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基于DM365的视频编码器的硬件设计

jackyhwei 发布于 2011-12-07 10:21 点击:次 
在视频监控应用中,传统视频监控由于图像清晰度不高(CIF~D1分辨率)、管理和维护诸多线缆难度大、配置众多设备结构复杂、扩展不便,这些因素严重制约了安保管理效能的提升,同时也为高清视频监控的发展带来了契机,本文论述了基于DM365的高清视频编码器的硬件设计。
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为了解决标准清晰度监控系统中存在的一些问题,设计了一个基于TMS320DM365的高清视频压缩系统。采用ITU-T的H.264(DM365内嵌硬件压缩器)视频压缩算法,高清模拟视频信号通过专用视频解码芯片TVP7002转换成数字视频信号,在DM365中进行数据压缩,内嵌ARM把数据打包后传到internet,通过PC机软件解码,进行视频播放。实践证明,本编码方案很好的完成了数据压缩及传输,符合设计要求。

在视频监控应用中,传统视频监控由于图像清晰度不高(CIF~D1分辨率)、管理和维护诸多线缆难度大、配置众多设备结构复杂、扩展不便,这些因素严重制约了安保管理效能的提升,同时也为高清视频监控的发展带来了契机,本文论述了基于DM365的高清视频编码器的硬件设计。

1 硬件平台整体设计

TMS320DM365延续了DavinciTM家族DM355处理器的架构,集成了一颗ARM926EJ-S内核,一个图像处理子系统(VPSS),一个H.264高清编码器协处理器HDVICP和一个MPEG-4/JPEG 高清编码器协处理器MJCP,支持多格式H.264、MPEG-4、MPEG-2、MJPEG以及VC1等编解码器,可实现高度的视频灵活性。DM365 可以同时输出720P,D1,CIF三个码流,或者更多的组合方式,并且编码速率可调,并且支持硬件OSD。该处理器有丰富的外围接口,用户可以方便的外 接子系统,本文采用TMS320DM365作为主CPU,对输入视频数据进行采集并进行相应的压缩网络传输处理,设计了基于DM365架构的数字视频编码器。系统除了DM365以外,还有高清视频A/D转换器、音频CODEC、存储、以太网、串口等模块。系统运行于Linux操作系统,具有实时性好、通讯速率快、图象质量高、性能稳定、价格便宜、防病毒等特点。

系统整体框图如图1所示,系统选用DM365为主CPU,DM365外接音频模块、视频输入模块、存储模块、串口及网络传输模块。本平台由两部分构成:视频输入及图像处理部分和视频输出部分。

基于DM365的视频编码器的硬件设计

视频输入及图像处理部分:高清晰度模拟视频信号输入TVP7002,经过A/D编码以后变成高清数字视频信号,此数字信号输出给DM365。本模块 DM365主要对输入视频数据进行H.264压缩,并可实现噪声过滤、视频稳定、面部检测、自动白平衡、自动对焦、自动曝光以及边缘增强等功能,此外,还 对系统上所有I2C设备初始化,实现音频语音对讲等功能。

视频输出部分:DM365内嵌ARM微处理器,该处理器核心功能是对数据流进行转发,外接存储器模块、以太网模块、串口模块等。ARM先完成压缩数据的RTP、UDP、IP封 装,然后经过MAC成帧,最后通过以太网控制器PHY完成数据包的发送。此外ARM还负责解析接收数据,对PC机发来的相关参数命令进行转发,进行相应的 运算设置(视频压缩码率、帧率等),通过串口实现对外设的控制(云台控制器、镜头等),通过GPIO对报警输入输出的处理等等。

2 模块设计

2.1 视频音频输入模块

在DM365上有VPFE接口,能支持多种格式的视频输入格式。系统实现1路高清视频输入,高清A/D转换芯片采用TVP7002。TVP7002 能实现R/Pr、C/Y、B/Pb信号的数字转换,转换率高达165MHz,在很多高清数字视频环境中被使用,分辨率高达1080P。DM365通过 IIC总线对其配置,对TVP7002内部寄存器进行适当配置,可以处理720P分辨率的视频源,A/D以后的视频数据从TVP7002数字视频口输出到 DM365的VPFE。系统同时提供高清数字视频输入接口,HDVICP协处理器可以在1280X720P30的格式下提供H.264标准的视频编码或解 码,而MJCP协处理器除了支持JPEG标准,还可以在1920x1080P24的格式下提供MPEG-4的视频编码或解码。

