摘要：采用兩片TI公司的專用視頻處理芯片TMS320DM642設(shè)計(jì)了一種多路視頻監(jiān)控系統(tǒng),。其中,，DSP1與視頻采集芯片SAA7113共同完成多路視頻的采集，并拼接成一路視頻圖像輸出,；DSP2完成對DSP1輸出圖像的采集,、壓縮和視頻傳輸。該方案結(jié)構(gòu)靈活,、拓展性強(qiáng),，可以實(shí)現(xiàn)4路視頻的實(shí)時(shí)采集與傳送。
關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控系統(tǒng),；TMS320DM642,；雙DSP；BT．656

引言
    在鋼鐵冶煉加工等高溫高危行業(yè)中,，有許多場合不適合工人長時(shí)間在現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行,，因此需要在現(xiàn)場建立隔離工作室，利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)將現(xiàn)場的實(shí)時(shí)視頻采集和傳輸至工作室中,。為了實(shí)現(xiàn)全方位的設(shè)備監(jiān)控,，往往需要多路視頻監(jiān)控系統(tǒng)，本文針對實(shí)際情況,，采用TI公司的專用視頻處理芯片TMS320DM642構(gòu)建單板多路視頻監(jiān)控系統(tǒng),。該系統(tǒng)連接簡單,、方便,，設(shè)備成本低，可以廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)中,。

1 核心處理器選擇
    視頻系統(tǒng)通常包括視頻信號的采集,、處理和輸出,。其中最核心的部分是處理部分。對于4路720×576標(biāo)清格式的PAL制式視頻采集系統(tǒng)及1路720×576標(biāo)清格式的PAL制式視頻輸出,，系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)量為：
    (720×576)×4×16 bit×25Hz≈79．1 MB／s
    輸出數(shù)據(jù)量為：
    (720×576)×16 bit×25 Hz≈19．8 MB／s
    處理如此巨大的數(shù)據(jù)量成為多路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的最大瓶頸,。這要求DSP有足夠出色的外部接口能力和較高的內(nèi)核時(shí)鐘，使用高速的緩沖設(shè)備和高速的存儲器,，并采用各種技術(shù)完成超大量視頻數(shù)據(jù)的采集和處理,。
    TMS320DM642(簡稱DM642)是TI公司推出的專用視頻處理芯片。其基于C64X內(nèi)核,，采用VLIW(超長指令字)結(jié)構(gòu)和二級緩存結(jié)構(gòu),；最高主頻時(shí)鐘達(dá)720 MHz，擁有豐富的外設(shè)接口：擁有3個(gè)可配置視頻口,，可實(shí)現(xiàn)與視頻輸入／輸出的無縫連接,；擁有64路可配置EDMA，可以靈活地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的搬移操作,；具有64位外部存儲器接口(EMIFA),，可以連接同步或者異步的存儲器和外設(shè)；擁有I2C總線接口,，可實(shí)現(xiàn)對外部編解碼芯片的配置,。
    DM642擁有3個(gè)可配置的視頻口外設(shè)(VP0，VP1,，VP2),。每個(gè)視頻口具有兩個(gè)通道，每個(gè)通道都可以實(shí)現(xiàn)與通用視頻編碼器和解碼器無縫鏈接,，支持CCIR-601,、ITU-BT．656、BT．1120等視頻標(biāo)準(zhǔn),。這樣每個(gè)DSP可以配置2個(gè)視頻用于視頻采集(即同時(shí)采集4個(gè)通道),，另一個(gè)視頻
口用于輸出顯示。另外,，DM642還擁有一個(gè)10／100M以太網(wǎng)接口,，可以實(shí)現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)的連接。因此,，采用DM642作為主處理芯片來實(shí)現(xiàn)視頻的采集,、壓縮與傳輸?shù)裙δ堋,？紤]到系統(tǒng)不僅需要采集多路標(biāo)清PAL制式視頻,，還需要進(jìn)行H．264壓縮編碼，很難利用單DSP系統(tǒng)來達(dá)到實(shí)時(shí)性要求,，因此采用了雙DSP系統(tǒng),。其中一個(gè)DSP負(fù)責(zé)采集與拼接,，另一個(gè)DSP負(fù)責(zé)視頻壓縮與傳送。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)采用DM642為系統(tǒng)核心芯片,，利用DM642的視頻口互連技術(shù)實(shí)現(xiàn)DSP間的通信,。在視頻采集端，由DSP1和4個(gè)SAA7113構(gòu)成4路視頻采集系統(tǒng),，DSP1的視頻輸出口接DSP2的視頻采集輸入口,。DSP2在系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)H.264壓縮編碼功能，壓縮后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)接口送至總監(jiān)控室,；另外,，DSP2的視頻口2外接視頻編碼芯片，完成模擬CVBS及RGB格式視頻數(shù)據(jù)的輸出,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1 視頻解碼模塊設(shè)計(jì)
    視頻解碼模塊也稱為視頻采集模塊，它由數(shù)字視頻解碼芯片SAA7113和視頻源(模擬CVBS信號)組成,。輸入的圖像經(jīng)過視頻解碼模塊進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后,，才能送給視頻處理模塊。該解碼模塊采用Philips公司的SAA7113芯片來進(jìn)行采集,。圖像傳感器輸出的模擬CVBS信號經(jīng)SAA7113視頻芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,，輸出的數(shù)字信號經(jīng)過DM642視頻口的內(nèi)部FIFO緩沖后，由DM642的,。EDMA通道將數(shù)據(jù)傳送到片外SDRAM中,，以便視頻處理程序使用。DM642通過I2C控制器對SAA7113進(jìn)行配置,，使其輸出BT．656格式4：2：2的YUV視頻數(shù)據(jù)流,。
    這里需要說明的是，由于DM642只有一個(gè)I2C接口,，最多只能尋址兩個(gè)I2C從設(shè)備,。為了實(shí)現(xiàn)DM642對4個(gè)視頻解碼芯片的配置，使用一個(gè)多路選擇開關(guān)74CBT3257將I2C總線分成I2C0和I2C1,。I2C總線切換電路如圖2所示,。

