TMS320C54xDSP的視頻圖像采集接口設計與實現

　　C5402是TI公司C54x系列定點DSP芯片中的新產品它集中了此系列早期產品的優點，并提供了許多新的功能，開發和使用更加方便。C5402具有靈活的指令系統和操作性能，它可選擇助記符指令或算術指令作為編程指令，同時支持匯編語言和C語言的單獨或混合編程。C5402采用改進的Harvanl處理結構，指令流水線操作。計算和處理速度很高，系統單指令周期可達到10ns。在片內提供16k的RAM用作程序和數據存儲，其最大可擴展尋址空間為1M字節。C5402提供的McBSP串口和DAM數據傳送方式極大地方便它在通信領域的應用和開發。C5402由于其高性能價格而成為當前語言和靜態圖象處理和主流產品。

　　1 電路原理

　　采集電路如圖1所示，由視頻緩沖器、視頻A/D轉換器和視頻同步分離電路等組成。

　　1.1 視頻緩沖器

　　來自攝像機的標準黑白全電視信號的幅度峰-峰值為1V，要送往A/D轉換器和行、場同步分離電路，而A/D轉換器的滿量程為2V，因此，視頻緩沖器要對全電視信號進行阻抗匹配和電壓放大，并能對全電視信號進行黑電平調整。圖1中，U8構成視頻緩沖器，增益為+2；調整電阻W1可以調整輸出信號的直流電平；R16是輸入匹配電阻，阻值大小由信號源決定，本電路中為75Ω。

　　1.2 A/D轉換器

　　TLC5510是美國TI公司生產的新型模數轉換器件（ADC），它是一種采用CMOS工藝制造的８位高阻抗并行A/D芯片，能提供的最小采樣率為20MSPS。由于TLC5510采用了半閃速結構及CMOS工藝，因而大大減少了器件中比較器的數量，而且在高速轉換的同時能夠保持較低的功耗。在推薦工作條件下，TLC5510的功耗僅為130mW。由于TLC5510不僅具有高速的A/D轉換功能，而且還帶有內部采樣保持電路，從而大大簡化了外圍電路的設計；同時，由于其內部帶有了標準分壓電阻，因而可以從+5V的電源獲得2V滿刻度的基準電壓。TLC5510可應用于數字TV、醫學圖像、視頻會議、高速數據轉換以及QAM解調器等方面。

　　TLC5510的參考電壓可由其內部的3個電阻R1、Rref、R2設定，如圖2所示。按圖2連接，將參考低電壓設定為0.6V，參考高電壓設定為2.6V，電阻Rref上的2V壓降即為滿足程電壓。當輸入電壓為0.6V時，A/D轉換的輸出數據為0；當輸出電壓為2.6V時，A/D轉換的輸出數據為255。

　　TLC5510有1個轉換時鐘輸入端（CLK）和1個片選端（OE）。CLK的下降沿啟動A/D轉換，1次A/D轉換需要2.5個CLK周期，即第1個CLK的下降沿啟動A/D轉換后，要等第3個CLK的上升沿出現時，第1個A/D轉換數據才會準備好。當片選信號（OE）為低電平時，A/D轉換數據輸出到外部數據總線上，供DSP讀取。

　　1.3 采集電路的DSP的連接

　　采集電路與C5402的連接如圖3所示。其中，U19是16位寬度的高速總線收發器，并具有電平轉換的功能，將5V的奇偶場信號、復位同步信號和A/D轉換器輸出的數字信號轉換為C5402能接受的3.3V信號。

　　仔細分析了TLC5510的工作原理和C5402的讀/寫時序后，沒有將TLC5510作為C5402的擴展I/O口，而是將TLC5510作C5402的一個擴展的外部存儲單元。用該單元的讀選通信號（ADR）與TLC5510的CLK和OE相連（如圖3所示），這樣C5402讀TLC5510時，1條讀數指令完成2個操作：啟動A/D轉換并讀取A/D轉換數據。不過當前的A/D轉換結果要等到第4次讀該端口時才能得到，A/D轉換的時序如圖4所示。

　　1.4 同步分離電路

　　同步分離電路采用LM1881。該器件能接收PAL制、NTSC制和SECAM制的全電視信號，輸出復合同步信號、垂直同步信號、奇偶場信號和色同步旗形脈沖信號。C5402根據奇、偶場信號找到一場圖像的開始，做好采集圖像數據的準備。當復合同步信號到來時，C5402響應行中斷（INT0），連續采集一行圖像數據。

　　2 圖像采集

　　壓縮卡的圖像采集是由C5402直接完成的。初始化結束后，C5402按缺省模式或主機命令的求確定圖像的大小和采集速率等參數，然后根據奇、偶場信號和復合同步脈沖信號來采集圖像數據。

　　2.1 采集流程

　　采集流程可分為以下幾個步驟：

　　①等待場開始。

　　②當場開始信號到來時，C5402進入場處理子程序，開放行中斷做好采集一場數據的準備。根據奇、偶場信號可以決定是采集奇場圖像還是采集偶場圖像。

　　③當復俁同步信號到來時，C5402進入中斷服務子程序，并將圖像數據存入擴展的數據存儲器中。當一場或一幀圖像各行數據都采集完畢后，關閉中斷。

　　2.2 行、場處理

　　DSP接收到場開始信號后進入場處理子程序中。在場處理子程序中，先確定將要采集的圖像的大小并設置采集、編碼及發送過程中要使用的參數，然后打開行采集中斷INT0，延時一定數目的行周期后退出場處理子程序，進入圖像采集階段。

　　行采集中斷要完成圖像采集和其它一些任務。在每行圖像采集之間應根據圖像大小延時一段時間，以保證采集到的圖像位于畫面的中心。采集圖像時，每隔140ns讀取一個A/D轉換數據，存入幀緩沖器。由于讀取A/D轉換結果與寫幀緩沖器只用了80ns，因此可以先將圖像數據減去128，再存入幀存儲器，這樣就進行了JPEG編碼時就不要執行減128操作了，節約了時間。

　　結語

　　本電路成本低、容易實現、占用DSP時間少、能滿足黑白電視信號的采集，在合肥工業大學DSP聯合實驗室研制的便攜式準動視頻圖像壓縮系統[2]中得到應用，效果良好。以本電路為基礎，使用TI公司的其它高速視頻A/D轉換器，例如TLC5540或TLC5580，便可構成更高分辨率的視頻圖像采集系統。