一种视频处理系统设计与实现

1 引言

在视频处理领域，由于处理的数据量大，算法复杂度高，使得处理的实时性成为难题。如果使用专门的视频算法器件，在保证实时性的同时却使系统的灵活性大大降低。tms320dm642是TI公司C6000系列DSP总最新的定点DSP，其核心是C6416型高性能数字信号处理器，具有极强的处理性能，高度的灵活性和可编程性，同时外围集成了非常完整的音频、视频和网络通信等设备及接口，特别适用于机器视觉、医学成像、网络视频监控、数字广播以及基于数字视频/图像处理的消费类电子产品等高速DSP应用领域。笔者针对市场客户的需求，设计并实现了一款以TVP5150为视频输入解码器，以PCM1801为音频输入采集电路，以TMS320DM642型DSP为核心处理器的多路视频采集兼压缩处理PCI板卡，并将其应用于构建高稳定性、高鲁棒性和多媒体数字监控系统，取得了较好的社会效益和经济效益。

2 系统设计方案

2.1 系统的硬件结构

图1给出系统的结构框图。以DM642为核心，DM642的最高时钟频率为720MHz，最大处理能力为5760MIPS。DM642基于C64x内核，采用了增强型超长指令字结构，集成了8个独立的功能单元（6个32位的算术逻辑单元和2个32位的乘法单元）和64个32位的通用寄存器，在一个周期内可以完成4个16位的乘累加运算或者8个8位的乘累加运算。该芯片的片上外设也是相当的丰富，包括时钟高达133MB可与SDRAM、FLASH等外部存储芯片实现无缝链接的外围存储器接口（EMIF总线）；三个可配置的视频接口，同时支持三路视频输入或者输出，非常适合数字图像和视频处理；一个10/100Mit/s的以太网接口；十六个通用输入输出口GPIO，以及I2C、PCI和HPI等众多协议接口。

2.2 系统电源设计

DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。

DSP系统电源设计模块是关键，高精度的供电才能保证系统正常工作。系统采用5 V电源驱动2个MOSFET的DC—DC调整器（TPS54310）分别供给DSP的核心电压CVDD（1.4V）和外围电压DVDD（3.3 V）。在3.3 V和1.4 V电源之间连接肖特基二极管，保证DM642内核和外部端口同时供电。TI公司的TPS543lO的输出精度是1％，完全满足DSP工作要求。

2.3 视频输入与输出

DM642集成有3个视频（Video Port，VP）口，每个视频口是由20 bit数据线、2个时钟信号VPxCLK0（输入）和VPx-CLKl（输入／输出）、3个控制信号VPxCTL0、VPxCTLl和VPx-CTL2组成。时钟信号作为视频源的时钟信号输入／输出，控制信号作为视频源的同步信号输入／输出（行同步、帧同步、场标志，视频采集使能等）。每个视频口被分为上（B）、下（A）2个通道，VP0的A通道与McBSPO复用，VPl的A通道与McB—SPl复用，VP0和VPl的B通道与McASP复用，VP2则为单功能引脚。每个视频口可被配置为视频输入口或视频输出口，但是上（B）、下（A）2个通道只能同时被配置为输入口，或同时被配置为输出口，不能一个通道配置为输入口，另一个通道配置为输出口。

系统将VP0和VPl配置成为单通道视频输入和McASP口，VP2配置成为单通路的视频输出口。VPO与VPl配置为单通道视频输入口时，VPxCLK0作为视频源的输入时钟，VPxCLK1未用。而VPxCTL0、VPxCTLl和VPxCTL2则分别作为视频源中的时基码控制。当CAPEN信号无效或在EAV和SAV时基码之间时，将不对视频数据流进行采样。BT.656视频数据流采集的起始、水平同步、垂直同步等，受输入信号CAPEN和视频通道控制寄存器VCxCTL（x=A、B）中的VCEN、EXC、HRST、VRST、FLDD等控制位组合控制。当配置为单通道视频输出口时，VPxCLK1作为视频源输出时钟，VPxCLK0作为输入时钟。而VPxCTL0、VPxCTLl和VPxCTL2分别作为输出视频的HSYNC／HBLNK／AVID/FLD、VSYNC／VBLNK／CSYNC／FLD、CBLKN/FLD。3个VP口均作为8位视频接口，使用lO位数据总线中的高8位，即VPxD[9：2]。系统的视频解码和视频编码器分别选用Philips公司的SAA7l13H和SAA7105H，图2给出视频解码和DM642的连接图。图3给出视频编码和DM642的连接图。

