輸入，故vp1、vp2端口未用，vp0通道配置為8位bt.656視頻輸入口。視頻數(shù)據(jù)的行/場同步信號包含在bt.656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流的eav(end of active video)和sav(start of active video)時基信號中，視頻口只需視頻采樣時鐘和采樣使能信號即可。saa7115內(nèi)部寄存器參數(shù)的配置和狀態(tài)的讀出通過i2c總線進(jìn)行。視頻接口的原理如圖2所示。

音頻輸入/輸出電路

本系統(tǒng)采用ti的高性能立體聲編解碼器tlv320aic23(以下簡稱aic23)實(shí)現(xiàn)音頻信號的采集和播放。aic23與dm642 的i/o電壓兼容，可以實(shí)現(xiàn)與dm642的mcasp接口無縫連接。

在本系統(tǒng)中，aic23工作于主模式，左右聲道的采樣字寬均為16bit。數(shù)據(jù)接口為dsp mode模式。通過i2c總線設(shè)置內(nèi)部寄存器的工作參數(shù)和反饋狀態(tài)信息。

因為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓逃刑攸c(diǎn)，音頻數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)端到達(dá)監(jiān)控中心不可能是均勻的，如果網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)端不做任何糾正處理，則很難保證音視頻的同步輸出。為了實(shí)現(xiàn)音頻和視頻的采樣同步，本文利用鎖相環(huán)pll1708，從saa7115的llc引腳輸出27mhz時鐘，經(jīng)pll1708產(chǎn)生aic23的主時鐘mclk。由于音視頻采樣信號采用同一個時鐘源，就不會出現(xiàn)音視頻不同步的問題。pll1708的scko3引腳輸出默認(rèn)時鐘頻率18.433mhz，作為aic23的輸入主時鐘mclk。aic23內(nèi)部采用的時鐘可通過設(shè)置寄存器由主時鐘mclk分頻得到。

以太網(wǎng)接口電路

本系統(tǒng)用lxt971作為快速以太網(wǎng)物理層自適應(yīng)收發(fā)器。由于lxt971支持ieee 802.3標(biāo)準(zhǔn)，提供mii(media independent interface)接口，可以支持mac，而dm642內(nèi)部正好集成有以太網(wǎng)媒體存取控制器，所以lxt971可以和dm642實(shí)現(xiàn)無縫連接。連接電路如圖3所示，其中bh1102為1:1的隔離變壓器。從dm642傳輸過來的數(shù)據(jù)通過lxt971轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)物理層能接收的數(shù)據(jù)后，通過rj-45頭傳輸?shù)揭蛱鼐W(wǎng)。

存儲器擴(kuò)展電路

dm642內(nèi)部有16kb的一級程序緩存，16kb的一級數(shù)據(jù)緩存和256kb的程序數(shù)據(jù)共享二級緩存。但這對于直接處理圖像數(shù)據(jù)是不夠的，因此擴(kuò)展了兩片32mb的sdram來存放原始圖像數(shù)據(jù)，4 mb的flash來存放應(yīng)用程序。二者都映射到dm642的外部數(shù)據(jù)空間。

cpld電路

本系統(tǒng)采用的cpld是xilinx公司的xc9572xl。該芯片具有72個宏單元，1600個邏輯門； 5ns pin-to-pin的邏輯延遲； 178mhz的系統(tǒng)頻率。cpld的功能主要是：為flash 、uart和cpld 異步寄存器空間作地址解碼；為flash產(chǎn)生3bit的頁選信號;監(jiān)控來自uart的電平中斷信號，轉(zhuǎn)換為邊沿觸發(fā)中斷信號送給dsp。

rs-485接口電路

該接口連接到攝像機(jī)的云臺，用來控制云臺的轉(zhuǎn)動，調(diào)整攝像頭的方向和位置。rs-485總線抗干擾能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)遠(yuǎn)距離通信。本壓縮卡擬采用uart芯片sc16c550和maxim公司的max487e來實(shí)現(xiàn)rs-485信號的傳輸。sc16c550主要功能是把dsp傳送過來的并行信號轉(zhuǎn)換為串行信號。sc16c550內(nèi)部的接收器和發(fā)送器各有16b的fifo，能處理的串行信號的速率高達(dá)3mbps。max487e是rs-485總線接口芯片，可以工作在全雙工、半雙工模式。傳輸速率可達(dá)2.5mbps。

電源電路

整個壓縮卡用一個5v的直流變壓器供電。由這個5v的電壓器產(chǎn)生1.4v和3.3v電壓分別給dsp內(nèi)核和 i/o端口供電，產(chǎn)生另外一個3.3v給視頻編解碼及其他芯片供電。注意這兩個3.3v電源要分開設(shè)計，以免電源噪聲相互干擾。

為了解決這個問題，本文采用了開關(guān)電源芯片tps54310pwp，把1.4v模塊的電源輸出有效引腳pg(power good)連接到3.3v模塊的允許電壓輸入引腳en

。這樣，只有當(dāng)1.4v電壓有效之后，3.3v電壓才開始上電，這就保證了dm642的內(nèi)核電壓先于i/o電壓上電。

軟件設(shè)計

在本系統(tǒng)中，圖像壓縮采用h.264標(biāo)準(zhǔn)。h.264具有很高的編碼效率，在相同的重建圖像質(zhì)量下，能夠比h.263節(jié)約50%左右的碼率。h.264的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)，增加了差錯恢復(fù)能力，能夠很好地適應(yīng)ip和無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。音頻編解碼采用g.729算法。網(wǎng)絡(luò)傳輸采用rtp/rtcp協(xié)議以及組播方式，這樣可以保證傳送的質(zhì)量。在操作系統(tǒng)方面，采用基于dsp/bios 的ti 參考架構(gòu)5(rf5)。基于rf5操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序模塊主要包括：音視頻采集模塊、壓縮編碼模塊、uart控制模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊?！　?/p>

結(jié)語

本方案能在一顆dm642芯片上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的幾乎全部功能，能對音視頻進(jìn)行實(shí)時的編解碼和實(shí)時的網(wǎng)絡(luò)傳輸。圖像質(zhì)量高、開發(fā)難度低、易于升級，是一種比較理想的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)解決方案，可廣泛應(yīng)用于視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。