基于DSP的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控平臺的設(shè)計

引言

視頻監(jiān)控是物聯(lián)網(wǎng)安防系統(tǒng)的重要組成部分，目前正朝著智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的方向快速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于高速公路、住宅小區(qū)等多種場合。目前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案主要有以下三種類型：

第一種方案是ARM+專用視頻編解碼芯片。該方案系統(tǒng)性能穩(wěn)定、處理速度較快,很容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時處理，但靈活性不夠,不便于升級；

第二種方案是FPGA+IP軟核。該方案設(shè)計周期短,容易改進(jìn)升級，但視頻處理算法占用資源較大,復(fù)雜度、體積和功耗都會增加；

第三種方案是采用面向多媒體處理的專用DSP。該方案運(yùn)行速度較快，而且可以移植多種圖像處理算法，所以能夠不斷對產(chǎn)品性能進(jìn)行改進(jìn)升級。為此,本文給出了一種基于DSP芯片DM642的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。

1  視頻處理系統(tǒng)設(shè)計方案

基于DM642的網(wǎng)絡(luò)視頻處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。SDRAM通過EMIF總線進(jìn)行連接；PCI總線通過PCI接口連接;視頻解碼設(shè)備的數(shù)據(jù)通路通過DM642的Video接口VP[2：0]連接,控制通路通過I²C總線連接;攝像頭釆用CCD器件，模擬視頻信號輸入采用符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的BNC接口；時鐘電路和電源復(fù)位電路通過DM642內(nèi)部的專用接口進(jìn)行連接。

2  系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1  視頻采集模塊設(shè)計

本設(shè)計采用視頻解碼器TVP5150AM1來完成視頻圖像的A/D轉(zhuǎn)換以及對水平同步和垂直同步等信號的分離。TVP515OAM1是一款超低功耗視頻 解碼器，設(shè)計時，既可以選用48引腳PBGA封裝，也可以選用32引腳TQFP封裝，典型模式下的操作功耗只有115mW,在低電壓模式下的功耗小于1mW。通過TVP515OAM1可將NTSC/PAL/SECAM視頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字分量視頻信號。

系統(tǒng)中,TVP515OAM1將PAL或NTSC制式的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為8位的ITU-RBT.656格式、4：2：2的視頻數(shù)據(jù)流發(fā)送到DM642的VP口。TVP515OAM1的視頻輸出口D［7：0］和DM642的VP口［9：2］相連，由于采用了ITU-RBT.656格式，圖像的行同步和場同步信號均嵌入視頻數(shù)據(jù)流內(nèi)，因而不需要另外連接同步信號線。TVP515OAM1的連接示意圖如圖2所示。

2.2  網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊主要負(fù)責(zé)將視頻信號處理模塊處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸,傳輸過程符合TCP/IP協(xié)議，本系統(tǒng)釆用Intel公司的IntelLXT971ALC作為快速以太網(wǎng)物理層自適應(yīng)收發(fā)器。因?yàn)镈M642芯片自帶網(wǎng)絡(luò)控制器EMAC,故在硬件上只需連接一個網(wǎng)絡(luò)收發(fā)芯片IntelLXT971ALC即可，并可大大簡化開發(fā)過程，也因此而成為高速嵌入式網(wǎng)絡(luò)連接很好的選擇。圖3所示是DM642的網(wǎng)絡(luò)接口電路。

2.3  EMIFA與FLASHROM的接口設(shè)計

本模塊使用了一片FLASH存儲器AM29LV033C,該存儲器可以映射到CE1的低地址空間。AM29LVO33C芯片的地址線共有22條，但DM642的地址線只有19條，由于兩種芯片之間的地址線數(shù)量不匹配，所以DM642不能遍歷FLASH芯片的所有地址單元。為了解決這一問題，在DM642電路系統(tǒng)中采用CPLD器件，并把FLASH芯片的地址線引腳A［21：19］與CPLD器件的輸入/輸出引腳相連接，同時通過A：21：19］把FLASH存儲區(qū)的64個扇區(qū)劃分為若干個頁，每頁包括多個扇區(qū)。在CPLD內(nèi)部擴(kuò)展有控制A：21：19］引腳信號的寄存器,DM642通過操作寄存器端口可以遍歷FLASH芯片的所有地址單元，F(xiàn)LASH存儲器芯片與DM642.CPLD器件的連接方式如圖4所示。 

2.4  EMIFA與SDRAM的接口設(shè)計

本系統(tǒng)所選用的SDRAM芯片為海力士（Hy-nix）公司生產(chǎn)的HY57V283220T,該存儲器的容量為4MX32位，可映射到EMIFA的CEO空間，用于存儲實(shí)時視頻數(shù)據(jù)、DSP處理的中間計算結(jié)果或作為程序存儲器。由于DM642的EMIFA的總線寬度為64位，而所選用的SDRAM的數(shù)據(jù)總線寬度為32位，所以將兩片SDRAM并接到EMIFA數(shù)據(jù)總線。SDRAM的時鐘由DM642的TECLKOUT1引腳提供，在初始化EMIFA模塊時，可將輸入時鐘設(shè)置為CPU/6的時鐘分頻，即100MHz,所以，SDRAM的時鐘頻率為100MHz。圖5所示是DM642的SDRAM存儲器擴(kuò)展示意圖。 

