基于DSP 的视频监控系统的硬件设计

1、课程报告(DSP技术发展与应用题目基于DSP 的视频监控系统的硬件设计学生姓名张钦理学号20084305008院系成人教育学院专业电子信息工程二O一O年六月十八日摘要:本文提出了一种基于DSP 的视频监控解决方案,通过硬件实现对CCD 图像传感器输出的模拟视频信号的采集、图像处理,完成后可直接在LCD 显示屏或CRT 显示器上显示。本文分别从电源模块、存储模块、图像处理模块和接口模块这四方面对系统进行了描述,并详细介绍了存储模块的读写时序。关键词:数字信号处理器;视频监控;CCD 图像传感器;硬件电路设计AbstractThis paper introduces the hardware de

2、sign of video surveillance system based on DSP. The tasks of collecting and processing analog video signal which is from CCD image sensor are executed by hardware. Then, the processed signals are directly displayed on the LCD or CRT screen. This paper explains the system hardware design, including p

3、ower module, memory module, image processing module and interface module. The timing sequence of reading and writing of memory are also given.Keywords: DSP; Video Surveillance; CCD Image Sensor; Hardware Design1.引言目前视频监控应用越来越广,在社会治安、工业控制、交通系统等领域起了很大的作用。视频监控系统的发展大致经历了三个阶段:首先是基于模拟信号的电视监控系统,其功能单一、易受干扰且

4、不易扩展。随后出现基于PC 机的图像监控系统,该系统的终端功能较强,但价格比较昂贵,稳定性不好。近年来,随着嵌入式技术的发展、成熟,嵌入式视频采集处理系统具有可靠性高、速度快、成本低、体积小、功耗低、环境适应性强等优点。本文就是基于嵌入式系统的上述优点,提出了一种基于DSP 的视频监控系统解决方案。该系统具有很强的稳定性和实时性,可广泛用于安防监控、工业监控和交通监控等领域。2.系统硬件设计及工作原理2.1 系统整体硬件结构整个系统由电源模块、存储模块、图像处理模块和接口模块组成。图像处理模块接收CCD 图像传感器传出来的模拟视频信号,并把模拟视频信号进行模数转换,转换成数字信号,由DSP 对

5、数字信号进行处理后,转化成标准的YUV 4:2:2 格式的数字视频信号,再将获得的数字视频信号送到FPGA 模块,由FPGA 对YUV 数字信号进行处理,使之产生标准的SVGA 格式,帧频为60HZ 的行、场同步信号。系统整体框图如图2.1 所示: 2.2 电源模块电源模块将外部输入的12V 的直流电源转换成各模块所需的工作电压。下面主要介绍为CCD 图像传感器、DSP 和FPGA 提供所需的电压。系统中各模块所需的工作电压为: CCD所需的电压为15V 和-7V,DSP 所需的3.3V 和5V,FPGA 所需的电压为1.2V、2.5V 和3.3V。在本设计中采用MOTOROLA 公司的DC-

6、DC 电源转换芯片MC34063A 将12V 直流电压转换成5V 直流电压,选用Texas Instruments 公司的电源转换芯片TPS75003 将5V 直压电源转换成1.2V、2.5V 和3.3V 直流电压。CCD 的工作电压由NE555 和78L15 产生。2.3 存储模块本设计采用了由SONY公司推荐的AK6420AF3 EEPROM存储芯片,该芯片是由ASAHIKASEI公司生产的一款低功耗、高效的EEPROM,它采用了先进的CMOS处理技术,内部具有2Kbits存储单元,最高工作主频为1MHz,工作电压范围1.85.5v。为了便于与外部电路连接,我们采用3.3v供电。除此之外,

7、它还可以和处理器的串行通信接口直接相连。该芯片存储DSP正常工作时的寄存器值。下面介绍存储器的读写时序:2.3.1 存储器写操作系统上电复位后,AK6420AF 开始读DI 脚的数据,先读地址,再读数据。每当SK 信号的上升沿到来时,AK6420AF 自动读取数据,然后再将数据写入寄存器中。当读完最后一个数据后,AK6420AF 进入自动写终止时期。在这段时间内,RESET 信号必须保持低电平,否则,AK6420AF 将停止内部写指令,刚写入寄存器中的数据将会产生错误。当执行新的写指令时,必须在写终止时期结束后,并且把CS 信号设置成高电平。如果RESET 信号一直保持高电平,将不执行写操作。

8、具体时序图如2.2 所示: 2.3.2 存储器读操作AK6420AF 只有在DO 脚有连续数据输出时,才执行读指令。当SK 的第17 个下降沿到来时,DO 脚变为高阻态,指令中指定的地址单元中的数据按D15D0 的顺序依次移位输出。输出完毕后,AK6420AF 在时钟信号的控制下继续读取下一个地址单元中的数据。当地址增加到7FH 时,地址计数器自动的将地址锁定在00H,进行下一次读操作。读操作时序图如图2.3 所示: 2.4 图像处理模块2.4.1 图像采集模块本设计中,图像采集模块主要完成把CCD 传感器输出的模拟视频信号转换成离散的模拟视频信号,并对模拟信号进行进行相关双采样、自动增益控制

9、处理后,送进DSP 转换成数字信号。具体工作流程如下:系统上电复位后,由DSP(CXD3142产生控制信号驱动CCD 图像传感器,把光信号转化成PAL 制式的模拟视频信号,并把该信号输入到CXA2096N4的DIN 和PIN 脚。此时,在SHD 和SHP 的控制下对输入信号进行相关双采样。当SHD 信号的下降沿到来时,对DIN 脚的信号电平进行采样,当SHP 信号的下降沿到来时,再对PIN 脚的预加电平信号采样,将这两路信号送到CXA2096N 内部的自动增益控制电路,经做差运算后输出。再对输出的信号进行黑电平箝位、预消隐等处理,然后由CXA2096N 的DRVOUT 脚输出。CXA2096N

