基于DM642嵌入式无线视频监控硬件设计

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    摘要: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。文中详细地描述了系统组成、结构和功能,对系统各个组成模块进行了详细分析和设计,主要包括视音频输入、CDMA传输串口、DE及USB通信等模块,并针对DM642高速CPU,分析了系统设计中应注意的问题。

    无线视频监控系统是公安、交通、水利等行业的重要装备,目前无线视频传输设备主要采用微波方式,其致命弱点是传输距离短,有障碍物时传输距离大为减少,多年来一直没有得到很好的解决。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。

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

2.4CDMA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。
(中国集群通信网 | 责任编辑：陈晓亮)