基于TMS320DM648和S3C2510A芯片实现16路嵌入式DVR系统的设计
数字硬盘录像机，英文名称为digital video recorder，简称dvr，它是视频监控系统中重要的设备，用于替代早期的长延时录像机或者磁带录像机。目前硬盘录像机从硬件架构上分主要分为工控式硬盘录像机（或者工控硬盘录像机或者pc式硬盘录像机）、嵌入式硬盘录像机，从压缩算法来分有小波压缩、mjpeg、mpeg4、h.264等。目前工控式硬盘录像机和嵌入式硬盘录像机所占市场比重差不多，由于嵌入式硬盘录像机的稳定性及易维护性，选择嵌入式硬盘录像机的用户会越来越多，市场前景非常大。基于这种应用背景，本文提出了嵌入式硬盘录像机的设计思路和实现方案。
系统总体方案
1 技术指标
本系统的主要技术指标如下。
● 视频输入：16路复合视频输入pal/ntsc。
● 视频输出：2路复合视频输出pal/ntsc（bnc接口，1.0vp-p， 75ω）。
● 音频输出：16路音频输入20～100mv10kω（rca）。
● 音频输出：2路音频输出，20～100mv，1kω（rca）。
● 系统资源：同时多路录像、同时录像回放、同时网络操作。
● 图像压缩：增强型h.264，视频和音频信号压缩后生成复合的h.264码流，码流回放时视频和音频保持同步。也可设置单一视频流。
● 音频压缩：g.729
2 设计方案
根据系统要求的技术指标，本文设计的16路嵌入式dvr系统硬件部分采用了主从式双cpu架构模式。主cpu选用了arm9处理器，具体型号为三星半导体的s3c2510a，从cpu选用dsp处理器，具体型号为美国德州仪器（ti）的多媒体处理芯片tms320dm648。主从cpu之间通过pci总线进行通信。
整个系统的工作流程设计为：系统上电或复位后，主cpu s3c2510a从flash加载程序，完成对芯片的初始化和外围硬件的配置，之后从cpu tms320dm648便开始进行图像采集。从cpu通过i2c口对系统中的视频解码芯片进行控制，将从摄像头采集到的模拟视频信号转换为数字视频信号，送入dm648的视频通道（vp端口）；同步采集到的模拟音频信号经过音频编解码器模／数转换后，送入dm648的音频通道（mcasp端口）。dm648将接收到的数字视频信号和数字音频信号数据分别进行压缩，再把压缩视频流和压缩音频流进行同步复合，产生h.264视频复合流，再通过pci总线上传给主cpu，主cpu将从pci接口收到的数据以文件的格式存储到本地硬盘，供日后调用；同步将复合数据流传送给图像预览芯片进行显示。整个dvr系统框架图如图1所示。
系统原理设计
1 s3c2510a arm9处理器简介
s3c2510a是三星半导体生产的16/32位的risc微控制器，属于arm9处理器系列，是针对基于以太网系统的低成本、高性能的微控制器解决方案。
2 tms320dm648数字信号处理器简介
tms320dm648是ti公司于2007年推出的一款高性能的32位定点dsp，主要面向数字媒体应用，属于c6000系列dsp。
dm648保留了c64x原有的内核结构，工作频率由内部倍频器设置，可以达到720mhz、800mhz或900mhz，相应的时钟周期为1.39ns、1.25ns或1.11ns，每秒可执行指令数5760、6400和7200mips。此外dm648片上带有5个双通道（a、b两通道）数字视频口（vp口），可同时处理多路数字视频流，片上带有多通道串行音频接口，可同时处理10路立体声输入/输出音频信号。
核心模块原理设计
整个数字硬盘录像机根据功能可以划分以下几大核心模块：
①主控制模块；
②视音频采集、压缩模块；
③视音频预览、回放模块；
④其他模块（电源、存储器扩展、网络传输、逻辑控制等）；
本文详细介绍主控制模块和视频处理模块的设计。
1 主控制模块
本模块主要实现系统的控制，对整个系统任务的运行进行分配与调度。s3c2510a本身内置pci控制器，5个pci接口可分别和2个音/视频压缩模块，1个图像预览，回放模块，2个数据存储模块连接；再加上已有的串口，usb接口，网络接口，i/o等组成整个系统的控制模块。设计思路如图3所示。
2 视音频采集/压缩模块
视音频信号处理的流程如下：模拟视频信号先经视频解码器tvp5154a转换成8位yuv数字视频信号y［7:0］，再送至dm648的视频输入接口。模拟音频信号经音频ad转换器pcm1801转换为i2s格式的音频数据，进入多媒体压缩芯片的音频输入接口，dm648将原始的视频和音频数据分别进行压缩，再把压缩视频流和压缩音频流进行同步复合，产生h.264视频复合流。一片dm648可以同时产生8个视/音频通道的h.264复合数据流。dm648把每个视/音频通道的复合视频数据在片外ddram的数据缓冲区中排列成固定长度的数据包。当缓冲区内的数据量超过一定的阈值，它就通过pci中断向主cpu发出请求，当中断被响应时，主cpu从包缓冲区内将数据取走。
dm648具有5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。
tvp5154a具有4个通道，每个通道均为具有可编程多态换算器（polymorphic scaler）的独立解码器，可通过嵌入式同步模块将ntsc、pal或secam视频信号转换成8位itu-r bt.656格式，或使用分立同步模块使输出格式为8位4:2：2。
