基于DM642的多通道視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

謝晶

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和視頻壓縮技術(shù)的日益成熟，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)攝像在視頻監(jiān)控領(lǐng)域越來越受到人們的關(guān)注。目前，傳統(tǒng)的視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集的視頻信號(hào)通過圖像采集卡直接傳給PC機(jī)，PC機(jī)通過相應(yīng)的圖像處理軟件對輸入的圖像進(jìn)行壓縮、特征提取等處理。這種方法不僅成本高，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性也差。

TI公司推出的DM642是一款專門用于圖像處理和傳輸?shù)母咝阅苄酒?，它具?路圖像輸入/輸出端口、EMAC[1]（以太網(wǎng)）接口模塊，以及高速的運(yùn)算能力和靈活的指令集，非常適合實(shí)時(shí)圖像處理和視頻監(jiān)控以及遠(yuǎn)程傳輸。本文正是利用DM642的這些優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多通道視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用SEED(合眾達(dá))公司推出的SEED_TDK_VPM642開發(fā)箱作為試驗(yàn)平臺(tái)，搭建多通道視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對圖像的傳輸與處理。

1 系統(tǒng)的整體架構(gòu)的介紹

圖1所示為整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，由DSP開發(fā)板、攝像頭和顯示器組成一個(gè)子模塊，再由5個(gè)同樣的子模塊與主機(jī)通過Ethernet組成一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)子模塊各分配一個(gè)IP地址，主機(jī)通過IP[2]地址可以訪問每個(gè)子模塊，實(shí)時(shí)顯示每個(gè)DSP采集和處理的圖像信息。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。該系統(tǒng)以DM642為核心,由視頻輸入模塊、視頻輸出模塊、以太網(wǎng)通訊模塊、存儲(chǔ)器模塊和電源模塊等組成。由攝像頭采集的4路視頻信號(hào)經(jīng)過TVP5150解碼后送入到VP1和VP2兩個(gè)視頻輸入口，解碼芯片將PAL格式的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為BT.656視頻流，BT.656數(shù)據(jù)信號(hào)通過DM642的VP口傳輸給DSP。DSP通過EDMA的方式將接收的視頻信號(hào)傳輸至SDRAM儲(chǔ)存。DSP一方面從SDRAM中讀取視頻信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理(如進(jìn)行JPEG壓縮、特征提取、識(shí)別等)，另一方面將處理過的信號(hào)通過EMAC(以太網(wǎng))接口傳輸給 PC機(jī)，與此同時(shí)，DSP還通過視頻輸出口將采集的視頻圖像在顯示器上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，以隨時(shí)觀測采集的圖像信息。Host PC機(jī)通過以太網(wǎng)接收DSP傳輸?shù)囊曨l信號(hào)和相關(guān)的檢測結(jié)果，實(shí)時(shí)顯示遠(yuǎn)程的圖像信息，同時(shí)將圖像和檢測的結(jié)果存儲(chǔ)到硬盤中方便用戶隨時(shí)進(jìn)行調(diào)用分析。

2.1 視頻采集模塊的設(shè)計(jì)

視頻采集模塊中的TVP5150是TI公司推出的一款超低功耗，支持自動(dòng)識(shí)別NTSC/PAL/SECAM制式的視頻解碼芯片[3]，具有體積小、價(jià)格低、使用方便等特點(diǎn)。本系統(tǒng)中采用了PAL制式[4]的CCD攝像頭,所以PAL制式的模擬信號(hào)送到TVP5150后，需按照YCbCr4:2:2的格式將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以8 bit內(nèi)嵌同步信號(hào)ITU-RBT.656[5]格式輸出。由于DM642的一個(gè)視頻輸入口接收2路視頻輸入信號(hào)，故采用最簡單的ITU-RBT.656連接方式，即不需要水平、垂直、場同步信號(hào)。TVP5150的數(shù)據(jù)輸出口 YOUT[7:0]與 VPxD[9:2]相連，時(shí)鐘同步信號(hào)SCLk與視頻輸入口的一個(gè)VPx_CTK0相連，SCL和SDA與DSP的I2C總線[5]相連。TVP5150的GPCL引腳用作VP口的CAPEN，以控制視頻數(shù)據(jù)流的采集，當(dāng) GPCL為“1”時(shí)，允許 VP口對輸入的視頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行采集；當(dāng)GPCL為“0”時(shí)，禁止對輸入的視頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行采集。TVP5150與DSP的連接硬件圖如圖3所示。

TVP5150作為DM642的從設(shè)備，最多可以配備2個(gè)不同的從地址,一條I2C總線總能同時(shí)訪問 2個(gè) TVP5150配置口,而seed_VPM642模板上有4個(gè)TVP5150，所以用總線切換的方式將I2C分為2組，如圖4所示。其中GP0[0]來控制 I2C總線的切換，當(dāng) GP0[0]為 0時(shí)，選擇第 1、2通道的 TVP5150；當(dāng) GP0[0]為 1時(shí)，選擇第 3、4通道的TVP5150。