2.5  電源管理模塊

系統(tǒng)中的器件需要幾種不同的供電電壓，DM642內(nèi)核電壓為1.4V.DM642的外部I/O口為3.3V,外圍器件為5V。因此，電源模塊釆用了兩片電源芯片TPS54310來完成由5V?3.3V和1.4V的轉(zhuǎn)換。整個系統(tǒng)中用到很多高速器件，需要高精度的供電以保證系統(tǒng)正常工作，因此，本設(shè)計采用模塊化設(shè)計，并將電源部分獨(dú)立出來。有些部分(如CPLD芯片和視頻輸入輸出)甚至采用單獨(dú)供電，以保證給系統(tǒng)各部分提供穩(wěn)定可靠的電源。

3  視頻監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

RF5是TI公司推出的DSP軟件開發(fā)的起步代碼參考框架，它以DSP/BIOS為基礎(chǔ)，利用其中的數(shù)據(jù)處理元素和數(shù)據(jù)通信元素可方便快捷地完成DSP軟件的設(shè)計與開發(fā)。其顯著特點(diǎn)是其動態(tài)對象創(chuàng)建和線程(任務(wù))掛起功能，因此適合系統(tǒng)比較復(fù)雜的應(yīng)用場合。

另外，TI公司還開發(fā)了一套網(wǎng)絡(luò)開發(fā)程序套件(NDK),該套件可將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議封裝起來作為API以供用戶調(diào)用，因而可大大提高網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的效率。該API函數(shù)遵循國際上通用的socket編程標(biāo)準(zhǔn)，在Windows和Unix、Linux上開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)代碼，稍加改動就可以應(yīng)用到DSP中去。

3.1  進(jìn)程管理

RF5框架的最頂層是線程。線程總是順序的執(zhí)行所包含的通道,線程可在一個比較高級的級別上把數(shù)據(jù)組織在一起，并可以與別的線程，設(shè)備驅(qū)動以及別的類似結(jié)構(gòu)進(jìn)行通訊。本文的網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)創(chuàng)建了三個線程，分別是tskVideoInput、tskEncode和tskNetwork。每個線程都在不斷的等待消息，處理數(shù)據(jù)，并將結(jié)果發(fā)送給其他的線程，同時有可能還要發(fā)送同步消息給其他線程，以實(shí)現(xiàn)線程間的通訊，這里使用的機(jī)制是SCOM模塊。

3.2  系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)在進(jìn)入任務(wù)調(diào)度之前,需要進(jìn)行多個模塊的初始化，其中首先是處理器初始化，即初始化DSP/BIOS環(huán)境，設(shè)置DM642cacheDMA傳輸模塊等;其次是RF5模塊初始化，包括建立RF5的通道模塊，初始化SCOM；另外還要建立視頻輸入通道等。

3.3  進(jìn)程調(diào)度

進(jìn)程調(diào)度時，其tskVideoInput首先啟動，在從視頻采集芯片中取得一幀數(shù)據(jù)后，向tskEncode發(fā)送一條信息，信息中包含視頻緩沖區(qū)的指針。然后開始無限循環(huán)以等待tskEncode的反饋信息，最后將進(jìn)程切換至tskEncode；其主要源代碼如下：

tskEncode一開始做無限循環(huán)，當(dāng)其接收到tskVideoInput的信息后，即從ScomMcssage中得到要編碼的原始數(shù)據(jù)幀，并隨之調(diào)用編碼函數(shù)進(jìn)行編碼。編碼結(jié)束后，先向tskVideoInput發(fā)送反饋消息,然后向tskNetwork發(fā)送一條消息，消息中包含有編碼后數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的地址和大小。然后等待tskNetwork的反饋信息，最后再將進(jìn)程切換至tskNetwork；

tskNetwork收到tskEncode的信息之后，即可得到編碼數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址和有效數(shù)據(jù)長度，再進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，發(fā)送完畢向tskEncode發(fā)送反饋信息，然后等待tskEncode的信息，再將進(jìn)程切換至tskVideo-Input；其主要源代碼為：

4  結(jié)語

本文研究了基于DM642的網(wǎng)絡(luò)視頻處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。本系統(tǒng)以運(yùn)行速度塊、集成度高的數(shù)字媒體處理器TMS320DM642作為核心。從試驗(yàn)結(jié)果來看，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)傳輸流暢，并可滿足實(shí)時性要求。