模拟摄像头进行视频数据采集，tvp5154a将采集到的模拟数据进行数字化，然后送给dm648的视频端口进行压缩处理。4片ti公司生产的tvp5154a，与2个dm648的连接可组成16路的视频采集，压缩模块如图4所示（只给出了8路的连接图）。
图4中，tvp5154a的ch1_out，ch2_out，ch3_out，ch4_out口与1片dm648的vp0，vp1口直接连接，组成1个8路的视频采集，压缩模块，用于数据的传输。dm648通过i2c总线对tvp5154a内部寄存器进行读写，达到控制该芯片的目的。
音频输入采集模块由8个pcml801u型音频采集电路及其外围电路组成，主要功能是对由拾音器采集输入的模拟音频信号进行采样，然后将其转换为dsp可以处理的数字音频数据格式。pcml801u是采用5v工作电压的双声道16位音频模/数（a/d）转换器，包括1个单端-差分模拟前端、1个5阶△一∑调制器（64倍重复取样）、1个内部高通数字均分滤波器。
dm648有专门的mcasp，与4个pcml801u连接，实现音频的输入采集功能。用pcml801u的左、右2个16位音频声道获取4路音频通道的数字化数据，音频采集的数据格式为每路单声道、44.1khz采样率，每个采样数据用8位量化。采集输出的数字音频数据通过mcasp传给dsp的输入缓冲区单元，当设定用于存放音频采样数据的缓存器已满时产生dma中断，并在dma中断服务程序中根据实际设定情况处理音频数据，经过实时编码压缩后的音频数据存储到外部sdram中。
pcb设计
本系统的主频高达166mhz，属于高频系统，所以在进行pcb的设计时，必须进行抗高频干扰的设计与处理。dm648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，而且与外部的ddram的总线速度也达到266mhz或333mhz，如果外部的ddram由于布线原因达不到设计的希望速度，会降低系统的性能。此外由于100mhz以上的信号总线，存在信号完整性问题。为了保证信号的完整，在设计的时候采用了如下方法：
（1）对ddram的时钟线，尽量走短线，而且到两个ddram的长度尽量做到相等；
（2）flash等其他外设不要直接与数据和地址总线连接，而是通过缓冲芯片（如sn74lvt16245b）连接；
（3）高速总线上串入了小阻值电阻，阻值大小通过protel软件仿真得到，同时对线路进行了阻抗限制。
此外，由于dm648内部有pll，对pll外部所接器件，让它们尽可能的靠近芯片，而且只放在了线路板的一面上。对于jtag的连线长度不超过6英寸，如果超过6英寸长的加了驱动。本系统中既有模拟部分又有数字部分，所以在设计的时候，特别注意了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，音频信号产生噪声等。对视频、音频芯片采用了单独的电源芯片供电，模拟地和数字地通过单点或采用磁珠相连。
以上的抗高频干扰方法的采用，使得整个系统在调试的过程中能够顺利的进行。
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● 音频输出：16路音频输入20～100mv10kω（rca）。
● 音频输出：2路音频输出，20～100mv，1kω（rca）。
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● 图像压缩：增强型h.264，视频和音频信号压缩后生成复合的h.264码流，码流回放时视频和音频保持同步。也可设置单一视频流。
● 音频压缩：g.729
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1 s3c2510a arm9处理器简介
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dm648保留了c64x原有的内核结构，工作频率由内部倍频器设置，可以达到720mhz、800mhz或900mhz，相应的时钟周期为1.39ns、1.25ns或1.11ns，每秒可执行指令数5760、6400和7200mips。此外dm648片上带有5个双通道（a、b两通道）数字视频口（vp口），可同时处理多路数字视频流，片上带有多通道串行音频接口，可同时处理10路立体声输入/输出音频信号。
核心模块原理设计
整个数字硬盘录像机根据功能可以划分以下几大核心模块：
①主控制模块；
②视音频采集、压缩模块；
③视音频预览、回放模块；
④其他模块（电源、存储器扩展、网络传输、逻辑控制等）；
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1 主控制模块
本模块主要实现系统的控制，对整个系统任务的运行进行分配与调度。s3c2510a本身内置pci控制器，5个pci接口可分别和2个音/视频压缩模块，1个图像预览，回放模块，2个数据存储模块连接；再加上已有的串口，usb接口，网络接口，i/o等组成整个系统的控制模块。设计思路如图3所示。
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