基于TMS320DM642的网络摄像机设计

引言

　　网络摄像机的解决方案有多种选择，但是市场主流产品一般选择两种方案：(1)采用CPU+ASIC。(2)采用双CPU结构，即一个嵌入式CPU和一个专用信号处理芯片DSP。受专用DSP芯片处理能力的限制，现有的嵌入式网络摄像机中使用的视频处理算法基本是H.263以下的标准。

　　本文介绍一种基于TMS320DM642 DSP的网络摄像机设计方案。其操作系统、通信协议、网络协议、音视频处理软件均在一颗TMS320DM642上实现，降低了开发的难度。

图1 网络摄像机硬件原理图

　　　　　　　　　　　　　　　　图2 视频接口原理图

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3 网络接口原理图

　　TMS320DM642芯片简介

　　TI公司的TMS320DM642 (以下简称DM642)是一款专门面向多媒体应用的专用DSP。该DSP时钟高达600MHz，8个并行运算单元，处理能力达4800MIPS；采用二级缓存结构；具有64位外接存储器接口；兼容IEEE-1149.1(JTAG)边界扫描；为了面向多媒体应用，还集成了3个可配置的视频端口、面向音频应用的McASP(Multi Channel Audio Serial Port)、10/100Mb/s的以太网MAC等外设。鉴于DM642的上述优点，本网络摄像机系统就以DM642为核心，完成音视频信号的实时采集、压缩及传输功能。

　　硬件设计

　　系统电路组成如图1所示。从摄像机输入的视频信号和从麦克风输入的音频信号经采集、A/D转换为数字信号后送入DSP。DSP在信源处对音视频信号进行压缩编码和合流，然后通过局域网或因特网将数据传输给视频监控中心。监控中心可同时监视多个现场，接收或发送报警信号，并根据需要通过异步串行总线RS-485实时控制云台，调整摄像头的方向和位置。

　　视频采集电路

　　本系统采用的视频解码芯片是Philips 公司的SAA7115。从模拟视频输入口输入的全电视信号在SAA7115内部经过钳位、抗混叠滤波、A/D转换、YUV分离电路之后，在YUV到YCrCb的转换电路中转换成BT.656视频数据流，输入到压缩核心单元DM642中。DM642的3个视频口VP0、VP1、VP2与视频编解码芯片相接。

　　在本系统中，只有一路视频输入，故VP1、VP2端口未用，VP0通道配置为8位BT.656视频输入口。视频数据的行/场同步信号包含在BT.656数字视频数据流的EAV(end of active video)和SAV(start of active video)时基信号中，视频口只需视频采样时钟和采样使能信号即可。SAA7115内部寄存器参数的配置和状态的读出通过I2C总线进行。视频接口的原理如图2所示。

　　音频输入/输出电路

　　本系统采用TI的高性能立体声编解码器TLV320AIC23(以下简称AIC23)实现音频信号的采集和播放。AIC23与DM642 的I/O电压兼容，可以实现与DM642的McASP接口无缝连接。

　　在本系统中，AIC23工作于主模式，左右声道的采样字宽均为16bit。数据接口为DSP mode模式。通过I2C总线设置内部寄存器的工作参数和反馈状态信息。

　　因为网络传输的固有特点，音频数据和视频数据从网络摄像机端到达监控中心不可能是均匀的，如果网络摄像机端不做任何纠正处理，则很难保证音视频的同步输出。为了实现音频和视频的采样同步，本文利用锁相环PLL1708，从SAA7115的LLC引脚输出27MHz时钟，经PLL1708产生AIC23的主时钟MCLK。由于音视频采样信号采用同一个时钟源，就不会出现音视频不同步的问题。PLL1708的SCKO3引脚输出默认时钟频率18.433MHz，作为AIC23的输入主时钟MCLK。AIC23内部采用的时钟可通过设置寄存器由主时钟MCLK分频得到。

