l 引言
    當(dāng)前，在數(shù)字圖像處理中，由于數(shù)據(jù)量大、算法難度高，因此實(shí)時(shí)性成為技術(shù)難點(diǎn)之一。如果采用專用電路實(shí)現(xiàn)，雖然實(shí)時(shí)性得到保證，但系統(tǒng)的靈活度大大降低。因此，尋求一種高速通用數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。
    II公司推出的TMS320DM642(以下簡(jiǎn)稱DM642)型數(shù)字信號(hào)處理器可實(shí)時(shí)處理4路模擬視頻和音頻輸入、l路模擬/數(shù)字視頻和1路模擬音頻信號(hào)輸出，適應(yīng)PAL/NTSC標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合視頻CVBS或分量視頻Y/C格式的模擬信號(hào)輸入，可適應(yīng)PAL/NTSC標(biāo)準(zhǔn)S端子或數(shù)字RGB模擬/數(shù)字信號(hào)輸出，可適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)麥克風(fēng)或立體聲音頻模擬輸入及標(biāo)準(zhǔn)立體聲音頻模擬輸出，具有對(duì)多路采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析的功能，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和圖像疊加顯示。

2 DM642簡(jiǎn)介
    DM642型數(shù)字信號(hào)處理器可采用500 MHz或600 MHz的工作頻率，每秒最多可完成4.8 G次操作，具備在線編程功能，帶有的豐富外圍接口可以與多種存儲(chǔ)器相連，可以直接與網(wǎng)絡(luò)連接，是高速圖像處理的優(yōu)選器件。
    DM642的CPU采用第二代VelociTI.2內(nèi)核結(jié)構(gòu)，含有雙數(shù)據(jù)通路、8個(gè)運(yùn)算單元，每周期可執(zhí)行8條32-bit指令，支持4個(gè)16-bit和8個(gè)8-bit連乘加MAC指令，有64個(gè)寄存器，取數(shù)/存數(shù)的數(shù)據(jù)通道為64-bit。
    DM642采用帶2級(jí)存儲(chǔ)器的完全存儲(chǔ)器分層體系結(jié)構(gòu)，2級(jí)存儲(chǔ)器中的Cache控制器可以自動(dòng)完成分層存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)的管理和調(diào)度，外部存儲(chǔ)器訪問(wèn)和片上外設(shè)的訪問(wèn)通過(guò)EDMA完成。
    DM642有3個(gè)視頻輸入輸出口和多路音頻信號(hào)的輸入輸出串口。外部存儲(chǔ)器接口EMIF提供了64-bit寬度的外總線數(shù)據(jù)接口，支持與各種器件的無(wú)膠合接口。DM642還具有主機(jī)并行接口、外圍設(shè)備互聯(lián)口、多通道緩存串口和通用I/O端口。

3 系統(tǒng)功能與硬件電路設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖像采集和預(yù)處理單元主要完成圖像信號(hào)的輸入，具有多路信號(hào)復(fù)用功能，對(duì)輸入的模擬視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化及格式的轉(zhuǎn)變。FPGA控制系統(tǒng)的邏輯和圖像數(shù)據(jù)的流向，并且可對(duì)DM642輸出的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，進(jìn)而輸出到圖像編碼單元。圖像處理單元采用DM642進(jìn)行高速數(shù)據(jù)處理和分析。圖像編碼單元對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，形成標(biāo)準(zhǔn)的模擬視頻信號(hào)，可以直接輸出到顯示設(shè)備上。

    對(duì)于4路視頻和4路音頻信號(hào)，CPU在1個(gè)時(shí)刻只能處理1路數(shù)據(jù)，DM642片外位于EMIF的CEO地址空間擴(kuò)展了2個(gè)4 Mx32 bit的SDRAM，可分別存放圖像采集數(shù)據(jù)和圖像處理數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)速度。
3.2 視頻口接口設(shè)計(jì)
    DM642有3個(gè)視頻口，每個(gè)都可以配置為上下2個(gè)通道，但2個(gè)通道必須同時(shí)為視頻輸入口或輸出口。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，DM642帶了4路模擬視頻輸入(cif格式，分辨率為352×288)和1路模擬視頻輸出。
    VPO A通道配置為8-bit BT.656視頻輸入或輸出口，接第一通道視頻輸入或視頻輸出。VPl A通道配置為8-bit BT.656視頻輸入口，接第二通道視頻輸入。VP2 A和B通道配置為2個(gè)8-bit BT.656視頻輸入口，接第三和第四通道視頻輸入。VP0和VPI的B通道配置為MCASP，接4個(gè)音頻Codec。
    TVP5150型視頻編碼器支持PAL/NTSC、CVBS或Y/C模擬視頻輸入，8-bit BT.656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流輸出。SAA7105型視頻解碼器支持8-bit BT.656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流輸入，PAL/NTSC CVBS或Y/C模擬視頻輸出。通過(guò)DM642的I2C總線對(duì)視頻編/解碼器的內(nèi)部寄存器進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)不同的輸入輸出。DM642和TVP5150的對(duì)應(yīng)引腳功能見(jiàn)表1。

