基于DM365的視頻編碼器的硬件設(shè)計(jì)

摘要：為了解決標(biāo)準(zhǔn)清晰度監(jiān)控系統(tǒng)中存在的一些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于TMS320DM365的高清視頻壓縮系統(tǒng)。采用ITU-T的H．264(DM365內(nèi)嵌硬件壓縮器)視頻壓縮算法，高清模擬視頻信號(hào)通過(guò)專(zhuān)用視頻解碼芯片TVP7002轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號(hào)，在DM365中進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，內(nèi)嵌ARM把數(shù)據(jù)打包后傳到internet，通過(guò)PC機(jī)軟件解碼，進(jìn)行視頻播放。實(shí)踐證明，本編碼方案很好的完成了數(shù)據(jù)壓縮及傳輸，符合設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：視頻壓縮；DM365；H．264；網(wǎng)絡(luò)傳輸

    在視頻監(jiān)控應(yīng)用中，傳統(tǒng)視頻監(jiān)控由于圖像清晰度不高(CIF～D1分辨率)、管理和維護(hù)諸多線纜難度大、配置眾多設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、擴(kuò)展不便，這些因素嚴(yán)重制約了安保管理效能的提升，同時(shí)也為高清視頻監(jiān)控的發(fā)展帶來(lái)了契機(jī)，本文論述了基于DM365的高清視頻編碼器的硬件設(shè)計(jì)。

1 硬件平臺(tái)整體設(shè)計(jì)
    TMS320DM365延續(xù)了DavinciTM家族DM355處理器的架構(gòu)，集成了一顆ARM926EJ-S內(nèi)核，一個(gè)圖像處理子系統(tǒng)(VPSS)，一個(gè)H．264高清編碼器協(xié)處理器HDVICP和一個(gè)MPEG-4／JPEG高清編碼器協(xié)處理器MJCP，支持多格式H．264、MPEG-4、MPEG-2、MJPEG以及VC1等編解碼器，可實(shí)現(xiàn)高度的視頻靈活性。DM365可以同時(shí)輸出720P，D1，CIF三個(gè)碼流，或者更多的組合方式，并且編碼速率可調(diào)，并且支持硬件OSD。該處理器有豐富的外圍接口，用戶(hù)可以方便的外接子系統(tǒng)，本文采用TMS320DM365作為主CPU，對(duì)輸入視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并進(jìn)行相應(yīng)的壓縮網(wǎng)絡(luò)傳輸處理，設(shè)計(jì)了基于DM365架構(gòu)的數(shù)字視頻編碼器。系統(tǒng)除了DM365以外，還有高清視頻A／D轉(zhuǎn)換器、音頻CODEC、存儲(chǔ)、以太網(wǎng)、串口等模塊。系統(tǒng)運(yùn)行于Linux操作系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性好、通訊速率快、圖象質(zhì)量高、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜、防病毒等特點(diǎn)。
    系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，系統(tǒng)選用DM365為主CPU，DM365外接音頻模塊、視頻輸入模塊、存儲(chǔ)模塊、串口及網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。本平臺(tái)由兩部分構(gòu)成：視頻輸入及圖像處理部分和視頻輸出部分。

    視頻輸入及圖像處理部分：高清晰度模擬視頻信號(hào)輸入TVP7002，經(jīng)過(guò)A／D編碼以后變成高清數(shù)字視頻信號(hào)，此數(shù)字信號(hào)輸出給DM365。本模塊DM365主要對(duì)輸入視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行H．264壓縮，并可實(shí)現(xiàn)噪聲過(guò)濾、視頻穩(wěn)定、面部檢測(cè)、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)對(duì)焦、自動(dòng)曝光以及邊緣增強(qiáng)等功能，此外，還對(duì)系統(tǒng)上所有I2C設(shè)備初始化，實(shí)現(xiàn)音頻語(yǔ)音對(duì)講等功能。
    視頻輸出部分：DM365內(nèi)嵌ARM微處理器，該處理器核心功能是對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，外接存儲(chǔ)器模塊、以太網(wǎng)模塊、串口模塊等。ARM先完成壓縮數(shù)據(jù)的RTP、UDP、IP封裝，然后經(jīng)過(guò)MAC成幀，最后通過(guò)以太網(wǎng)控制器PHY完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送。此外ARM還負(fù)責(zé)解析接收數(shù)據(jù)，對(duì)PC機(jī)發(fā)來(lái)的相關(guān)參數(shù)命令進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算設(shè)置(視頻壓縮碼率、幀率等)，通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)的控制(云臺(tái)控制器、鏡頭等)，通過(guò)GPIO對(duì)報(bào)警輸入輸出的處理等等。

