基于DSP的視頻圖像語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,視頻圖像和語(yǔ)音數(shù)字化處理在軍事、科研、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。早期的糧情監(jiān)測(cè)主要是基于對(duì)糧倉(cāng)溫度、濕度的采集觀測(cè)。隨著糧情系統(tǒng)的進(jìn)一步完善,人們提出了更高要求,希望對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像語(yǔ)音監(jiān)控,進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)蟲害和火災(zāi)觀測(cè)和預(yù)防。本文所采用的基于TMS320C6201的視頻圖像語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)就是應(yīng)用于糧情的監(jiān)測(cè),在滿足以上要求的前提下設(shè)計(jì)完成的。

　　圖像語(yǔ)音的壓縮傳輸系統(tǒng)有二種基本的實(shí)現(xiàn)方法:一種是基于微機(jī)實(shí)現(xiàn),圖像語(yǔ)音處理系統(tǒng)通過(guò)PCI總線以插卡的形式集成在微機(jī)系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)通過(guò)PCI總線或卡上所帶的接口進(jìn)行交換和傳輸;另一種是脫離了微機(jī)而獨(dú)立運(yùn)行,利用微處理芯片對(duì)圖像語(yǔ)音進(jìn)行數(shù)字化壓縮傳輸。本文介紹的設(shè)計(jì)采用了后一種方法。

　　1 系統(tǒng)的組成和基本原理

　　一個(gè)完整的視頻圖像語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)不但要具備對(duì)圖像語(yǔ)音信號(hào)的采集功能,還要求完成對(duì)采集上來(lái)的圖像語(yǔ)音信號(hào)的分析及處理算法(如圖像壓縮等),最后采用一定的媒質(zhì)將處理好的信號(hào)傳輸?shù)浇K端主機(jī)顯示。視頻圖像語(yǔ)音信號(hào)的分析及處理算法的運(yùn)算量很大,同時(shí)又要滿足實(shí)時(shí)顯示的要求,因此采用了高速DSP芯片作為數(shù)據(jù)核心的處理單元。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

　　2 硬件結(jié)構(gòu)

　　2.1 模擬視頻輸入接口設(shè)計(jì)

　　(1)視頻采樣要求。模擬視頻輸入接口電路的作用是對(duì)輸入的模擬視頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,并將其數(shù)字化。視頻采樣有2個(gè)重要指標(biāo):采樣分辨率和采樣頻率。采樣分辨率代表圖像灰度量化的等級(jí),位數(shù)越多,圖像層次越豐富,同時(shí)圖像數(shù)據(jù)量也越大;采樣頻率決定可數(shù)字化后圖像的空間分辨率,為了不失真,它必須大于模擬視頻信號(hào)的頻譜中最高頻率的2倍。另外,還要求模擬視頻輸入接口所引入的系統(tǒng)噪聲最小。DSP模擬視頻輸入接口的原理框圖如圖2所示。

　　(2)模擬視頻解碼模塊。視頻解碼模塊的作用是將復(fù)合視頻、YC分量等模擬視頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,提取其中的同步和時(shí)鐘信號(hào),所有轉(zhuǎn)換電路均集中在一塊芯片內(nèi)。根據(jù)以上要求,選擇Philips公司生產(chǎn)的可編程的數(shù)字視頻A/D變換器SAA7111A,它有4路模擬輸入和2路模擬信號(hào)處理通道,可以通過(guò)編程選擇信號(hào)制式。輸出信號(hào)可以是YUV411(12位)、YUV422(16位)、YUV422(CCIR-656)(8位)、RGB(5、6和5)(16位)或RGB(8、8和8)(24位)格式。系統(tǒng)通過(guò)I2C總線對(duì)SAA7111A編程,完成初始配置工作。來(lái)自攝像頭的模擬信號(hào),首先在模擬信號(hào)控制下,進(jìn)行信號(hào)箝位、模擬放大、反混淆濾波、A/D轉(zhuǎn)換,然后將得到的8位亮度信號(hào)和8位色度信號(hào)分別送往亮度處理電路和色度處理電路進(jìn)行處理,產(chǎn)生16位的YUV信號(hào)。Y(7:0)為8位數(shù)字亮度信號(hào),UV(7:0)為不同顏色(B-Y和R-Y)復(fù)用信號(hào)。信號(hào)輸出格式由I2C總線控制(YUV信號(hào)輸出格式由I2C總線控制電路決定),幀時(shí)序由HREF信號(hào)控制。在系統(tǒng)中將采用帶有I2C接口的、與51系列兼容的單片機(jī)T89C51IC2對(duì)SAA7111A進(jìn)行控制,即對(duì)模擬視頻前端SAA7111A的采樣率、箝位電平、鎖相環(huán)等進(jìn)行編程設(shè)置,以使整個(gè)視頻輸入接口電路按照預(yù)先設(shè)計(jì)的方式工作。

