基于TMS320DM642的網絡攝像機的設計及實現

　　視頻采集部分采用模擬PAL制攝像頭，配合高精度視頻A/D轉換器得到數字圖像。A/D轉換器采用TI公司的TVP5145芯片，其采樣精度達到10bit，輸出支持CCIR-656和BT656等格式。
　　數據存儲部分的RAM采用三星公司的SDRAM。為配合DM642的64位EMIF(外部存儲器接口)，使用四片SDRAM，每片工作在16位模式，單片容量為32MB。數據存儲部分的ROM采用ATMEL公司的NOR型的Flash芯片，總容量為256KB，數據總線為8位。本系統中的SDRAM用來存放系統運行時的代碼以及臨時圖像數據，Flash用來保存系統自啟動代碼以及系統程序代碼。
　　視頻顯示部分采用數字LCD，可省去數/模轉換芯片，只需一片CPLD驅動LCD。CPLD采用Altera公司的MAX3000系列。這部分作為輔助功能，可根據實際運用場合進行選擇。
　　DM642的以太網控制器(即EMAC)屬于數據鏈路層，因此需外接物理層芯片才能進行網絡通信。這里采用Intel公司的LXT971A芯片，它提供了MII(Media Independent Interface)接口，可以方便地和DM642連接。
　　電源管理部分在一個硬件系統設計中占有舉足輕重的地位。本系統的電源模塊采用MAXIM公司的解決方案，包括一片MAX1762芯片(產生1.4V電源給DM642內核供電)以及兩片MAX1626(分別產生3.3V電源給DM642的I/O供電和產生5V電源給LCD的逆變器供電)。
2 設備驅動設計
　　TI為DM642的VP口開發了一個兩層設備驅動模型。上層驅動稱為Class Driver，用于連接應用程序和下層驅動；下層驅動稱為Mini Driver，更靠近底層硬件。應用時只需根據這個模型編寫驅動程序就可以了。
　　對于以太網口，TI提供了一個網絡開發組件(NDK)，為在DSP上開發網絡應用程序提供了平臺。有了這個平臺，在開發網絡應用程序時，就不用過多考慮數據如何封裝成IP包，也不用過多關心TCP/IP協議內部的工作機制，這樣可以縮短產品的開發周期及上市時間。
2.1 視頻端口的兩層設備驅動模型
　　兩層設備驅動模型如圖2所示。最上層是應用程序，最下層是底層硬件，包括DM642的VP口和視頻A/D芯片。中間大花括號括起來的部分即為設備驅動。圖中還有一層芯片支持庫(CSL)，它提供配置及控制片上外設的C語言接口。

　　根據VP口的特點，設備驅動的兩層驅動模型的每一層又細分了兩層。從圖2可以看到，把Class Driver分為FVID Class Driver和GIO Class Driver。前者更靠近應用程序，它提供一些特別適用于圖像的API函數；后者提供與Mini Driver進行通信的API函數。Mini Driver分成通用部分和特殊部分，這樣分的優勢在于：當改變硬件構成時，無需重寫Mini Driver，只需修改特殊部分即可，提高了代碼的重復使用性。
2.2 網絡開發組件
　　網絡開發組件的核心即為一系列TCP/IP協議棧庫。包括：(1)棧庫和網絡工具庫，它含有一些經過優化編譯的協議棧代碼；(2)操作系統適應庫，它用來協調TCP/IP協議棧和DSP/BIOS之間的接口；(3)網絡控制及調度庫，它決定TCP/IP環境的初始化以及網絡相關事件是如何被調度的；(4)多種硬件抽象層平臺庫，為TI公司的多種開發板(比如DSK、TEB和EVM等)提供支持。由于本系統為自行開發，所以不涉及HAL。
　　協議棧庫的流程框圖如圖3所示，其中灰色模塊分別代表前述五個庫。

3 軟件設計及實現
　　TI公司的DSP開發軟件包括集成開發環境(CCS)、 實時操作系統(DSP/BIOS)、第三方算法庫標準(eXpressDSP)。DSP/BIOS是一個用戶可裁剪的實時操作系統，包含內存管理、線程管理、中斷、外設管理和任務調度等功能。另外，還需使用JPEG標準進行圖像壓縮，因為采用JPEG進行網絡傳輸時，如果出現網絡短暫阻塞，可將當前幀拋棄而不影響下一幀的圖像，所以能夠保證系統的實時性要求。在本系統中調用了TI提供的JPEG算法庫來完成JPEG壓縮。
3.1 軟件流程結構
　　根據本系統的要求，整個軟件系統分為五個任務模塊，每個模塊完成各自的功能。這五個任務模塊分別為輸入任務、處理任務、輸出任務、網絡任務以及控制任務，其流程如圖4所示。下面敘述任務間調度及分別完成的功能。

