基于TMS320的数字视频采集卡设计

传统的数字视频采集卡通常只具备视频采集功能，而不具备视频处理功能。介绍了一块基于TI公司C6000系列DSP芯片的数字视频采集卡的设计，该卡具备自主的数字视频处理功能，通过PCI接口与主机通信。
 

系统组成

如图1所示，本文所述数字视频采集卡由以下5个部分组成：

图1 采集卡系统组成框图

（1）高速视频采集单元，主要完成模拟视频信号到数字视频信号的变换；

（2）数据交换单元，由FPGA和双口RAM构成，采用包交换技术，完成数字视频数据向DSP的传送；

（3）DSP及其外围接口电路，包括EMIF接口、McBSP接口、HPI接口、PLL时钟接口、DMA接口、JTAG接口、电源监控等；

（4）DSP与PCI总线的桥接单元，主要完成DSP与上位机的通信；

（5）双供电模式的电源部分。

下面将对系统各个部分的设计分别进行介绍。

系统设计实现

高速视频采集单元
模拟视频信号是一类比较复杂的模拟信号，信号中包含了像素的亮度信息，色彩同步信息和行、场同步信息。要实现正确的图像采集，必须从复合的视频信号中正确地分离出各种信号，并利用其中的同步信号控制A/D转换过程，从而实现正确的图像采集。

如图2所示，在硬件设计上有2种实现方案：

图2 A/D采样方案

（1）采用通用A/D器件+同步信号分离器件；

（2）采用专用的视频A/D转换芯片。

方案1的实现电路较复杂，本文的设计采用了第2种方案，以PHILIP公司的视频采集芯片SAA7111为核心构成转换电路。

数据交换单元
在实时视频图像处理系统中，数据的吞吐量是很大的，大量的视频图像数据被实时采集、传输、处理。因此，在系统设计中，数据的传输设计是非常重要的。在本系统的设计中，利用FPGA和双口RAM实现了一种包交换的数据传输方式，如图3所示。

图3 FPGA及双口RAM

在系统中，FPGA首先要完成对A/D采样的控制，包括控制采样的启停，采样数据格式的转换等；其次FPGA要完成对双口RAM数据写入的控制和数据发送中断信号的产生；另外，还要在FPGA中形成从A/D到双口RAM的数据通路，在此基础上可以实现一些数据预处理的功能。

在双口RAM设计上，本文将整个双口RAM分成2个存储块，每当一个存储块在进行写操作时，另一个存储块在进行读操作，这样数据的读、写操作在不同的存储块上同时进行，即实现了数据的缓冲，又实现了数据的不间断传送。数据的分块交换传输过程也是数据的打包过程，存储块的大小决定了数据包的大小，数据的打包有利于数据的整块处理。 [p]

DSP及其外围接口电路
在DSP芯片选型上，本文选择了适合图形图像处理的TI 公司C6000系列芯片中性价比较高的C6201芯片，以其为核心构建单DSP系统。C6201芯片拥有以下集成外设：外部存储器接口EMIF，直接存储器访问通道DMA；多通道缓冲串口McBSP；主机口HPI；以及芯片设置管脚、定时器、中断控制、下电逻辑和GPIO等。

在本文的设计中，根据系统的具体要求，本着设计简捷同时又要便于系统将来扩充的原则，在外围接口中除去必须使用的接口外，有些不必要的外围接口引脚直接浮空，有些则引出了扩展接口，以便节约空间和将来系统的扩展。

C6201的EMIF接口可以挂接3种外部存储器：同步静态存储器SDRAM、同步突发静态存储器SBSRAM和异步存储器。在系统中，用于数据缓冲和交换传输的双口RAM是异步存储器，此外，为了处理的中间结果数据、最终数据和DSP程序，系统中分别挂接了2片大容量SDRAM和一片SBSRAM。DMA是C6000DSP中一种重要的数据访问方式，它可以在没有CPU参与的情况下，由DMA控制器完成DSP存储空间内的数据搬移。在C6201 中提供了4 个输出管脚（DMAC0-DMAC3）可以向外部逻辑反馈DMA传输的同步状态，这些引脚信号可有可无，因此在系统中没有连接。C6000的多通道缓冲串口（McBSP）是在C2x、C3x、C5x和C54标准串口的基础上发展起来的。C6201提供了2路McBSP接口，系统中引出了其中的一路作为将来系统功能扩展用。主机口（HPI）是一个并行端口，主机（也称为上位机）掌管该接口的主控权，通过它可以直接访问DSP的存储空间（包括映射的片内外设）。系统中HPI通过粘合逻辑与主模式的PCI桥S5933相连。

PCI总线的桥接单元
DSP既可以单独构成一个完全独立的处理系统，也可以多DSP联合构成功能更强大的并行系统，还可以通过桥接电路与上位机相连构成一个大系统中的一个功能单元。在本文所设计的系统中，整个系统作为一个标准的PCI扩展卡，可以与上位的PC机进行通信。

在DSP与上位的PC机之间有2种PCI桥可供选择，一种为主模式PCI桥，如AMCC S5933。主模式下，DSP与上位机之间可以相互访问对方外围设备，并且支持突发方式的数据传送，缺点是要通过中间的粘合逻辑相连，不能直连。另外一种为从模式PCI桥，如TI 2040。从模式下，上位机可以访问DSP的外围设备，而DSP则无法访问上位机外围设备。从模式桥可以与DSP直连（无缝连接）。在本文的设计中，选用了主模式的PCI桥，在DSP与PCI桥之间通过一片CPLD进行粘合。

图4所示为C6201与S5933之间的连接。

图4C6201与S5933之间的连接。

双供电模式的电源
C6000系列DSP需要2种电源，分别为CPU核心和周边I/O接口供电。周边电压需要3.3V，CPU核心电压则随低功耗技术的发展，逐渐从2.5V降到1.8、1.5、1.2和1.0V。

因为需要2种电压，所以需要考虑供电系统的配合问题。加电过程中，应当保证内核电源（CVdd）先上电，最晚也要与I/O电源（DVdd）一起加。关闭电源时，先关闭DVdd，再关闭CVdd。讲究供电次序的原因在于：如果仅给CPU内核供电，对芯片不会产生损害，只是没有输入输出的能力而已；如果反过来，则芯片缓冲驱动部分的晶体管将在一个未知状态下工作，这是非常危险的。

本文中采用了一种最简单的双电源供电实现方案：利用1个电源驱动2个线性稳压模块，产生需要的DVdd和CVdd。由于DVdd和CVdd由同一个电源产生，因此在加点次序上不存在问题。

小 结

数字视频的采集、处理、存储和传输技术在众多领域有着广泛的应用。本文介绍的基于TMS320C6201 DSP芯片的数字视频采集卡的设计，在完成数字视频采集的同时具备自主的实时数字视频处理功能，并通过PCI接口实现与主机的通信。这样的设计在构建数字视频处理系统时将大幅度减轻主机的计算量，从而提高系统性能。