摘要：為了能夠在低光照強度情況下，獲得高清圖像，達到夜晚監(jiān)控的目的，采用嵌入式設計方法，根據具體的應用需求，選擇低照度高、解析度的CCD芯片KAI-1010以及與之相匹配的時序產生芯片KSC-1000設計圖像采集模塊，實現(xiàn)了光信號到電信號的轉換；采用AD9945芯片。完成采集到的模擬信號到數字信號的轉換；將獲得的數字信號經過主處理芯片TMS320DM355進行圖像前端處理及后端處理后，送到網絡接口芯片DM9000A，經過網絡在上位機實時獲取視頻圖像。
關鍵詞：TMS320DM355；紅外夜視；高清攝像機；CCD
0 引言
隨著網絡化的發(fā)展，網絡視頻越來越貼近人們的生活，高清網絡視頻的需求也在不斷提升。高清視頻會議、高清視頻電話、高清視頻監(jiān)控等都提出了視頻的高清需求。數字視頻系統(tǒng)可以在同樣的信道上傳輸更多的視頻，而且可以利用現(xiàn)有的網絡，與計算機多媒體處理相結合，便于分析處理、存儲和顯示。特別是采用了以太網通信的網絡視頻系統(tǒng)，更具有經濟，組網靈活，使用方便等優(yōu)點。
人們生活水平的提高，安全防范意識也在逐漸增強，高清智能分析攝像機在小區(qū)監(jiān)控和家庭監(jiān)控中也將起到越來越重要的作用，一方面它可以改善家庭周圍的安全狀況，防范盜賊起到重要作用；另外，它提供的資料可以用來作為事發(fā)現(xiàn)場的證明，對公安機關破案提供最有力的證據。為了實現(xiàn)24 h監(jiān)控，低照度紅外攝像機已經應用在監(jiān)控場合，但是目前高清紅外攝像機的成本相對較高。因此設計低成本、高效益的高清攝像機，具有現(xiàn)實的意義。
高清攝像機的使用，可以為智能分析和數據挖掘功能的價值體現(xiàn)提供原始圖像基礎。高清攝像機的使用，必然需要大量的存儲空間，以存儲大量的高清圖片。目前高清監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題之一是較多的無用視頻信息也被存儲、傳輸，既浪費了存儲空間，又增加了帶寬壓力，而采用智能分析后，對于這些無用視頻則可采用低碼流方式進行壓縮或存儲，以節(jié)省存儲空間和減少帶寬壓力。
1 硬件總體設計
在設計過程中，根據功能進行以下幾個模塊設計：CCD模塊、視頻編解碼模塊、TMS320DM355(簡稱DM355)模塊、存儲模塊、以太網電路模塊、USB接口模塊等，硬件設計框圖如圖1所示。
高清晰度攝像機前端CCD圖像傳感器選擇的是1／3英寸KAI-1010總像素100萬。網絡部分采用以太網收發(fā)器與DM355直接相聯(lián)。系統(tǒng)上電后，固化在FLASH中的軟件代碼通過引導程序自動裝載到SDRAM和DM355片上內存中的指定地址，然后運行軟件，完成對各硬件單元的初始化(如對DSP，CCD傳感器，PHY等芯片的初始化配置)。CCD傳感器配置正確并啟動后開始采集視頻數據；視頻數據通過DM355的視頻端口進入DSP；DSP對視頻數據進行壓縮編碼(MPEG4，JPEG)，UDP打包，最后通過網絡發(fā)到用戶監(jiān)控端。
1．1 多媒體處理芯片DM355
高清攝像機的核心是高性能的數字多媒體處理芯片，DM355是TI公司推出的面向便攜式高清視頻應用的新型低成本、低功耗的達芬奇(DaVinci)數字處理器，能夠實現(xiàn)720P高清MPEG4編碼和解碼，支持30 f／s實時視頻處理，編碼解碼能力可達每秒5 000萬像素，其內核包含ARM9處理器和MJCP協(xié)處理器，有前端和后端的視頻處理子系統(tǒng)，可支持CCD控制器預覽、圖像縮放等功能。VPSS+MJCP可以提供相當于640M DSP處理能力，以實現(xiàn)整體系統(tǒng)的控制，也可以實現(xiàn)實時操作系統(tǒng)。
DM355作為Davinci系列雙核數字媒體處理器，不僅具有ARM926E處理器，基于Linux操作系統(tǒng)方便地管理和控制整個芯片的外設，而且為便捷地實現(xiàn)多媒體功能，DM355的外圍設備集成了非常豐富的視頻和網絡通信接口。[!--empirenews.page--]
1．2 視頻數據采集、處理和輸出設計
CCD采集的數據，經過多媒體處理器的視頻前端處理(預覽引擎、直方圖模塊、圖像縮放模塊和自動聚焦／曝光／白平衡等模塊)后，將數據送到視頻后端處理，然后經過DM9000A芯片處理后，通過RG45接口傳送到網絡上或者存儲到磁盤中，全過程如圖2所示。
