來源：國外電子元器件 作者：廣州大學華軟軟體學院 胡偉
1 引言
數字視訊是利用諸如錄影機的視訊捕捉裝置采集外界影像資訊并将影像資訊數字化，然後将其記錄到儲存媒體(如錄像帶、硬碟、CD光牒)或通過網絡傳輸。而視訊監控在安全防範系統中具有重要意義。這裡提出基于TMS320DM355型達芬奇(DaVinci)數字媒體片上系統(DMSoC)的便攜式多媒體視訊監控器。
2 DaVinci技術簡介
DaVinci技術是TI公司針對數字視訊圖像處理及應用而提供的一套完整的解決方案，包括處理器、開發工具、軟體以及系統專業技術。DaVinci技術可利用數字信号處理與內建電路技術提供高度內建的片上系統(SoC)，優化和處理數字視訊。該片上系統具有高效的處理能力、存儲器、I／O帶寬。同時也是平衡内部互連和專用外設組合。數字視訊子系統的硬體和軟體內建有可配置和程式設計的開發工具集。DaVinci技術能夠使開發人員擺脫數字視訊的技術細節，整的達芬奇軟體架構涵蓋低級的OS驅動程式和應用程式接口APl。便于實作數字視訊功能。開發人員無需了解各種音頻、視訊、影像以及語音CODEC背後的機制和DSP的程式設計，僅需調用少量函數即可提供編解碼功能和視訊功能。DaVinci技術通過提供開放式平台降低系統建立和管理的衆多元件的複雜性。在該平台上，Tl及其第三方合作夥伴內建了構成數字視訊系統所需的各種元件，這些元件都基于DaVinci平台。同時開放式開發平台還擴充到應用程式，實作應用程式也基于相同的DaVinci平台。
目前TI公司采用Davinci技術的器件主要分為3類：①ARM926EJ+MJCP(MPEG4和JPEG協處理器MPEG4/JPEG)，典型器件TMS320DM355；②采用TMs320C6000系列的DSP TMS320DM643 1／33/35／37和TMS320DM647/8；③由ARM926EJ+TMS320C6000系列的DSP TMS320DM6446／43／41，其中TMS320DM6446／41還包括視訊圖像協處理器VICP。表1給出，TI公司的DaVinci技術器件引比較。
3 TMS320DM355簡介
高性能、低功耗的TMS32DM355 DaVinci技術器件由于内部無DSP核心的多媒體處理器，采用協處理器MJCP實作多媒體資料編解碼。是以TMS320DM355可實作低功耗，低成本設計方案。TMS320DM355在高清MPEG-4編碼過程中的功耗約為400 mW，而待機功耗僅為1 mW。視訊模式下使用基于TMS320DM355的數位相機，兩節AA電池可錄制80 min的高清視訊，使HD産品電池壽命延長一倍。TMS320DM355内部內建的視訊處理子系統VPSS(Video Processing Subsvrs-tem)、MPEG-4／JPEG協處理器(MJCP)、ARM926EJ-S核心以及多種外設組成，可應用于數位相機、IP錄影機、數位相框、醫學成像及嬰兒視訊監護器等領域。圖1為TMS320DM355的内部功能框圖。
TMS320DM355包括1個哈佛結構ARM核：ARM926EJ-S處理器支援ARM擴充DSP指令和Jazelle技術、32 KBRAM、8 KB ROM，16 KB I-cache、8 KB D-cache；它能夠處理16／32位指令和8／16／32位資料。它通過使用協處理器CPl5和保護子產品增強體系結構，并提供資料和程式記憶體管理單元MMU。MMU具有2個64項的轉換旁路緩存器TLB用于儲存指令和資料流，每項均可映射存儲器的段、大小頁。為了保證在核心周期記憶體取指令和資料，提供了獨立的16 K位元組指令Cache和8 K位元組資料Cache，指令和資料Cache通過VIVT4路連接配接。另外，該器件還具有提升核心性能的寫緩沖，其緩沖資料容量高達17字。
專用的視訊圖像處理器用于處理視訊資料：視訊處理子系統VPSS包括視訊前端輸入接口VPFE和視訊末端VPBE輸出接口，視訊前端輸入接口用于接收外部傳感器或視訊譯碼器等輸入的圖像資訊，視訊末端輸出接口輸出圖像到SDTV，LCD，HDTV等顯示屏顯示。其中視訊前端輸入(VPFE)接口是由CCD控制器、硬體圖像信号處理器一圖像通道IP-IPE子產品、自動曝光／白平衡／聚焦子產品H3A和寄存器組成。CCD控制器可與視訊解碼器、CMOS傳感器或電荷耦合裝置連接配接;IPIPE是實時硬體圖形處理器，用于實時圖像處理，它把從CMOS／CCD得到的原始圖形轉換為國際電信聯盟ITU數字視訊标準BT．60I／BT．656的8／16位數字YCbCr 4：2：2；H3A子產品則提供原始圖形資訊。
