基于TMS320DM6446的嵌入式视频处理模块硬件设计_杭翔

　　　　　　　　　　　　　　　　　S2009年9月　　　　　　　　　　　　　　　InformatizationResearchep.2009

基于TMS320DM6446的嵌入式视频处理模块硬件设计

杭　翔,金立左,李久贤

(东南大学自动化学院,江苏省南京市210096)

摘　要:采用TI公司的DaVinci系列芯片TMS320DM6446为主芯片设计了一套视频处理模块,该模块通过高速视频解码电路对模拟视频信号进行数字化处理,由DSP(数字信号处理器)芯片对数据进行处理,从而实现实时处理和输出。详细介绍了视频处理模块的硬件设计方案,主要涉及到视频解

码芯片TVP5150、FPGA(现场可编程门阵列)及DSP等,还包括视频协处理电路和网络通信及接口电路。所提出的系统设计方案满足嵌入式视频处理要求,可作为最小的独立视频处理系统运行。

关键词:数字信号处理器;嵌入式;视频处理;TMS320DM6446;硬件设计

中图分类号:TN911.73

0　引　言

嵌入式视频处理系统是当前图像研究的热点。嵌入式视频监控系统被广泛地应用于银行、宾馆、商场、

机场等领域的安全监控报警等。相对于传统的模拟视频监控系统而言,嵌入式数字视频系统在图像质量方面有了很大的提高。新一代DSP(数字信号处理器)产品的出现为大批量图像数据的处理奠定了坚实的基础。TMS320DM6446(以下简称DM6446)是TI公司推出的高集成度的数字视频处理器,可以实现完整D1格式的H.264视频编解码功能。在操作系统和DM6446相关库函数的支持下进行嵌入式视频处理系统研究的条件已经成熟。

本文在参考达芬奇开发板的基础上有效地利用32位高端微处理器(ARM+DSP)的处理能力,提出了嵌入式视频处理系统完整的设计方案,完成了一个基于DM6446视频处理模块的硬件设计。

制器、USB2.0接口和VLYNQ接口等。ARM和DSP软件代码兼容并且全部采用固定的小端模式。

2　视频处理模块总体设计

该视频处理模块可以看做一个视频处理的最小系统,总体结构主要由以下3部分组成

[1]

:

a)视频前端设计。模块在工作时,前端摄像头采

集的监控数据通过同轴电缆传输至系统的视频解码芯片。视频解码芯片将解码后的视频数据输入至DM6446的视频端口。

b)网络传输设计。DM6446内部集成EMAC(以太网媒体访问控制器),外接以太网物理层传输器后可以为用户提供以太网接口,用于网络数据传输。c)视频后端设计。DM644内部集成了视频编码器及DAC(数模转换器),在DSP内部完成对视频数据的相关运算处理后,系统使用复合视频接口或者S-video接口作为显示输出,同时用户的操作界面也通过该接口输出,实现了对视频信息的监控功能。

根据系统设计的实际要求,我们对它的外设做一些精简,在满足设计需求的同时节约一定的成本。具体的视频处理模块硬件构成如图1所示。

1　TMS320DM6446概述

TI公司针对高端视频多媒体系统的需求设计推出了DMSoC(数字媒体片上系统)系列双核处理器,其中的DM6446采用了TI公司的DaVinci技术,该芯片为361脚BGA封装。该芯片包括一个ARM子系统、一个DSP子系统和一个VPSS(视频处理子系统),同时还带有一个VICP(图像协处理器)和各种丰富的外设。

ARM采用ARM926EJ-S内核,主频高达297MHz;DSP采用C64+内核,主频高达594MHz;VPSS包括一个视频前段和视频后端,支持图像的缩放、自动对焦/曝光/白平衡、CFA插值、OSD数据混合等一系列图像处理功能;外设包括DDR2控制器、ATA硬盘控

收稿日期:2009-04-23;修回日期:2009-05-31。

图1　视频处理模块结构

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　　主要包括:DM6446为主处理器;2路PAL/NTSC

的标准模拟视频输入(CVBS);1路PAL/NTSC标准模拟视频输出(CVBS),支持VGA输出;扩展256MBDDR2SDRAM;扩展64MBNANDFlash存储器;2路UART接口,分别支持RS-232和RS-485标准;10M/100M标准以太网接口;USB2.0接口;JTAG接口;电源接口。

整个视频处理系统主要有以下几个模块构成:电源管理模块、存储模块、CPLD模块、视频输入模块、视频输出模块、通信及接口模块。

整个系统的工作流程大致为:在系统完成上电或者复位后,从Flash存储器加载程序,完成对芯片的初始化和对外围硬件的初始配置,然后通过视频前端图像采集设备(CCD/CMOS)采集实时图像,采集的模拟视频信号经过视频解码芯片(TVP5150)转换为数字视频信号传入DM6446的视频通道(VFPE),经过VPSS的处理实现对信号的编码压缩,或者存入DDR2SDRAM,或者通过外部显示设备输出。

