基于DSP芯片TMS320DM642的嵌入式无线视频监控系统
选用tms320dm642作为系统cpu,并采用最新视频编码标准h.264压缩算法,实现基于cdma网络传输的无线视频监控和视频数据存储系统。
随着运营商在国内大部分地区推出grps和cdma1x公共无线数据网络,通过公共无线数据网络传输视频已成为当今研究和应用的热点,它能彻底解决微波方式的短距离问题。由于公共无线数据网络的带宽比较窄且不稳定,采用编码效率不高的视频压缩算法(如h.263、mpeg-4等),传输效果不理想,无法满足大多数监控场合的要求。
h.264是jvt制定的最新视频压缩标准,比h.263和mpeg-4在同质量时码流可低50%,同时支持无线网络传输,但其运算复杂度也是h.263和mpeg-4的3-5倍,因此一般的cpu系统无法满足要求。tms320dm642是ti最新推出的高性能数字媒体处理器,指令最高可达4800mips,可以满足实时h.264编码算法的要求。
本文设计了基于tms320dm642的嵌入式系统,采用h.264视频编码算法,成功的开发了基于cdma传输的无线视频监控系统。
1 无线视频监控系统构成
1.1 无线视频监控系统设计需求
本系统要求采用嵌入式视频发送终端,对采集视频图像进行实时压缩并通过cdma网络发送,接收端采用pc机对接收视频数据进行解码并显示。对于嵌入式视频发送终端有如下需求:
①一路pal/ntsc标准模拟视频输入,一路模拟音频输入;
②采用cdma接入方式将视频数据通过网络发送;
③采用cf卡或硬盘对视频进行本地存储;
④发送图像和保存图像的尺寸和帧率等参数可调;
⑤可通过无线网络进行远程控制,并且要求低功耗。
1.2 系统的总体设计
由于cdma无线网络带宽窄、带宽波动大,因此系统中采用h.264作为视频压缩算法。同时本地存储与cdma发送视频在图像尺寸和帧率上不同,需要采用两个编码结构分别进行编码。
图1显示了本系统的总体结构框图,系统主要包括dm642cpu、视频输入、音频输入/输出、硬盘接口、串口和usb通信(usb2.0)等主要功能模块,此外还包括实时时钟(rtc)、显示和i/o接口(lcd&i/o)、sdram、flash和电源(power)模块。下面将详细地对各个功能模块进行一一分析和设计。
图1视频发送终端系统框图
2 无线视频监控系统硬件设计
2.1tms320dm642简介
tms320dm642是ti推出的针对多媒体处理领域应用的高性能数字媒体处理器。该处理器是专门为视频与影像市场量身定制的,特别适用于voip视频、视频点播(vod)、多信道数字视频摄录像应用以及高品质视频编码与解码解决方案。
dm642处理器内部集成了tms320c64x的dsp内核,在600mhz运行速度下,指令可达4800mips,由于其强大的运算能力,可以实现实时的h.264编解码算法。
dm642内部集成了外部内存接口(emif)控制单元,通过20根地址线和64位数据总线可直接与外部的sdram、flash进行连接。本系统中由于采用100mhz的sdram,考虑到信号完整性,sdram直接与dm642连接,而flash通过总线加以驱动后加以连接。
2.2 视频输入模块
dm642具有三个视频端口,支持多种分辨率和标准,如ccir601、itu-bt.656、bt.1120等,每个端口为20bit位宽,可以被灵活的配置为一个20/16bit或两个10/8bit通道。同时,每个端口都可配置为视频输入或视频输出。本系统中采用vp0与saa7113h相连进行视频输入采集。
saa7113h为9bit视频解码器,其内部有由视频源选择、反混叠滤波器和adc组成的两通道模拟预处理电路、增益控制、时钟发生电路(cgc)、多标准数字解码器、亮度饱和度控制电路等组成。
它支持pal、natsc等多种视频输入格式,输出支持标准的itu.656yuv4∶2∶28bit格式,通过i2c总线进行控制,只需一个24.576mhz外部晶振,采用3.3v电源、具有小于0.5w的功耗。saa7113h与dm642接口见图2。
图2saa7113h与dm642接口
2.3 音频输入输出(codec)模块
dm642具有多通道音频串行端口(mcasp)和两个多通道有缓存的串口(mcbsps),但它们是与视频端口复用的,本系统中采用vp1中的mcbsps1作为与音频codec连接的接口。
tlv320aic23b是ti推出的一款高性能的立体声音频codec芯片,内置耳机输出放大器,支持mic和linein两种输入方式(二选一),且对输入和输出都具有可编程增益调节。
