系統(tǒng)組成

　　如圖1所示,，本文所述數(shù)字視頻采集卡由以下5個部分組成：

圖1 采集卡系統(tǒng)組成框圖

　　（1）高速視頻采集單元，主要完成模擬視頻信號到數(shù)字視頻信號的變換,；

　?。?）數(shù)據(jù)交換單元，由FPGA和雙口RAM構(gòu)成,，采用包交換技術(shù),，完成數(shù)字視頻數(shù)據(jù)向DSP的傳送；

　?。?）DSP及其外圍接口電路,，包括EMIF接口、McBSP接口,、HPI接口,、PLL時(shí)鐘接口、DMA接口,、JTAG接口,、電源監(jiān)控等；

　?。?）DSP與PCI總線的橋接單元,，主要完成DSP與上位機(jī)的通信；

　?。?）雙供電模式的電源部分,。

　　下面將對系統(tǒng)各個部分的設(shè)計(jì)分別進(jìn)行介紹。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　高速視頻采集單元

　　模擬視頻信號是一類比較復(fù)雜的模擬信號,，信號中包含了像素的亮度信息,，色彩同步信息和行、場同步信息,。要實(shí)現(xiàn)正確的圖像采集,，必須從復(fù)合的視頻信號中正確地分離出各種信號，并利用其中的同步信號控制A/D轉(zhuǎn)換過程,，從而實(shí)現(xiàn)正確的圖像采集,。

　　如圖2所示，在硬件設(shè)計(jì)上有2種實(shí)現(xiàn)方案：

圖2 A/D采樣方案

　?。?）采用通用A/D器件+同步信號分離器件；

　?。?）采用專用的視頻A/D轉(zhuǎn)換芯片,。

　　方案1的實(shí)現(xiàn)電路較復(fù)雜，本文的設(shè)計(jì)采用了第2種方案,，以PHILIP公司的視頻采集芯片SAA7111為核心構(gòu)成轉(zhuǎn)換電路,。

　　數(shù)據(jù)交換單元

　　在實(shí)時(shí)視頻圖像處理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的吞吐量是很大的，大量的視頻圖像數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)采集,、傳輸,、處理。因此,，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，數(shù)據(jù)的傳輸設(shè)計(jì)是非常重要的。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,，利用FPGA和雙口RAM實(shí)現(xiàn)了一種包交換的數(shù)據(jù)傳輸方式,，如圖3所示。

圖3 FPGA及雙口RAM

　　在系統(tǒng)中,，F(xiàn)PGA首先要完成對A/D采樣的控制,，包括控制采樣的啟停，采樣數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換等,；其次FPGA要完成對雙口RAM數(shù)據(jù)寫入的控制和數(shù)據(jù)發(fā)送中斷信號的產(chǎn)生,；另外，還要在FPGA中形成從A/D到雙口RAM的數(shù)據(jù)通路,，在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)一些數(shù)據(jù)預(yù)處理的功能,。

　　在雙口RAM設(shè)計(jì)上，本文將整個雙口RAM分成2個存儲塊,，每當(dāng)一個存儲塊在進(jìn)行寫操作時(shí),，另一個存儲塊在進(jìn)行讀操作，這樣數(shù)據(jù)的讀,、寫操作在不同的存儲塊上同時(shí)進(jìn)行,，即實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的緩沖，又實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的不間斷傳送,。數(shù)據(jù)的分塊交換傳輸過程也是數(shù)據(jù)的打包過程,，存儲塊的大小決定了數(shù)據(jù)包的大小，數(shù)據(jù)的打包有利于數(shù)據(jù)的整塊處理,。

　　DSP及其外圍接口電路

　　在DSP芯片選型上,，本文選擇了適合圖形圖像處理的TI 公司C6000系列芯片中性價(jià)比較高的C6201芯片，以其為核心構(gòu)建單DSP系統(tǒng),。C6201芯片擁有以下集成外設(shè)：外部存儲器接口EMIF,，直接存儲器訪問通道DMA；多通道緩沖串口McBSP,；主機(jī)口HPI,；以及芯片設(shè)置管腳、定時(shí)器,、中斷控制,、下電邏輯和GPIO等。

　　在本文的設(shè)計(jì)中，根據(jù)系統(tǒng)的具體要求,，本著設(shè)計(jì)簡捷同時(shí)又要便于系統(tǒng)將來擴(kuò)充的原則,，在外圍接口中除去必須使用的接口外，有些不必要的外圍接口引腳直接浮空,，有些則引出了擴(kuò)展接口,，以便節(jié)約空間和將來系統(tǒng)的擴(kuò)展。