　　(3)采用FIFO作為實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)輸入緩沖器。從性能上來(lái)說(shuō),普通型的幀存儲(chǔ)體在采集的同時(shí)不能讀取采集數(shù)據(jù)。雖然采用雙端口RAM也可以解決并發(fā)訪問(wèn)的問(wèn)題,但它所必需的地址譯碼和占用大段的主存儲(chǔ)器映射空間(或繁雜的頁(yè)面切換)是不可忽視的實(shí)際問(wèn)題。從對(duì)采集到的數(shù)據(jù)的處理方式可以看出,對(duì)于單純采集應(yīng)用(不需要對(duì)數(shù)據(jù)做諸如疊加等預(yù)處理工作),其系統(tǒng)緩存單元在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于先進(jìn)先出(FIFO)隊(duì)列,即按信號(hào)時(shí)間順序先采集的數(shù)據(jù)先被主處理芯片讀取及處理。所以采用專門的FIFO芯片可去掉復(fù)雜的緩存器幀內(nèi)地址譯碼電路,大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。FIFO(IDT72V3640)用于向TMS320C6201傳輸經(jīng)SAA7111A轉(zhuǎn)換后的16位實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)VPO(0:15)。FIFO不存在地址線的問(wèn)題,所以不用連接地址線。

　　2.2 音頻編解碼器的選取

　　采用Crystal公司的CS4231A芯片作為核心音頻編碼解碼器(CODEC)模塊。CS4231A多媒體芯片為系統(tǒng)提供一個(gè)靈活、通用的音頻前端。它是一個(gè)16位立體聲器件,包含完整的片上濾波、模擬混音和可編程控制的增益和衰減調(diào)節(jié)。CS4231A支持8、9.6、11.025、16、22.05、32、44.1、48kHz等通用的采樣頻率,如此寬范圍的采樣頻率可以適應(yīng)從電信到音頻的各種應(yīng)用需求。CS4231A采用頻率分別為16.9344MHz和24.576MHz的2個(gè)晶振來(lái)作為采樣頻率的時(shí)鐘源。

　　CS4231A同時(shí)提供了并行和串行接口,支持DMA及中斷工作方式,因而可以通過(guò)多種方式與DSP進(jìn)行連接。這里采用的是其中最有效的方式:即串行接口傳輸音頻數(shù)據(jù),并行接口傳輸控制信息。CS4231A使用與DSP的McBSP(多通道緩存串行口)相兼容的串行音頻數(shù)據(jù)接口,這種接口方式為串行音頻數(shù)據(jù)提供了一個(gè)專用通道而不必占用DSP的EMIF的帶寬。在串行數(shù)據(jù)流中,CS4231A先傳輸左聲道數(shù)據(jù)然后傳輸右聲道數(shù)據(jù),并且傳輸時(shí)高位在前(與McBSP的工作方式相兼容)。CS4231A串口通過(guò)多路復(fù)用芯片CBT3257的4個(gè)2選1復(fù)用器連接到DSP的McBSP,這一設(shè)置使McBSP可以與板上的CS4231A相連,也可以在任一時(shí)刻與自己的具體應(yīng)用子板相連。CS4231A包含1個(gè)8位寬度的并行控制/狀態(tài)接口,通過(guò)把接口寄存器映射到DSP的EMIF空間來(lái)進(jìn)行控制和狀態(tài)讀取。這樣就使控制接口和音頻數(shù)據(jù)相分離,避免了在單個(gè)碼流上的信號(hào)復(fù)用,簡(jiǎn)化了軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。CS4231A是5V器件,DSP是3.3V器件,它們相互連通后得并行控制信號(hào),并且必須通過(guò)總線收發(fā)器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。