2.2 視頻回放模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Phillip公司的SAA71721H作為視頻輸出的編碼芯片，支持NTSC/PAL制式的視頻編碼，其輸入支持BT.656格式的數(shù)字信號(hào)。SAA7121H與DSP的連接圖如圖5所示。

符合BT.656標(biāo)準(zhǔn)的YCbCr4:2:2數(shù)字信號(hào)從DM642的 VP0[9:2]輸出送至 SAA7121H的 Min[7:0]中，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換為模擬的視頻信號(hào)輸出顯示。DM642的VP0TCTL0、VP0TCTL1分別作為水平控制信號(hào)和垂直控制信號(hào)，與SAA7121H的RCV1和RCV2相連。在進(jìn)行視頻編碼前，DSP通過I2C總線引腳的SCL和SDA對SAA7121H進(jìn)行配置。

2.3 以太網(wǎng)接口電路的設(shè)計(jì)

DM642中 PCI、HPI和 EMAC的接口引腳是復(fù)用的，由于本硬件系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞?，故使用EMAC（以太網(wǎng)）的功能。通過軟件配置將EMAC_EN拉高、PCI_EN拉低即可配置為EMAC方式。DM642的EMAC提供數(shù)據(jù)鏈路層的功能，因此，只需要利用一塊物理層的網(wǎng)絡(luò)芯片（以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器），將網(wǎng)絡(luò)變壓器與Internet相連，便可構(gòu)成10/100 Mb的自適應(yīng)以太網(wǎng)接口。

以太網(wǎng)連接圖如圖6所示，本系統(tǒng)采用Broadcom公司的BCM5221作為10/100Base-Tx以太網(wǎng)收發(fā)器，BCM5221的 MII接口(傳媒無關(guān)接口)與 DM642的 MII接口對接即可。此網(wǎng)絡(luò)的主要接口特性與功能包括以下幾點(diǎn)：符合IEEE802.3及TCP/IP協(xié)議；支持傳媒無關(guān)接口；8個(gè)獨(dú)立的接收和發(fā)送通路；同步10/100 Mbit的數(shù)據(jù)操作；廣播及多幀的發(fā)送。

2.4 電源模塊的設(shè)計(jì)

該硬件系統(tǒng)需要高精度、高穩(wěn)定的雙電源來供電,以保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本系統(tǒng)使用了一個(gè)5 V電源來驅(qū)動(dòng) 2片電壓調(diào)整芯片[3]（TPS54310），產(chǎn)生內(nèi)部核心電源CVDD為1.4 V和外部電壓 DVDD為3.3 V。TI公司提供的TPS54310輸出精度為1%，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)TPS76703XX電壓監(jiān)測芯片，一旦電壓低于一定門限值(88%)，就強(qiáng)制系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。TVP5150解碼芯片需要1.8 V的供給電壓，本系統(tǒng)采用Sipex公司的SPX3819-18電源轉(zhuǎn)換芯片，將3.3 V轉(zhuǎn)換為1.8 V。由于1塊該芯片能驅(qū)動(dòng)4塊TVP5150，所以只要1塊芯片就可滿足要求。

3 系統(tǒng)的性能與應(yīng)用前景

TMS320DM642是TI公司專用于數(shù)字圖像處理的高速處理芯片，它具有體積小、成本低、高速的處理能力和豐富的外圍接口、便于擴(kuò)展和維護(hù)等特點(diǎn)，它可以同時(shí)支持4路視頻信號(hào)的采集、處理、壓縮、通過以太網(wǎng)傳輸、顯示等功能，該硬件系統(tǒng)正逐步應(yīng)用到日常生活中。

憑借強(qiáng)大的程序移植功能，可以向DM642中寫入人臉識(shí)別算法、字符檢測等算法來實(shí)現(xiàn)客流量統(tǒng)計(jì)、車牌字符識(shí)別和視頻監(jiān)控[6]等功能。同時(shí)也可以與ARM操作系統(tǒng)相結(jié)合，增加對硬盤的操作，實(shí)現(xiàn)本地視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的成本。

[1]Texas Intruments.TMS320C6000 DSP ethernet media access controller(EMAC)/management data input/output(MDIO)module reference guide[R].U.S:SMSC Inc,2004.

[2]Texas Instruments.TMS320C6000TCP/IP network developer’s kit NDK user’s guide[R].U.S:SMSC Inc,2003.

[3]魏振宇，張旭東.一種新的數(shù)字信號(hào)處理器媒體處理器DM642[J].世界電子元器件,2004(6):28-29.

[4]韓非，胡春梅，李偉.TM320C6000系列DSP開發(fā)應(yīng)用技巧[M].北京：中國電力出版社,2008.

[5]劉瓊，安濤，金鋼.基于DM642視頻采集處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(11-2):180-182.

[6]劉源，朱善海，葉旭東.基于DM642的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[J].電子器件,2006,29(3):905-908.