基于DM642的視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
陳紅飛 宋升金 許永輝 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2012/01/10
摘要：為實(shí)現(xiàn)視頻音頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集傳輸，提出了一種基于DM642的視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。硬件上，利用DM642豐富的外設(shè)資源，完成了視頻輸入、輸出模塊，音頻輸入輸出模塊和以太網(wǎng)接口模塊的設(shè)計(jì)。軟件上，基于DSP/BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻音頻數(shù)據(jù)的管理和控制，并構(gòu)建Web服務(wù)器，用戶可通過瀏覽器訪問系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求。
隨著技術(shù)的發(fā)展，視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。目前，傳統(tǒng)的視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)多存在著諸如體積大、容量小、實(shí)時(shí)性差、穩(wěn)定性低等缺點(diǎn)，在工業(yè)或軍事等復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用極為不便，應(yīng)用場合受到很大的限制。TI公司推出的TMS320DM642是一款針對(duì)數(shù)字視頻應(yīng)用的高性能DSP芯片，具有10/100 Mb/s以太網(wǎng)接口。本文基于DM642給出了一種視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，具有本地及遠(yuǎn)程視頻音頻監(jiān)控能力。該設(shè)計(jì)方案具有體積小、成本低、可靠性高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的研究價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。
1 硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本文提出了基于TMS320DM642為核心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：包括視頻輸入輸出模塊、音頻輸入輸出模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
主處理器DM642是TI公司的一款32位定點(diǎn)的高性能DSP，片上帶有豐富的視頻音頻硬件資源，具有網(wǎng)口、PCI接口、I2C接口、串行口等多種接口，可廣泛用于視頻、音頻、網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)處理等領(lǐng)域。DM642的主頻可達(dá)720MHz，每秒可執(zhí)行指令數(shù)5760MIPS。它的EMIFA接口數(shù)據(jù)總線寬度為64位，最高數(shù)據(jù)存取頻率為133MHz，可直接與異步寄存器及同步寄存器無縫連接。
DM642通過EMIFA接口外擴(kuò)存儲(chǔ)器時(shí)，使用CE0-CE3信號(hào)作為空間片選信號(hào)。DM642外部擴(kuò)展兩片MT48LC2M32芯片，共4M×64位SDRAM空間，使用CE0引腳為片選信號(hào)，外部存儲(chǔ)區(qū)地址范圍為0x80000000～0x8007FFFF，作為數(shù)據(jù)緩存空間。外部擴(kuò)展一片1M×8位FLASH，使用CE1引腳為片選信號(hào)，外部存儲(chǔ)區(qū)地址范圍為0x90000000～0x9001FFFF，作為程序存儲(chǔ)空間。
1.1 視頻輸入、輸出模塊的設(shè)計(jì)
DM642集成了3個(gè)可獨(dú)立配置的視頻口VP0～VP2，非常適合于圖像處理系統(tǒng)方面的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中，將DM642的VP0口配置為視頻輸入模式，VP2口配置為視頻輸出模式。硬件電路如圖2所示。
視頻解碼器選用PHILIPS公司的SAF7113H。SAF7113H是一款低電壓、低功耗、小體積的視頻解碼芯片，支持NTSC，PAL，SECAM制式的視頻輸入，輸出為8b ITU-RBT.656 YCrCb 4：2：2的視頻數(shù)據(jù)流。SAF7113H可以通過I2C接口配置內(nèi)部寄存器，默認(rèn)讀/寫地址為4BH/4AH，當(dāng)引腳HRTSO接地時(shí)，讀/寫地址為49H/48H。
視頻編碼芯片采用ADV7179，支持NTSC制式和PAL制式視頻編碼。DM642通過I2C接口配置編碼芯片ADV7179內(nèi)部寄存器，ADV7179的設(shè)備地址由ALSB引腳的狀態(tài)決定。本設(shè)計(jì)中，ALSB為低電平，讀/寫地址為55H/54H。
1.2 音頻輸入、輸出模塊的設(shè)計(jì)
DM642的McASP接口可用于多通道音頻處理，進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。音頻編解碼器采用TI公司的TLC320AIC23B，它是一款高性能低功耗雙聲道立體聲的音頻編解碼器芯片，集成了基于Sigma-del-ta采樣技術(shù)的A/D解碼電路和D/A編碼電路，支持麥克風(fēng)輸入、立體聲輸入和立體聲輸出，輸入、輸出增益可編程，片上帶有耳機(jī)功率放大器。DM642與AIC23B芯片的電路連接如圖3所示。
