基于TMS320C6201 DSP的視頻圖像語音傳輸系統的硬件設計

隨著科學技術的高速發展,視頻圖像和語音數字化處理在軍事、科研、工農業生產、醫療衛生等領域的應用越來越廣泛。早期的糧情監測主要是基于對糧倉溫度、濕度的采集觀測。隨著糧情系統的進一步完善,人們提出了更高要求,希望對糧倉內部進行實時圖像語音監控,進一步加強對蟲害和火災觀測和預防。本文所采用的基于TMS320C6201的視頻圖像語音傳輸系統就是應用于糧情的監測,在滿足以上要求的前提下設計完成的。

　　圖像語音的壓縮傳輸系統有二種基本的實現方法:一種是基于微機實現,圖像語音處理系統通過PCI總線以插卡的形式集成在微機系統中,數據通過PCI總線或卡上所帶的接口進行交換和傳輸;另一種是脫離了微機而獨立運行,利用微處理芯片對圖像語音進行數字化壓縮傳輸。本文介紹的設計采用了后一種方法。

1? 系統的組成和基本原理

　　一個完整的視頻圖像語音傳輸系統不但要具備對圖像語音信號的采集功能,還要求完成對采集上來的圖像語音信號的分析及處理算法(如圖像壓縮等),最后采用一定的媒質將處理好的信號傳輸到終端主機顯示。視頻圖像語音信號的分析及處理算法的運算量很大,同時又要滿足實時顯示的要求,因此采用了高速DSP芯片作為數據核心的處理單元。系統的基本結構模型如圖1所示。

2? 硬件結構

2.1 模擬視頻輸入接口設計

　　(1)視頻采樣要求。模擬視頻輸入接口電路的作用是對輸入的模擬視頻信號進行預處理,并將其數字化。視頻采樣有2個重要指標:采樣分辨率和采樣頻率。采樣分辨率代表圖像灰度量化的等級,位數越多,圖像層次越豐富,同時圖像數據量也越大;采樣頻率決定可數字化后圖像的空間分辨率,為了不失真,它必須大于模擬視頻信號的頻譜中最高頻率的2倍。另外,還要求模擬視頻輸入接口所引入的系統噪聲最小。DSP模擬視頻輸入接口的原理框圖如圖2所示。

　　(2)模擬視頻解碼模塊。視頻解碼模塊的作用是將復合視頻、YC分量等模擬視頻信號進行A/D轉換,提取其中的同步和時鐘信號,所有轉換電路均集中在一塊芯片內。根據以上要求,選擇Philips公司生產的可編程的數字視頻A/D變換器SAA7111A,它有4路模擬輸入和2路模擬信號處理通道,可以通過編程選擇信號制式。輸出信號可以是YUV411(12位)、YUV422(16位)、YUV422(CCIR-656)(8位)、RGB(5、6和5)(16位)或RGB(8、8和8)(24位)格式。系統通過I2C總線對SAA7111A編程,完成初始配置工作。來自攝像頭的模擬信號,首先在模擬信號控制下,進行信號箝位、模擬放大、反混淆濾波、A/D轉換,然后將得到的8位亮度信號和8位色度信號分別送往亮度處理電路和色度處理電路進行處理,產生16位的YUV信號。Y(7:0)為8位數字亮度信號,UV(7:0)為不同顏色(B-Y和R-Y)復用信號。信號輸出格式由I²C總線控制(YUV信號輸出格式由I2C總線控制電路決定),幀時序由HREF信號控制。在系統中將采用帶有I2C接口的、與51系列兼容的單片機T89C51IC2對SAA7111A進行控制,即對模擬視頻前端SAA7111A的采樣率、箝位電平、鎖相環等進行編程設置,以使整個視頻輸入接口電路按照預先設計的方式工作。

