基于TMS320DM643的视频监控系统的设计

摘要：以TMS320DM643为核心，结合视频编解码芯片等设计了高性能的视频监控系统。详细说明了视频处理的相关核心硬件结构；及其在动态图像序列背景中，运动目标的识别与跟踪的软件设计。整个系统采用DM643对视频数据进行处理，通过实际应用证明该方案具有高速视频输入输出能力，为视频编解码算法开发、视频处理产品设计搭建了高性能的平台。

 一、引言
     随着社会的发展，视觉监控系统得到了很大的普及，特别是在911事件后，全世界都加强了反恐意识，飞机场，银行，停车场，超市等公共场所被安放了大量的监控设备，对场景进行全天候的监控。但是，实时视频的处理对系统有着严格的要求，特别是是常见的处理中总包含这大量的乘加法等运算，而且视频总是有着多种格式和特殊的显示要求，故实时的视频处理系统的设计无论是在硬件上还是软件上都具有更高更严的要求。基于此本文提出了一种基于DM643的嵌入式实时视频处理系统，DM643具有DM642的功能，并且价格更便宜。
     二、系统的硬件设计
    该系统是以DSP控制模块为核心，由存储模块、视频输入模块、视频输出模块、通讯模块以及电源模块等构成。

图1 硬件框图

     1、视频编、解码模块
     视频解码模块的主要功能是将从摄像头采集来的PAL/NTSC复合视频信号进行采样、量化得到任意分辨率的数字信号，为DM643提供视频流。视频解码器选用的是TI公司的TVP5150视频解码芯片。该芯片是一个高性能数字视频解码器，可以将NTSC/PAL制模拟视频信号转换成BT.656格式的标准数字视频信号（YUV4:2:2）。下面是视频解码的滤波部分电路图：

图2 滤波电路图

       视频解码器TVP5150视频信号输入范围为0.75Vpp，而外部视频信号输入范围一般为1Vpp，所以外部视频输入与TVP5150视频输入之间串接到地分压电阻网络，以达到TVP5150所需的输入电平。
DM643支持标准的BT.656格式的数字视频数据流的输入格式，能与TVP5150的视频数据流进行无缝连接。下面是连接图：

图3 连接图

     其中，VP1CLK0作为视频源的输入时钟，VP1CTL0、VP1CTL1和VP2CTL2则分别作为视频源的CAPEN/AVID/HSYNC、VBLNK/VSYNC、FID输入同步信号。
视频解码模块采用的视频编码器SAA7105支持PAL与NTSC格式的视频编码输出；同时可提供分辨率为1280*1024的VGA视频输出，可直接驱动PC显示器。
    2、存储模块
     存储模块主要由FLASH和SDRAM组成。FLASH存储器具有可在系统进行电擦写，掉电后信息不丢失的功能，用它来保存系统自启动代码以及系统程序代码，SDRAM存储器的存取速度较高，用它来存放系统运行时的代码以及临时图像数据。该系统扩展的SDRAM存储器是4M*64位的，扩展的FLASH存储器是4M*8位的。
    3、DSP核心模块
     该模块主要实现整个系统的控制，完成运动目标检测算法运算，和向串行通行模块发送控制指令。算法主要采用相位相关配准算法。该模块是由TI公司的TMS320DM643来实现的，DM643的特点是工作主频高达600MHZ，处理性能可达4800MIPS。
     4、串行通信模块
      该模块实现的功能是DSP芯片通过异步串行总线RS-485向机械控制电路(云台)发送指令，实现摄像头的自动跟踪。该系统采用的是TL16C752通用异步收发器UART，它采用8位异步并行存储器接口，并采用+3.3V电源供电，可以与DM643的外部存储器接口（EMIF）直接连接。

图4 串口连接图

      5、网络接口模块
      DM643上HPI和EMAC是复用的，这里根据系统需要只用了EMAC（以太网媒体访问控制器）。其中EMAC+MDIO用于为以太网物理层（PHY）器件提供接口，其中EMAC为接口以太网PHY提供数据通路，MDIO为接口以太网PHY提供管理信息通路。即EMAC控制PHY与DSP之间的数据包的交换，MDIO控制PHY的配置与状态信息的监测。

图5 网络接口

      6、电源模块
      本系统采用TPS54310的专用电源芯片，输入为5V，输出为1.4V和3.3V，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。把1.4V模块的电源输出有效引脚PG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DM643的内核电压先于I/O电压上电。下面是产生1.4V的电路。

图6 电源部分电路图

     三、系统的软件设计
      系统的软件部分分为系统初始化、视频数据采集模块、主处理模块、串口发送控制指令模块、FLASH在线下载模块五部分。其中主处理模块是系统的核心算法部分，该系统的核心算法是基于快速傅立叶变换（FFT）的相位相关配准算法。其工作原理为：首先它通过FFT运算计算出相邻两帧图像的功率谱；其次将两个功率谱进行单位归一化得到相位谱并对相位谱进行互相关操作；经过对相位相关谱进行IFFT运算获得相位相关函数；然后检测这一互相关函数的最高峰及其坐标值(p,q)，该坐标值就是两帧图像背景部分的偏移量；最后对两帧图像进行二次差分操作，得到运动目标位置。下面是该算法的流程图：

图7 软件算法流程图

      四、结论
     本文根据成本、运算量等要求，合理选择了TMS320DM643作为主处理芯片，以相位相关配准算法为核心算法，实现实时运动图像识别系统。本系统设计结构合理、全面，通过串口能够控制云台的转动，从而实时的追踪目标，提高监控的效果。显示部分能够实时的观察到图像，网口的设计也能够通过网络进行通信。本文描述了一个完整的视频处理系统，该系统具有很强的实用性和扩展性，可以作为核心模块应用到各种高性能的视频系统中。