基于DSP的视频采集与压缩传输系统的设计论文正文.doc

基于DSP的视频采集与压缩传输系统的设计1 绪论1.1课题背景视频采集技术相关的产品正经历着由模拟化向数字化、网络化的变革。并在科学研究、工农业生产、资源的遥感探测、交通运输、空间探测、医疗卫生等各个领域内应用愈发广泛。数字视频采集压缩传输系统不仅符合信息产业的未来发展趋势，而且代表了行业的未来发展方向，蕴藏着巨大的商机和经济效益，成为目前信息产业中颇受关注的数字化产品。随着技术的高速发展，数字信号处理器（DSP）的应用范围越来越广阔，其普及率也越来越高，应用领域达到航空航天器材，比如飞机，小到日常所使用的电子产品，比如手机、数码相机等。DSP在当今电子类产品中起了不可或缺的作用。TMS320DM642是TI公司于2003年左右推出的一款32位定点DSP芯片，主要面向数字媒体，属于C6000系列DSP芯片。DM642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500MHz、600MHz或720MHz，相应的时钟周期为2ns、1.67ns和1.39ns，每秒可执行指令数4000 MIPS、4800 MIPS和5760MIPS。DM642采用TI公司第2代增强型超长指令集，它的EMIFA接口数据总线宽度为64位，最高数据存取频率133MHz，可直接与大容量、低成本的SDRAM芯片无缝连接。DM642片上带有3个双通道数字视频口，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4路立体声输入/输出音频信号。DM642拥有IC设备的寄存器，DM642的网口、PCI口和HPI口共享引脚。当前在国内外市场上，对视频数据的采集压缩主要有三种方式：基于PC机的视频采集压缩系统、基于专用视频压缩芯片的视频处理系统和基于高速通用视频处理DSP的视频压缩系统。在现今以高速化为要求的视频采集技术中，前两种技术难以满足实时处理的要求。基于高速通用视频处理DSP的视频压缩系统成为新一代网络视频监控系统的主流。实现这个系统的关键问题是如何解决图像信号的压缩编码和压缩后图像数据的传输。目前视频处理DSP芯片的性能非常强大,并且价格是可以接受的，采用DSP来进行图像的压缩编码是可行的。与此同时，随着网络技术的普及与推广，以太网通信速率的提高和交换技术的发展使它得到了迅速发展和普及。目前，以太网技术己无可争议地成为主要网络技术。1.2 课题研究的目的及意义本论文以TI公司高性能的32位定点TMS320DM642为中央处理器实现了嵌入式的视频采集系统，利用DSP将摄像头获取的图像进行压缩，处理，传输到终端。整个除了具有图像采集，图像压缩功能之外，还加入了本地大容量存储模块以及网络接口模块，具备了较完整的视频处理所需要的功能。与其他多处理器实现方式不同的是，TMS320DM642片内集成了视频和网络外设接口，系统的软件处理工作可以全部都由DM642完成，从而减少了嵌入式视频系统的成本和开发难度。在系统中采用了最新的视频编码标准BT.656压缩算法，并使用8019实现UDP协议。本文比较系统地描述了系统的组成、结构和功能，对系统的各个组成模块进行了分析和设计，使用protel 99se设计电路原理图和PCB图，主要包括视频采集，视频处理，视频输出，音频输入/输出、网络传输串口等模块，并针对DM642高速CPU，分析了系统设计中应注意的问题。我国基于嵌入式技术的网络视频采集压缩传输系统刚刚起步，所以研究并开发一种基于嵌入式系统的网络视频采集压缩传输系统具有很大的工程实际意义。基于DPS的视频采集系统，由于可以灵活地修改其图像处理算法，它的应用主要面向用户的特定需求和对实时性有较高要求的场合。因此，有理由相信在嵌入式系统的基础上构建视频图像采集，处理及压缩传输系统具有广阔的市场前景。1.3 国内外研究现状现在采集系统中，应用了基于DSP的图像处理技术，特别是在图像的模式识别问题上充分发挥了DSP的硬件结构和具有特色的编程指令。图像模式识别的典型算法是卷积运算，即乘累加，正好发挥DSP软、硬件的特长。传统的处理方法是基于计算机的硬件和软件的，计算机完成一次乘累加运算需要11个机器周期，而 DSP 完成同样的运算只需1个机器周期。