aic23b的模数转换(adcs)和数模转换(dacs)部件高度集成在芯片内部,采用了先进的sigma-delta过采样技术,可以在8k到96k的频率范围内提供16bit、20bit、24bit和32bit的采样,adc和dac的输出信噪比分别可以达到90db和100db。
aic23b还具有很低的能耗,回放模式下功率仅为23mw。
aic23b与dm642接口见图3。
图3aic23b与dm642接口
2.4 cdma无线传输串口模块
本系统中采用q2358c串行接口模块作为cdma接入设备,它支持语音通信、支持中英文短信、双音多频功能(dtmf)等功能。波特率从300到115,200bit/s,支持上网最高速率153kb/s,采用at指令集通过rs-232串口进行通信。dm642没有异步通用串行接口,需采用扩展异步通信芯片来实现串行通信。
tl16c752b是uart收发器,最高波特率可以达到3mb/s(使用48mhz时钟源时),其内部具有64byte发送/接收fifo,接收fifo的启动和停止可通过软件编程实现,支持多种波特率、多种串行数据格式。dm642与其连接采用emif控制,地址线a0～a2、数据线d0～d7、读写控制信号ior/iow与经过驱动的总线相连,而选通信号csa/csb由gal产生。tl16c752b与q2358c模块之间通过max3243进行电平转换连接。图4给出一路串行接口连接方式。
图4系统串口通信接口
2.5 de及usb通信模块
本系统中对采集视频要进行本地数据存储,采用cf卡或ide硬盘来保存数据,在通过usb2.0将保存于cf卡或de硬盘中的数据在需要时读出。dm642与de接口通过gal16lv8产生的信号进行控制。
tusb6250采用内嵌8051内核的usb2.0到ata/atapi桥接器,其完全兼容usb2.0标准,支持八个可配置终端(四路输入和四路输出)。内部集成usb存储设备传输协议,与ata/atapi设备无缝连接。
内部集成的60mhz8051微处理器指令速度可达30mips,40kbyteram可灵活的配置为数据或代码ram,13个通用i/o口能进行各种通信和控制使用,并有i2c接口。在本系统中通过i2c和hpi总线实现dsp和tusb6250之间的通信。de及usb部分接口见图5。
图5dm642与ide及usb部分接口
2.6 电源及其它模块
dm642采用双电源供电,内核电源采用为1.4v消耗电流为890ma;i/o电源采用3.3v消耗电流为210ma。由于内核电源电压低同时消耗电流较大,如果采用ldo电源效率较低,消耗功率将加大,所以在本系统中采用两个开关电源芯片tps54310分别产生3.3v和1.4v电源,电源效率可达90%以上。
dm642提供了16个通用i/o,通过这些i/o实现键盘输入、控制开关量输入与输出。dm642的视频端口vp3配置为输出直接与lcd连接。另外,系统中采用ds1338作为实时时钟,提供实时时间信息。
3 系统设计中的注意事项
3.1 原理图设计
dm642内部运行频率是通过外部时钟输入经内部pll倍频后得到,pll倍频可通过clkmode1和clkmode2管脚来选择x1、x6或x12,因此这两个管脚外部一定要接相应的电阻可调,以便dm642可在不同速度下运行。
dm642有多种boot启动模式可选,如果选择emifa的flash作为启动时,flash的片选必须接到tce1上。dm642可选字节顺序的大/小模式、外设的pci、hpi、emac模式的选择是通过复位时lendian、pci_en、pci_eeai、hd5、mac_en管脚的电平决定,一定要考虑其在复位时电平值做成可调的。
对于仿真器的emu[1∶0]保证已经上拉,trst下拉。另外,在aardy管脚不使用时要保证其为高电平,nmi管脚不使用时要接地,在选择hpi模式时要保证hpi控制信号电平正确,同时对其他不使用的输入管脚进行正确处理。
3.2 pcb设计
dm642作为高性能数字媒体处理器不仅内部具有很高的运行频率600mhz、720mhz和1ghz,而且与外部的sdram的总线速度也达到100mhz或133mhz,如果外部的sdram由于布线原因达不到设计的希望速度,会降低系统的性能。
对于100mhz以上的信号总线,存在信号完整性问题。要保证信号的完整采用如下方法,对于sdram的时钟线尽量要短,到两个sdram的长度尽量相等;flash等其他外设不要直接与数据和地址总线连接,而应通过缓冲芯片(如sn74lvt16245b)连接;高速总线上要串入小阻值电阻,阻值大小可通过仿真得到,同时对线路更加要求进行阻抗限制。
