基于DM365的視頻編碼器的硬件設計

摘要：為了解決標準清晰度監(jiān)控系統中存在的一些問題，設計了一個基于TMS320DM365的高清視頻壓縮系統。采用ITU-T的H．264(DM365內嵌硬件壓縮器)視頻壓縮算法，高清模擬視頻信號通過專用視頻解碼芯片TVP7002轉換成數字視頻信號，在DM365中進行數據壓縮，內嵌ARM把數據打包后傳到internet，通過PC機軟件解碼，進行視頻播放。實踐證明，本編碼方案很好的完成了數據壓縮及傳輸，符合設計要求。
關鍵詞：視頻壓縮；DM365；H．264；網絡傳輸

    在視頻監(jiān)控應用中，傳統視頻監(jiān)控由于圖像清晰度不高(CIF～D1分辨率)、管理和維護諸多線纜難度大、配置眾多設備結構復雜、擴展不便，這些因素嚴重制約了安保管理效能的提升，同時也為高清視頻監(jiān)控的發(fā)展帶來了契機，本文論述了基于DM365的高清視頻編碼器的硬件設計。

1 硬件平臺整體設計
    TMS320DM365延續(xù)了DavinciTM家族DM355處理器的架構，集成了一顆ARM926EJ-S內核，一個圖像處理子系統(VPSS)，一個H．264高清編碼器協處理器HDVICP和一個MPEG-4／JPEG高清編碼器協處理器MJCP，支持多格式H．264、MPEG-4、MPEG-2、MJPEG以及VC1等編解碼器，可實現高度的視頻靈活性。DM365可以同時輸出720P，D1，CIF三個碼流，或者更多的組合方式，并且編碼速率可調，并且支持硬件OSD。該處理器有豐富的外圍接口，用戶可以方便的外接子系統，本文采用TMS320DM365作為主CPU，對輸入視頻數據進行采集并進行相應的壓縮網絡傳輸處理，設計了基于DM365架構的數字視頻編碼器。系統除了DM365以外，還有高清視頻A／D轉換器、音頻CODEC、存儲、以太網、串口等模塊。系統運行于Linux操作系統，具有實時性好、通訊速率快、圖象質量高、性能穩(wěn)定、價格便宜、防病毒等特點。
    系統整體框圖如圖1所示，系統選用DM365為主CPU，DM365外接音頻模塊、視頻輸入模塊、存儲模塊、串口及網絡傳輸模塊。本平臺由兩部分構成：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輸入TVP7002，經過A／D編碼以后變成高清數字視頻信號，此數字信號輸出給DM365。本模塊DM365主要對輸入視頻數據進行H．264壓縮，并可實現噪聲過濾、視頻穩(wěn)定、面部檢測、自動白平衡、自動對焦、自動曝光以及邊緣增強等功能，此外，還對系統上所有I2C設備初始化，實現音頻語音對講等功能。
    視頻輸出部分：DM365內嵌ARM微處理器，該處理器核心功能是對數據流進行轉發(fā)，外接存儲器模塊、以太網模塊、串口模塊等。ARM先完成壓縮數據的RTP、UDP、IP封裝，然后經過MAC成幀，最后通過以太網控制器PHY完成數據包的發(fā)送。此外ARM還負責解析接收數據，對PC機發(fā)來的相關參數命令進行轉發(fā)，進行相應的運算設置(視頻壓縮碼率、幀率等)，通過串口實現對外設的控制(云臺控制器、鏡頭等)，通過GPIO對報警輸入輸出的處理等等。