自然界的圖像從鏡頭折射后，進入到CCD感光器上，CCD感光器將收集到的信息轉換為RGB貝爾模板格式，傳送給DM355的視頻處理前端預覽引擎，并將圖像數據由RGB貝爾模板格式轉換為YUV422格式，通過視頻處理前端的直方圖模塊，可以統(tǒng)計計算出原始圖像的信息，用于圖像處理和圖像內容的識別。自動聚焦／曝光／白平衡模塊，也可以根據直方圖模塊統(tǒng)計計算的結果做相應的調節(jié)操作。為了看到高清視頻演示，在輸出接口前外接選用合適的提幀擴展芯片THS8200，用來支持HDTV的720p格式的信號輸出。
DM355通過EMIF接口與DM9000A芯片相聯(lián)，DM355與DM9000A之間的數據傳輸采用默認的FIFO模式。系統(tǒng)上電時，DM355主芯片通過I2C總線配置DM9000A內部寄存器，初始化DM9000A；初始化完畢，DM9000A進入數據收發(fā)等待狀態(tài)；DM355處理完視頻數據后，將視頻數據打包成UDP數據包，并通過總線將發(fā)送到DM9000A的數據發(fā)送緩存中，然后將數據長度等信息填充到DM9000A的相應寄存器內，當使能信號到達時，開始，發(fā)送數據。當DM9000A接收到外部網絡送來的數據時，首先檢測收到的數據幀是否合法，若存在幀頭標志有誤，則丟棄幀數據，否則緩存到內部RAM，并通過中斷標志位通知DM355，由DM355對DM9000A接收到的數據進行處理。
1．3 電源模塊設計
電源模塊的主要功能是為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源供應。在設計過程中，考慮到各個芯片的供電需求，將供電電壓設置為1．3 V，1．8 V，3．3 V，5 V共4種電平的供應。在DM355系統(tǒng)中采用電源和休眠控制器控制電源和始終的開／關或重啟。在電源系統(tǒng)設計中使用到了電容的去耦和旁路，以防止能量從一個電路傳到另一個電路，進而提供配電系統(tǒng)的質量。
1．4 DM355存儲電路和接口控制邏輯設計
視頻處理主模塊以DM355以及輔助外設共同完成高清晰視頻的MPEG-4編碼，NAND FLASH用于保存U-Boot，Linux操作系統(tǒng)以及Ramdisk文件系統(tǒng)，還包括JTAG調試接口、異步外設存儲器接口。
為使DM355能夠快速可靠的運行，設計中采用了SDRAM和FLASH的外圍存儲方式。SDRAM利用單一的系統(tǒng)時鐘對數據、地址和控制信號進行同步，可以顯著地提高系統(tǒng)性能，簡化設計，提供高速的數據傳輸。AEMIF接口支持NAND FLASH存儲器，NANDFLASH片內尋址采用26位地址形式，運用仿真器將DDR2中一段存儲區(qū)的數據(如Bootloader)寫到NAND FLASH存儲空間，并能夠被UBL讀到DDR2中運行。
設計中采用的NAND FLASH存儲器芯片，以擴展程序存儲空間，它實現(xiàn)了與DM355的AEMIF接口進行無縫連接，圖3所示為AEMIF外部引腳與NANDFLASH簡化接口圖，AEMIF的地址線用于NANDFLASH的命令鎖存使能信號(CLE)和地址鎖存使能信號(ALE)，任何EMIF地址引腳都可以當作CLE和ALE驅動NAND FLASH，但是在本設計中NANDFLAsH主要用于保存DM355啟動的U-Boot文件和MontaVista linux操作系統(tǒng)的內核，在啟動操作系統(tǒng)時，CLE和ALE需要一直使用，所以選用EMIF地址引腳中的EMA[2：1]作為CLE和ALE信號，因為EMA[2：1]沒有與其他外設引腳復用，可以用作惟一功能控制NAND FLASH。
2 結語
高清晰度攝像機的在今后的日常生活中將被廣泛應用，基于TMS320DM355高清攝像機，具有成本低，功耗小的特點，可用于便攜式設備，監(jiān)控等場合。本論文設計了高清攝像機的硬件平臺，為下面的軟件設計提供了開發(fā)平臺。由CCD獲得原始圖像，經過DM355芯片的處理，獲得高清數字圖像，不僅可以對提取的信號進行分析識別，有選擇的保存重要信息，而且通過分析后，在存儲過程中只存儲有價值信息。
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