　　C6201的EMIF接口可以掛接3種外部存儲器：同步靜態(tài)存儲器SDRAM,、同步突發(fā)靜態(tài)存儲器SBSRAM和異步存儲器,。在系統(tǒng)中，用于數(shù)據(jù)緩沖和交換傳輸?shù)碾p口RAM是異步存儲器,，此外,，為了處理的中間結(jié)果數(shù)據(jù)、最終數(shù)據(jù)和DSP程序,，系統(tǒng)中分別掛接了2片大容量SDRAM和一片SBSRAM,。DMA是C6000DSP中一種重要的數(shù)據(jù)訪問方式，它可以在沒有CPU參與的情況下,，由DMA控制器完成DSP存儲空間內(nèi)的數(shù)據(jù)搬移,。在C6201 中提供了4 個輸出管腳（DMAC0-DMAC3）可以向外部邏輯反饋DMA傳輸?shù)耐綘顟B(tài)，這些引腳信號可有可無,，因此在系統(tǒng)中沒有連接,。C6000的多通道緩沖串口（McBSP）是在C2x、C3x,、C5x和C54標(biāo)準(zhǔn)串口的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,。C6201提供了2路McBSP接口，系統(tǒng)中引出了其中的一路作為將來系統(tǒng)功能擴(kuò)展用,。主機(jī)口（HPI）是一個并行端口,，主機(jī)（也稱為上位機(jī)）掌管該接口的主控權(quán)，通過它可以直接訪問DSP的存儲空間（包括映射的片內(nèi)外設(shè)）,。系統(tǒng)中HPI通過粘合邏輯與主模式的PCI橋S5933相連,。

　　PCI總線的橋接單元

　　DSP既可以單獨(dú)構(gòu)成一個完全獨(dú)立的處理系統(tǒng)，也可以多DSP聯(lián)合構(gòu)成功能更強(qiáng)大的并行系統(tǒng),，還可以通過橋接電路與上位機(jī)相連構(gòu)成一個大系統(tǒng)中的一個功能單元,。在本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)作為一個標(biāo)準(zhǔn)的PCI擴(kuò)展卡,，可以與上位的PC機(jī)進(jìn)行通信,。

　　在DSP與上位的PC機(jī)之間有2種PCI橋可供選擇，一種為主模式PCI橋,，如AMCC S5933。主模式下，DSP與上位機(jī)之間可以相互訪問對方外圍設(shè)備,，并且支持突發(fā)方式的數(shù)據(jù)傳送,，缺點(diǎn)是要通過中間的粘合邏輯相連，不能直連,。另外一種為從模式PCI橋,，如TI 2040。從模式下,，上位機(jī)可以訪問DSP的外圍設(shè)備,，而DSP則無法訪問上位機(jī)外圍設(shè)備。從模式橋可以與DSP直連（無縫連接）,。在本文的設(shè)計(jì)中,，選用了主模式的PCI橋，在DSP與PCI橋之間通過一片CPLD進(jìn)行粘合,。

圖4所示為C6201與S5933之間的連接,。

　　雙供電模式的電源

　　C6000系列DSP需要2種電源，分別為CPU核心和周邊I/O接口供電,。周邊電壓需要3.3V,，CPU核心電壓則隨低功耗技術(shù)的發(fā)展，逐漸從2.5V降到1.8,、1.5,、1.2和1.0V。

　　因?yàn)樾枰?種電壓,，所以需要考慮供電系統(tǒng)的配合問題,。加電過程中，應(yīng)當(dāng)保證內(nèi)核電源（CVdd）先上電,，最晚也要與I/O電源（DVdd）一起加,。關(guān)閉電源時(shí)，先關(guān)閉DVdd,，再關(guān)閉CVdd,。講究供電次序的原因在于：如果僅給CPU內(nèi)核供電，對芯片不會產(chǎn)生損害,，只是沒有輸入輸出的能力而已,；如果反過來，則芯片緩沖驅(qū)動部分的晶體管將在一個未知狀態(tài)下工作,，這是非常危險(xiǎn)的,。

　　本文中采用了一種最簡單的雙電源供電實(shí)現(xiàn)方案：利用1個電源驅(qū)動2個線性穩(wěn)壓模塊，產(chǎn)生需要的DVdd和CVdd,。由于DVdd和CVdd由同一個電源產(chǎn)生,，因此在加點(diǎn)次序上不存在問題,。

　　小結(jié)

　　數(shù)字視頻的采集、處理,、存儲和傳輸技術(shù)在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,。本文介紹的基于TMS320C6201 DSP芯片的數(shù)字視頻采集卡的設(shè)計(jì)，在完成數(shù)字視頻采集的同時(shí)具備自主的實(shí)時(shí)數(shù)字視頻處理功能,，并通過PCI接口實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的通信,。這樣的設(shè)計(jì)在構(gòu)建數(shù)字視頻處理系統(tǒng)時(shí)將大幅度減輕主機(jī)的計(jì)算量，從而提高系統(tǒng)性能,。