基于DSP的嵌入式数字硬盘录像机的硬件设计

1、 -85-信息科学基于DSP 的嵌入式数字硬盘录像机的硬件设计邓贤君1朱志亮2(1、南华大学通信工程系,湖南衡阳4210012、温州大学物理与电子信息工程学院,浙江温州325035摘要:本文提出了基于TMS320DM648的数字硬盘录像机的设计方案,详细介绍了嵌入式数字硬盘录像机硬件设计。本系统经多次现场测试,效果良好,符合实际应用的需要。关键词:S3C2510A ;数字硬盘录像机;TMS320DM648;视频监控图1主控制模块设计框图1概述数字硬盘录像机,英文名称为Digital VideoRecorder ,简称DVR ,它是视频监控系统中重要的设备,用于替代早期的长延时录像机或者磁带录像

2、机。目前硬盘录像机从硬件架构上分主要分为工控式硬盘录像机(或者工控硬盘录像机或者PC 式硬盘录像机、嵌入式硬盘录像机,从压缩算法来分有小波压缩,MJPEG ,MPEG4,H.264等。目前工控式硬盘录像机和嵌入式硬盘录像机所占市场比重差不多,由于嵌入式硬盘录像机的稳定性及易维护性,选择嵌入式硬盘录像机的用户会越来越多,市场前景非常大。基于这种应用背景,本文提出了嵌入式硬盘录像机的设计思路和实现方案。2系统总体方案2.1技术指标本系统的主要技术指标如下:视频输入:16路复合视频输入PAL/NTSC 视频输出:2路复合视频输出PAL/NTSC(BNC 接口,1.0VP-P,75音频输出:16路音频

3、输入20-100mv10K (RCA 音频输出:2路音频输出,20-100mv ,1K (RCA 2.2设计方案根据系统要求的技术指标,本文设计的16路嵌入式DVR 系统硬件部分采用了主从式双CPU架构模式。主CPU 选用了ARM 9处理器,具体型号为三星半导体的S3C2510A ,从CPU 选用DSP处理器,具体型号为美国德州仪器(TI 的多媒体处理芯片TM S320DM648。主从CPU 之间通过PCI总线进行通讯。整个系统的工作流程设计如下:系统上电或复位后,主CPU S3C2510A 从Flash 加载程序,完成对芯片的初始化和外围硬件的配置,之后从CPUTM S320DM648便开始

4、进行图像采集。从CPU 通过I2C 口对系统中的视频解码芯片进行控制,将从摄像头采集到的模拟视频信号转换为数字视频信号,送入DM 648的视频通道(VP 端口;同步采集到的模拟音频信号经过音频编解码器模/数转换后,送入DM648的音频通道(M cASP 端口。DM 648将接收到的数字视频信号和数字音频信号数据分别进行压缩,再把压缩视频流和压缩音频流进行同步复合,产生H.264视频复合流,再通过PCI 总线上传给主CPU ,主CPU 将从PCI 接口收到的数据以文件的格式存储到本地硬盘,供日后调用;同步将复合数据流传送给图象预览芯片进行显示。3TMS320DM648数字信号处理器简介TMS32

5、0DM648是TI 公司于2007年推出的一款高性能的32位定点DSP ,主要面向数字媒体应用,属于C6000系列DSP 。此款芯片带有丰富的视音频硬件资源,具有网口、PCI 接口、HPI 接口、I2C 接口、串行口等多种接口,可广泛应用于视音频、网络、信号处理环境。目前DM 648可应用于IP 视频电话(Video IP Phone 、VOD (Video On Demand 、机顶盒(Set-Up Boxes 、视频监控数字录像机等开发系统,TI 公司提供了相应的解决方案DM648保留了C64X 原有的内核结构,工作频率由内部倍频器设置,可以达到720M Hz 、800MHz 或900MH

6、z ,相应的时钟周期为1.39ns 、1.25ns 或1.11ns ,每秒可执行指令数5760、6400和7200MIPS 。此外DM 648片上带有5个双通道(A 、B 两通道数字视频口(VP 口,可同时处理多路数字视频流,片上带有多通道串行音频接口,可同时处理10路立体声输入/输出音频信号。4核心模块原理设计整个数字硬盘录像机根据功能可以划分以下几大核心模块:a.主控制模块;b.视音频采集、压缩模块;c.视音频预览、回放模块;d.其它模块(电源、存储器扩展、网络传输、逻辑控制等。本文详细介绍主控制模块和视频处理模块的设计。4.1主控制模块本模块主要实现系统的控制,对整个系统任务的运行进行分

7、配与调度。S3C2510A 本身内置PCI 控制器,5个PCI 接口可分别和2个音/视频压缩模块,1个图象预览,回放模块,2个数据存储模块连接;再加上它已有的串口,USB 接口,网络接口,I/O 等组成整个系统的控制模块。它的设计思路如图1所示。4.2视音频采集/压缩模块视音频信号处理的流程如下:模拟视频信号先经视频解码器TVP5154A 转换成8位YUV 数字视频信号Y 7:0,再送至DM 648的视频输入接口.模拟音频信号经音频AD 转换器PCM1801转换为I2S 格式的音频数据,进入多媒体压缩芯片的音频输入接口,DM 648将原始的视频和音频数据分别进行压缩,再把压缩视频流和压缩音频流

8、进行同步复合,产生H.264视频复合流.一片DM 648可以同时产生8个视/音频通道的H.264复合数据流.DM648把每个视/音频通道的复合视频数据在片外DDRAM 的数据缓冲区中排列成固定长度的数据包.当缓冲区内的数据量超过一定的阀值,它就通过PCI 中断向主CPU 发出请求,当中断被响应时,主CPU 从包缓冲区内将数据取走。DM 648具有5个视频端口,支持多种分辨率和标准,如CCIR601、ITU-BT .656、BT .1120等,每个端口为20bit 位宽,可以被灵活的配置为一个20/16bit 或两个10/8bit 通道。同时,每个端口都可配置为视频输入或视频输出。TVP5154

9、A 具有4个通道,每个通道均为具有可编程多态换算器(polymorphic scaler的独立解码器,可通过嵌入式同步模块将NTSC 、PAL 或SECAM 视频信号转换成8位ITU-R BT .656格式,或使用分立同步模块使输出格式为8位4:2:2。5PCB 设计本系统的主频高达166MHz ,属于高频系统,所以在进行PCB 的设计时,为了保证信号的完整,在设计的时候采用了如下方法:5.1对DDRAM 的时钟线,尽量走短线,而且到两个DDRAM 的长度尽量做到相等;5.2FLASH 等其他外设不要直接与数据和地址总线连接,而是通过缓冲芯片(如SN74LVT16245B 连接;5.3高速总线

10、上串入了小阻值电阻,阻值大小通过Protel 软件仿真得到,同时对线路进行了阻抗限制。6结论本系统最主要的创新点有以下两点:6.1在系统硬件架构上,采用了主从CPU 的架构,主CPU 和从CPU 分工明确,充分的发挥了它们各自的处理优势;6.2视音频处理方面,选用了TI 最新推出的数字多媒体处理器TMS320DM648,采用高效率的H.264压缩标准,实现了多通道的视音频数据处理,可以充分的满足市场需要;参考文献1Samsung Electronics Co.Ltd.S3C2510A 32-BIT RISC MICROPROCESSOR USER'S MANUAL,2003.2Texas Instruments Incorporated.TMS320DM648Digital Media Processor,2007-2009.3苏东.主流ARM 嵌入式系统设计技术与实例精解M.北京:电子工业出版社.4王跃