本系统采用 DSP 芯片实现图像的模式识别，提高了处理速度，解决了图像处理过程中由于图像识别速度慢而影响整个图像的处理流程的实际问题，收到了良好的效果。图像处理技术的发展与计算机以及硬件技术的发展是紧密联系的。最早发表有关计算机处理图像信息的文章的时间要追溯到20世纪50年代，随着计算机以及硬件技术的高速发展，性能大幅度提高，而价格却大幅度下降，无疑推动了图像处理技术的发展，图像处理系统的发展大致上可以划分为四个阶段。（1）图像数据采集与处理系统发展的第一阶段第一阶段的时间大体上是20世纪60年代到80年代中期，这个时期的图像处理系统采用机箱式结构，主流计算机采用小型机，并采用双屏操作方式，所以系统的体积比较大，功能也比较强，当然价格也比较贵。当时的代表是美国I2S公司推出的MODEL-70、MODEL-50图像计算机，英国JOYCELOBEL公司推出的MAGISCAN图像分析系统以及美国VICOM系统公司推出的VICOM-VEM图像处理工作站。（2）图像处理系统发展的第二阶段第二阶段是的时间大体上是20世纪80年代中期到90年代初期，这个阶段的主要特点是小型化，外形不再是机箱式而是插卡式，绝大部分都是采用PC系列微机构成图像处理系统，计算机总线采用ISA总线，并采用双屏操作方式。图像卡的体积较小，一般图像卡都是采用大规模集成电路甚至是制作专用集成电路，从而使价格降低了。这个时期的代表作是美国Imaging Technology公司推出的PCCISION图像卡、PCVISIONPlus图像卡，美国DT公司推出的DT2851图像卡，加拿大MATROX公司的一系列图像卡。（3）图像处理系统发展的第三阶段第三阶段的时间大体上是从20世纪90年代初开始，这一阶段图像处理系统突出特点是单屏方式，以微机PCI总线（Peripheral Component Interconnect bus）为支持的单屏方式和以图像压缩传输为特点的图像通信方式成为主流方式，但仍然主要是依靠微机来进行图像处理，在Windows平台上编制图像处理软件包，这个时期的代表有美国Intel公司推出的MMX（多媒体指令系统）等。（4）基于DSP的图像处理系统随着微型计算机的发展和普及，现代的图像处理方式越来越向高速、小型、简洁的方向发展，图像处理逐渐由专用、笨重的图像处理机过渡到通用、小型的微型机方式，但是由于图像的数据量很大，算法复杂程度高，人们经常使用软件来处理，软件往往局限于计算机的配置，使得图像处理速度比较慢、实时性差、价格高，不适宜在小规模、小环境内使用。与此同时数字信号处理各种算法日趋完善，特别是运算能力的很强的数字信号处理器(DSP)的问世，使现代图像处理系统进入了和计算机紧密结合的全数字体制的阶段。以DSP为核心的硬件系统同样可以用来进行图像处理，为这个问题的解决带来了新的途径。DSP的运算速度和运算精度不断地提高，片内的存储容量不断地加大，系统功能、数据处理能力以及与外部设备的通信功能不断地增强，完全可以脱离 PC机开发出基于DSP的图像系统。这种设计方案的优点是设计简单、灵活，成本比较低，便于实际中使用。1.4 本课题研究的内容提出了一种通用的基于DSP的视频采集系统的设计与实现方法，介绍了系统的软件和硬件构成，重点研究了系统软件部分所涉及到的视频采集处理，编解码，图像实时显示与控制等关键视频技术。完成的主要工作如下:（1）以TMS320DM642构建成视频采集的硬件系统。将TVP5150作为视频采集芯片。（2）掌握8019网络传输技术，实现UDP协议；（3）灵活运用C6000系列DSP外围电路的设计与开发，使用Protel 99se设计电路原理图和PCB图；（4）了解视频信号的实时压缩与解压方法，掌握其中一种解压缩的编程，实现一个windows平台下的图像编码。.（5）代码移植，对代码进行修改，使之符合DSP编程需要，把代码移植到DSP上，使之能在硬件平台上实现。根据DSP处理芯片的特性对代码进行优化，提高代码性能。2 DSP系统开发平台的分析2.1 数字信号处理器DSP（digital singnal 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。