当SAA7105H工作在VGA输出时，其工作时钟的上升沿和下降沿都要接收数据，图3中VP2与SAA7105H的连接方式，只用到VP2的8位数据线，因此VP2在每个时钟周期只有在上升沿输出8位数据，无法满足SAA7105H的工作要求。

2.4 地址空间映射

DM642的程序／数据空间以字节为单位进行统一编址，整个寻址空间为4 G字节。其片上存储器，片上外设及外部存储器接口（EMIF）均映射到此4 G字节空间中。

DM642的CEO空间被配置为64 bit SDRAM接口，分配给外扩的SDRAM使用。SDRAM的工作时钟由DM642的ECLKOUTl提供，其可由软件配置为EMIF的ECLKIN或CPU时钟/4、或CPU时钟／6，最高为133 MHz。一般情况下，配置为ECLKIN，即100 MHz。SDRAM在子空间的具体定位为：Ox8000 0000~Ox81FF FFFF。

DM642的CEl空间被配置为8Mx8 bit的Flash，在CEl子空间占据的具体空间定位为0x9000 0000～0x9007 FFFF。

DM642外部地址总线只有A[22：3]，总共20根，所以CEl子空间最大的寻址范围为lMx8 bit。系统中CEl子空间除了分配给Flash以外，还分配给状态，控制寄存器、UARTA、UARTB等资源使用，其中Flash只占据CEl子空间的前一半的寻址空间，即最大的可寻址范围为512Kx8 bit，而Flash的设计容量为8 Mx8 bit，所以为寻址到Flash所有的地址空间，采用分页技术来实现对Flash的访问。

2.5 I2C总线

I2C（Inter－Integrated Circuit）总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。由于连接到I2C 总线的器件有不同种类的工艺（CMOS、NMOS、双极性），逻辑0（低）和逻辑1（高）的电平不是固定的，它由电源VCC的相关电平决定，每传输一个数据位就产生一个时钟脉冲。

I2C总线由数据线SDA和时钟SCL构成串行总线，可发送和接收数据，在CPU与被控IC之间、IC与IC之间双向传送。在数据传送过程中共有3种信号，分别是开始信号、结束信号和应答信号。其中，开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据；结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据；应答信号：接收数据的IC在接收到8 bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲。

DM642集成有一条I2C总线。DM642为总线的主设备。系统用I2C总线连接了以下从设备：2路视频解码器SAA7113H的控制口、1路视频编码器SAA7105H的控制口和1路实时时钟RTC。每个I2C总线的从设备均对应一个从设备地址，I2C总线以此从设备地址区分所访问的是哪个从设备。DM642通过I2C总线配置上述器件的寄存器。

2.6 网络接口

DM642的网络接口由EMAC与MDIO两部分组成的。其主要功能有：符合IEEE802.3协议；支持传媒无关接口（MII）；8个独立的发送与接收通路；同步的10／100 Mbit的数据操作；广播及多帧的传送。

系统选用LXT971ALC作为10／100Base一TX以太网收发器。LXT971ALC的MII接口与DM642的MII接口对接。DM642的MII不支持TXER，它通过求反发送帧CRC来指出网络错误，所以LXT971ALC上的TXER引脚直接接为无效。系统只采用10／lOOBase-TX方式，信号经Hll02 1：1变压器变换成TX+、TX一、RX+和RX一信号，连接到RJ45连接器上。RJ45连接器选用406549一l，其上带2个LED指示灯，绿色LED，用作指示连接状态；黄色LED正常情况下用于指示数据传输。

3 系统调试

3.1 视频通道的驱动

系统中视频解码通道使用SAA7113，编码通道使用SAA7105H。这2个器件需要经过寄存器配置才能正常工作，因为寄存器数量众多，直接逐个配置寄存器相当复杂。系统开发了基于DSP／BIOS的应用程序，可以调用FWID API函数，实现对视频通道的驱动。以下是几个接口函数的使用说明：

