基于TMS320DM642的IP视频电话的设计

　　随着网络技术和多媒体技术的广泛应用，数字网络视频技术得到了飞速的发展。在网络视频会议和网络监控等多个领域中，将传统的模拟视频信号转换成数字视频信号处理，并且借助于现有的IP网络进行传输已成为当今的一大热点。

　　1. 视频电话工作原理

　　电话按键经过DTMF(双音多频)技术转换成内部的数字串(一般是电话号码和功能键值)，系统内部拨号程序按SIP(Session INItiation Protocol)格式将拨号消息封装在SIP数据包中，开始向目标机发送invite(请求)信令，SIP包首先发给与它相连的PROXY(代理服务器)，然后通过代理发送呼叫。代理在Internet上找到与对方相连的PROXY，对方的PROXY向目标机发送消息，目标机如空闲且状态良好就发回一个“180”(!响铃)，否则发回“486”(忙音)或超时信令。然后被叫方提起话筒同时向呼叫方发回“200”(表示话筒提起开始通话)，双方开始通话，双方摄像头和话筒开始工作，电话机接口芯片将信号转成数字信号，然后编码程序把数据进行音/视频压缩编码，再以RTP(实时传输协议)格式封装，经UDP/IP协议函数处理、打包、分组，通过双方的一个UDP的Socket对来承载数据输入和输出。

　　因为每个RTP包含有时间戳和序号的报头，当通话双方收到对方的RTP数据包后，在接收端配以适当的缓冲，利用时间戳和序号信息重组、还原数据包，检包进行音/视频解码输出，这样双方就可以同时看到和听到对方的信息。

　　2. 系统硬件的设计

　　2.1 嵌入式处理其TMS320DM642

　　TMS320DM642[1]是TI公司2003年推出的一款多媒体处理器，它是基于第二代高性能的VelociTI VLIW结构，非常适合数字多媒体应用。IP视频电话[2-3]不但要有很强的处理能力的芯片，使系统能够做到实时;而且还需要有通过网络传输，使双方进行通信。DM642正是一款这样的芯片，它的最高主频可以达到600MHz，指令速度最高达4800MIPS。这款DSP芯片的两大特点在于：第一，拥有三个可配置的视频接口，可同时采集三路视频信号;第二，集成了以太网接口，10/100Mbps模式自适应，能工作在全双工或者半双工模式下，并具有硬件控制和服务质量保证(QoS)支持。DM642的功能十分强大，它是构成多媒体通信系统的最佳平台之一。

　　2.2 硬件整体构架

　　本系统的硬件平台主要由下面几个部分组成，分别是视频采集、数据处理、控制部分、视频显示、音频采集播放、网络和电源部分。硬件系统结构框图如图1所示。

　　该视频采集部分采用模拟PAL制摄像头，配合高精度视频A/D转换器TVP5150PBS得到数字视频，其采用精度是8bit，输出支持CCIR-656和BT656等格式。数据处理部分的SDRAM采用两片Hynix的HY57V283220T，单片容量为128Mbit，其位宽为32bit，配合DM642的64位EMIF。数据存储部分采用Spansion公司的AM29LV033C的FLASH，其容量为32Mbit，数据总线为8bit。本系统中的SDRAM用来存放系统运行的代码以及临时图像数据，FLASH用来保存系统自启动代码和系统程序代码。视频显示部分采用模拟LCD，由视频A/D芯片SAA7121H输出模拟Y/C信号，然后由模拟LCD输出。控制部分使用使用TI的MSP430单片机作为上位机，通过HPI口对DM642进行控制及其拨号等。DM642的以太网控制器[4]属于数据链路层，需要外层物理层芯片BCM5221才能进行网络通信，然后通过网络变压器H1102与外部网络连接进行通信。

　　3. 系统软件的设计

　　3.1 软件总体框架

　　在明确各模块功能后，进一步分析各模块采用的协议、技术以及各部分之间的接口关系，从而规划出系统的软件构架，如图2所示。

　　从图中可以看出软件构架分为3层设计：

　　1) 底层基于硬件的驱动程序，这些驱动分别控制着网络、音频驱动、LCD驱动、摄像头驱动、面板按键与DM642间的A/D或者D/A转换，向下控制着硬件工作，向上提供接口个操作系统和应用层协议调用。

　　2) 中间层是操作系统和协议栈程：

　　(1) 嵌入式操作系统：负责管理系统资源和任务调度的DSP/BIOS程序。

　　(2) 协议堆栈传输程序：通过TCP/UDP/IP[5]传输协议栈程序从网口接收输入的数据包，然后根据序号重组数据包，复原音视频压缩数据作为音视频解码的输入;另外通过协议栈把音视频编码产生的数据打包、分组传输。

