基于TMS320C6201 DSP的视频图像语音传输系统的硬件设计
随着科学技术的高速发展,视频图像和语音数字化处理在军事、科研、工农业生产、医疗卫生等领域的应用越来越广泛。早期的粮情监测主要是基于对粮仓温度、湿度的采集观测。随着粮情系统的进一步完善,人们提出了更高要求,希望对粮仓内部进行实时图像语音监控,进一步加强对虫害和火灾观测和预防。本文所采用的基于TMS320C6201的视频图像语音传输系统就是应用于粮情的监测,在满足以上要求的前提下设计完成的。
图像语音的压缩传输系统有二种基本的实现方法:一种是基于微机实现,图像语音处理系统通过PCI总线以插卡的形式集成在微机系统中,数据通过PCI总线或卡上所带的接口进行交换和传输;另一种是脱离了微机而独立运行,利用微处理芯片对图像语音进行数字化压缩传输。本文介绍的设计采用了后一种方法。
1 系统的组成和基本原理
一个完整的视频图像语音传输系统不但要具备对图像语音信号的采集功能,还要求完成对采集上来的图像语音信号的分析及处理算法(如图像压缩等),最后采用一定的媒质将处理好的信号传输到终端主机显示。视频图像语音信号的分析及处理算法的运算量很大,同时又要满足实时显示的要求,因此采用了高速DSP芯片作为数据核心的处理单元。系统的基本结构模型如图1所示。
2 硬件结构
2.1 模拟视频输入接口设计
(1)视频采样要求。模拟视频输入接口电路的作用是对输入的模拟视频信号进行预处理,并将其数字化。视频采样有2个重要指标:采样分辨率和采样频率。采样分辨率代表图像灰度量化的等级,位数越多,图像层次越丰富,同时图像数据量也越大;采样频率决定可数字化后图像的空间分辨率,为了不失真,它必须大于模拟视频信号的频谱中最高频率的2倍。另外,还要求模拟视频输入接口所引入的系统噪声最小。DSP模拟视频输入接口的原理框图如图2所示。
(2)模拟视频解码模块。视频解码模块的作用是将复合视频、YC分量等模拟视频信号进行A/D转换,提取其中的同步和时钟信号,所有转换电路均集中在一块芯片内。根据以上要求,选择Philips公司生产的可编程的数字视频A/D变换器SAA7111A,它有4路模拟输入和2路模拟信号处理通道,可以通过编程选择信号制式。输出信号可以是YUV411(12位)、YUV422(16位)、YUV422(CCIR-656)(8位)、RGB(5、6和5)(16位)或RGB(8、8和8)(24位)格式。系统通过I2C总线对SAA7111A编程,完成初始配置工作。来自摄像头的模拟信号,首先在模拟信号控制下,进行信号箝位、模拟放大、反混淆滤波、A/D转换,然后将得到的8位亮度信号和8位色度信号分别送往亮度处理电路和色度处理电路进行处理,产生16位的YUV信号。Y(7:0)为8位数字亮度信号,UV(7:0)为不同颜色(B-Y和R-Y)复用信号。信号输出格式由I2C总线控制(YUV信号输出格式由I2C总线控制电路决定),帧时序由HREF信号控制。在系统中将采用带有I2C接口的、与51系列兼容的单片机T89C51IC2对SAA7111A进行控制,即对模拟视频前端SAA7111A的采样率、箝位电平、锁相环等进行编程设置,以使整个视频输入接口电路按照预先设计的方式工作。
(3)采用FIFO作为实时图像数据输入缓冲器。从性能上来说,普通型的帧存储体在采集的同时不能读取采集数据。虽然采用双端口RAM也可以解决并发访问的问题,但它所必需的地址译码和占用大段的主存储器映射空间(或繁杂的页面切换)是不可忽视的实际问题。从对采集到的数据的处理方式可以看出,对于单纯采集应用(不需要对数据做诸如叠加等预处理工作),其系统缓存单元在结构上相当于先进先出(FIFO)队列,即按信号时间顺序先采集的数据先被主处理芯片读取及处理。所以采用专门的FIFO芯片可去掉复杂的缓存器帧内地址译码电路,大大简化了系统设计。FIFO(IDT72V3640)用于向TMS320C6201传输经SAA7111A转换后的16位实时图像数据VPO(0:15)。FIFO不存在地址线的问题,所以不用连接地址线。
2.2 音频编解码器的选取
采用Crystal公司的CS4231A芯片作为核心音频编码解码器(CODEC)模块。CS4231A多媒体芯片为系统提供一个灵活、通用的音频前端。它是一个16位立体声器件,包含完整的片上滤波、模拟混音和可编程控制的增益和衰减调节。CS4231A支持8、9.6、11.025、16、22.05、32、44.1、48kHz等通用的采样频率,如此宽范围的采样频率可以适应从电信到音频的各种应用需求。CS4231A采用频率分别为16.9344MHz和24.576MHz的2个晶振来作为采样频率的时钟源。
CS4231A同时提供了并行和串行接口,支持DMA及中断工作方式,因而可以通过多种方式与DSP进行连接。这里采用的是其中最有效的方式:即串行接口传输音频数据,并行接口传输控制信息。CS4231A使用与DSP的McBSP(多通道缓存串行口)相兼容的串行音频数据接口,这种接口方式为串行音频数据提供了一个专用通道而不必占用DSP的EMIF的带宽。在串行数据流中,CS4231A先传输左声道数据然后传输右声道数据,并且传输时高位在前(与McBSP的工作方式相兼容)。CS4231A串口通过多路复用芯片CBT3257的4个2选1复用器连接到DSP的McBSP,这一设置使McBSP可以与板上的CS4231A相连,也可以在任一时刻与自己的具体应用子板相连。CS4231A包含1个8位宽度的并行控制/状态接口,通过把接口寄存器映射到DSP的EMIF空间来进行控制和状态读取。这样就使控制接口和音频数据相分离,避免了在单个码流上的信号复用,简化了软件驱动设计。CS4231A是5V器件,DSP是3.3V器件,它们相互连通后得并行控制信号,并且必须通过总线收发器进行信号转换。CODEC模块支持线性和话筒的多路输入:音频的放大器用来对话筒输入信号进行预防和滤波;线性输入经过无源滤波、交流耦合送入CS4231A,输入插座可以用来连接立体声源,通过软件可以独立控制左、右输入声道的选择和各自的增益。CODEC还包含一个可通过DSP软件控制衰减的线性输出。
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