視訊末端輸出(VPBE)接口由線上視訊顯示處理器／螢幕視控系統OSD和相容NTSC／PAL視訊輸出編碼器VENC組成。線上視訊顯示處理器能顯示2組獨立的視訊視窗或2組獨立的OSD視窗．還能以視訊視窗、OSD視窗和屬性視窗形式顯示。視訊解碼器以54．MHz的速率進行D／A轉換，提供NTSC／PA L，S等格式的視訊或音頻輸出。同時該器件還具有8／16位YCC到18位RGB666數字輸出；ITU數字視訊标準BT．601／BT．656的8／16位數字YCbCr 4：2：2接口：輸出還支援同數字高清電視HDTV(720p／1080i)擴充編碼器連接配接的接口。通過緩存邏輯與TMS320DM355的DDR2／mDDR片上控制器相連，便于通路存儲器，向存儲器存儲由攝像頭采集并經VPFE處理的圖像資訊，便于将存儲的圖像資訊通過VPBE輸出到顯示裝置。
數字圖像處理方面，MPEG4和JPEG硬體協處理器MJCP(MPEG4／JPEGG Coprocessor)能以720p格式與30幀／s的速度提供高清MPEG4-SP編解碼功能，和以每秒5千萬像素的速度提供JPEG編解碼功能。在存儲方面，擴充存儲器接口EMIF包括1個8／16位和1個16位mDDR／DDR2，可擴充存儲器的類型為mDDR，DDR2，SDRAM，OneNAND，NANDFlash，SM／xD等；其他片上外圍擴充控制器還包括：2個MMC(Multimedia Card)／SD(Secure·Digital)接口；2個音頻接口ASP(Audio Serial Port)接口控制器，支援AC97音頻編碼接口、12S等接口形式：1個主／從I2C(Inter-Integrated Circui)接口控制器：1個USB 2．OTG接口控制器：1個可配置的視訊專用的輸入和輸出端口等。
4 系統設計
該系統設計結構包括硬體系統和運作在硬體系統上的軟體系統，如圖2所示。圖中虛線以下是系統硬體部分，其主要由3個部分組成：圖像資訊的擷取、圖像資訊的處理和存儲、圖像資訊的展示．即分别對應夜晚也能攝像的PAL／NTSC紅外攝像頭．印刷電路闆PCB闆硬體對視訊資訊進行壓縮等編碼操作和SD卡存儲，以及TFTLCD播放裝置。
虛線以上是系統軟體部分，軟體部分包括系統軟體、開發支撐軟體和應用軟體。系統軟體包括加載引導Linux作業系統的。BootLoader-U-boot、DaVinci技術軟體包和Mon-taVista Linux作業系統：開發支撐軟體主要是用于資料管理的嵌入式資料庫，進行使用者圖形界面開發的圖形使用者界面GUI軟體；應用軟體是在DaVinci技術、作業系統、資料庫和圖形使用者界面軟體基礎上開發的便攜式多媒體監控器系統。
5 系統硬體設計
視訊監控器主要包括圖像資訊的擷取、圖像資訊的處理和存儲、圖像資訊展示3部分。對應PAL／NTSC紅外攝像頭用于擷取視訊信号；PCB印刷電路闆和SD卡用于完成視訊資訊的處理和存儲；TFT LCD用于播放和展示。
系統構成與信号流向如圖3所示，為了友善信号流程的表示，将視訊處理子系統VPSS的兩個部分獨立，視訊處理前端VPFE連接配接信号的輸入端，視訊處理後端VPBE連接配接信号的輸出端。從圖3可看出利用TMS320DM355基本上在不增加外圍控制器的情況下就可構成一個便攜式多媒體監控器。
選擇紅外攝像頭是因為實際的視訊監控中通常晚上也需要監控，如果沒有這種需求可選擇普通的錄影機；因為紅外攝像頭輸出信号一般都是NTSC／PAL制的模拟電視信号，而TMS320DM355的視訊輸入信号是通過VPFE的CCD控制器CCDC引入的，而該控制器的接口是标準的ITU BT．601／BT．656數字視訊信号，是以還需增加一個将NTSC／PAL的模拟信号轉換成BT．601／BT．656的解碼器。LCD采用TFTLCD模拟真彩LCD屏，它比僞彩DSTN屏的分辨率和顯示效果都好。它是實作系統監控現場的視訊圖像和多媒體功能的主要因素，用于播放視訊多媒體和顯示靜态圖檔。
由于紅外攝像頭和TFT LCD一般都是直接購買市場上成熟的外設産品，下面較為詳細的分析系統中視訊圖像的處理和存儲部分，也就是PCB闆部分。這裡是一種連接配接形式，如圖4所示，還根據圖3給出的系統框圖并結合TMS320DM-355接口的電氣和實體特性選擇其他功能相同的器件。
通過MXI和MXO引腳外接晶體振蕩器為TMS320-DM355提供時鐘源．再通過片内時鐘控制電路為片内各控制器提供所需時鐘。其中系統外接晶體振蕩器可提供24 MHz或36 MHz的時鐘，由MXIl，MXO1引腳引入，通過鎖相環控制器PLLCl為ARM，MJCP和其他片上外圍接口控制器提供時鐘，通過鎖相環控制器PLLC2為DDR和PHY提供時鐘；通過MXl2，MXO2引入27 MHz時鐘為視訊處理子系統VPSS提供時鐘。
該系統采用電池供電，通過具有3個DC／DC轉換器和3個線性穩壓器LDO接口，可輸出1~6 V電壓的電源管理器件TPS65021實作。它由1節锂離子電池供電，由TMS320DM355通過I2C與之通信，實作各路輸出電源電壓的控制，分别為核心、存儲器和I／O接口可提供1.3 V、1．8 V和3．3 V的工作電壓；也可采用5 V穩壓器直流供電，通過DC／DC轉換器後提供1.3 V、1．8 V、3.3 V供電.
