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。