一種數碼相機成像和視頻處理前端的設計

   關鍵詞：數碼相機 TVP5040 TMS320DSC 系列DSP CCD

目前，數字類消費電子產品的需求率增長驚人。在這些產品中，成像和視頻類產品比重很大。在這些影像產品中，無論是數碼相機還是內置數碼相機的可拍照手機，或者其它數字成像和視頻終端產品，都需要成像和視頻處理前端與其協同工作。

德州儀器公司（TI）在推動新興消費類產品的高級圖像應用方面及時跟進，發布了目前業界性能最為卓越的基于數字信號處理器（TMS320DSC系列DSP）的解決方案。這種低功耗、完全可編程的DSP解決方案，使實時視頻功能在成像終端上的應用成為可能。TMS320DSC系列芯片在一個單一器件中集成了兩項功能：超低功耗的TMS320C5000用來進行實時媒體處理；一個ARM7TDMI RISC處理器以實現系統控制功能。可編程的硬件多媒體加速器可以進行并發性處理，以增強專用成像和視頻性能。

TI還提供了一系列成像和視頻處理前端產品，可與TMS320DSC系列DSP進行無縫工作。TVP5031、TVP5040和TVP5145使用戶能夠將模擬視頻信號轉換成TMS320DSC系列芯片可以處理的數字數據。

1 數碼相機的成像和視頻處理前端

數碼相機市場通常被劃分為高端（400萬像素以上）、中端（330、210萬像素）與低端（百萬像素以下①三種檔次。針對不同的市場，大部分廠商會根據CCD和CMOS的差異而采取不同的解決方案，而采用TMS320DSC系列DSP的數碼相機解決方案則可兼顧。從入門產品到最高級設計的整個相機系統或其它影像產品，都可由這個系列DSP的可編程能力而輕松實現，這是其優勢之一。其次，成像和視頻處理前端TVP5031、TVP5040和TVP5145的可編程能力，使得開發者可以通過更新的算法和標準來升級或更改模塊前端的處理。

    一般來說，數碼相機的成像和視頻處理前端主要是鏡頭模塊（包含CCD傳感器、鏡頭和馬達）與模擬前端電路（AFE）。本文所述的成像和視頻處理前端與專用數字處理器TMS320DSC的接口設計如圖1所示。

驅動電路和時序生成器件產生CCD或CMOS所需要的時鐘信號，模擬前端的作用是將圖像傳感器輸出的模擬圖像信號鉗位放大，并完成A/D轉換，這里采用TVP5040。TMS320DSC系列DSP含有圖像處理和時序控制電路，通過I/O接口可以控制時序產生，通過CCD控制器可以正確接收垂直同步（VD）和水平同步（HD）信號。經過相關配置以后，DSP就可以接受TVP5040輸出的CCD原始數據了。

2 NTSC/PAL數字視頻解碼器TVP5040

TVP5040作為一款高質量單芯片數字視頻解碼器，可能很方便的將模擬視頻信號轉換成數字視頻。它包括業界領先的2個10位高速2x過抽樣A/D轉換器。接受標準的NTSC/PAL制式的復合視頻信號和S-Video信號輸入，輸出格式可以是8位、10位、16位或20位4：2：2（YcbCr）子采樣格式，也可以是8位或10位ITU-RBT，656定義的標準輸出（帶嵌入同步）。采樣可以是矩形像素或者遵循ITU-RBT.601協議。TVO5040利用德州儀器的專利技術，對那些微弱、不穩定的信號進行捕捉，并去除噪聲。

其三線互補自適應梳狀濾波器，可以降低色度和亮度的交叉影響。利用所支持的主機端口和接口I2C、3個并行主機接口（PHI）或VIP模式，可對視頻特性，如色調、對比度和飽和度等進行編程操作。TVP5040產生同步、消隱、場和鎖存信號，以及數字視頻輸出。同時，具有先進的垂直消隱區間數據恢復功能，內置FIFO可存儲高達14行的圖文電視數據。

TVP5040主要包括以下模塊：

*模擬信號處理器和A/D轉換器（AGC，AD）；

*Y/C分離電路（Luma/Chroma separation）;

*色度處理（chrominance processing）;

*亮度處理器（luminance processing）;

*時鐘處理與節電控制；

*輸出格式化器（outputformatter）；

*主機端口接口（interface）；

*VBI數據處理器（VBI）；

*增強型Macrovision檢測（Macrovision detection）。

    模塊功能如圖2所示。

TVP5040由一組內部寄存器初始化并控制，它們設置所有的操作參數。為了能夠正確設置寄存器的參數，主機在上電復位時，必須向TVP5040下載微代碼，以使TVP5040的內部微處理器對內部寄存器編程。由于微代碼較大，TVP5040提供了不同的主機端口接口，包括I2C端口（I2C Interface）、3個并行主機接口（PHI Interface）和視頻端口接口（VIP Interface）用于下載和進一步的配置。主機接口用于初始化內部微處理器，讀寫狀態寄存器以及訪問分片VBI數據（sliced VBI data）。這些接口模式是在上電復位或是組合使用GLCO、PALI和FID引腳復位時確定的。

外部控制器通過標準的主機端口接口與TVP5040通信。TVP5040有一個內部微處理器，還有相連的100K的指令RAM。微處理器控制芯片的功能包括PLL操作、AGC、同步和寄存器配置等。這種可編程結構使得TVP5040可以利用更新的算法來提高性能。每次上電啟動的時候都要下載用于內部微處理器的微代碼。

控制每行像素數的采樣頻率是不同的，這取決于視頻格式和標準。TVP5040的視頻端口輸出格式時序如圖3所示。其它還有水平、垂直同步以及場同步信號的時序圖，限于篇幅，就不一一列出了。

3 TMS320DSC系列DSP的CCD控制器

TMS320DSCX系列DSP的圖像功能單元CCD控制器為CCD和CMOS圖像傳感器提供了必需的邏輯，對逐行和隔行掃描CCD或CMOS圖像傳感器給予了很好的支持。CCD控制器可以編程控制，有20個寄存器需要設置，由TMS320DSCX控制，能支持高達4096