　　CODEC模塊支持線性和話筒的多路輸入:音頻的放大器用來(lái)對(duì)話筒輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)防和濾波;線性輸入經(jīng)過(guò)無(wú)源濾波、交流耦合送入CS4231A,輸入插座可以用來(lái)連接立體聲源,通過(guò)軟件可以獨(dú)立控制左、右輸入聲道的選擇和各自的增益。CODEC還包含一個(gè)可通過(guò)DSP軟件控制衰減的線性輸出。

　　2.3 系統(tǒng)擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)

　　(1)程序存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)預(yù)置。由于對(duì)不同的成像條件,要求其視頻運(yùn)動(dòng)估算和圖像處理算法能夠自動(dòng)適應(yīng),所以必須存儲(chǔ)多種算法備選。因此要求選用大容量的存儲(chǔ)器或者多片小容量的存儲(chǔ)器。片外8位或16位的程序存儲(chǔ)器必須配置在TMS320C6201EMIF(外存接口)的CE1空間。這是因?yàn)?①系統(tǒng)復(fù)位后只能從CE1載入引導(dǎo)程序。②EMIF的4個(gè)存儲(chǔ)空間中,只有CE1可以與8位或16位的“窄存儲(chǔ)空間”接口。根據(jù)預(yù)存程序和數(shù)據(jù)的大小估計(jì),采用相應(yīng)容量的Flash ROM。

　　(2)采用SDRAM擴(kuò)充系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元。在高速DSP視頻處理系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的作用是暫存圖像數(shù)據(jù)。而高速DSP器件TMS320C6201的片上數(shù)據(jù)RAM只有3Mb,無(wú)法保證大量數(shù)據(jù)的處理,因此必須擴(kuò)充片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。其原因是:①系統(tǒng)對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量要求。假如圖像要求分辨率為320×240,每個(gè)采樣點(diǎn)的灰度層為8位,則1幀單色圖像所占的的存儲(chǔ)空間為256KB,三色圖像為3×256KB。如果處理算法涉及到n幀圖像,存儲(chǔ)空間就為n倍。一般情況下,DSP視頻處理系統(tǒng)工作時(shí)允許在多種算法之間進(jìn)行選擇,它所要求的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量應(yīng)該以涉及到幀數(shù)最多的算法來(lái)估計(jì)。②視頻圖像處理過(guò)程中圖像數(shù)據(jù)的存放安排。根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn),在內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM和片外數(shù)據(jù)RAM的構(gòu)成中,為了獲得較快的處理速度,必須注意數(shù)據(jù)的存放位置。這里,針對(duì)視頻圖像處理算法的性質(zhì)給出存放數(shù)據(jù)的原則是:(a)幀內(nèi)處理算法。處理時(shí)所用到的只是當(dāng)前幀的一部分?jǐn)?shù)據(jù)。需要存放的數(shù)據(jù)量很小,此時(shí)待處理以及已處理的視頻數(shù)據(jù)可以同時(shí)存放于片上RAM。(b)幀間處理算法。涉及到的數(shù)據(jù)量超過(guò)2幀以上時(shí),則待處理的數(shù)據(jù)及處理過(guò)的數(shù)據(jù)均存于SDRAM,片內(nèi)RAM只存放運(yùn)算的中間結(jié)果。(c)片上數(shù)據(jù)的存放應(yīng)注意地址的沖突問(wèn)題。③SDRAM型號(hào)的選取。出于為系統(tǒng)圖像壓縮處理充分預(yù)留空間的需要,選用型號(hào)為MT48LC8M16A2(16MB)的SDRAM,根據(jù)DSP數(shù)據(jù)線為32位寬,選用2片MT48LC8M16A2進(jìn)行擴(kuò)展,總的擴(kuò)展存儲(chǔ)容量為32MB。