现代社会对数据通信需求正向多样化、个人化方向发展。而无线数据通信作为向社会公众迅速、准确、安全、灵活、高效地提供数据交流的有力手段，其市场需求也日益迫切。正是在这种情况下，3G、4G通信才会不断地被推出，但是无论是3G还是4G，未来通信都将离不开DSP技术（数字信号处理器)，DSP作为一种功能强大的特种微处理器,主要应用在数据、语音、视像信号的高速数学运算和实时处理方面，可以说DSP将在未来通信领域中起着举足轻重的作用。 内置数字信号处理器(DSP，DigitalSignalProcessor)是车载主机内以逻辑电路对音视频数字信号进行再加工处理的专用元件，是一个统称名词，包括数字效果器、EQ、3D环绕等等。数字信号处理器（DSP，即DigitalSignalProcessor）是进行数字信号处理的专用芯片，是伴随着微电子学、数字信号处理技术、计算机技术的发展而产生的新器件。数字信号处理器并非只局限于音视频层面，它广泛的应用于通信与信息系统、信号与信息处理、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器等许多领域。以往是采用通用的微处理器来完成大量数字信号处理运算，速度较慢，难以满足实际需要；而同时使用位片式微处理器和快速并联乘法器，曾经是实现数字信号处理的有效途径，但此方法器件较多，逻辑设计和程序设计复杂，耗电较大，价格昂贵。数字信号处理器DSP的出现，很好的解决了上述问题。DSP可以快速的实现对信号的采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。对于车载主机而言，数字信号处理器DSP目前主要是提供特定的音场或效果，例如剧场、爵士乐等等，有些还能接收高清晰度(HD)无线电和卫星无线电等等，以达到最大的视听享受。数字信号处理器DSP增强了车载主机的性能和可用性，提高了音视频质量、提供了更多的灵活性和更快的设计周期。随着技术的发展，相信以后还能提供更多的听觉和视觉特效，而使车载主机成为车内的高科技信息和娱乐中心。2.2 DSP选型的依据参考了市场上主流的DSP芯片之后，现将其特点总结如下：Nexperia系列的PNX1300 DSP处理能力稍弱，PNX1500和PNX1700处理能力较强，而且其外设功能也较强，价格在同类产品中属于中等。DM64X系列优势在于其计算能力和指令集功能都很强大，且片上外设丰富，资料齐全便于开发，缺点是芯片价格贵。Cradle公司的DSP处理能力强大，而且其I/O 外围接口可编程，因此外设实现方便。但是，由于是多核芯片，所以协调难度较大，功耗也较大，芯片资料缺乏。ADI的Blackfin系列DSP体积小，功耗低，非常适合做手持式产品开发，价格便宜，但相比较Philips和TI的DSP，其劣势在于能够支持Blackfin的第三方算法较少。Equator的BSP系列芯片的优点在于片上I/O接口丰富，完全采用C语言编程，灵活性高，价格也较低，但与同系列的Philips和TI的DSP相比，软件开发难度较大，功耗也稍大。由于本系统是运用于视频采集压缩系统，因此其特性直接决定了视频采集压缩系统核心DSP所需要具备的性能。其功能特点包括：音视频录象、音视频检索与回放、压缩、传输等等。（1）系统要能够实时压缩多路信号并传输到视频服务器，就必须采用高压缩比的压缩算法。当前广泛应用的BT.656算法和MPEG-4算法以及最新的比H.263节省50%码率的H.264标准都对DSP芯片的计算能力提出了巨大的挑战。（2）系统的管理是基于对网络视频服务器IP地址的列表管理，监控端软件能够连接所有的前端网络视频服务器，并将其IP地址列入管理清单；用户还能够任意选择区域内的音视频通道。同时，系统需要提供报警功能，当监视区域有异常情况时，监控端主机会及时以声像报警，并可控制外接警报器报警和控制现场设备实现报警联动。此外，在一般情况下，摄像机采用定焦距、定方向的固定方式，但在光照度变化大的场所应选用自动光圈镜头，大范围监控区域宜选用带有转动云台和可变镜头的摄像机。监控中心通过控制端软件，能够控制远端摄像机镜头和云台的转动。以上这些特性决定了DSP芯片需要具备丰富的外设资源，以满足网络视频监控的需要。