AIC23B芯片的控制端口支持SPI協(xié)議和I2C協(xié)議，兩類接口的選擇由引腳MODE狀態(tài)決定。本設(shè)計(jì)中，引腳MODE接地，DM642通過I2C接口對(duì)音頻編解碼器TLC320AIC23B進(jìn)行參數(shù)配置。TLC320AIC23B芯片的I2C設(shè)備地址由引腳CS選定，當(dāng)引腳CS接地時(shí)，TLC320AIC23B的設(shè)備地址為0011010。I2C總線選擇7位地址的尋址方式，由于AIC23B的寄存器只有寫操作，沒有讀操作，因此，I2C通信協(xié)議每個(gè)字前7位為寄存器地址，后9位為寄存器內(nèi)容。
1.3 網(wǎng)絡(luò)接口模塊的設(shè)計(jì)
DM642帶有一個(gè)EMAC接口，符合IEEE802.3協(xié)議，具有8個(gè)獨(dú)立的發(fā)送與接收通道，支持10Mb/s或100Mb/s模式。本設(shè)計(jì)中，采用Intel公司專門開發(fā)的一款以太網(wǎng)收發(fā)器LXT971A。LXT971A采用先進(jìn)的CMOS工藝，只需一個(gè)3.3V的單電源供電，其MII接口(獨(dú)立多媒體接口)可與DM642的EMAC接口直連。LXT97IA的4路信號(hào)TD+，TD-，RD+，RD-經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)變壓器轉(zhuǎn)化后接到RJ45連接器上。模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。
2 軟件設(shè)計(jì)
TI公司為TMS320C6000系列DSP開發(fā)了一個(gè)功能豐富、用戶可剪裁的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)DSP/BIOS，并提供了網(wǎng)絡(luò)工具開發(fā)包NDK，工具包提供了HTTP服務(wù)，為快速開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了解決方案。DSP/BIOS提供了許多豐富的內(nèi)核服務(wù)，用戶可以使用DSP/BIOS快速建立實(shí)時(shí)性要求高且精細(xì)復(fù)雜的多任務(wù)應(yīng)用程序。
本設(shè)計(jì)的軟件編寫在集成開發(fā)環(huán)境CCS(C6000)中完成，利用TI公司提供的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻、視頻數(shù)據(jù)的管理和控制，并在DSP內(nèi)部構(gòu)建Web服務(wù)器，用戶在PC端可通過瀏覽器訪問系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
由于DSP/BIOS為多任務(wù)操作系統(tǒng)，將整個(gè)系統(tǒng)的處理分為3個(gè)部分：音頻采集與處理任務(wù)、視頻采集與處理任務(wù)、HTTP服務(wù)任務(wù)。軟件的整體流程如圖5所示。
系統(tǒng)上電后，從FLASH加載引導(dǎo)程序，完成對(duì)DM642的初始化，并對(duì)視頻解碼芯片SAF7113、編碼芯片ADV7179和音頻編解碼器AIC23B進(jìn)行參數(shù)配置。DSP/BIOS啟動(dòng)后，在主線程中加載網(wǎng)絡(luò)工具開發(fā)包NDK，配置系統(tǒng)IP地址、子網(wǎng)掩碼和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)等信息，然后動(dòng)態(tài)創(chuàng)建音頻、視頻采集與處理任務(wù)，并使能HTTP服務(wù)。
Web服務(wù)器的處理流程如圖6所示。系統(tǒng)網(wǎng)頁設(shè)計(jì)采用HTML語言，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)將主頁加載到RAM，用戶在PC端通過瀏覽器輸入系統(tǒng)IP地址，Web服務(wù)器返回系統(tǒng)的主界面。網(wǎng)頁和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互是通過表單的形式，CGI處理程序提取表單中的有用信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)IP信息的配置、視頻音頻編解碼芯片的參數(shù)配置等，并將視頻音頻編碼后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以表單的形式傳輸至用戶瀏覽器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。
3 系統(tǒng)測試
在集成開發(fā)環(huán)境CCS(C6000)下，加載相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了測試。CCD攝像頭為標(biāo)準(zhǔn)PAL制式，圖像采集的幀頻為25幀/s，圖像的分辨率為720×576像素。測試結(jié)果如圖7所示。測試結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)連接正常，用戶在PC端可通過瀏覽器訪問系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
4 結(jié)語
基于DM642設(shè)計(jì)了一個(gè)切實(shí)可行的視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了視頻音頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，可應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控、語音識(shí)別、視頻電話、數(shù)字電視等相關(guān)領(lǐng)域。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，具有較高的研究價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。
《現(xiàn)代電子技術(shù)》
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