2 模塊設(shè)計(jì)
2．1 視頻音頻輸入模塊
    在DM365上有VPFE接口，能支持多種格式的視頻輸入格式。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)1路高清視頻輸入，高清A／D轉(zhuǎn)換芯片采用TVP7002。TVP7002能實(shí)現(xiàn)R／Pr、C／Y、B／Pb信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換率高達(dá)165 MHz，在很多高清數(shù)字視頻環(huán)境中被使用，分辨率高達(dá)1080P。DM365通過(guò)IIC總線對(duì)其配置，對(duì)TVP7002內(nèi)部寄存器進(jìn)行適當(dāng)配置，可以處理720P分辨率的視頻源，A／D以后的視頻數(shù)據(jù)從TVP7002數(shù)字視頻口輸出到DM365的VPFE。系統(tǒng)同時(shí)提供高清數(shù)字視頻輸入接口，HDVICP協(xié)處理器可以在1 280X720P30的格式下提供H．264標(biāo)準(zhǔn)的視頻編碼或解碼，而MJCP協(xié)處理器除了支持JPEG標(biāo)準(zhǔn)，還可以在1 920x1 080P24的格式下提供MPEG-4的視頻編碼或解碼。
    系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)1路LINEIN和立體聲輸出通過(guò)AIC23實(shí)現(xiàn)，DM365通過(guò)IIC總線對(duì)其配置，AIC23連接在DM365的MCBSP口。DM365的MCBSP被用作雙向數(shù)據(jù)通道，所有的音頻數(shù)據(jù)流都通過(guò)此通道傳輸，并支持不同的數(shù)據(jù)格式。
2．2 以太網(wǎng)模塊
    系統(tǒng)含有I路10／100M網(wǎng)絡(luò)接口，DM365內(nèi)帶MAC控制器，在EMAC接口外接一片以太網(wǎng)PHY芯片，PHY采用RTL8201，RTL8201與DM365的MII接口相連。DM365通過(guò)MDIO接口實(shí)現(xiàn)對(duì)RTL8201寄存器的配置及控制，其他握手信號(hào)依次連接，通過(guò)上拉下拉電阻對(duì)RTL8201進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲?設(shè)置PHY地址等)，RTL8201在上電初導(dǎo)入這些配置信息，并進(jìn)行相應(yīng)的工作。在RTL8201的時(shí)鐘接口外接一個(gè)25 MHz晶體，作為RTL8201的時(shí)鐘源。RTL8201外接網(wǎng)絡(luò)變壓器，進(jìn)行信號(hào)隔離，通過(guò)RJ45連接到網(wǎng)絡(luò)。
2．3 存儲(chǔ)、USB、串口、RTC、報(bào)警模塊
    系統(tǒng)提供1路USB接口，支持OTG模式和HOST模式，支持USB2．0 High Speed(480 Mb／s)、Full Speed(12 Mb／s)，可設(shè)置的FIFO。DM36 5片載USB Controler和USB PHY，通過(guò)相關(guān)配置完成其初始化，在USB上可以外接USB-SATA硬盤(pán)等外設(shè)。
    系統(tǒng)外接DDR2 SDRAM和NAND Flash作為片外存儲(chǔ)器，通過(guò)設(shè)置BTSEL[2：0]為000來(lái)選擇啟動(dòng)方式為NANDFlash BOOT模式。DM365的AEMIF接口可以支持NANDFlash和NOR Flash，因?yàn)镹AND Flash存儲(chǔ)容量大，價(jià)格便宜，本設(shè)計(jì)選用NAND Flash。
    DM365提供了專(zhuān)門(mén)的DDR2控制接口，16位數(shù)據(jù)線，14位地址線和3根塊選擇信號(hào)，可以支持256 MByte的存儲(chǔ)空間，系統(tǒng)選用DDR2 SDRAM芯片K4T1G164QQ。