综合以上两点考虑，本系统采用TI公司DM64x系列中性能较高的DM642芯片。DM642强大的计算能力和指令集功能、丰富的片上外设以及齐备的开发资料完全满足系统的设计及应用要求。2.3 基于TMS320DM642的视频采集压缩系统的总体方案TMS320DM642是TI公司C6000系列DSP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。本课题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TLV320AIC23B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，以RTL8019AS为网卡芯片，并将其应用于构建高稳定性的多媒体数字监控系统，取得了较好的社会效益和经济效益。基于 TMS320DM642 的视频采集压缩系统的硬件框图如图1所示。系统的设计目标为 4 路网络视频监控系统。每个摄像头采集到的视频信号经过视频 A/D 芯片转换为 DM642 视频口识别的 BT.656 的视频流格式，4 路音频 LINE_IN信号由音频 A/D 转换后通过 IIS 接口与 DM642 相连。DM642 芯片对输入的音视频流进行压缩编码，编码后的音视频流通过以太网口(EMAC)发送给远端的视频服务器，从而实现远程视频监控。图 基于 TMS320DM642 的视频采集压缩系统的硬件框图2.4 DSP开发平台所涉及的关键技术及其方案选型2.4.1 视频解码TVP5150是一种低功耗芯片，正常工作时的功耗为113mW,在节电模式下得功耗为1mW，该芯片内核电源电压为1.8V，输入/输出电源电压为3.3V。TVP5150芯片的引脚定义如图2所示，它是一种32引脚TQFP封装的芯片，外部时钟频率14.318MHz或27MHz，通过I2C接口配置内部的寄存器。图2 TVP5150芯片引脚定义2.4.2 音频编解码DM642的音频接口外部需要接音频解码芯片或者音频编码芯片，通过编解码芯片的D/A或者A/D进行模拟音频信号和数字音频信号之间的转化。TLV320AIC23B是一款高性能的立体声音频编解码芯片。片上带有耳机输出放大器，支持MIC和LINE IN两种方式，输入和输出可增益编程。TLV320AIC23B芯片集成了基于Sigma-delta采样技术的A/D转换电路和D/A转换电路，可在8K或96K采样速度下提供16位、20位、24位或32位的采样数据，A/D和D/A的信噪比可以达到90dB或100dB。TLV320AIC23B芯片是一种低功耗器件，回放模式下功耗仅为23mW，省电模式下功耗小于15W。TLV320AIC23B芯片的数字音频接口包括了LRCIN、DIN、LRCOUT、DOUT和BCLK等引脚。图3 TLV320AIC23B芯片引脚定义2.4.3 本系统的压缩方案及视频压缩的标准视频压缩通过减少和去除冗余视频数据的方式，达到有效发送和存储数字视频文件的目的。在压缩过程中，需要应用压缩算法对源视频进行压缩以创建压缩文件，以便进行传输和存储。要想播放压缩文件，则需要应用相反的解压缩算法对视频进行还原，还原后的视频内容与原始的源视频内容几乎完全相同。压缩、发送、解压缩和显示文件所需的时间称为延时。在相同处理能力下，压缩算法越高级，延时就越长。视频编解码器（编码器/解码器）是指两个协同运行的压缩-解压算法。使用不同标准的视频编解码器通常彼此之间互不兼容；也就是说，使用一种标准进行压缩的视频内容无法使用另外一种标准进行解压缩。例如，MPEG-4 Part 2解码器就不能与H.264编码器协同运行。这是因为一种算法无法正确地对另外一个算法的输出信号进行解码，然而我们可以在同一软件或硬件中使用多种不同的算法，以支持对多种格式的文件进行压缩。由于不同的视频压缩标准会使用不同的方法来减少数据量，因此压缩结果在比特率、质量和延时方面也各不相同。ITU-R BT.656国际电信联盟的无线通信部门（ITU-R）制定的标准。严格来说，ITU-R BT.656应该是隶属ITU-R BT.601的一个子协议。ITU-R BT.656 则是ITU-R BT.601附件A中的数字接口标准，用于主要数字视频设备(包括芯片)之间采用27Mhzs并口或243Mbs串行接口的数字传输接口标准。