TMS320C54xDSP的视频图像采集接口设计与实现

　　视频图像采集的方法一般可以分为：自动图像采集和基于处理的图像采集。前者采用专用图像采集芯片，自动完成图像的采集、帧存储器地址生成以及图像数据的刷新；除了要对采集模式进行设定外，主处理器不参与采集过程。后者采用通用视频A/D转换器实现图像的采集，不能完成图像的自动采集，整个采集过程在CPU的控制下完成，由CPU启动A/D转换，将数据存入帧存储器。其特点是数据采集占用CPU的时间，对处理器的速度要求高，但电路简单、成本低、易于实现，能够满足某些图像采集系统的需要。下面以TI公司的TMS320VC5402（以下简称C5402）DSP为例，介绍基于数据信号处理器（DSP）的视频图像采集电路和采集方法。

　　C5402是TI公司C54x系列定点DSP芯片中的新产品它集中了此系列早期产品的优点，并提供了许多新的功能，开发和使用更加方便。C5402具有灵活的指令系统和操作性能，它可选择助记符指令或算术指令作为编程指令，同时支持汇编语言和C语言的单独或混合编程。C5402采用改进的Harvanl处理结构，指令流水线操作。计算和处理速度很高，系统单指令周期可达到10ns。在片内提供16k的RAM用作程序和数据存储，其最大可扩展寻址空间为1M字节。C5402提供的McBSP串口和DAM数据传送方式极大地方便它在通信领域的应用和开发。C5402由于其高性能价格而成为当前语言和静态图象处理和主流产品。

　　1 电路原理

　　采集电路如图1所示，由视频缓冲器、视频A/D转换器和视频同步分离电路等组成。

　　1.1 视频缓冲器

　　来自摄像机的标准黑白全电视信号的幅度峰-峰值为1V，要送往A/D转换器和行、场同步分离电路，而A/D转换器的满量程为2V，因此，视频缓冲器要对全电视信号进行阻抗匹配和电压放大，并能对全电视信号进行黑电平调整。图1中，U8构成视频缓冲器，增益为+2；调整电阻W1可以调整输出信号的直流电平；R16是输入匹配电阻，阻值大小由信号源决定，本电路中为75Ω。

　　1.2 A/D转换器

　　TLC5510是美国TI公司生产的新型模数转换器件（ADC），它是一种采用CMOS工艺制造的８位高阻抗并行A/D芯片，能提供的最小采样率为20MSPS。由于TLC5510采用了半闪速结构及CMOS工艺，因而大大减少了器件中比较器的数量，而且在高速转换的同时能够保持较低的功耗。在推荐工作条件下，TLC5510的功耗仅为130mW。由于TLC5510不仅具有高速的A/D转换功能，而且还带有内部采样保持电路，从而大大简化了外围电路的设计；同时，由于其内部带有了标准分压电阻，因而可以从+5V的电源获得2V满刻度的基准电压。TLC5510可应用于数字TV、医学图像、视频会议、高速数据转换以及QAM解调器等方面。

　　TLC5510的参考电压可由其内部的3个电阻R1、Rref、R2设定，如图2所示。按图2连接，将参考低电压设定为0.6V，参考高电压设定为2.6V，电阻Rref上的2V压降即为满足程电压。当输入电压为0.6V时，A/D转换的输出数据为0；当输出电压为2.6V时，A/D转换的输出数据为255。

　　TLC5510有1个转换时钟输入端（CLK）和1个片选端（OE）。CLK的下降沿启动A/D转换，1次A/D转换需要2.5个CLK周期，即第1个CLK的下降沿启动A/D转换后，要等第3个CLK的上升沿出现时，第1个A/D转换数据才会准备好。当片选信号（OE）为低电平时，A/D转换数据输出到外部数据总线上，供DSP读取。

　　1.3 采集电路的DSP的连接

　　采集电路与C5402的连接如图3所示。其中，U19是16位宽度的高速总线收发器，并具有电平转换的功能，将5V的奇偶场信号、复位同步信号和A/D转换器输出的数字信号转换为C5402能接受的3.3V信号。

　　仔细分析了TLC5510的工作原理和C5402的读/写时序后，没有将TLC5510作为C5402的扩展I/O口，而是将TLC5510作C5402的一个扩展的外部存储单元。用该单元的读选通信号（ADR）与TLC5510的CLK和OE相连（如图3所示），这样C5402读TLC5510时，1条读数指令完成2个操作：启动A/D转换并读取A/D转换数据。不过当前的A/D转换结果要等到第4次读该端口时才能得到，A/D转换的时序如图4所示。

　　1.4 同步分离电路

　　同步分离电路采用LM1881。该器件能接收PAL制、NTSC制和SECAM制的全电视信号，输出复合同步信号、垂直同步信号、奇偶场信号和色同步旗形脉冲信号。C5402根据奇、偶场信号找到一场图像的开始，做好采集图像数据的准备。当复合同步信号到来时，C5402响应行中断（INT0），连续采集一行图像数据。

　　2 图像采集

　　压缩卡的图像采集是由C5402直接完成的。初始化结束后，C5402按缺省模式或主机命令的求确定图像的大小和采集速率等参数，然后根据奇、偶场信号和复合同步脉冲信号来采集图像数据。

　　2.1 采集流程

　　采集流程可分为以下几个步骤：

　　①等待场开始。

　　②当场开始信号到来时，C5402进入场处理子程序，开放行中断做好采集一场数据的准备。根据奇、偶场信号可以决定是采集奇场图像还是采集偶场图像。

　　③当复俣同步信号到来时，C5402进入中断服务子程序，并将图像数据存入扩展的数据存储器中。当一场或一帧图像各行数据都采集完毕后，关闭中断。

　　2.2 行、场处理

　　DSP接收到场开始信号后进入场处理子程序中。在场处理子程序中，先确定将要采集的图像的大小并设置采集、编码及发送过程中要使用的参数，然后打开行采集中断INT0，延时一定数目的行周期后退出场处理子程序，进入图像采集阶段。

　　行采集中断要完成图像采集和其它一些任务。在每行图像采集之间应根据图像大小延时一段时间，以保证采集到的图像位于画面的中心。采集图像时，每隔140ns读取一个A/D转换数据，存入帧缓冲器。由于读取A/D转换结果与写帧缓冲器只用了80ns，因此可以先将图像数据减去128，再存入帧存储器，这样就进行了JPEG编码时就不要执行减128操作了，节约了时间。

　　结语

　　本电路成本低、容易实现、占用DSP时间少、能满足黑白电视信号的采集，在合肥工业大学DSP联合实验室研制的便携式准动视频图像压缩系统[2]中得到应用，效果良好。以本电路为基础，使用TI公司的其它高速视频A/D转换器，例如TLC5540或TLC5580，便可构成更高分辨率的视频图像采集系统。