　　以太网接口电路

　　本系统用LXT971作为快速以太网物理层自适应收发器。由于LXT971支持IEEE 802.3标准，提供MII(media independent interface)接口，可以支持MAC，而DM642内部正好集成有以太网媒体存取控制器，所以LXT971可以和DM642实现无缝连接。连接电路如图3所示，其中BH1102为1:1的隔离变压器。从DM642传输过来的数据通过LXT971转换为以太网物理层能接收的数据后，通过RJ-45头传输到因特网。

　　存储器扩展电路

　　DM642内部有16KB的一级程序缓存，16KB的一级数据缓存和256KB的程序数据共享二级缓存。但这对于直接处理图像数据是不够的，因此扩展了两片32MB的SDRAM来存放原始图像数据，4 MB的FLASH来存放应用程序。二者都映射到DM642的外部数据空间。

　　CPLD电路

　　本系统采用的CPLD是Xilinx公司的XC9572XL。该芯片具有72个宏单元，1600个逻辑门； 5ns pin-to-pin的逻辑延迟； 178MHz的系统频率。CPLD的功能主要是：为FLASH 、UART和CPLD 异步寄存器空间作地址解码；为FLASH产生3bit的页选信号;监控来自UART的电平中断信号，转换为边沿触发中断信号送给DSP。

　　RS-485接口电路

　　该接口连接到摄像机的云台，用来控制云台的转动，调整摄像头的方向和位置。RS-485总线抗干扰能力强，能实现多站点远距离通信。本压缩卡拟采用UART芯片SC16C550和MAXIM公司的MAX487E来实现RS-485信号的传输。SC16C550主要功能是把DSP传送过来的并行信号转换为串行信号。SC16C550内部的接收器和发送器各有16B的FIFO，能处理的串行信号的速率高达3Mbps。MAX487E是RS-485总线接口芯片，可以工作在全双工、半双工模式。传输速率可达2.5Mbps。

　　电源电路

　　整个压缩卡用一个5V的直流变压器供电。由这个5V的电压器产生1.4V和3.3V电压分别给DSP内核和 I/O端口供电，产生另外一个3.3V给视频编解码及其他芯片供电。注意这两个3.3V电源要分开设计，以免电源噪声相互干扰。

　　由于DSP需要两种电压，所以要考虑供电系统的配合问题。加电过程中，应当保证内核电源先上电，最晚也应当与I/O电源一起加。关闭电源时，先关闭内核电源，再关闭I/O电源。讲究供电次序的原因在于：如果仅CPU内核获得供电，周边I/O没有供电，对芯片不会产生损害，只是没有输入/输出能力而已。如果反过来，周边I/O得到供电而CPU内核没有加电，那么芯片缓冲/驱动部分的晶体管将在一个未知状态下工作，这是非常危险的。

　　为了解决这个问题，本文采用了开关电源芯片TPS54310PWP，把1.4V模块的电源输出有效引脚PG(power good)连接到3.3V模块的允许电压输入引脚EN 。这样，只有当1.4V电压有效之后，3.3V电压才开始上电，这就保证了DM642的内核电压先于I/O电压上电。

　　软件设计

　　在本系统中，图像压缩采用H.264标准。H.264具有很高的编码效率，在相同的重建图像质量下，能够比H.263节约50%左右的码率。H.264的码流结构网络适应性强，增加了差错恢复能力，能够很好地适应IP和无线网络的应用。音频编解码采用G.729算法。网络传输采用RTP/RTCP协议以及组播方式，这样可以保证传送的质量。在操作系统方面，采用基于DSP/BIOS 的TI 参考架构5(RF5)。基于RF5操作系统的应用程序模块主要包括：音视频采集模块、压缩编码模块、UART控制模块和网络传输模块。　　

　　结语

　　本方案能在一颗DM642芯片上实现网络摄像机的几乎全部功能，能对音视频进行实时的编解码和实时的网络传输。图像质量高、开发难度低、易于升级，是一种比较理想的网络摄像机解决方案，可广泛应用于视频监控系统中。