ITU-R BT.656视频数据流包括图像亮度Y和色度Cb、Cr信息，Y、Cb、Cr 3个分量在ITU-R BT.656视频流数据中的比例为4:2:2。拥有8/10位数据传输，不需要同步信号。特点是先传Y，后传UV，同时行场同步信号嵌入在数据流中。它包含了三部分： （1）视频信号 （2）定时基准信号：有两个定时基准信号，一个在每个视频数据块的开始(Start of ActiveVideo，SAV)，另一个在每个视频数据块的结束(End of Active Video，EAV)；每个定时基准信号由4 个字的序列组成，格式如下：FF 00 00 XY（16进制）头三个是固定前缀，第4 个字包含定义第二场标识、场消隐状态和行消隐状态的信息。（3）辅助信号：辅助数据信号可以以10比特形式只在行消隐间距传送，还可以以8比特形式只在场消隐中的行的有效间距中传送。ITU-R BT.656视频数据流通常采用隔行扫描技术，包括上下两场，根据场频和每场图像包含的行数，可分为4种视频格式表1 BT.656视频数据格式频率/线数奇数场线数偶数场线数像素数/行场频60Hz/525线2402406406060Hz/525线2442437206050Hz/625线2882887685050Hz/625线288288720502.4.4 视频网络传输技术及实现近些年来，多媒体技术、网络技术和无线通信技术的迅速发展为相互之间的交叉融合奠定了基础，也使得其成为信息产业发展的必然趋势。传统的Internet主要提供数据业务，无线通信主要提供语音业务，而多媒体技术的日新月异，使得文本、语音、图形、图像和视频综合进入Internet和无线通信领域的需求日益增长。其中，视频应用以其高数据量，实时性强等特点，给学术界和工业界提出了巨大的挑战，也成为研究的热点和难点。 本文研究并总结了在Internet和无线信道上传输图像和视频的各种主流技术，具体的研究内容如下： （1）从图像和视频的压缩编码方面介绍了传统的编码技术和可伸缩性的编码技术。重点分析了离散余弦变换、小波变换、匹配追寻算法、精细可伸缩性算法和渐进精细可伸缩性算法等具有代表性的算法。（2）从网络的传输控制方面介绍了差错控制和拥塞控制。重点分析了前向纠错、重传、容错性编码、差错掩盖、速率控制和速率成型等技术。（3）从与视频传输相关的网络协议方面介绍了包括网络层协议IP，传输层协议UDP、TCP、RTP和RTCP，任务控制协议RTSP、RSVP和SIP，以及在Internet上传输MPEG-4视频流的端到端结构中的协议栈。 （4）提出并实验了基于图像的全局DCT变换的位平面编码，给出了具体的实验结果，并作了相应的分析。介绍了网络仿真环境Network Simulator 2，并用它实现了基本的网络仿真实验。2.4.5 本系统中使用8019实现UDP协议RTL8019AS 是高度集成以太网控制器，它能够简单的解答即插即用NE2000兼容适配器，这种适配器具有二重和功率下降特性。通过三电平控制特性，RTL8019AS 是已制的对网络设备 GREEN PC 理想的选择。全二重功能能够模拟传播和接收在双绞线到全二重以太网交换机。这个特性不仅强带宽从10到20MBPS，而且避免了由于以太网频道争夺特性导致的读出多路存取协议的问题。微软公司的即插即用功能能减轻用户较差的营业收入而注意适配器资源，如IRQ,输入输出，和存储器地址等等。然而，为了特殊的应用而得不到即插即用功能的兼容性，RTL8019AS 支持 JUMPER 和 JUMPERLESS 选项。图4 RTL8019AS芯片引脚定义3 DSP系统硬件设计视频处理系统主要就是视频和音频的采集、数据处理、视频压缩、传输等。本系统是一个基于DSP的视频采集要求对视频信号具备采集，实时处理，压缩传输。因此一个视频采集通常可由如下部分构成：视频图像的采集、处理，音频信号的处理，各种同步逻辑控制，视频和音频数据的存储，系统电源管理，视频的压缩传输等。3.1 主处理器TMS320DM642TMS320DM642芯片属于TI公司的C64x系列DSP，是TI公司着重推出的超强多媒体处理器。