10、 的工作时序由DSP 产生。2.4.2 数字信号处理器(CXD3142R在本设计中,采用了SONY 公司的专用信号处理芯片CXD3142R6。CXD3142R 是SONY 公司推出的专用于对Ye,Cy,Mg 和G 补色单片CCD 输出信号进行处理的低功耗、高效率的信号处理器芯片。CXD3142R 具有自动曝光和自动白平衡功能,可同时输出复合视频信号和YUV 8 位数字信号输出。内部集成了9 位A/D 转换器同步信号产生电路、外部同步电路、和时钟控制电路。CXD3142R DSP 芯片在本设计中主要完成将CXA2096N 输出的离散的模拟视频信号转换成数字信号,再对数字信号进行处理:包括数字信号

11、预处理,亮度、色度信号处理,自动曝光和自动白平衡等。最后将处理好的数字信号一部分送到FPGA 模块进行处理,一部分在内部经D/A 转换,转换成模拟的复合视频信号,经放大后可直接在电视上显示。预处理电路:预处理电路主要由A/D 转换和黑电平检测电路组成。主要完成模拟信号数字化和图像信号的插值运算,再通过黑电平检测电路计算出图像信号数据的平均值,作为该图像的黑电平。这样就可以间接的恢复图像的性质。另外,黑电平检测电路还可以消除低频干扰。亮度/色度信号处理:亮度信号的处理主要包括孔径失真补偿,灰度调整,亮度增益控制和亮度延时等。色差信号的处理过程是:首先经过低通滤波器滤除图像信号的高频部分和抑制伪彩

12、色,然后经RGB 矩阵把原始信号Ye,Mg,Cy,G 转化成RGB 彩色信号,再对RGB彩色信号进行白平衡调节、灰度校正等处理。最后经线性矩阵电路把RGB 彩色信号转化成色差信号R-Y 和B-Y。此外,CXD3142R 还具有串口通信功能,用户可以在PC 中预先设定好DSP 中的寄存器的值,通过串口下载到DSP 中,来对图像信号进行自动曝光和自动白平衡等处理。2.4.3 FPGA 模块在本设计中,为了实现对数字视频信号数据实时预处理,增加系统的扩展性,我们扩展了一片由Xilinx 公司最新推出的基于90nm 工艺制造的Spartan3E 系列FPGA，其型号为 XC3S250E-PQ208-4

13、C7，此FPGA 具有较高的性价比，其内有25 万个系统门，5508 个逻辑 单元（LC），612 个可配置逻辑快（CLB），216Kbit 的块RAM，12 个专用乘法器，158 个可用的I/O 口，4 个数字时钟管理单元（DCM）。 DSP 与FPGA 的通信是由11 根线完成的，他们分别是8 跟数据线，行、场同步信号和 数据时钟。因为CXD3142R DSP 输出的是PAL（逐行倒相）制式的数字视频信号，FPGA要 将此PAL 制视频信号转换成VGA 格式。首先进行色空间转换，将YUV(4:2:2格式信号转换 成RGB（5:6:5）格式，然后利用两个SDRAM 作为帧缓存，利用场间插值算

14、法，完成隔行 到逐行的转换，并将帧率由25HZ 提升到60HZ，同时产生SVGA 格式、帧频为60HZ的行、 场同步信号，并把被放大的图像数据经D/A 转换后也输出到VGA 接口，则图像传感器采集 的图像可在VGA 显示器上实时显示。 2.5 外围接口模块 RS-232C 接口是目前最常用的一种串行通信接口。本设计支持RS-232C 串口通信。但 RS-232C 通信需要一个外加集成电路把3.3v 逻辑电平转化成RS-232C 的标准电平。因此， 我们采用SP3232E5系列芯片来完成电平转换。SP3232E满足EIA-RS-232C标准通信协议，能 应用于用电池供电，便携的手持式设备（如笔记

15、本或掌上型电脑）。SP3232E 器件都包含 Sipex 系列特有的片内电荷泵电路，可从+3.0V+5.5V 的电源电压产生2×Vcc 的RS-232C 电压电平。该系列适用于+3.3V 系统。SP3232E 器件的驱动器满载工作时典型的数据速率 为235Kbps。本设计中的电路连接如图2.4： 需要注意的是由于设计中采用的是SP3232E 芯片，其驱动能力有限，上述电路只适用 于近距离传输。如果要进行远距离传输，则必须对信号进行加强。 3. 系统硬件调试 设计并加工好电路板后，就进入了硬件调试阶段。一般来说，应先对电源模块先进行调 试，因为如果系统电源错误，将损坏芯片。然后再对DSP 模块进行调试。DSP 上电后，空 闲情况下一般不会发热，若有轻微的发热情况应立即断开电源以免损坏DSP 芯片，发热的 原因基本上是把DSP 的工作电压接到了DSP 的非电压引脚。 DSP 的工作电压正常后， 再检 查复位电路、时钟电路是否正确。如果DSP 的时钟引脚没有信号，一般是电路虚焊的问题， 在本设计中，就出现过这种问题。如果DSP 的时钟引脚有信号，但工作频率达不到系统工 作的正常值时，可以通过调整外部的可调电容。如果还达不到要求，则应该考虑时钟信号是 否受到低频信号干扰，就要认真检查电路板，必要时修改布线。同理，FPGA 模块的调试 同上述调试方法