    視頻編解碼器的參數(shù)通過(guò)I2C總線配置，由于TVP5150的I2C從地址只有2種選擇，因此需要用CBT3257型2選l轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)切換。
    作為視頻輸入口時(shí)，視頻數(shù)據(jù)的行/場(chǎng)同步又包含BT.656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流中的EAV和SAV時(shí)基信號(hào)控制，視頻口只需視頻采樣時(shí)鐘和采樣使能信號(hào)(控制采樣起始)，TVP5150用系統(tǒng)時(shí)鐘SCLK提供采樣時(shí)鐘，用可編程引腳GPCL提供采樣使能。作為視頻輸出口時(shí)，視頻口要為SAA7105提供時(shí)鐘和行/場(chǎng)同步信號(hào)。
    在視頻輸出電路中，J1、J2、J3可配置成RGB輸出信號(hào)，J2、J3可連接S端子，J1、J2、J3、J4、J5可直接輸出到電腦的顯示器上。具體接口電路如圖2和圖3所示。DM642與SAA7105的對(duì)應(yīng)引腳功能見(jiàn)表2所列。

3.3 多通道音頻串口的接口設(shè)計(jì)
    筆者采用了4路模擬音頻輸入和1路模擬音頻輸出，采用TLV320AIC23B型音頻編/解碼器，它支持麥克風(fēng)/立體聲模擬輸入/輸出和數(shù)字音頻數(shù)據(jù)流輸出/輸入。
    PLLl708型可編程視頻/音頻同步數(shù)字鎖相環(huán)給McASP和TLV320AIC23B提供時(shí)鐘信號(hào)，SCK02端口接McASP的AHCLKX，SCK03端口接TLV320AIC23B的主時(shí)鐘MCLK。PLLl708的時(shí)鐘輸入為27 MHz。DM642與TLV320AIC23B的對(duì)應(yīng)引腳功能見(jiàn)表3。

    AIC23B數(shù)據(jù)口配置為從，McASP的8個(gè)收/發(fā)引腳配置為4收/4發(fā)，分別接4個(gè)編解碼器的Dout/Din。McASP的接收幀同步配置為輸出，同時(shí)給4個(gè)編解碼器的LRCout。McASP的發(fā)送幀同步配置為輸出，同時(shí)給4個(gè)編解碼器的LRCin。McASP的發(fā)送位時(shí)鐘ACLKX配置為輸出(由AHCLKX分頻)，同時(shí)給4個(gè)編解碼器的BCLK。AIC23B的控制口配置為I2C，由CBT3257型2選1開(kāi)關(guān)來(lái)切換。具體電路如圖4所示。

    另外，給DM642供電時(shí)應(yīng)注意CPU的上電次序：CHU內(nèi)核應(yīng)先于I/O上電，后于I/O掉電，CPU內(nèi)核與I/0應(yīng)盡可能同時(shí)供電，二者的時(shí)差不能太大(<1 s)，否則會(huì)影響器件的壽命或損壞器件。用可編程時(shí)鐘電路可很好地解決整個(gè)電路的時(shí)鐘問(wèn)題。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)初始化設(shè)置、圖像處理算法和屏幕疊加程序，具體軟件流程如圖5所示。