该DSP芯片为548脚BGA封装，高度集成化；并且为了满足视频处理的需要，该芯片内部采用Cache结构，支持两极Cache：其中第一级 Cache对开发人员来说是不可见的，而第二级的Cache大小是可配置的，芯片自动完成这两级Cache之间数据一致性的维护。这两级Cache的支持大大提高了 CPU的执行效率。图5 TMS320DM642 内部结构图3.1.1 TMS320DM642的硬件架构TMS320DM642采用第二代高性能、先进的超长指令字veloci T1.2结构的DSP核及增强的并行机制，当工作在720M赫兹的时钟频率下，其处理性能最高可达5760MI/s，使得该款DSP成为数字媒体解决方案的首选产品，它不仅拥有高速控制器的操作灵活性，而且具有阵列处理器的数字处理能力，TMS320DM642的外围集成了非常完整的音频、视频和网络通信接口。TMS320DM642的主要特点如下:3个可配置的视频端口（VPORT02）能够与通用的视频编、解码器实现无缝连接，支持多种视频分辨率及视频标准，支持RAW视频输入/输出，传输流模式；1个10/100Mb/s以太网接口（EMAC），符合IEEE 802.3标准；1个多通道带缓冲音频串行端口（McASP），支持I2S，DIT，S/PDIF，IEC60958-1，AES-3、CP-430等音频格式；2个多通道带缓冲串行端口（McBSP），采用RS232电平驱动；1个VCXO内插控制单元（VIC），支持音/视频同步；1个32位、66M赫兹、3.3V主/从PCI接口，遵循PCI2.2规范；1个用户可配置的16/32主机接口（HPI）；1个16位通用输入/输出端口（GPIO）；1个64位外部存储器接口（EMIF），能够与大多数异步存储器（SRAM、EPROM）及同步存储器（SDRAM，SBSRAM，ZBT SRAM，FIFO）无缝连接，最大可寻址外部存储器空间为1024MB；1个具有64路独立通道的增强型直接内存访问控制器（EDMA）；1个数据管理输入/输出模块（MDIO）；1个I2C总线模块；3个32位通用定时器；1个符合IEEE 1149.1标准的JTAG接口及子板接口等。图6 TMS320DM642的内核和片上资源3.1.2 TMS320DM642的CPU单元、Cache结构和EDMADM642是基于C64x的CPU，这是C6000系列DSP的一个部分。为了满足视频和图象处理的需要，该系列DSP采用VelociTI体系结构。该DSP还采用高级超长指令字结构，使得在一个指令周期能够并行处理多条指令。DM642的CPU的组成部分包括：（1）两个通用寄存器(A和B，各32个32-bit通用寄存器)；（2）8 个功能单元(L1，L2，S1，S2，M1，M2，D1，D2)；（3）两个从内存读数据的数据通道(LD1和LD2)；（4）两个写内存的数据通道(ST1和ST2)；（5）两个数据地址通道(DA1和DA2)；（6）两个寄存器组数据交叉通道(1X和2X)；L1和L2组成了DM642的两级缓存。L1距离DSP核最近，数据访问速度最快，只能作为不能寻址的Cache使用，由相互独立的LIP和LID组成；LIPCache大小为16kB，直接映射，每行大小为32B；LID Cache大小16kB，2路映射，每行大小为64B。L2是L1和外存储器的中间层，容量较大，有256kbit/s，是统一的存储空间，即可同时存储程序和数据。L2可作为SRAM映射到存储空间使用，也可整体作为第二级Cache，或是作为二者按比例的一种组合混合使用。L2作为SRAM使用时，即是DM642的片内内存，从整个系统地址空间的起始地址0x00000000开始编址，当作为Cache使用时，4路映射，每行大小为128B，容量在32-56kB 之间。在实际开发过程中要充分利用Cache，总的原则是将尽量多的关键数据分配在片内，Cache越大越好，对于不同的应用需要用不同的配置。最优配置需要在开发中根据经验和实际的测试结果进行选择。DM642处理器片上有一个EDMA控制器，如果把CPU的工作比喻为前台事务，那么EDMA的工作则视为后台事务，不占用CPU时间，这种机制提高了CPU的工作效率。DM642的EDMA能提供超过2Gb/s的外部带宽。