数字视频监控单元的设计
引言
视频监控系统已经广泛地应用在日常生活中， 其稳定、可靠的工作已经成为保证人民生产、生活正常运转的必要条件。可靠快速地采集输入、编解码以及处理传输成为视频处理设备设计的关键点。本文介绍了一种基于达芬奇技术的数字视频单元。单元主要完成对视频信息的智能采集处理功能和集成影象处理功能。
1 视频单元的组成及硬件设计
视频单元以t ms320dm365 为核心处理器芯片，并以tms320dm365 为中心设计视频缓冲、视频解码等功能。单元的硬件主要有达芬奇处理器芯片( tms320dm365， 以下简称dm365) 、视频解码器芯片( tv p5158) ， ddr2 sdram， flash， en c28j60 以太网控制器、电源管理芯片等。视频单元的框图如图1 所示。本文主要介绍了视频采集输入部分、外部存储器部分、以太网部分和视频输出部分这4 部分。
dm365 高度集成了众多组件， 其中包括符合生产要求的h. 264， mpeg 4， mpeg 2， mjpeg 与vc1编解码器， 可满足智能视频处理功能的集成影像信号处理( isp) 解决方案和一系列板载外设等， 可降低系统成本。
图1 视频单元框图
视频单元工作原理如下: t vp5158 视频解码芯片把ccd 摄像头传过来的模拟视频信号进行模/ 数转换，变成符合it u r bt . 656 或yu v 标准的数字视频信号; 然后将数字视频信号传输到达芬奇处理器的视频处理子系统的前端， 进行预处理后送到视频处理子系统的后端， 视频处理子系统的后端对数字视频信号进行编码后直接将其输出到显示器终端上。dm365 上的arm端主要作为控制器来控制视频解码芯片和外围接口芯片。
1. 1 视频采集输入设计
摄像头将采集到的模拟视频信号传输给tv p5158视频解码器 。该t vp5158 器件是一个4 通道、高品质ntsc/ pal 视频解码器， 它用数字化编码所有基带模拟视频格式， 使其变为数字视频信号输出。该编码器的每个通道都包含10 位27 msps 的模/ 数转换器。
tvp5158 支持ntsc( j， m， 4. 43) 和pal( b， d， g， h，i， m， n， nc， 60) 标准视频同时输入。每个视频解码通道均支持复合信号输入。tv p5158 输出端口支持8 位的itu r bt. 656 和16 位4 2 2 yuv 格式。
tvp5158 视频解码器再将解码信号传输给dm365 的视频处理前端( vpfe) 。t vp5158 高度灵活的视频输出与dm365 的无缝接口可取消对外部fpga 的需求。tvp5158 与dm365 的接口框图如图2 所示。
图2 tvp5158 与dm365 接口框图
tvp5158 输出8 位的itu rbt . 656 和16 位4 ：2 ：2 yuv 格式视频。dm365 支持itu bt. 601/bt . 656/ bt . 1120 数字ycbcr 4 ： 2 ：2( 8 b/ 16 b) 格式视频， 所以本系统中dm365 采用ycbcr 4：2： 2 的8 位it u r bt . 656 视频捕获模式， 该系统不需要外部行/ 场同步信号。t vp5158 的dvo 引脚与dm365 的yin 引脚相连， 以用来传输数据。
1. 2 外部存储器设计
在该单元中， 选用的外部存储器为一个ddr2sdram 芯片和一个nand flash 芯片。在该单元中， 采用华邦电子公司的1 gb ddr2 sdram 作为主存储器， 型号为w971gg6ib 。dm365 与w971gg6ib 的接口框图如图3 所示。
clk 和是时钟信号引脚， 芯片时钟通过这两个引脚输入。为行地址锁存， 为列地址锁存， 为写使能， 这三个引脚可对输入命令进行规定。
当片选为高电平时， 所有的外部命令都被禁止; 还可提供外部组选择。a0~ a12 为地址总线， 芯片中行地址为a0~ a12， 列地址为a0~ a9， 其中的a10 是自动预充电标志。因为该单元选用一个1 gb 的ddr2sdram， 所以选择ba0 和ba1 两个引脚对片内8 个组进行选择。dq0~ dq15 为双向数据总线引脚， 可支持16 位宽度的数据传输。当ddr dq s 进行写操作时， 数据输出到芯片中; 当ddr dq s 进行读操作时， 芯片的数据输入到dm365 中。ddr dqs1 用于ddrdq[ 15: 8] ， ddr dqs0 用于ddr dq [ 7: 0 ] 。ldqs与ddr dqs0 相连， ldqs 与dq0~ dq7 上的数据相对应; u dqs 与ddr dq s1 相连， udqs 与dq8 ~dq15 上的数据相对应。ldqs 和udqs 分别为低位和高位数据选通， 只有在不同数据选通模式通过emr 的控制位被使能时才被使用。
