基于DSP的視頻采集存儲系統(tǒng)的研究與設(shè)計

數(shù)字圖象處理技術(shù)在電子通信與信息處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，設(shè)計一種功能靈活、使用方便、便于嵌入到系統(tǒng)中的視頻信號采集電路具有重要的實用意義。
　　在研究基于DSP的視頻監(jiān)控系統(tǒng)時，考慮到高速實時處理及實用化兩方面的具體要求，需要開發(fā)一種具有高速、高集成度等特點的視頻圖象信號采集系統(tǒng)，為此系統(tǒng)采用專用視頻解碼芯片和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)構(gòu)成前端圖象采集部分。設(shè)計上采用專用視頻解碼芯片，以CPLD器件作為控制單元和外圍接口，以FIFO為緩存結(jié)構(gòu)，能夠有效地實現(xiàn)視頻信號的采集與讀取的高速并行，具有整體電路簡單、可靠性高、集成度高、接口方便等優(yōu)點，無需更改硬件電路，就可以應(yīng)用于各種視頻信號處理系統(tǒng)中。使得原來非常復(fù)雜的電路設(shè)計得到了極大的簡化，并且使原來純硬件的設(shè)計，變成軟件和硬件的混合設(shè)計，使整個系統(tǒng)的設(shè)計增加柔韌性。

　　1 系統(tǒng)硬件平臺結(jié)構(gòu)
　　系統(tǒng)平臺硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)分為兩部分，分別是圖象采集系統(tǒng)和基于DSP主系統(tǒng)。前者是一個基于SAA7110A/SAA7110視頻解碼芯片，由復(fù)雜可編程邏輯芯片CPLD實現(xiàn)精確采樣的高速視頻采集系統(tǒng)；后者是通用數(shù)字信號處理系統(tǒng)，它主要包括：64K WORD程序存儲器、64K WORD數(shù)據(jù)存儲器、DSP、時鐘產(chǎn)生電路、串行接口及相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換電路等。
　　系統(tǒng)的工作流程是，首先由圖象采集系統(tǒng)按QCIF格式精確采集指定區(qū)域的視頻圖象數(shù)據(jù)，暫存于幀存儲器FIFO中；由DSP將暫存于FIFO中的數(shù)據(jù)讀入DSP的數(shù)據(jù)存儲器中，與原先的幾幀圖象數(shù)據(jù)一起進行基于H.263的視頻數(shù)據(jù)壓縮；然后由DSP將壓縮后的視頻數(shù)據(jù)平滑地從串行接口輸出，由普通MODEM或ADSL MODEM傳送到遠端的監(jiān)控中心，監(jiān)控中心的PC機收到數(shù)據(jù)后進行相應(yīng)的解碼，并將還原后的視頻圖象進行顯示或進行基于WEB的廣播。