EDMA支持 64 路EDMA通道，可与DM642的某个事件进行关联。EDMA时间出发与CPU中断出发相类似，只要正确设置了EDMA通道，满足触发条件后在程序中便会自动进入相应的EDMA事件处理函数。EDMA总共有 85 个参数用来对“linking”或“chaining”进行配置。“Linking”是在一个事件被触发时，允许一个序列进行传输。“Chaining”是当一个通道的数据传输完毕时，触发另一个通道的数据传输。Linking和Chaining使得仅仅被CPU初始配置之后，EDMA 能够连续的自动运行。3.1.3 TMS320DM642 的视频口TMS320DM642共三个视频接口即VP0VP1，每个视频口包括20路数据信号VPxD19:0，2路时钟信号VPxCLK1:0（输入引脚），3路控制信号VPxCTL2:0。每个视频口划分为A、B两个通道，每个通道既可以配置为视频输入口也可以配置为视频输出口，不过A、B两个通道在使用过程中必须设置为相同类型的输入或者输出，不能某个通道配置为视频输入，另一个通道配置为视频输出。表2 视频口的功能分配视频口名称通道 第1功能第2功能VP0A视频口McBSP0B视频口McASPVP1A视频口McBSP1B视频口McASPVP2A视频口单独使用B视频口单独使用TMS320DM642片上提供了多个与视频口参数设置相关的寄存器，通过设置这些寄存器把视频口配置为视频输入口或视频输出口，视频输入口用于捕获外部视频输入数据，视频输出口用于显示视频图像。与视频口相关的寄存器分为控制用寄存器、视频捕获寄存器、视频捕获FIFO寄存器、视频显示寄存器、视频显示FIFO寄存器等。3.1.4 TMS320DM642的其他外设（1）主端口接口HPI主机接口是一个能够通过主处理器直接访问CPU的存储空间的并行口，主机设备作为一个主要的接口从而可以进行更加容易的访问，主机和CPU可以经过内部和外部的存储器进行相互交换信息。主机还能够直接访问存储映射的外围设备。32-bit的HPI提供和多种工业标准的主处理器或PCI桥芯片相连。HPI与 CPU存储空间的互联是通过EDMA控制器实现的。主机和CPU都可以对 HPI 控制寄存器（HPIC）和（HPI）地址寄存器（HPIA）进行访问。主机可以通过使用外部数据和接口控制信号来访问 HPI 数据寄存器（HPID）和 HPIC。（2）PCI 接口通过集成的PCI主/从设备总线接口，TMS320C6000的PCI口支持DSP和一个 PCI 主机的连接。对于C64x器件，像DM642,通过EDMA控制器实现PCI 口和DSP的接口。这种结构考虑到PCI主设备和从设备处理，并可以使DMA/EDMA通道资源用于其他应用。（3）扩展内存接口EMIFTMS320DM642的数据总线宽度为64位，划分为4个存储空间CE0CE3，每个存储空间的大小为256MB。DM642通过EMIF接口扩展外部存储器时，使用CE0CE3信号作为空间片选信号，可以把外扩的存储器映射在不同空间中，空间片选信号低电平有效，EMIF接口的数据宽度也支持8位、16位和32位的数据。（4）多路音频串口（McASP）TMS320DM642设备包含一个多声道音频串行端口（McASP）接口外设（McASP 0），为了多声道音频应用需要，McASP是一个被优化了的串口。McASP由发射部分和接收部分组成，它们能够用不同的数据格式、隔离的主时钟、位时钟、帧同步或者一部分完全独立地进行操作，传输部分和接收部分可以是同步的。McASP模块还包括一个 16 位移位寄存器池，可配置为用于传输数据，接收数据，或通用输入/输出（GPIO）。McASP的传输段可以用时分复用同步串行格式传送数据，或用一个数字音频接口格式传输数据，它的位流可被编码为S / PDIF， AES - 3 ，IEC - 60958，CP- 430的传输。接收段的McASP支持的TDM同步串行格式。多路缓存串口 McBSPMcBSP 能够和多种标准的端口相连，McBSP 是一种同步串口。（5）通用 I/O 端口GPIO该GPIO外围设备提供专用普通用途引脚，可以配置为输入或输出。当配置为输出，可以写一个内部寄存器以控制外部引脚的状态驱动。当配置为输入，可以通过内部寄存器的状态来探测输入引脚的状态。