    DM365有2個(gè)UART接口，系統(tǒng)外接兩路串口，一路RS232，用做調(diào)試，一路RS485外設(shè)進(jìn)行通訊(云臺(tái)鏡頭等)。并通過(guò)GPIO提供2路開(kāi)關(guān)量報(bào)警輸入和2路開(kāi)關(guān)量報(bào)警輸出，報(bào)警輸入通過(guò)光藕來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)報(bào)警信號(hào)輸入時(shí)，光藕導(dǎo)通，輸出低電平至DM365 GPIO，當(dāng)沒(méi)有報(bào)警信號(hào)輸入時(shí)，光藕截止，輸出高電平至DM365 GPIO，DM365通過(guò)檢測(cè)GPIO電平來(lái)判斷報(bào)警輸入信號(hào)的有無(wú)，報(bào)警輸出通過(guò)控制繼電器的開(kāi)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)還通過(guò)IIC擴(kuò)展了一路RTC。
    系統(tǒng)通過(guò)外部晶體為DM365提供24 MHz時(shí)鐘輸入，DM365內(nèi)部PLL來(lái)產(chǎn)生模塊時(shí)鐘。
2．4 電源部分
    系統(tǒng)提供5 V電源輸入接口，通過(guò)電源轉(zhuǎn)換芯片提供+1．35 V、+1．8 V和+3．3 V的電源。其中1．35 V和1．8 V采用TPS62040DGQ產(chǎn)生。TPS62040DGQ是TI公司推出的一款高效率低紋波的DC-DC芯片，其輸出電壓通過(guò)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。3．3 V電壓采用TPS5430實(shí)現(xiàn)，其最高輸入電壓可以達(dá)到36 V，最大提供3 A的電流。
    對(duì)系統(tǒng)的上電順序是：先給內(nèi)核上電(1．35V)，然后對(duì)PLL等模塊上電(1.8V)。即先通過(guò)TPS5430得到3.3V的電源，然后通過(guò)TPS62040DGQ產(chǎn)生1．35 V，通過(guò)1．35 V連接到另一片TPS62040DGQ的EN上1．8 V，產(chǎn)生1．8 V以后，通過(guò)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通先前產(chǎn)生的3．3 V，3．3 V最后加載到DM365上。產(chǎn)生下電順序與上電順序相反。

3 結(jié)束語(yǔ)
    為測(cè)試設(shè)計(jì)是否達(dá)到預(yù)定要求，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了較為完備的測(cè)試，選用了多種高清視頻輸入源在不同的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，有測(cè)試運(yùn)動(dòng)快慢及劇烈程度的畫(huà)面，有測(cè)試黑自圖像效果的全黑與全白，還有測(cè)試亮度等級(jí)的階梯圖案等。
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)的進(jìn)行編碼，解碼圖像畫(huà)面清晰流暢，沒(méi)有馬賽克以及動(dòng)畫(huà)現(xiàn)象，沒(méi)有曝光過(guò)度、人像曝光不足、偏色、曝光和白平衡不準(zhǔn)確等問(wèn)題，色彩鮮艷，亮度分明。克服了標(biāo)準(zhǔn)清晰度監(jiān)控系統(tǒng)中存在的不足。
    此設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)使用，符合設(shè)計(jì)初衷，在可視電話、高清監(jiān)控系統(tǒng)、車(chē)載監(jiān)控領(lǐng)域有廣泛的市場(chǎng)前景。