基于DSP的嵌入式數(shù)字硬盤錄像機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

1、 -85-信息科學(xué)基于DSP 的嵌入式數(shù)字硬盤錄像機(jī)的硬件設(shè)計(jì)鄧賢君1朱志亮2(1、南華大學(xué)通信工程系,湖南衡陽4210012、溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院,浙江溫州325035摘要:本文提出了基于TMS320DM648的數(shù)字硬盤錄像機(jī)的設(shè)計(jì)方案,詳細(xì)介紹了嵌入式數(shù)字硬盤錄像機(jī)硬件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,效果良好,符合實(shí)際應(yīng)用的需要。關(guān)鍵詞:S3C2510A ;數(shù)字硬盤錄像機(jī);TMS320DM648;視頻監(jiān)控圖1主控制模塊設(shè)計(jì)框圖1概述數(shù)字硬盤錄像機(jī),英文名稱為Digital VideoRecorder ,簡稱DVR ,它是視頻監(jiān)控系統(tǒng)中重要的設(shè)備,用于替代早期的長延時(shí)錄像機(jī)或者磁帶錄像

2、機(jī)。目前硬盤錄像機(jī)從硬件架構(gòu)上分主要分為工控式硬盤錄像機(jī)(或者工控硬盤錄像機(jī)或者PC 式硬盤錄像機(jī)、嵌入式硬盤錄像機(jī),從壓縮算法來分有小波壓縮,MJPEG ,MPEG4,H.264等。目前工控式硬盤錄像機(jī)和嵌入式硬盤錄像機(jī)所占市場(chǎng)比重差不多,由于嵌入式硬盤錄像機(jī)的穩(wěn)定性及易維護(hù)性,選擇嵌入式硬盤錄像機(jī)的用戶會(huì)越來越多,市場(chǎng)前景非常大?；谶@種應(yīng)用背景,本文提出了嵌入式硬盤錄像機(jī)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方案。2系統(tǒng)總體方案2.1技術(shù)指標(biāo)本系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下:視頻輸入:16路復(fù)合視頻輸入PAL/NTSC 視頻輸出:2路復(fù)合視頻輸出PAL/NTSC(BNC 接口,1.0VP-P,75音頻輸出:16路音頻

3、輸入20-100mv10K (RCA 音頻輸出:2路音頻輸出,20-100mv ,1K (RCA 2.2設(shè)計(jì)方案根據(jù)系統(tǒng)要求的技術(shù)指標(biāo),本文設(shè)計(jì)的16路嵌入式DVR 系統(tǒng)硬件部分采用了主從式雙CPU架構(gòu)模式。主CPU 選用了ARM 9處理器,具體型號(hào)為三星半導(dǎo)體的S3C2510A ,從CPU 選用DSP處理器,具體型號(hào)為美國德州儀器(TI 的多媒體處理芯片TM S320DM648。主從CPU 之間通過PCI總線進(jìn)行通訊。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程設(shè)計(jì)如下:系統(tǒng)上電或復(fù)位后,主CPU S3C2510A 從Flash 加載程序,完成對(duì)芯片的初始化和外圍硬件的配置,之后從CPUTM S320DM648便開始

4、進(jìn)行圖像采集。從CPU 通過I2C 口對(duì)系統(tǒng)中的視頻解碼芯片進(jìn)行控制,將從攝像頭采集到的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào),送入DM 648的視頻通道(VP 端口;同步采集到的模擬音頻信號(hào)經(jīng)過音頻編解碼器模/數(shù)轉(zhuǎn)換后,送入DM648的音頻通道(M cASP 端口。DM 648將接收到的數(shù)字視頻信號(hào)和數(shù)字音頻信號(hào)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行壓縮,再把壓縮視頻流和壓縮音頻流進(jìn)行同步復(fù)合,產(chǎn)生H.264視頻復(fù)合流,再通過PCI 總線上傳給主CPU ,主CPU 將從PCI 接口收到的數(shù)據(jù)以文件的格式存儲(chǔ)到本地硬盤,供日后調(diào)用;同步將復(fù)合數(shù)據(jù)流傳送給圖象預(yù)覽芯片進(jìn)行顯示。3TMS320DM648數(shù)字信號(hào)處理器簡介TMS32

5、0DM648是TI 公司于2007年推出的一款高性能的32位定點(diǎn)DSP ,主要面向數(shù)字媒體應(yīng)用,屬于C6000系列DSP 。此款芯片帶有豐富的視音頻硬件資源,具有網(wǎng)口、PCI 接口、HPI 接口、I2C 接口、串行口等多種接口,可廣泛應(yīng)用于視音頻、網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)處理環(huán)境。目前DM 648可應(yīng)用于IP 視頻電話(Video IP Phone 、VOD (Video On Demand 、機(jī)頂盒(Set-Up Boxes 、視頻監(jiān)控?cái)?shù)字錄像機(jī)等開發(fā)系統(tǒng),TI 公司提供了相應(yīng)的解決方案DM648保留了C64X 原有的內(nèi)核結(jié)構(gòu),工作頻率由內(nèi)部倍頻器設(shè)置,可以達(dá)到720M Hz 、800MHz 或900MH