另外，GPIO外围设备可能导致CPU中断和EDMA事件用不同的中断或事件方式。综上所述可知：TMS320DM642是一个强大的多媒体处理器，是构成多媒体通信系统的良好平台。它的丰富的外围接口使得它近乎是一个多媒体嵌入式系统的单芯片硬件平台；它的完全可编程性，又可以使得它能够兼容正在发展的各种多媒体信号处理标准，构成通用的软件平台。这些特性必将使得它得到广泛的应用。3.2 视频采集压缩系统的核心电路设计基于TMS320DM642的视频采集压缩系统硬件设计包含以下核心模块：音视频A/D转换模块、扩展存储模块、网络模块、电源模块、串行通信模块。音视频A/D转换模块主要完成4路模拟CVBS信号和4路LINE_IN信号的模数转换以及与DM642视频口的连接；扩展存储模块主要是完成DM642 EMIF 接口与SDRAM及FLASH的连接；网络模块实现DM642 EMAC接口与以太网物理层控制器之间的连接；电源模块实现对视频采集压缩系统各芯片的电源供应，以及对系统电压监控并产生复位信号；串行通信模块主要实现专用异步通信芯片对DM642 McBSP接口的扩展，从而实现稳定、准确的串行通信。3.2.1 音视频 A/D 转换模块的设计一般采集彩色图像，首先要进行视频解码，即把复合的视频信号分解成亮度和两个色差信号，各个分量再独立进行量化。传统的模拟电路的亮色分离存在着如下两个缺点：（1）模拟的亮色分离电路一般采用带通滤波器和陷波器，但模拟滤波器结构复杂，调整较繁，相频特性不理想，常使亮色分离不干净。而且带宽受限制，难以达到高保真的效果。（2）信源送来的行场同步都有抖动，有时还会失同步，锁相电路应能跟上行同步，并且输出的抖动要小。因为实际的视频采样系统中，为了使后级的处理简单，往往需要采样时钟与行频锁相，形成所谓的行频锁相视频采样，以使得到的样点为行正交结构。另外，解码器中还要恢复副载波信号来解调色差信号，恢复色副载波的频率和相位的准确度直接影响到解调的质量。因此，解码器系统(特别是多制式的解码器)中，锁相系统要能完成多种频率的高精度锁相。 音视频A/D转换模块由音视频解码芯片构成，由于DM642的VP口能够接受CCIR601、ITU-BT.656.和RAW Video等多种格式的视频数据，提供了与目前市面上流行的视频编解码芯片的无缝连接，因而大大简化了设计，在芯片的选择上更多集中在视频解码质量，芯片功耗等方面进行考虑。由于设计中采用模拟摄像头进行视频数据的采集，因此需要使用视频解码芯片将采集到的模拟数据进行数字化，然后传送给DM642的视频端口进行处理。这里的视频解码芯片选用了TI公司生产的TVP5150芯片。该芯片是一款超低功耗的视频解码器，正常工作时功耗仅为115mW，在省电模式下功耗不超过1mW。它支持PAL/NTSC/SECAM制式的视频信号，采用了节省空间的32-pinTQFP封装，芯片需要+1.8V的模拟/数字电压和+3.3V的I/O电压。TVP5150支持2路复合视频(CVBS)或1路S一端子(S-video)输入，由14.31818MHz的外部振荡器产生解码器内部9-bitADC所需的27MHz采样频率，将输入的模拟视频信号转换为带离散同步信号的8-bit 4：2：2YCbCr或者带内嵌同步信号的8-bit BT.656格式的数字视频信号并输出，除此之外，TVP5150还输出同步信号，消隐信号，锁定信号和时钟信号。TVP5150A解码器还包括一组内部寄存器(地址从00h-FFh )，芯片的所有工作参数包括视频特征(色调、对比度、明亮度、饱和度和尖锐度)和其他一些相关的控制等都由DM642通过I2C串行端口在这些寄存器中设置。图 视频芯片与 DM642 的连接系统对音频信号的处理使用 TI 的TLV320AIC23音频编解码器，模拟的音频信号通过线性输入接口输入AIC23，经过模数转换后传送给DSP 进行处理。DSP 处理后的音频信号再通过AIC23 转换为模拟信号输出。AIC23编解码器使用两个串行通道，一个通道控制编解码器的内部配置寄存器，另一个用于收发数字音频信号。I2C总线作为单向的控制通道，实现DSP对编解码器的配置。双向的数据通道则由McASP来实现，所有的音频数据均由此处交换。图8 DM642与音频芯片接口图