（1）初始化工作 FVID_croat（name，mode，*status，

optArgs，*attm）参数说明：String name：device driver的名字，该device driver在DSP／BIOS中定义；Int mode：指定设备的打开模式为输入/输出；Int*status：该参数是application送给mini—driver的一个状态指针，由mini—dIiver来返回状态的；PtroptArgs：用于初始化FVID channel的具体参数，用结构体的形式打包，并将指向该结构体的指针传送给mini—driver进行处理；FVID_Attrs *attrs：FVID_Attrs结构参数为空，表示FVID_alloc，FVID_free,FVID_exchange calls为非block形式，无论成功与否，立刻返回。

（2）发送控制命令到mini—driver FVID_control（disChan，VPORT_CMD_START， NULL）参数说明：FVID_HandlevidChan：fvid通道句柄；Int cmd：cmd命令；Ptr args：cmd命令附带的信息。该函数发送一个控制命令给mini—dTiver，将由mini—driver做相应的响应，在这里通知vport端口开始工作。

（3）给VP口分配缓冲区FVID_alloc（fvidChan，bufp）参数说明：FVID_handle fvidChan：fvid通道句柄；Ptr bafp：分配的缓冲区指针。该函数从mini—ditver获取缓冲区指针。

（4）FVID_exchange（fvidChan,bufp） 参数说明：FVID_handle fvidChan：fvid通道句柄；Ptr butp：交换的缓冲区指针。该函数将转换好的图像数据发送给mini—driver处理，并传回空缓冲区指针，FVID_exchange函数相当于顺序执行FVID_free和FVID_alloc函数。利用FVID的API函数可方便配置和驱动视频通道，实现视频的采集和输出。

3.2 VGA输出

VGA（VideoGraphic Array）接口，即视频图形阵列，也叫DSub接口。VGA接口采用非对称分布的15针连接方式，其工作原理是将显存内以数字格式存储的图像信号在RAMDAC里经过模拟调制成模拟高频信号，然后再输出到显示设备成像。视频编码器SAA7105H支持VGA输出，SAA7105H被配置为VGA输出时，送输出缓冲区的数据必须为RGB格式，而非YUV4：2：2。用户可以自行编写相应的转换函数，或者调用TI img64.lib库中的IMG_ycbcr422p_rgb565函数实现视频格式的转换。

3.3 程序从Flash的引导

在系统上调试程序时，利用仿真器把程序下载到SDRAM内执行。当程序调试完毕应用时，应该把程序烧写到外部Flash里，实现系统每次上电后程序从Flash引导加载自动运行，省去每次利用仿真器下载程序。

DM642是以ROM方式引导系统的，当DSP上电或复位时，内核处于复位状态，并自动以ROM的读写时序从Flash的第0页起始地址开始复制lK字节的代码到DSP的片内内存起始地址为O的地址空间。然后释放CPU，使其从0地址开始运行程序。

Flash烧写根据不同的硬件设计，烧写步骤略有不同，但基本过程相同。系统Flash的烧写过程：①把引导程序文件boot.asm添加到要烧写的工程中，在BIOS中添加BOOT段，修改相应的CMD文件，编译原工程生成新的。out文件；②使用hex6x工具把生成的COFF格式的。out文件转化为。hex文件；③用FlashBurn建立。ccd文件；④用FlashBurn打开建立的。ccd文件，先擦除Flash，然后烧写Flash。

按照上述步骤烧写程序到Flash，在系统上电后程序将自动执行。应该注意的是，烧写程序后的系统仿真环境将难以进去，解决的办法是一边反复按复位键，一边打开仿真环境则可进去。

4 结语

系统研究并实现了一个通用的基于DM642的视频处理系统。采用了针对多媒体应用开发的专用媒体处理芯片DM642，该芯片配有丰富的外设接口，减小了系统硬件设计的复杂度，提高了系统的性价比；通过外接的SDRAM编程实现MPEG一2、MPEG-4、H.264等多种视频压缩编解码算法，灵活性大，实用性强，优于专用的视频编解码系统；由于DM642的高速运算能力，实时性强也是系统的一大优点。