　　2 視頻信號采集系統(tǒng)
　　2.1 視頻信號采集系統(tǒng)的基本特性
　　一般的視頻信號采集系統(tǒng)一般由視頻信號經(jīng)箝位放大、同步信號分離、亮度/色度信號分離和A/D變換等部分組成，采樣數(shù)據(jù)按照一定的時序和總線要求，輸出到數(shù)據(jù)總線上，從而完成視頻信號的解碼，圖中的存儲器作為幀采樣緩沖存儲器，可以適應(yīng)不同總線、輸出格式和時序要求的總線接口。
　　視頻信號采集系統(tǒng)是高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個特例。過去的視頻信號采集系統(tǒng)采用小規(guī)模數(shù)字和模擬器件，來實現(xiàn)高速運算放大、同步信號分離、亮度/色度信號分離、高速A/D變換、鎖相環(huán)、時序邏輯控制等電路的功能。但由于系統(tǒng)的采樣頻率和工作時鐘高達數(shù)十兆赫茲，且器件集成度低，布線復(fù)雜，級間和器件間耦合干擾大，因此開發(fā)和調(diào)試都十分困難；另一方面，為達到精確采樣的目的，采樣時鐘需要和輸人的視頻信號構(gòu)成同步關(guān)系，因而，利用分離出來的同步信號和系統(tǒng)采樣時鐘進行鎖相，產(chǎn)生精確同步的采樣時鐘，成為設(shè)計和調(diào)試過程中的另一個難點。同時，通過實現(xiàn)亮度、色度、對比度、視頻前級放大增益的可編程控制，達到視頻信號采集的智能化，又是以往系統(tǒng)難以完成的。關(guān)于這一點，在系統(tǒng)初期開發(fā)過程中已有深切體會[1]。
　　基于以上考慮，本系統(tǒng)采用了SAA7110A作為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的輸入前端視頻采樣處理器。
　　2.2 視頻圖象采集系統(tǒng)設(shè)計
　　SAA7110/SAA7110A是高集成度、功能完善的大規(guī)模視頻解碼集成電路[2]。它采用PLCC68封裝，內(nèi)部集成了視頻信號采樣所需的2個8bit模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，時鐘產(chǎn)生電路和亮度、對比度、飽和度控制等外圍電路，用它來替代原來的分立電路，極大地減小系統(tǒng)設(shè)計的工作量，并通過內(nèi)置的大量功能電路和控制寄存器來實現(xiàn)功能的靈活配置。SAA7110/SAA7110A可應(yīng)用的范圍包括桌面視頻、多媒體、數(shù)字電視機、圖象處理、可視電話、視頻圖象采集系統(tǒng)等領(lǐng)域。
　　SAA7110/SAA7110A的控制總線接口為I2C總線。SAA7110/SAA7110A作為I2C總線的從器件，根據(jù)SA管腳的電平，器件的讀寫地址可以分別設(shè)置為9CH/9DH(W/R，SA=0)或9DH／9FH(W/R，SA=1)。其內(nèi)部共計47個寄存器，分別控制解碼器(00H～19H)和視頻接口(20H～34H)。通過I2C總線讀、寫片內(nèi)的上述寄存器，可以完成輸入通道選擇、電平箝位和增益控制、亮度、色度和飽和度控制等功能。
　　但是，有一個問題必須解決，那就是DSP芯片沒有內(nèi)置I2C總線接口，為此，本系統(tǒng)提出并采用了對DSP芯片的兩個可編程I/O引腳進行軟件仿真來實現(xiàn)I2C總線控制的方法。由于受C2000程序存儲空間最大僅有64KB的限制，為了減小I2C總線控制仿真軟件的規(guī)模，仿真軟件全部用匯編語言完成，因而給本系統(tǒng)的設(shè)計帶來了相當?shù)碾y度和工作量。

　　3 系統(tǒng)實驗與仿真
　　在實時系統(tǒng)的設(shè)計中，同步與精確采樣是兩個至關(guān)重要的問題，它們直接關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)計的成敗。
　　由于SAA7110A輸出的兩個時鐘信號LCC和LCC2與采樣時鐘和數(shù)據(jù)輸出時鐘同步，因而可以作為采樣數(shù)據(jù)接口控制子系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲控制的時鐘和完成各種功能的同步時鐘，系統(tǒng)不需要再生成或采用另外的時鐘信號，從而避免了外部時鐘、采樣時鐘和視頻信號相互間的同步和鎖相問題，既保證了整個系統(tǒng)的同步，又極大地降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度。由SAA7110A輸出的行有效信號HREF、行同步信號HS、場同步信號VS、奇偶場信號ODD，以及系統(tǒng)采樣時鐘LCC和二分之一分頻時鐘LCC2等經(jīng)過處理，可以獲得當前采樣位置信息，并與產(chǎn)生幀存儲器地址、片選和寫控制信號一起實現(xiàn)采樣的時間、空間位置和精度的要求。
　　根據(jù)DSP芯片的讀時序(如圖2所示)、寫時序、SAA7110A芯片HREF信號時序、Vertical信號時序(如圖3所示)和Horizontal信號時序的要求，按照采集QCIF(176×144)格式圖象的需要，設(shè)計了CPLD精確采樣的時序邏輯(如圖4所示)。

　　(b)
　　圖4　CPLD時序仿真圖
　　(a) CPLD精確采樣的時序邏輯；(b) 對上圖(b)進行32倍放大
　　從圖4得到的CPLD后時序仿真結(jié)果來看，完全達到了預(yù)定的精確采樣要求。真正地實現(xiàn)了具有正確比例關(guān)系的精確采樣，效果良好。

　　4 結(jié)論
　　在基于DSP的視頻圖象采集系統(tǒng)設(shè)計中，采用視頻專用解碼A/D芯片和復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD進行控制和接口部分設(shè)計能夠有效地實現(xiàn)視頻信號的采集與讀取的高速并行，具有整體電路簡單、可靠性高、集成度高、接口方便等優(yōu)點，無需更改硬件電路，就可以應(yīng)用于各種視頻信號處理系統(tǒng)中。使得原來非常復(fù)雜的電路設(shè)計得到了簡化，使整個系統(tǒng)的設(shè)計增加柔韌性。