系统实现1路LINEIN和立体声输出通过AIC23实现,DM365通过IIC总线对其配置,AIC23连接在DM365的MCBSP口。DM365的MCBSP被用作双向数据通道,所有的音频数据流都通过此通道传输,并支持不同的数据格式。

2.2 以太网模块

系统含有I路10/100M网络接口,DM365内带MAC控制器,在EMAC接口外接一片以太网PHY芯片,PHY采用 RTL8201,RTL8201与DM365的MII接口相连。DM365通过MDIO接口实现对RTL8201寄存器的配置及控制,其他握手信号依次连 接,通过上拉下拉电阻对RTL8201进行适当的配置(设置PHY地址等),RTL8201在上电初导入这些配置信息,并进行相应的工作。在 RTL8201的时钟接口外接一个25MHz晶体,作为RTL8201的时钟源。RTL8201外接网络变压器,进行信号隔离,通过RJ45连接到网络。

2.3 存储、USB、串口、RTC、报警模块

系统提供1路USB接口,支持OTG模式和HOST模式,支持USB2.0 High Speed(480Mb/s)、Full Speed(12Mb/s),可设置的FIFO。DM36 5片载USB Controler和USB PHY,通过相关配置完成其初始化,在USB上可以外接USB-SATA硬盘等外设。

系统外接DDR2 SDRAM和NAND Flash作为片外存储器,通过设置BTSEL[2:0]为000来选择启动方式为NANDFlash BOOT模式。DM365的AEMIF接口可以支持NANDFlash和NOR Flash,因为NAND Flash存储容量大,价格便宜,本设计选用NAND Flash。

DM365提供了专门的DDR2控制接口,16位数据线,14位地址线和3根块选择信号,可以支持256 MByte的存储空间,系统选用DDR2 SDRAM芯片K4T1G164QQ。

DM365有2个UART接口,系统外接两路串口,一路RS232,用做调试,一路RS485外设进行通讯(云台镜头等)。并通过GPIO提供2路 开关量报警输入和2路开关量报警输出,报警输入通过光藕来实现,当报警信号输入时,光藕导通,输出低电平至DM365 GPIO,当没有报警信号输入时,光藕截止,输出高电平至DM365 GPIO,DM365通过检测GPIO电平来判断报警输入信号的有无,报警输出通过控制继电器的开合来实现。系统还通过IIC扩展了一路RTC。

系统通过外部晶体为DM365提供24MHz时钟输入,DM365内部PLL来产生模块时钟。

2.4 电源部分

系统提供5V电源输入接口,通过电源转换芯片提供+1.35V、+1.8V和+3.3V的电源。其中1.35V和1.8V采用 TPS62040DGQ产生。TPS62040DGQ是TI公司推出的一款高效率低纹波的DC-DC芯片,其输出电压通过电阻进行调节。3.3V电压采用 TPS5430实现,其最高输入电压可以达到36V,最大提供3A的电流。

对系统的上电顺序是:先给内核上电(1.35V),然后对PLL等模块上电(1.8V)。即先通过TPS5430得到3.3V的电源,然后通过 TPS62040DGQ产生1.35V,通过1.35V连接到另一片TPS62040DGQ的EN上1.8V,产生1.8V以后,通过开关管导通先前产生 的3.3V,3.3V最后加载到DM365上。产生下电顺序与上电顺序相反。

3 结束语

为测试设计是否达到预定要求,对系统性能进行了较为完备的测试,选用了多种高清视频输入源在不同的环境中进行测试,有测试运动快慢及剧烈程度的画面,有测试黑自图像效果的全黑与全白,还有测试亮度等级的阶梯图案等。

实验结果表明,系统能实时的进行编码,解码图像画面清晰流畅,没有马赛克以及动画现象,没有曝光过度、人像曝光不足、偏色、曝光和白平衡不准确等问题,色彩鲜艳,亮度分明。克服了标准清晰度监控系统中存在的不足。

此设计方案经济使用,符合设计初衷,在可视电话、高清监控系统、车载监控领域有广泛的市场前景。

(王雄勇 华中科技大学)
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本文出处:《电子设计工程》2011年08期  作者:王雄勇 华中科技大学 原文
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