 
3．2 雙DSP通信設(shè)計(jì)
    實(shí)現(xiàn)雙DM642的通信設(shè)計(jì)可以采用兩種方式：雙端口RAM和視頻口互連。雙端口RAM采用共享內(nèi)存的模式,，系統(tǒng)時(shí)序復(fù)雜,，快速雙端口RAM的成本代價(jià)高，因此在本系統(tǒng)中采用視頻口互連技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙DSP的通信設(shè)計(jì),。
    采用視頻口互連技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有：
    ①電路設(shè)計(jì)簡單,，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信只需要13根信號線，包括8根視頻口數(shù)據(jù)線、2根時(shí)鐘線及3根可選的控制信號線(行場同步信號),。
    ②DM642的視頻支持BT．656格式視頻輸出，而BT．656格式數(shù)字視頻將同步信號內(nèi)嵌在數(shù)據(jù)流中,，因此無需行場同步信號,，即無需其他芯片輔助控制。
    ③傳輸速率高,，可達(dá)80 MB／s,。
    雙DSP通信模塊的設(shè)計(jì)如圖3所示。系統(tǒng)只需將DSP1的視頻口1配置成顯示模式,，則VP1A將輸出符合BT．656格式的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流,；同時(shí)將DSP2的視頻口0配置成采集模式，采集DSP1輸出的BT．656數(shù)字視頻流,，然后進(jìn)行解隔行及H．264壓縮處理,。由于BT．656數(shù)字視頻流內(nèi)嵌有同步信號，因此VPxCTL[O：2]可接可不接,。