6、z ,相應(yīng)的時(shí)鐘周期為1.39ns 、1.25ns 或1.11ns ,每秒可執(zhí)行指令數(shù)5760、6400和7200MIPS 。此外DM 648片上帶有5個(gè)雙通道(A 、B 兩通道數(shù)字視頻口(VP 口,可同時(shí)處理多路數(shù)字視頻流,片上帶有多通道串行音頻接口,可同時(shí)處理10路立體聲輸入/輸出音頻信號(hào)。4核心模塊原理設(shè)計(jì)整個(gè)數(shù)字硬盤錄像機(jī)根據(jù)功能可以劃分以下幾大核心模塊:a.主控制模塊;b.視音頻采集、壓縮模塊;c.視音頻預(yù)覽、回放模塊;d.其它模塊(電源、存儲(chǔ)器擴(kuò)展、網(wǎng)絡(luò)傳輸、邏輯控制等。本文詳細(xì)介紹主控制模塊和視頻處理模塊的設(shè)計(jì)。4.1主控制模塊本模塊主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)任務(wù)的運(yùn)行進(jìn)行分

7、配與調(diào)度。S3C2510A 本身內(nèi)置PCI 控制器,5個(gè)PCI 接口可分別和2個(gè)音/視頻壓縮模塊,1個(gè)圖象預(yù)覽,回放模塊,2個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊連接;再加上它已有的串口,USB 接口,網(wǎng)絡(luò)接口,I/O 等組成整個(gè)系統(tǒng)的控制模塊。它的設(shè)計(jì)思路如圖1所示。4.2視音頻采集/壓縮模塊視音頻信號(hào)處理的流程如下:模擬視頻信號(hào)先經(jīng)視頻解碼器TVP5154A 轉(zhuǎn)換成8位YUV 數(shù)字視頻信號(hào)Y 7:0,再送至DM 648的視頻輸入接口.模擬音頻信號(hào)經(jīng)音頻AD 轉(zhuǎn)換器PCM1801轉(zhuǎn)換為I2S 格式的音頻數(shù)據(jù),進(jìn)入多媒體壓縮芯片的音頻輸入接口,DM 648將原始的視頻和音頻數(shù)據(jù)分別進(jìn)行壓縮,再把壓縮視頻流和壓縮音頻流

8、進(jìn)行同步復(fù)合,產(chǎn)生H.264視頻復(fù)合流.一片DM 648可以同時(shí)產(chǎn)生8個(gè)視/音頻通道的H.264復(fù)合數(shù)據(jù)流.DM648把每個(gè)視/音頻通道的復(fù)合視頻數(shù)據(jù)在片外DDRAM 的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中排列成固定長度的數(shù)據(jù)包.當(dāng)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)量超過一定的閥值,它就通過PCI 中斷向主CPU 發(fā)出請(qǐng)求,當(dāng)中斷被響應(yīng)時(shí),主CPU 從包緩沖區(qū)內(nèi)將數(shù)據(jù)取走。DM 648具有5個(gè)視頻端口,支持多種分辨率和標(biāo)準(zhǔn),如CCIR601、ITU-BT .656、BT .1120等,每個(gè)端口為20bit 位寬,可以被靈活的配置為一個(gè)20/16bit 或兩個(gè)10/8bit 通道。同時(shí),每個(gè)端口都可配置為視頻輸入或視頻輸出。TVP5154

9、A 具有4個(gè)通道,每個(gè)通道均為具有可編程多態(tài)換算器(polymorphic scaler的獨(dú)立解碼器,可通過嵌入式同步模塊將NTSC 、PAL 或SECAM 視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成8位ITU-R BT .656格式,或使用分立同步模塊使輸出格式為8位4:2:2。5PCB 設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的主頻高達(dá)166MHz ,屬于高頻系統(tǒng),所以在進(jìn)行PCB 的設(shè)計(jì)時(shí),為了保證信號(hào)的完整,在設(shè)計(jì)的時(shí)候采用了如下方法:5.1對(duì)DDRAM 的時(shí)鐘線,盡量走短線,而且到兩個(gè)DDRAM 的長度盡量做到相等;5.2FLASH 等其他外設(shè)不要直接與數(shù)據(jù)和地址總線連接,而是通過緩沖芯片(如SN74LVT16245B 連接;5.3高速總線

10、上串入了小阻值電阻,阻值大小通過Protel 軟件仿真得到,同時(shí)對(duì)線路進(jìn)行了阻抗限制。6結(jié)論本系統(tǒng)最主要的創(chuàng)新點(diǎn)有以下兩點(diǎn):6.1在系統(tǒng)硬件架構(gòu)上,采用了主從CPU 的架構(gòu),主CPU 和從CPU 分工明確,充分的發(fā)揮了它們各自的處理優(yōu)勢(shì);6.2視音頻處理方面,選用了TI 最新推出的數(shù)字多媒體處理器TMS320DM648,采用高效率的H.264壓縮標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)了多通道的視音頻數(shù)據(jù)處理,可以充分的滿足市場(chǎng)需要;參考文獻(xiàn)1Samsung Electronics Co.Ltd.S3C2510A 32-BIT RISC MICROPROCESSOR USER'S MANUAL,2003.2Texas Instruments Incorporated.TMS320DM648Digital Media Processor,2007-2009.3蘇東.主流ARM 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)與實(shí)例精解M.北京:電子工業(yè)出版社.4王躍