　　(3)采用FIFO作為實時圖像數據輸入緩沖器。從性能上來說,普通型的幀存儲體在采集的同時不能讀取采集數據。雖然采用雙端口RAM也可以解決并發訪問的問題,但它所必需的地址譯碼和占用大段的主存儲器映射空間(或繁雜的頁面切換)是不可忽視的實際問題。從對采集到的數據的處理方式可以看出,對于單純采集應用(不需要對數據做諸如疊加等預處理工作),其系統緩存單元在結構上相當于先進先出(FIFO)隊列,即按信號時間順序先采集的數據先被主處理芯片讀取及處理。所以采用專門的FIFO芯片可去掉復雜的緩存器幀內地址譯碼電路,大大簡化了系統設計。FIFO(IDT72V3640)用于向TMS320C6201傳輸經SAA7111A轉換后的16位實時圖像數據VPO(0:15)。FIFO不存在地址線的問題,所以不用連接地址線。

2.2 音頻編解碼器的選取

　　采用Crystal公司的CS4231A芯片作為核心音頻編碼解碼器(CODEC)模塊。CS4231A多媒體芯片為系統提供一個靈活、通用的音頻前端。它是一個16位立體聲器件,包含完整的片上濾波、模擬混音和可編程控制的增益和衰減調節。CS4231A支持8、9.6、11.025、16、22.05、32、44.1、48kHz等通用的采樣頻率,如此寬范圍的采樣頻率可以適應從電信到音頻的各種應用需求。CS4231A采用頻率分別為16.9344MHz和24.576MHz的2個晶振來作為采樣頻率的時鐘源。

CS4231A同時提供了并行和串行接口,支持DMA及中斷工作方式,因而可以通過多種方式與DSP進行連接。這里采用的是其中最有效的方式:即串行接口傳輸音頻數據,并行接口傳輸控制信息。CS4231A使用與DSP的McBSP(多通道緩存串行口)相兼容的串行音頻數據接口,這種接口方式為串行音頻數據提供了一個專用通道而不必占用DSP的EMIF的帶寬。在串行數據流中,CS4231A先傳輸左聲道數據然后傳輸右聲道數據,并且傳輸時高位在前(與McBSP的工作方式相兼容)。CS4231A串口通過多路復用芯片CBT3257的4個2選1復用器連接到DSP的McBSP,這一設置使McBSP可以與板上的CS4231A相連,也可以在任一時刻與自己的具體應用子板相連。CS4231A包含1個8位寬度的并行控制/狀態接口,通過把接口寄存器映射到DSP的EMIF空間來進行控制和狀態讀取。這樣就使控制接口和音頻數據相分離,避免了在單個碼流上的信號復用,簡化了軟件驅動設計。CS4231A是5V器件,DSP是3.3V器件,它們相互連通后得并行控制信號,并且必須通過總線收發器進行信號轉換。

　　CODEC模塊支持線性和話筒的多路輸入:音頻的放大器用來對話筒輸入信號進行預防和濾波;線性輸入經過無源濾波、交流耦合送入CS4231A,輸入插座可以用來連接立體聲源,通過軟件可以獨立控制左、右輸入聲道的選擇和各自的增益。CODEC還包含一個可通過DSP軟件控制衰減的線性輸出。

2.3 系統擴展存儲器接口設計

　　(1)程序存儲及數據預置。由于對不同的成像條件,要求其視頻運動估算和圖像處理算法能夠自動適應,所以必須存儲多種算法備選。因此要求選用大容量的存儲器或者多片小容量的存儲器。片外8位或16位的程序存儲器必須配置在TMS320C6201EMIF(外存接口)的CE1空間。這是因為:①系統復位后只能從CE1載入引導程序。②EMIF的4個存儲空間中,只有CE1可以與8位或16位的“窄存儲空間”接口。根據預存程序和數據的大小估計,采用相應容量的Flash ROM。

