基于TMS320DM642的網絡攝像機設計

引言

網絡攝像機的解決方案有多種選擇，但是市場主流產品一般選擇兩種方案：(1)采用cpu+asic。(2)采用雙cpu結構，即一個嵌入式cpu和一個專用信號處理芯片dsp。受專用dsp芯片處理能力的限制，現有的嵌入式網絡攝像機中使用的視頻處理算法基本是h.263以下的標準。

本文介紹一種基于tms320dm642 dsp的網絡攝像機設計方案。其操作系統、通信協議、網絡協議、音視頻處理軟件均在一顆tms320dm642上實現，降低了開發的難度。

ti公司的tms320dm642 (以下簡稱dm642)是一款專門面向多媒體應用的專用dsp。該dsp時鐘高達600mhz，8個并行運算單元，處理能力達4800mips；采用二級緩存結構；具有64位外接存儲器接口；兼容ieee-1149.1(jtag)邊界掃描；為了面向多媒體應用，還集成了3個可配置的視頻端口、面向音頻應用的mcasp(multi channel audio serial port)、10/100mb/s的以太網mac等外設。鑒于dm642的上述優點，本網絡攝像機系統就以dm642為核心，完成音視頻信號的實時采集、壓縮及傳輸功能。

硬件設計

傳輸給視頻監控中心。監控中心可同時監視多個現場，接收或發送報警信號，并根據需要通過異步串行總線rs-485實時控制云臺，調整攝像頭的方向和位置。

視頻采集電路

本系統采用的視頻解碼芯片是philips 公司的saa7115。從模擬視頻輸入口輸入的全電視信號在saa7115內部經過鉗位、抗混疊濾波、a/d轉換、yuv分離電路之后，在yuv到ycrcb的轉換電路中轉換成bt.656視頻數據流，輸入到壓縮核心單元dm642中。dm642的3個視頻口vp0、vp1、vp2與視頻編解碼芯片相接。

在本系統中，只有一路視頻輸入，故vp1、vp2端口未用，vp0通道配置為8位bt.656視頻輸入口。視頻數據的行/場同步信號包含在bt.656數字視頻數據流的eav(end of active video)和sav(start of active video)時基信號中，視頻口只需視頻采樣時鐘和采樣使能信號即可。saa7115內部寄存器參數的配置和狀態的讀出通過i2c總線進行。視頻接口的原理如圖2所示。

音頻輸入/輸出電路

本系統采用ti的高性能立體聲編解碼器tlv320aic23(以下簡稱aic23)實現音頻信號的采集和播放。aic23與dm642 的i/o電壓兼容，可以實現與dm642的mcasp接口無縫連接。

在本系統中，aic23工作于主模式，左右聲道的采樣字寬均為16bit。數據接口為dsp mode模式。通過i2c總線設置內部寄存器的工作參數和反饋狀態信息。

因為網絡傳輸的固有特點，音頻數據和視頻數據從網絡攝像機端到達監控中心不可能是均勻的，如果網絡攝像機端不做任何糾正處理，則很難保證音視頻的同步輸出。為了實現音頻和視頻的采樣同步，本文利用鎖相環pll1708，從saa7115的llc引腳輸出27mhz時鐘，經pll1708產生aic23的主時鐘mclk。由于音視頻采樣信號采用同一個時鐘源，就不會出現音視頻不同步的問題。pll1708的scko3引腳輸出默認時鐘頻率18.433mhz，作為aic23的輸入主時鐘mclk。aic23內部采用的時鐘可通過設置寄存器由主時鐘mclk分頻得到。

以太網接口電路

本系統用lxt971作為快速以太網物理層自適應收發器。由于lxt971支持ieee 802.3標準，提供mii(media independent interface)接口，可以支持mac，而dm642內部正好集成有以太網媒體存取控制器，所以lxt971可以和dm642實現無縫連接。連接電路如圖3所示，其中bh1102為1:1的隔離變壓器。從dm642傳輸過來的數據通過lxt971轉換為以太網物理層能接收的數據后，通過rj-45頭傳輸到因特網。

存儲器擴展電路

dm642內部有16kb的一級程序緩存，16kb的一級數據緩存和256kb的程序數據共享二級緩存。但這對于直接處理圖像數據是不夠的，因此擴展了兩片32mb的sdram來存放原始圖像數據，4 mb的flash來存放應用程序。二者都映射到dm642的外部數據空間。

cpld電路

本系統采用的cpld是xilinx公司的xc9572xl。該芯片具有72個宏單元，1600個邏輯門； 5ns pin-to-pin的邏輯延遲； 178mhz的系統頻率。cpld的功能主要是：為flash 、uart和cpld 異步寄存器空間作地址解碼；為flash產生3bit的頁選信號;監控來自uart的電平中斷信號，轉換為邊沿觸發中斷信號送給dsp。

rs-485接口電路

該接口連接到攝像機的云臺，用來控制云臺的轉動，調整攝像頭的方向和位置。rs-485總線抗干擾能力強，能實現多站點遠距離通信。本壓縮卡擬采用uart芯片sc16c550和maxim公司的max487e來實現rs-485信號的傳輸。sc16c550主要功能是把dsp傳送過來的并行信號轉換為串行信號。sc16c550內部的接收器和發送器各有16b的fifo，能處理的串行信號的速率高達3mbps。max487e是rs-485總線接口芯片，可以工作在全雙工、半雙工模式。傳輸速率可達2.5mbps。

電源電路

整個壓縮卡用一個5v的直流變壓器供電。由這個5v的電壓器產生1.4v和3.3v電壓分別給dsp內核和 i/o端口供電，產生另外一個3.3v給視頻編解碼及其他芯片供電。注意這兩個3.3v電源要分開設計，以免電源噪聲相互干擾。

為了解決這個問題，本文采用了開關電源芯片tps54310pwp，把1.4v模塊的電源輸出有效引腳pg(power good)連接到3.3v模塊的允許電壓輸入引腳en

。這樣，只有當1.4v電壓有效之后，3.3v電壓才開始上電，這就保證了dm642的內核電壓先于i/o電壓上電。

軟件設計

在本系統中，圖像壓縮采用h.264標準。h.264具有很高的編碼效率，在相同的重建圖像質量下，能夠比h.263節約50%左右的碼率。h.264的碼流結構網絡適應性強，增加了差錯恢復能力，能夠很好地適應ip和無線網絡的應用。音頻編解碼采用g.729算法。網絡傳輸采用rtp/rtcp協議以及組播方式，這樣可以保證傳送的質量。在操作系統方面，采用基于dsp/bios 的ti 參考架構5(rf5)?；趓f5操作系統的應用程序模塊主要包括：音視頻采集模塊、壓縮編碼模塊、uart控制模塊和網絡傳輸模塊。　　

結語

本方案能在一顆dm642芯片上實現網絡攝像機的幾乎全部功能，能對音視頻進行實時的編解碼和實時的網絡傳輸。圖像質量高、開發難度低、易于升級，是一種比較理想的網絡攝像機解決方案，可廣泛應用于視頻監控系統中。