确保在系统的加电过程中,内核电压、I/O口电压以及

外设电压达到要求的电平之前,处理器始终处于复位状态,复位信号的输出顺序为内核复位信号※+3.3V电压复位信号※+1.8V电压复位信号。电源监测电路原理图如图3所示。

3　具体硬件设计

3.1　电源模块

DM6446有独特的电源配置,有3种电源管理模式:正常模式、低功耗模式和备用电源模式。备用电源

模式是3种模式中功耗最低的,DSP核和视频协处理器系统都不运行,除了通用I/O、UART和PWM运行外,其他的外设都不运行。而在低功耗模式下,仅仅运行一些ARM的基本功能,DSP和视频协处理器系统都不运行,除了通用I/O、UART、PWM、SPI和定时器运行外,其他的外设都不运行。在正常模式下,除了所有的模块和外设都可以运行外,两个时钟也正常运行。

电源分为+5V、+3.3V、+1.8V以及+1.2V,系统的主电源为+5V,其余电压均由+5V电源供给。其中+1.2V是供给DM6446内核电压,+1.8V是为DM6446的I/O以及DDR2内存供电,+3.3V是给大部分的外设供电。选择TI公司生产的专供FPGA和DSP芯片供电的TPS75003给DM6446提供+1.2V的内核电压和+3.3V的外设供电电压,选择TPS62040提供+1.8V电压输出。

TPS75003工作温度-40℃～+85℃,采用QFN封装,供电稳定且能耗低。电源模块原理见图2。为了保证DM6446在电源未达到要求的电平时,不会产生不受控制的状态,同时确保电路的所有器件的上电同步复位,需要在设计中采用电源监测电路。本设计采用TI公司生产的TPS3808电源监测芯片,它的固定复位信号时间最长达1s,能满足系统中所有芯片的复位要求,同时还具有手动复位端。该电路能够

[3]

图2　系统电源供给电路

图3　电源监测电路

3.2　存储模块

在DM6446中有与几种形式的外部存储器接口:异步EMIFA(NORFlash、SRAM)、NARDFlash等。DDR2存储控制器用于DDR2SDRAM连接。a)DDR2存储器:是整个系统的缓存中心,系统运行代码、图像数据搬移等都要使用DDR2。本系统采用2片16位的MT47H64M16BT并联,存储空间达到256MB,DDR2总线利用内部PLL(锁相环)主频高达166MHz双边情况下可达325MHz,通过其刷新Da-Vinci芯片自动实现,选型的主要原则是该芯片与不同

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·研究与设计·信息化研究2009年9月

厂商生产地、不同容量的DDR2芯片都能实现引脚与引脚间的完全兼容。

b)NANDFlash:主要优点是可集成度高、价格便宜等,本系统在片选CS2映射中有64MB的NANDFlash,主要用于系统的引导,其中存储嵌入式Linux操

[5]

作系统内核和内核引导程序U-Bootbootloader。3.3　CPLD模块

CPLD(复杂可编程逻辑器件)模块主要用于系统中组合逻辑的设计。如果对逻辑设计采用专用芯片设计,成本将大大提高,且占用的面积也将变大。选用CPLD设计增加了设计的灵活性,降低了今后PCB(印制电路板)设计的面积,同时也增强了系统的保密性。

系统采用了Altera公司的EMP240GT100芯片,主要功能包括内核电平与I/O电平转换,时钟分频以及其他逻辑功能的实现。3.4　视频输入模块

本系统在视频输入端选用了专业视频解码芯片TVP5150,这是一款高性能视频解码器,可将NTSC、PAL视频信号转换为数字色差信号(YUV422),同时支持两个复合视频或者一个S端子输入。

从模拟视频输入口输入的模拟信号在TVP5150内部经过钳位,抗混叠滤波、A/D转换、YUV分离电路之后,最后再转换成BT.656视频数据流,输入到压缩核心单元DM6446中。

本系统使用了2片TVP5150,每片使用了1路复合信号,原理图如图4所示。

信号。具体的原理图如图5所示。

图5　视频输出模块

视频模块硬件设计中的滤波非常重要,在本系统

中,使用了电感和电容组成的滤波网络,能够很好地降低噪声的感染。为了避免数字电源和模拟电源之间的相互干扰,系统采用了磁珠隔离数字电源和模拟电源。3.6　通信及接口模块

系统中保留了必要的外设通信接口模块有UART(通用异步串口),一个配置成RS-232,用于系统启动时控制台使用,另一个配置成RS-485,用于工业应用如云台控制等。设计中采用MAX3221单通道RS-232协议收发器,使得异步串口电平符合RS-232电平标准。系统扩展的RS-485接口通过SN65HVD485ED半双工RS-485收发器连接。