　　(2)采用SDRAM擴充系統外部數據動態存儲單元。在高速DSP視頻處理系統中,數據存儲器的作用是暫存圖像數據。而高速DSP器件TMS320C6201的片上數據RAM只有3Mb,無法保證大量數據的處理,因此必須擴充片外數據存儲器。其原因是:①系統對外部數據存儲器的容量要求。假如圖像要求分辨率為320×240,每個采樣點的灰度層為8位,則1幀單色圖像所占的的存儲空間為256KB,三色圖像為3×256KB。如果處理算法涉及到n幀圖像,存儲空間就為n倍。一般情況下,DSP視頻處理系統工作時允許在多種算法之間進行選擇,它所要求的數據存儲容量應該以涉及到幀數最多的算法來估計。②視頻圖像處理過程中圖像數據的存放安排。根據本系統的特點,在內部數據RAM和片外數據RAM的構成中,為了獲得較快的處理速度,必須注意數據的存放位置。這里,針對視頻圖像處理算法的性質給出存放數據的原則是:(a)幀內處理算法。處理時所用到的只是當前幀的一部分數據。需要存放的數據量很小,此時待處理以及已處理的視頻數據可以同時存放于片上RAM。(b)幀間處理算法。涉及到的數據量超過2幀以上時,則待處理的數據及處理過的數據均存于SDRAM,片內RAM只存放運算的中間結果。(c)片上數據的存放應注意地址的沖突問題。③SDRAM型號的選取。出于為系統圖像壓縮處理充分預留空間的需要,選用型號為MT48LC8M16A2(16MB)的SDRAM,根據DSP數據線為32位寬,選用2片MT48LC8M16A2進行擴展,總的擴展存儲容量為32MB。

2.4 系統以太網接口設計

　　本系統采用以太網作為傳輸介質。但目前還未有自帶以太網接口的DSP。所以采用以太網控制器RTL8019AS與DSP構成以太網互連接口。

　　RTL8019AS是***Realtek公司生產的以太網控制器,支持IEEE802.3;支持8位或16位數據總線;內置16KB的SRAM,用于收發緩沖;全雙工,收發同時達到10Mbps;支持10Base5、10Base2、10BaseT,并能自動檢測所連接的介質,在ISA總線網卡中占有相當比例。RTL8019AS與主機有3種接口模式:跳線模式、PnP模式和RT模式。

　　為了簡化DSP網絡接口的軟、硬件設計,不使用遠程自舉加載功能,并且選用跳線接口模式。用DSP的擴展I/O口代替跳線器對RTL8019AS進行初始化配置。這樣既省去了93C46的功能,又避免了跳線器更改資源配置的麻煩。RTL8019AS的總線接口與ISA總線兼容。雖然不能與DSP的外部總線直接接口,但是只要進行一些簡單的邏輯變換就可以實現直接接口。另外,DSP的總線電平為3.3V,而RTL8019AS的接口電平為5V,因此二者接口時要使用電平轉換器。

2.5 電源模塊及復位電路的設計

　　TMS320C6201的電源采用2種電壓供電:即內核電壓1.8V,I/O電壓3.3V。DSP對這2個電壓有上電順序的要求,要求內核電源(CVdd)先于I/O電源(DVdd)上電。為此在電源模塊的選用上,采用二套電源模塊,通過撥碼開關構成互補模式,這樣就能夠保證系統在一套電源模塊失效時還能夠繼續工作,增強了系統的可靠性。這二套電源模塊分別是:PT公司針對TI公司的DSP生產的電源模塊PT6405B(5V～3.3V)和PT6502B(5V～1.8V),該類型的電源模塊具有穩定、額定電流大(3A)等優點;另一套是由MAXIM公司生產的、采用帶有同步整流器的DC-DC轉換器MAX1742(輸出電流1A)和MAX1644(輸出電流2A),配合適當的外圍電路分別對DSP的I/O和內核供電。

　　為了保證TMS320C6201芯片在電源低于要求的電平時不會產生不受控制的狀態,系統中應加入電源監控電路,以確保DSP在系統加電過程中及電源電壓低于一定門限值時始終處于復位狀態。監控電路采用TI公司的TPS3307-33d(它還可接一手動復位開關)。

3? 結束語

　　本文設計的基于TMS320C6201的視頻圖像語音傳輸系統,與采用專用芯片加FPGA構成的系統比較,其硬件性能有了很大的提高。在軟件實現上也更加靈活多樣、修改方便。該系統結構緊湊,可靠性高,實時性強,能夠廣泛地運用于軍事、科研、工農業生產和醫療衛生等領域。