其存儲包括2個MMC／SD卡接口和2個擴充存儲接口EMIF。前者實作2個SD卡存儲器的擴充連接配接；後者包括DDR控制器和異步擴充存儲接口AEMIF，分别用于擴充連接配接對DDR存儲器和Flash存儲器。TMS320DM355與這3種存儲器直接相連。
4路PAL／NTSC模拟視訊輸入信号通過4個3 V的視訊前端濾波器放大器OPA369放大，經過視訊輸出格式可程式設計控制的TVP5146将模拟信号變成所需的ITU數字信号，再經過2個12位2選1的FET多路複用器／多路解複用器對輸入的4路視訊信号選擇1路輸入TMS320DM355的VPF完成視訊輸入。其中OPA369支援S-Video、CVBS、SDTV等級的影像帶寬。TVP5146是高性能混合信号視訊解碼器，可将基帶模拟NTSC、PAL及SECAM視訊信号轉換為數字分量視訊信号；可支援10組視訊輸入，包括S端子、YPbPr以及RGB；輸出ITU-R BT．656；并有提供最佳亮色分離效果的5線自适應梳狀濾波器和4路可提供出色防噪性能的10位、30 MS／s模數轉換器。視訊輸出信号通過TMS320DM355的VPBE與3通道內建視訊緩沖器THS7315連接配接輸出PAL／NTSC、Y和C信号，而外接LCD的背光通過白光LED驅動充電泵TPS60230驅動。其中THS7315視訊緩沖放大器采用五階巴特沃思濾波器，可AC耦合和DC耦合，可用作編碼器的D／A轉換器重建濾波器，或作為A／D轉換器的抗混淆濾波器；它支援HDTV、SDTV、CVBS、S-Video、YUV、YPbPr、480i／576i以及多種數字媒體處理器輸入。TPS60230具有無需電感，可限制浪湧電流，低輸人紋波與低電磁幹擾(EMI)和較寬輸入電壓範圍2．7-6．5 V，可通過PWM引腳控制LED亮度。
通過TMS320DM355的ASP與PCMl870 A／D轉換器相連實作音頻，該器件具有麥克風偏置、音效與陷波濾波器的低功耗立體聲A／D轉換器，包括線路輸入放大器、升壓放大器、麥克風偏置、可程式設計增益控制、音效以及自動音量控制功能。音箱和喇叭用于輸出音頻信号，通過TMS320DM355的音頻接口與ASP控制器連接配接，并根據外圍連接配接實體裝置選擇AC97音頻編碼接口、FS、TDM I2S、軟體S／PDIF等接口。
對視訊和圖檔的操作功能可以通過觸摸屏實作．觸摸屏的功能是通過電平轉換器PGA9306、溫度傳感器TMPl00與TMS320DM355的串行外圍接口SPI共同完成。電平轉換器PGA9306實作觸摸屏的實體電平和CMOS電平之間的轉換。而具有I2C串行接口的數字溫度傳感器實作觸摸屏的功能。而觸摸按鍵式記錄器可以實作多媒體等操作的按鍵化操作。序列槽和USB OTG都是正常直接與實體接口的連接配接．其中USB OTG(On The Go)控制器，便于USB裝置連接配接。
6 系統軟體設計
軟體開發實作比較複雜，涉及到作業系統、音視訊編解碼算法及ARM和MJCP之間的分工協作．圖5給出4路視訊多媒體監控器的主程式流程，圖6給出監控部分的流程圖。
主程式完成系統的加載，包括BootLoader的啟動和加載，硬體驅動程式、SQLite、MiniGUI的作業系統的加載和啟動，作業系統啟動成功後通過Shell程式加載啟動多媒體監控系統軟體，進入監控系統。
監控首先判斷是一路視訊播放和錄制，還是4路視訊的循環分時錄制；其次在成音、視訊播放的同時完成音、視訊的錄制，在錄制視訊前要先對視訊進行MPEG-4壓縮。同時還需要注意音視訊的同步。
7 結論
實作了基于達芬奇技術TMS320DM355的4路視訊多媒體監控器系統，詳細分析其硬體設計和軟體設計。該系統設計采用最新的技術，降低産品成本，功耗，具有很強的實用性。該視訊多媒體監控器可廣泛應用于人流密集和流動性大的車站、碼頭、機場、公園、銀行、政府、超市及商業街等視訊監控領域.