 
3．3 網(wǎng)絡(luò)接口模塊設(shè)計(jì)
    網(wǎng)絡(luò)接口模塊主要由DM642以太網(wǎng)接口,、網(wǎng)絡(luò)物理層芯片LXT971及網(wǎng)絡(luò)變壓器組成，其主要功能是將經(jīng)DSP2壓縮編碼后的H．264視頻數(shù)據(jù)流傳輸?shù)娇偙O(jiān)控室中,。LXT971是10／100Base-TX以太網(wǎng)控制器,，兼容IEEE802．3標(biāo)準(zhǔn)，提供MII接口,，可實(shí)現(xiàn)與DM642的MII接口無縫連接,。系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)變壓器采用1：1的HR601680，其主要作用是匹配阻抗,、增強(qiáng)信號,、提高傳輸距離以及實(shí)現(xiàn)電壓隔離。由于LXT971芯片的UTP端口
為電流型驅(qū)動,，因此網(wǎng)絡(luò)變壓器的中間抽頭應(yīng)接電容到地端,。從DM642傳輸來的數(shù)據(jù)經(jīng)LXT971轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)物理層能接收的數(shù)據(jù)后，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)變壓器通過RJ-45接口傳輸?shù)揭蕴W(wǎng),。
3．4 視頻編碼模塊設(shè)計(jì)
    視頻編碼模塊也稱為視頻顯示模塊,。采用ADV7171實(shí)現(xiàn)視頻編碼功能，得到一路CVBS及一路VGA模擬視頻輸出,。ADV7171是ADI公司生產(chǎn)的視頻編碼器,，可將符合BT．656及BT．601格式的數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換成CVBS復(fù)合視頻信號、模擬RGB信號或者S-Video信號輸出,，同時(shí)支持電視字幕及圖文電視,。其功能框圖如圖4所示。DM642的VP1A輸出BT．656數(shù)字視頻流至ADV7171,，ADV7171完成編碼及格式轉(zhuǎn)換功能后同時(shí)輸出一路CVBS信號及一路RGB信號,；同時(shí),，利用DM642的I2C接口完成ADV7171的配置。

 
3．5 存儲空間擴(kuò)展
    DM642采用存儲映射的方式來組織存儲空間,，其中二級緩存映射在0x00000000～0x0003FFFF(共256 KB),，外部存儲器空間映射在0x80000 000以后的地址空間中。外部存儲空間又分為4個(gè)可獨(dú)立尋址的空間,，自地址0x80000000其各占256 MB,，每個(gè)存儲空間對應(yīng)一個(gè)CE空間控制寄存器，通過寄存器設(shè)置每一個(gè)空間的存儲器類型,。
    DM642通過EMIF(External Memory Interface)存儲器接口訪問片外存儲器,，它集成了數(shù)組總線、地址總線,、異步控制總線及SDRAM,、SBS-RAM控制總線，支持SDRAM,、SBSRAM,、Flash等存儲器無縫接口設(shè)計(jì)。將空間配置成64位寬度,，只用于SDRAM內(nèi)存的映射,；空間配置成8位數(shù)據(jù)寬度，用于Flash存儲空間擴(kuò)展,；,、本設(shè)計(jì)中未使用，留作將來擴(kuò)展使用,。
3．5．1 SDRAM接口
    DM642的EMIF接口擁有SDRAM控制器接口,，可以實(shí)現(xiàn)與SDRAM芯片的無縫連接。將子空間配置為64位的SDRAM接口,，將兩片4M×32位的SDRAM拓展成4M×64位,，在子空間的具體地址定位為0x80000000～0x81FFFFFF。SDRAM采用Hynix公司的HY57V283220芯片,。它具有4個(gè)物理Bank,，每個(gè)Bank的空間為1M×32位，刷新周期為64 ms,，可以連續(xù)或者交錯突發(fā)讀寫1,、2、4,、8或整頁數(shù)據(jù),。SDRAM的工作時(shí)鐘由DSP的ECLK-OUT1提供，可由AEA19和AEA20引腳配置為EMIF的CPU時(shí)鐘的1／4或1／6。SDRAM主要用來存儲大量的圖像數(shù)據(jù),。每片DSP需要2片SDRAM,，2片DSP就需要4片SDRAM。SDRAM擴(kuò)展原理圖略一編者注,。
3．5．2 Flash接口
    DM642的外部存儲器接口還提供了異步接口,，用于與多種存儲器和可編程外部設(shè)備接口，如SDRAM,、E2PROM和Flash存儲器,，同時(shí)也包括FPGA,、CPLD等,。系統(tǒng)為每個(gè)DSP都配置了一片4M×8位的Flash，用于固化程序和初始化數(shù)據(jù),。系統(tǒng)上電或者復(fù)位后,，從Flash的0x00000000處開始加載程序和數(shù)據(jù)到SDRAM空間。DSP將EMIF的空間配置為8位異步靜態(tài)存儲器Flash接口,。Flash選用90 ns的AM29LV320DT,，擁有22根地址線。由于DM642的外部地址總線只有A[22：3],，所以子空間的最大尋址范圍為1M×8位,。CE1子空間除了分配給Flash空間外，還分配給狀態(tài)／控制寄存器等資源使用,，F(xiàn)lash只占據(jù)CE1子空間的一半尋址空間,，最大可尋址范圍為512K×8位，而Flash的設(shè)計(jì)容量為4M×8位,。為了訪問整個(gè)Flash空間,，需將Flash進(jìn)行分頁，每頁為512 KB,，共分8頁,，頁地址PA20、PA19,、PA18及Flash片選信號都是來自CPLD,。Flash接口電路略——編者注。