　　3) 上层应用程序包括：

　　(1) 视频编解码程序：从网络输入数据缓冲中读取视频数据解码通过LCD显示;另一方面根据H.264视频标准把摄像头采集输入的YUV视频数据进行压缩编码，然后按照RTP传输协议进行数据封装，再调用协议栈程序打包，分组输出。

　　(2) 语音编解码程序：根据ITU公布的G.711标准编写的语音编解码程序，一方面从网络输入缓冲中读取音频压缩数据进行解码输出;另一方面把编码后的音频数据封装成RTP数据包，再调用协议栈处理程序打包，分组输出。

　　(3) 电话拨号呼叫和接听程序：键盘按键产生的DTMF通过MSP430由HPI控制DM642产生DTMF信号经A/D转换成数字信号的字串消息，然后封装在SIP数据包，再调用协议栈处理程序输出SIP包，向目标机发出呼叫功能，实现用户之间建立信道的连接服务。来电时接收SIP数据包，然后开始电话接听服务。通过MSP430可以控制电话接听时，只要由HPI口控制DM642是否开启视频采集可以屏蔽视频功能等。

　　3.2 设备驱动设计

　　TI为DM642的音视频驱动开发都是包括一个两层设备驱动模型。上层驱动为类驱动，用于连接应用程序和下层驱动;下层驱动为迷你驱动，靠近底层硬件。应用时只需要根据这个模型编写你的驱动程序就可以了。

　　对于以太网口，TI提供了一个网络开发组件(NDK)，为在DSP上开发网络应用程序提供了平台。有了这个平台，在开发网络应用程序时，就不用过多考虑数据如何封装成IP包，也不用过多关心TCP/IP协议内部的工作机制，这样可以缩短开发周期。

　　1) 视频端口的驱动模型

　　两层设备驱动模型如图3所示。最上层是应用层程序，最下层是底层硬件，包括DM642的VP口和视频A/D芯片。中间部分即为设备驱动，图中还有一层芯片支持库(CSL)，它提供配置及控制片上外设的C语言接口。

　　设备驱动的两层驱动模型每一层又分为两层。从图3可以看出类驱动分为FVID Class Driver和GIO Class Driver两个部分，FVID类驱动靠近应用层程序，它提供一些特别适用于图像的API函数;GIO类驱动提供与迷你驱动进行通信的API函数。迷你驱动也可以分为通用部分和特殊部分，这样可以提高驱动代码的重复使用性，通用部分驱动主要是EDMA用来从视频口传输数据;特殊部分主要用来视频采集与播放驱动，初始化TVP5150PBS和SAA7121H芯片。

　　2) 音频端口的驱动模型

　　音频部分和视频部分驱动非常类似，也包括两层设备驱动模型如图4所示。最上层是应用层程序，最下层是底层硬件。

　　它与视频驱动唯一不同的地方就是类驱动部分，DM642没有像视频类驱动专用的FVID类驱动。

　　3) 网络开发组件

　　网络开发组件的核心即一系列TCP/IP协议栈库。主要包括：栈库和网络工具库，它含有一些经过优化编译的协议栈代码;操作系统适应库，它用来协调TCP/IP协议栈和DSP/BIOS之间的接口;网络控制及调度库，它决定TCP/IP环境的初始化以及网络相关事件是如何被调度的;多种硬件抽象层平台库，为TI公司的多种开发库(比如DSK、TEB和EVM等)提供支持。

　　4. 结论

　　本文创新点就是基于DM642上网络开发组件的核心即一系列TCP/IP协议栈库开发出IP视频电话，该系统可以通过上位机实现对视频电话的控制。系统设计主要从以下几个方面进行：栈库和网络工具库，它含有一些经过优化编译的协议栈代码;操作系统适应库，它用来协调TCP/IP协议栈和DSP/BIOS之间的接口;网络控制及调度库，它决定TCP/IP环境的初始化以及网络相关事件是如何被调度的;多种硬件抽象层平台库，为TI公司的多种开发库(比如DSK、TEB和EVM等)提供支持。

　　5. 参考文献

　　[1] TMS320DM642 Data Sheet. Texas Instruments, 2004

　　[2] 许海燕, 闫健恩, 陈静. H.264视频编码在DM642上的实现与优化[J]. 微计算机信息, 2006,22(8-2):160-162

　　[3] Shashi Kaunt, Mithun U and PSSBK Gupta. Real time H.264 Video EnCODer Implementation on A programmable DSP processor for Videophone Applications[J]. IEEE Digest of Technical Papers, 2006,1,93-94

　　[4] TMS320C6000 DSP Ethernet Media Access Controller (EMAC) /Management Data Input/Output (MDIO) Module Reference Guide. Texas Instruments, 2004

　　[5] TMS320C6000 TCP/IP Network Developer s Kit Programmer s Reference Guide. Texas Instruments, 2003