2 模塊設計
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。系統實現1路高清視頻輸入，高清A／D轉換芯片采用TVP7002。TVP7002能實現R／Pr、C／Y、B／Pb信號的數字轉換，轉換率高達165 MHz，在很多高清數字視頻環(huán)境中被使用，分辨率高達1080P。DM365通過IIC總線對其配置，對TVP7002內部寄存器進行適當配置，可以處理720P分辨率的視頻源，A／D以后的視頻數據從TVP7002數字視頻口輸出到DM365的VPFE。系統同時提供高清數字視頻輸入接口，HDVICP協處理器可以在1 280X720P30的格式下提供H．264標準的視頻編碼或解碼，而MJCP協處理器除了支持JPEG標準，還可以在1 920x1 080P24的格式下提供MPEG-4的視頻編碼或解碼。
    系統實現1路LINEIN和立體聲輸出通過AIC23實現，DM365通過IIC總線對其配置，AIC23連接在DM365的MCBSP口。DM365的MCBSP被用作雙向數據通道，所有的音頻數據流都通過此通道傳輸，并支持不同的數據格式。
2．2 以太網模塊
    系統含有I路10／100M網絡接口，DM365內帶MAC控制器，在EMAC接口外接一片以太網PHY芯片，PHY采用RTL8201，RTL8201與DM365的MII接口相連。DM365通過MDIO接口實現對RTL8201寄存器的配置及控制，其他握手信號依次連接，通過上拉下拉電阻對RTL8201進行適當的配置(設置PHY地址等)，RTL8201在上電初導入這些配置信息，并進行相應的工作。在RTL8201的時鐘接口外接一個25 MHz晶體，作為RTL8201的時鐘源。RTL8201外接網絡變壓器，進行信號隔離，通過RJ45連接到網絡。
2．3 存儲、USB、串口、RTC、報警模塊
    系統提供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)，可設置的FIFO。DM36 5片載USB Controler和USB PHY，通過相關配置完成其初始化，在USB上可以外接USB-SATA硬盤等外設。
    系統外接DDR2 SDRAM和NAND Flash作為片外存儲器，通過設置BTSEL[2：0]為000來選擇啟動方式為NANDFlash BOOT模式。DM365的AEMIF接口可以支持NANDFlash和NOR Flash，因為NAND Flash存儲容量大，價格便宜，本設計選用NAND Flash。
    DM365提供了專門的DDR2控制接口，16位數據線，14位地址線和3根塊選擇信號，可以支持256 MByte的存儲空間，系統選用DDR2 SDRAM芯片K4T1G164QQ。
    DM365有2個UART接口，系統外接兩路串口，一路RS232，用做調試，一路RS485外設進行通訊(云臺鏡頭等)。并通過GPIO提供2路開關量報警輸入和2路開關量報警輸出，報警輸入通過光藕來實現，當報警信號輸入時，光藕導通，輸出低電平至DM365 GPIO，當沒有報警信號輸入時，光藕截止，輸出高電平至DM365 GPIO，DM365通過檢測GPIO電平來判斷報警輸入信號的有無，報警輸出通過控制繼電器的開合來實現。系統還通過IIC擴展了一路RTC。
    系統通過外部晶體為DM365提供24 MHz時鐘輸入，DM365內部PLL來產生模塊時鐘。
2．4 電源部分
    系統提供5 V電源輸入接口，通過電源轉換芯片提供+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，其輸出電壓通過電阻進行調節(jié)。3．3 V電壓采用TPS5430實現，其最高輸入電壓可以達到36 V，最大提供3 A的電流。
    對系統的上電順序是：先給內核上電(1．35V)，然后對PLL等模塊上電(1.8V)。即先通過TPS5430得到3.3V的電源，然后通過TPS62040DGQ產生1．35 V，通過1．35 V連接到另一片TPS62040DGQ的EN上1．8 V，產生1．8 V以后，通過開關管導通先前產生的3．3 V，3．3 V最后加載到DM365上。產生下電順序與上電順序相反。

3 結束語
    為測試設計是否達到預定要求，對系統性能進行了較為完備的測試，選用了多種高清視頻輸入源在不同的環(huán)境中進行測試，有測試運動快慢及劇烈程度的畫面，有測試黑自圖像效果的全黑與全白，還有測試亮度等級的階梯圖案等。
    實驗結果表明，系統能實時的進行編碼，解碼圖像畫面清晰流暢，沒有馬賽克以及動畫現象，沒有曝光過度、人像曝光不足、偏色、曝光和白平衡不準確等問題，色彩鮮艷，亮度分明?？朔藰藴是逦缺O(jiān)控系統中存在的不足。
    此設計方案經濟使用，符合設計初衷，在可視電話、高清監(jiān)控系統、車載監(jiān)控領域有廣泛的市場前景。