4 PCB電路設(shè)計(jì)
    DM642的內(nèi)核時(shí)鐘達(dá)到720 MHz,，SDRAM總線速度達(dá)到133 MHz,，系統(tǒng)屬于高速信號電路。為了保證系統(tǒng)正常工作,，需要考慮傳輸線效應(yīng),、信號完整性、電源完整性及電磁兼容性等問題，利用高速電路布線知識設(shè)計(jì)阻抗匹配及層疊結(jié)構(gòu),，并保證良好的供電系統(tǒng),。
    首先，一個(gè)良好的疊層設(shè)計(jì)是保證系統(tǒng)的信號完整性及電源完整性的關(guān)鍵,，同時(shí)良好的疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有助于電路的布通,。本系統(tǒng)中采用8層電路結(jié)構(gòu)，這8層板分層結(jié)構(gòu)為信號層1一地層一信號層2一電源層一地層一信號層3一地層一信號層4,，其中信號層1和信號層4分別為Top層和Bottom層,。這樣的疊層設(shè)計(jì)使得電源層和地層緊鄰，可以保證系統(tǒng)電源的完整性設(shè)計(jì),；同時(shí),，處于信號層之間的地層將4個(gè)信號層有效地隔離開，使得信號層之間信號線間的串?dāng)_達(dá)到最小,，以保證信號的回流路徑,，從而保證系統(tǒng)的信號完整性。
    其次,，對于系統(tǒng)中的高速總線信號必須進(jìn)行阻抗匹配,，從而減少信號反射及信號的過沖。常見的匹配網(wǎng)絡(luò)有串行端接及AC并行端接,，考慮到PCB布線空間的影響,，總線信號一般采用電阻串行端接的方式，而模擬視頻信號線則采用AC并行端接的方式,。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段,，可以基于IBIS模型利用HyperLynx仿真軟件進(jìn)行布線前仿真，確定阻抗匹配網(wǎng)路及布線寬度,?？偩€系統(tǒng)采用33 Ω的串行端接，而模擬視頻信號線采用75 Ω的AC并行端接網(wǎng)絡(luò),。
    最后,，對系統(tǒng)的電源平面和地進(jìn)行分割，并有效地旁路地和電源上的反彈噪聲,，在合適的地方增加去耦電容,。去耦電容的分布應(yīng)該盡量靠近去耦芯片，同時(shí)盡量在每個(gè)電源引腳上均勻分布一個(gè)電容,。
    由于系統(tǒng)是高速信號處理系統(tǒng),，因此在布線前可以利用HyperLynx進(jìn)行布線前仿真，特別是對系統(tǒng)中的存儲模塊及網(wǎng)絡(luò)差分模塊進(jìn)行仿真,，確定阻抗匹配網(wǎng)路及布線寬度,。在布線完成之后還可以進(jìn)行布線后仿真,，確保系統(tǒng)的信號完整性及減小系統(tǒng)的電磁輻射干擾。

結(jié)語
    本系統(tǒng)利用TI公司的專用視頻處理芯片TMS320DM642完成雙DSP多路視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì),。與傳統(tǒng)的多路視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比,，采用雙DSP的多路視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，開發(fā)成本低,，可廣泛應(yīng)用于煤炭,、鋼鐵等工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控的領(lǐng)域。