　　2.4 系統(tǒng)以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)作為傳輸介質(zhì)。但目前還未有自帶以太網(wǎng)接口的DSP。所以采用以太網(wǎng)控制器RTL8019AS與DSP構(gòu)成以太網(wǎng)互連接口。

　　RTL8019AS是臺(tái)灣Realtek公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制器,支持IEEE802.3;支持8位或16位數(shù)據(jù)總線;內(nèi)置16KB的SRAM,用于收發(fā)緩沖;全雙工,收發(fā)同時(shí)達(dá)到10Mbps;支持10Base5、10Base2、10BaseT,并能自動(dòng)檢測(cè)所連接的介質(zhì),在ISA總線網(wǎng)卡中占有相當(dāng)比例。RTL8019AS與主機(jī)有3種接口模式:跳線模式、PnP模式和RT模式。

　　為了簡(jiǎn)化DSP網(wǎng)絡(luò)接口的軟、硬件設(shè)計(jì),不使用遠(yuǎn)程自舉加載功能,并且選用跳線接口模式。用DSP的擴(kuò)展I/O口代替跳線器對(duì)RTL8019AS進(jìn)行初始化配置。這樣既省去了93C46的功能,又避免了跳線器更改資源配置的麻煩。RTL8019AS的總線接口與ISA總線兼容。雖然不能與DSP的外部總線直接接口,但是只要進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的邏輯變換就可以實(shí)現(xiàn)直接接口。另外,DSP的總線電平為3.3V,而RTL8019AS的接口電平為5V,因此二者接口時(shí)要使用電平轉(zhuǎn)換器。

　　2.5 電源模塊及復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

　　TMS320C6201的電源采用2種電壓供電:即內(nèi)核電壓1.8V,I/O電壓3.3V。DSP對(duì)這2個(gè)電壓有上電順序的要求,要求內(nèi)核電源(CVdd)先于I/O電源(DVdd)上電。為此在電源模塊的選用上,采用二套電源模塊,通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)構(gòu)成互補(bǔ)模式,這樣就能夠保證系統(tǒng)在一套電源模塊失效時(shí)還能夠繼續(xù)工作,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。這二套電源模塊分別是:PT公司針對(duì)TI公司的DSP生產(chǎn)的電源模塊PT6405B(5V～3.3V)和PT6502B(5V～1.8V),該類型的電源模塊具有穩(wěn)定、額定電流大(3A)等優(yōu)點(diǎn);另一套是由MAXIM公司生產(chǎn)的、采用帶有同步整流器的DC-DC轉(zhuǎn)換器MAX1742(輸出電流1A)和MAX1644(輸出電流2A),配合適當(dāng)?shù)耐鈬娐贩謩e對(duì)DSP的I/O和內(nèi)核供電。

　　為了保證TMS320C6201芯片在電源低于要求的電平時(shí)不會(huì)產(chǎn)生不受控制的狀態(tài),系統(tǒng)中應(yīng)加入電源監(jiān)控電路,以確保DSP在系統(tǒng)加電過(guò)程中及電源電壓低于一定門限值時(shí)始終處于復(fù)位狀態(tài)。監(jiān)控電路采用TI公司的TPS3307-33d(它還可接一手動(dòng)復(fù)位開(kāi)關(guān))。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)的基于TMS320C6201的視頻圖像語(yǔ)音傳輸系統(tǒng),與采用專用芯片加FPGA構(gòu)成的系統(tǒng)比較,其硬件性能有了很大的提高。在軟件實(shí)現(xiàn)上也更加靈活多樣、修改方便。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,可靠性高,實(shí)時(shí)性強(qiáng),能夠廣泛地運(yùn)用于軍事、科研、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。