4.1 系統(tǒng)初始化設(shè)置程序
    對(duì)整個(gè)硬件系統(tǒng)進(jìn)行初始化，其中包括DM642的上電初始化、DM642的寄存器和系統(tǒng)配置引腳的設(shè)置、利用I2C總線對(duì)TVP5150和SAA7105進(jìn)行寄存器設(shè)置。
    DM642的引導(dǎo)模式為從EMIFA引導(dǎo)，把引腳AEA[22：21]設(shè)置為ll，其他配置引腳的初始化設(shè)置為默認(rèn)值。外圍配置寄存器(PERCFG)用于對(duì)控制視頻口、多通道緩沖串口、多通道音頻串口進(jìn)行配置，初始化為0x0000 0079h。設(shè)備狀態(tài)寄存器(DEVS-TAT)用于控制電路各個(gè)外圍設(shè)備的狀態(tài)：EMAC、HPI、PCI、CPU時(shí)鐘頻率選擇模式、電路引導(dǎo)模式、EMIFA輸入時(shí)鐘的選擇，初始化為0x0000 005Ch。
4.2 圖像處理程序
    對(duì)采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，對(duì)視頻流進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，可以是復(fù)合視頻或分量視頻，也可以壓縮存儲(chǔ)以便于此后的瀏覽。
4.3 屏幕疊加程序
    把FPGA內(nèi)部FIFO中的數(shù)據(jù)和視頻口輸出的數(shù)據(jù)混和完成屏幕顯示的功能。屏幕疊加有幾種方式，背景為透明的、半透明的、不透明的，疊加的位置也可任意設(shè)置，只需修改疊加圖像的起始點(diǎn)坐標(biāo)，把相應(yīng)的圖像信息加到對(duì)應(yīng)的視頻圖像隊(duì)列中。
4.4 視/音頻信號(hào)采集存儲(chǔ)與圖像數(shù)據(jù)讀取程序
    對(duì)于4路視頻信號(hào)和4路音頻信號(hào)，CPU在1個(gè)時(shí)刻只能處理1路數(shù)據(jù)，因此在DM642片外擴(kuò)展了2個(gè)4Mx32bit的SDRAM，在系統(tǒng)工作的任一時(shí)刻，一個(gè)用于圖像的采集，采集部分向該存儲(chǔ)區(qū)寫(xiě)圖像數(shù)據(jù)，另一個(gè)用于外部對(duì)圖像數(shù)據(jù)的讀取，DSP可以讀取該存儲(chǔ)區(qū)中的圖像數(shù)據(jù)。雙SDRAM結(jié)構(gòu)的重要特點(diǎn)是DSP對(duì)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)操作是來(lái)回切換的。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫(xiě)滿SDRAM-l時(shí)，F(xiàn)PGA會(huì)向DSP發(fā)出中斷信號(hào)，此時(shí)，在DSP讀取SDRAM-l中數(shù)據(jù)的同時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫(xiě)入SDRAM-2，當(dāng)SDRAM-2中的數(shù)據(jù)寫(xiě)滿時(shí)，F(xiàn)PGA向DSP發(fā)出中斷信號(hào)，此時(shí)DSP讀取SDRAM-2中的數(shù)據(jù)，同時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寫(xiě)入SDRAM-l，如此交替，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入與讀取同時(shí)進(jìn)行。由于DSP讀取SDRAM中數(shù)據(jù)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A/D轉(zhuǎn)換寫(xiě)入數(shù)據(jù)的速度，因而允許采集與外部訪問(wèn)同時(shí)進(jìn)行，采用2個(gè)存儲(chǔ)區(qū)操作的乒乓式切換滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換的要求。
    由于DSP對(duì)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)操作是來(lái)回切換的，因此需要采用中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)取數(shù)。具體實(shí)現(xiàn)是在DSP內(nèi)部設(shè)置中斷，這里選用INT6作為中斷觸發(fā)引腳。當(dāng)外部中斷信號(hào)到來(lái)時(shí)，則相應(yīng)中斷服務(wù)程序執(zhí)行中斷響應(yīng)。

5 結(jié)束語(yǔ)
    本系統(tǒng)能夠同時(shí)處理4路CIF格式的數(shù)字視頻，并且可以動(dòng)態(tài)切換，總采樣速率可達(dá)100幀/秒，每路速率為25幀/秒，可以完全保證圖像實(shí)時(shí)采集。
    對(duì)圖像的疊加有多種方法，疊加的位置也可通過(guò)修改疊加圖像的起始點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)進(jìn)行任意設(shè)置。DM642還具有網(wǎng)絡(luò)接口，可以對(duì)輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮并由網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸。
    基于DM642的圖像采集處理系統(tǒng)能廣泛應(yīng)用于機(jī)頂盒、IP可視電話、網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議等領(lǐng)域。