dm642内部有pll,对于pll外部所接器件要尽可能靠近芯片,而且必须放在线路板的一面上。对于jtag的连线长度不能超过6in,如果超过6in长要加驱动。本系统中既有模拟部分又有数字部分,要注意模拟电源和数字电源的设计,尽量减少数字信号对模拟信号的干扰,否则对采集的视频信号会有雪花、条纹,音频信号产生噪音等。对视频、音频芯片尽量采用单独的电源芯片供电,模拟地和数字地要单点或采用磁珠相连。
4 结束语
依据以上硬件设计完成基于dm642的嵌入式无线视频监控系统,该系统以高速dsp为核心,辅以相应的外围电路,实现实时h.264视频编解码。目前,该系统已经顺利通过调试,连续运行稳定,为公安、交通、水利等行业的无线视频监控提供切实可行的方案,具有非常高的应用价值。
具有典型360nA超低静态电流的TPS62743转换器
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h.264是jvt制定的最新视频压缩标准,比h.263和mpeg-4在同质量时码流可低50%,同时支持无线网络传输,但其运算复杂度也是h.263和mpeg-4的3-5倍,因此一般的cpu系统无法满足要求。tms320dm642是ti最新推出的高性能数字媒体处理器,指令最高可达4800mips,可以满足实时h.264编码算法的要求。
本文设计了基于tms320dm642的嵌入式系统,采用h.264视频编码算法,成功的开发了基于cdma传输的无线视频监控系统。
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①一路pal/ntsc标准模拟视频输入,一路模拟音频输入;
②采用cdma接入方式将视频数据通过网络发送;
③采用cf卡或硬盘对视频进行本地存储;
④发送图像和保存图像的尺寸和帧率等参数可调;
⑤可通过无线网络进行远程控制,并且要求低功耗。
1.2 系统的总体设计
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图1显示了本系统的总体结构框图,系统主要包括dm642cpu、视频输入、音频输入/输出、硬盘接口、串口和usb通信(usb2.0)等主要功能模块,此外还包括实时时钟(rtc)、显示和i/o接口(lcd&i/o)、sdram、flash和电源(power)模块。下面将详细地对各个功能模块进行一一分析和设计。
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dm642处理器内部集成了tms320c64x的dsp内核,在600mhz运行速度下,指令可达4800mips,由于其强大的运算能力,可以实现实时的h.264编解码算法。
dm642内部集成了外部内存接口(emif)控制单元,通过20根地址线和64位数据总线可直接与外部的sdram、flash进行连接。本系统中由于采用100mhz的sdram,考虑到信号完整性,sdram直接与dm642连接,而flash通过总线加以驱动后加以连接。
2.2 视频输入模块
dm642具有三个视频端口,支持多种分辨率和标准,如ccir601、itu-bt.656、bt.1120等,每个端口为20bit位宽,可以被灵活的配置为一个20/16bit或两个10/8bit通道。同时,每个端口都可配置为视频输入或视频输出。本系统中采用vp0与saa7113h相连进行视频输入采集。
saa7113h为9bit视频解码器,其内部有由视频源选择、反混叠滤波器和adc组成的两通道模拟预处理电路、增益控制、时钟发生电路(cgc)、多标准数字解码器、亮度饱和度控制电路等组成。
它支持pal、natsc等多种视频输入格式,输出支持标准的itu.656yuv4∶2∶28bit格式,通过i2c总线进行控制,只需一个24.576mhz外部晶振,采用3.3v电源、具有小于0.5w的功耗。saa7113h与dm642接口见图2。
图2saa7113h与dm642接口
2.3 音频输入输出(codec)模块
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aic23b的模数转换(adcs)和数模转换(dacs)部件高度集成在芯片内部,采用了先进的sigma-delta过采样技术,可以在8k到96k的频率范围内提供16bit、20bit、24bit和32bit的采样,adc和dac的输出信噪比分别可以达到90db和100db。