网络接口是TMS6446的另一重要组成部分,随着嵌入式系统的发展,对于网络功能的需求也越来越大。DM6446集成了EMAC和物理层设备的MDIO(管理数据输入输出)模块。本次设计中采用BCM5221作为10/100Base-TX以太网收发器,BCM5221的MII接口与DM6446的MII接口对接。该接口内部集成了隔离变压器,所以不再单独使用隔离变压器芯片。

USB是一种快速双向同步传输的串行接口,具有传输速度快、价格便宜、使用方便和支持热插拔等诸多优点。DM6446片上集成了USB控制器,同时支持主机和外设模式,它可以通过ARM端控制存储映射寄存器进行操作。3.7　ARM与DSP的通信及资源共享

由于DM6446是双核架构,因此存在两个核之间的通信问题。DM6446系统中,ARM主要负责系统整体控制功能,而DSP主要专注于大批量的数据传输和视频数据处理等工作。ARM和DSP都可以访问ED-MA,ARM可以访问DSP的内存空间,包括L1P、L1D

图4　视频输入电路

3.5　视频输出模块

DM6446的VPBE内置视频编码器,视频信号经

过FPGA(现场可编程门阵列)芯片,连到VPBE,接收来自DSP的BT.656视频流信号,显示于监视器上。系统视频输出部分采用了DM6446片内的4路10位DAC输出,用其中的3路DAC实现了VGA输出,另外一路DAC实现了CVBS输出。当系统配置为VGA输出接口时,还使用了HSYNC和VSYNC场同步·14·第35卷第9期杭　翔,等:基于TMS320DM6446的嵌入式视频处理模块硬件设计·研究与设计·

和L2,DSP可以访问ARM内存,ARM和DSP都可以

访问DDR2和异步外部存储器接口AEMIF,ARM和DSP可互相触发中断。它们之间资源的共享见图6。

了一个视频处理系统的主体功能需求。本设计具有一

般数字视频处理系统的优势,同时由于采用了嵌入式硬件体系的设计,集成度变得更高。

参　考　文　献

[1]秦云川.基于DM6446的视频监控开发平台的设计与实现

[D].长沙:湖南大学,2008.

[2]骆张强.基于Davinci的技术的智能家庭监控系统的设计

与实现[D].成都:电子科技大学,2005.

[3]赵燕丽,刘志猛.基于DM642的视频监控系统硬件设计

[J].单片机与嵌入式系统应用,2007(5):39-41.

[4]SEED-DaVinciEVMUser′sGuide[EB/OL].http://www.

seeddsp.com.Rev.A2006.12.

[5]王钊,冀小平.基于DM6446视频处理的硬件分析[J].科

技情报开发与经济,2007(30):241.

　　杭　翔(1982-),男,硕士研究生,主要研究方向为模式识别与智能系统。

图6　ARM-DSP资源共享示意图

4　结束语

本文使用了先进的Davinci技术,有效地利用了

DM6446设计了一个最小的嵌入式视频处理系统,硬件结构清晰,在确保系统有可升级空间的前提下满足

HardwareDesignofanEmbeddedVideoProcessingModule

BasedonTMS320DM6446

HANGXiang,JINLizuo,LIJiuxian

(SchoolofAutomation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

Abstract:AvideoprocessingmoduleusingTI′sDaVincichipTMS320DM6446asthemainchipisde-scribedinthispaper.Inthissystemanalogvideosignalisdigitizedbyahigh-speedvideodecodingcircuitandcomputedbytheDSPchiptoachievereal-timeprocessingandoutput.ThehardwareismadeupofaspecialvideodecoderTVP5150,FPGAandDSP,andthecircuitsincludevideoprocessing,networkcommunicationandotherinterfacecircuits.Itachievesthebasicrequirementsofembeddedvideoprocessingandcanbeused

asaminimumindependentvideoprocessingsystem.

Keywords:DSP;embedded;videoprocessing;TMS320DM6446;hardwaredesign

(上接第3页)

TenGreatestDevelopmentTrendsofForeignElectronicInformation

TechniqueandItsProduct

WANGSuozhu,YANGHe

(1.92493UnitofPLA,Huludao125000,China;2.92941UnitofPLA,Huludao125001,China)Abstract:Sincethebeginningof21century,thedevelopmentofelectronicinformationtechniqueanditsproductshasbeenhavinghighdevelopmentspeed,butthedevelopmentspeedofeachmaintechniqueisnot

thesame,sometechniquedevelopmentisevenslow,butthedevelopmentofsometechniquesareacceleratingwitheachpassingday.Inthispaperaccordingtothelastfewyearstechnicaldevelopmentstatusoftheelec-tronicproductinformation,tengreatestfuturedevelopmentstrendsoftheforeignelectronicinformationtech-niqueandproductsaresummarized.

Keywords:integratedcircuit;software;computerandnetwork;photoelectron;informationmaterial;in-formationsafety

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