　　(1) 輸入任務
　　該任務模塊主要完成將VP口采集到的數字圖像存入動態分配的內存空間中，圖像格式為YUV4:2:2(可根據需要進行設置)，分辨率為720480。然后對該圖像色度信號進行4:2:0重采樣，這樣做的目的是為了調用JPEG算法庫。完成以上兩步后，輸入任務模塊發出一個消息給處理任務模塊，告知圖像在內存空間中的位置，讓處理任務模塊去做進一步的處理。接著，輸入任務模塊等待處理任務模塊回復，收到回復消息后，繼續采集下一幀圖像。
　　(2) 處理任務模塊
　　該任務模塊主要完成JPEG壓縮。處理任務模塊首先獲得一個從輸入任務模塊發出的消息，并且從中得到圖像數據。接著進行JPEG壓縮，如前所述，壓縮調用了JPEG算法庫，其壓縮的速度和性能比較好。在處理任務模塊完成圖像壓縮后，發出三個消息：第一個發給輸入任務模塊，使其繼續采集下一幀圖像；第二個發給網絡任務模塊，把JPEG圖像在內存中的位置以及字節數告訴網絡任務模塊供其處理，同時，處理任務模塊將等待網絡任務模塊回復消息；最后一個消息發給輸出任務模塊，告知原始圖像在內存中的位置，讓輸出任務模塊把它輸出到LCD進行顯示。同樣，它也將等待輸出任務模塊回復消息。
　　(3) 輸出任務模塊
　　該任務模塊完成將采集到的原始圖像輸出到LCD進行顯示。由于采集到的是YUV圖像，而本系統的LCD使用RGB信號作為輸入，這需要經過數字圖像格式轉換，該轉換交由CPLD完成。
　　(4) 網絡任務模塊
　　該任務模塊完成網絡傳輸功能。分三部分實現：第一部分先獲得一個從處理任務模塊發出的消息，從中得到JPEG圖像的大小和在內存中的位置，并通過UDP協議的Socket套接字將其發送給客戶。同時發出一個消息給處理任務模塊，告知已獲得JPEG圖像，可進行下一幀圖像的壓縮。第二部分進行協議棧的初始化，包括IP地址、子網掩碼和網關的設定。如果要連接Internet，必須設置DHCP，動態分配IP地址。除此以外，還要選擇哪種網絡服務，DM642支持Telnet、HTTP、Data server等服務，本系統使用HTTP服務。第三部分為加載網頁，在PC機上用HTML編寫網頁，在該網頁中內嵌一段JavaApplet小程序以實現本系統和客戶端的交互。HTML文件不能直接加載給DM642，必須在DOS環境下使用binsrc插件把它轉換成用C語言描述的數據數組。當用戶通過IE瀏覽器訪問本系統時，HTTP服務器通過嵌入式文件系統訪問內存中的HTML網頁(即訪問那個用C語言描述的數據數組)，該文件系統是基于RAM的文件系統，它駐留在OS.LIB中。同時，JavaApplet小程序隨同HTML文件下載到客戶端并由IE瀏覽器解釋執行。
　　(5) 控制任務模塊
　　該任務模塊完成在HTML網頁上對JPEG壓縮性能的控制。在網頁中接收的用戶自定義參數，通過DSP/BIOS中的郵箱機制傳遞給處理任務模塊，從而修改JPEG的壓縮參數，改變壓縮質量。圖5所示即為接收用戶修改參數的對話框，1表示壓縮質量最差，100表示壓縮質量最好。

　　這些任務的初始化在系統的main( )函數里實現。另外，對DM642芯片的初始化(包括初始化寄存器、二級緩存(L2)的設置等)均在dm642init( )函數中完成，該函數定義在DSP/BIOS的用戶初始化函數列表中，在此不再贅述。
　　本文提出的基于TMS320DM642的網絡攝像機的設計方案已成功實現。在客戶端打開IE瀏覽器，即可看到實時監控的圖像，圖像顯示較流暢，在局域網內的圖像幀率可以達到30幀/秒。而且可以同時采集多路視頻信號，滿足多個客戶的連接請求。本系統滿足了目前寬帶環境中的網絡視頻會議以及視頻監控的要求，其應用前景十分廣泛。