aic23b还具有很低的能耗,回放模式下功率仅为23mw。
aic23b与dm642接口见图3。
图3aic23b与dm642接口
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tl16c752b是uart收发器,最高波特率可以达到3mb/s(使用48mhz时钟源时),其内部具有64byte发送/接收fifo,接收fifo的启动和停止可通过软件编程实现,支持多种波特率、多种串行数据格式。dm642与其连接采用emif控制,地址线a0～a2、数据线d0～d7、读写控制信号ior/iow与经过驱动的总线相连,而选通信号csa/csb由gal产生。tl16c752b与q2358c模块之间通过max3243进行电平转换连接。图4给出一路串行接口连接方式。
图4系统串口通信接口
2.5 de及usb通信模块
本系统中对采集视频要进行本地数据存储,采用cf卡或ide硬盘来保存数据,在通过usb2.0将保存于cf卡或de硬盘中的数据在需要时读出。dm642与de接口通过gal16lv8产生的信号进行控制。
tusb6250采用内嵌8051内核的usb2.0到ata/atapi桥接器,其完全兼容usb2.0标准,支持八个可配置终端(四路输入和四路输出)。内部集成usb存储设备传输协议,与ata/atapi设备无缝连接。
内部集成的60mhz8051微处理器指令速度可达30mips,40kbyteram可灵活的配置为数据或代码ram,13个通用i/o口能进行各种通信和控制使用,并有i2c接口。在本系统中通过i2c和hpi总线实现dsp和tusb6250之间的通信。de及usb部分接口见图5。
图5dm642与ide及usb部分接口
2.6 电源及其它模块
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dm642提供了16个通用i/o,通过这些i/o实现键盘输入、控制开关量输入与输出。dm642的视频端口vp3配置为输出直接与lcd连接。另外,系统中采用ds1338作为实时时钟,提供实时时间信息。
3 系统设计中的注意事项
3.1 原理图设计
dm642内部运行频率是通过外部时钟输入经内部pll倍频后得到,pll倍频可通过clkmode1和clkmode2管脚来选择x1、x6或x12,因此这两个管脚外部一定要接相应的电阻可调,以便dm642可在不同速度下运行。
dm642有多种boot启动模式可选,如果选择emifa的flash作为启动时,flash的片选必须接到tce1上。dm642可选字节顺序的大/小模式、外设的pci、hpi、emac模式的选择是通过复位时lendian、pci_en、pci_eeai、hd5、mac_en管脚的电平决定,一定要考虑其在复位时电平值做成可调的。
对于仿真器的emu[1∶0]保证已经上拉,trst下拉。另外,在aardy管脚不使用时要保证其为高电平,nmi管脚不使用时要接地,在选择hpi模式时要保证hpi控制信号电平正确,同时对其他不使用的输入管脚进行正确处理。
3.2 pcb设计
dm642作为高性能数字媒体处理器不仅内部具有很高的运行频率600mhz、720mhz和1ghz,而且与外部的sdram的总线速度也达到100mhz或133mhz,如果外部的sdram由于布线原因达不到设计的希望速度,会降低系统的性能。
对于100mhz以上的信号总线,存在信号完整性问题。要保证信号的完整采用如下方法,对于sdram的时钟线尽量要短,到两个sdram的长度尽量相等;flash等其他外设不要直接与数据和地址总线连接,而应通过缓冲芯片(如sn74lvt16245b)连接;高速总线上要串入小阻值电阻,阻值大小可通过仿真得到,同时对线路更加要求进行阻抗限制。
dm642内部有pll,对于pll外部所接器件要尽可能靠近芯片,而且必须放在线路板的一面上。对于jtag的连线长度不能超过6in,如果超过6in长要加驱动。本系统中既有模拟部分又有数字部分,要注意模拟电源和数字电源的设计,尽量减少数字信号对模拟信号的干扰,否则对采集的视频信号会有雪花、条纹,音频信号产生噪音等。对视频、音频芯片尽量采用单独的电源芯片供电,模拟地和数字地要单点或采用磁珠相连。
4 结束语
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