图3 dm365 与w971gg6ib 接口框图
单元中选用的nand flash 为三星公司的k9f2808u0c ， 它为一个132 mb 的闪存， 其中的内存容量分为16m 8 b 容量和4 mb 的备用容量。该存储器阵列包含1 024 个独立可擦除块， 每个数据块包含16kb。k9f2808u0c 的8 个i/ o 引脚是地址复用的， 这样可减少引脚数， 并方便系统升级， 闪存电源为3. 3 v。
dm365 与k9f2808u0c 的接口框图如图4 所示。
图4 dm365 与k9f2808u0c 接口框图
图4 中i/ o0 ~ i/ o7 为数据输入/ 输出引脚， 与em d[ 0: 7] 引脚相连， 实现数据的传输。i/ o 引脚用于输入命令、地址和数据， 还用于在读操作时输出数据。
引脚与em ce0 引脚相连， 实现片选功能。
引脚与em oe 引脚相连， 对串行数据输出进行控制。
引脚与em we 引脚相连， 控制了对i/ o 端口的写操作。命令、地址和数据被锁在we脉冲的上升沿。r/ b为输出引脚， 与em wait 引脚相连， 它表明了设备操作的状态， 当低电平时， 它表明一个程序、擦除或随机读操作正在进程中， 并在结束后返回到高电平状态。
1. 3 以太网设计
dm365 通过en c28j60 以太网控制器与网络进行通信， 其接口框图如图5 所示。
图5 dm 365 与enc28j60 接口框图
en c28j60 以太网控制器是美国微芯科技公司推出的产品， 适用于精简的嵌入式网络应用。dm365 的spi 接口与enc28j60 芯片的spi 接口相连。
为片选输入引脚， sck 为时钟输入引脚， si 为数据输入引脚。en c28j60 芯片与rj 45 接口之间还需要连接两个网络变压器。在差分接收引脚( t pin+ / t pin- )上连接一个专用于10ba se t 操作的1 ：1 脉冲变压器; 在差分发送引脚( t pout + / tpout - ) 上连接一个带有中心抽头的1：1 脉冲变压器。变压器起到电平转换及电气隔离的作用。
1. 4 视频输出设计
lcd 显示器与视频处理后端相连。视频输出部分框图如图6 所示。
图6 视频输出框图
osd 模块的主要功能是采集和混合视频数据以及显示/ 位图数据， 并将它们以ycbcr 格式传输给视频编码器( venc) 。视频和显示数据从外部ddr2/ mddr存储器读取。
2 结 语
该设计采用dm365 视频处理芯片， 充分利用其外围接口多的特点， 选用了一些外围接口芯片， 以满足智能视频处理的功能。
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视频监控系统已经广泛地应用在日常生活中， 其稳定、可靠的工作已经成为保证人民生产、生活正常运转的必要条件。可靠快速地采集输入、编解码以及处理传输成为视频处理设备设计的关键点。本文介绍了一种基于达芬奇技术的数字视频单元。单元主要完成对视频信息的智能采集处理功能和集成影象处理功能。
1 视频单元的组成及硬件设计
视频单元以t ms320dm365 为核心处理器芯片，并以tms320dm365 为中心设计视频缓冲、视频解码等功能。单元的硬件主要有达芬奇处理器芯片( tms320dm365， 以下简称dm365) 、视频解码器芯片( tv p5158) ， ddr2 sdram， flash， en c28j60 以太网控制器、电源管理芯片等。视频单元的框图如图1 所示。本文主要介绍了视频采集输入部分、外部存储器部分、以太网部分和视频输出部分这4 部分。
dm365 高度集成了众多组件， 其中包括符合生产要求的h. 264， mpeg 4， mpeg 2， mjpeg 与vc1编解码器， 可满足智能视频处理功能的集成影像信号处理( isp) 解决方案和一系列板载外设等， 可降低系统成本。
图1 视频单元框图
视频单元工作原理如下: t vp5158 视频解码芯片把ccd 摄像头传过来的模拟视频信号进行模/ 数转换，变成符合it u r bt . 656 或yu v 标准的数字视频信号; 然后将数字视频信号传输到达芬奇处理器的视频处理子系统的前端， 进行预处理后送到视频处理子系统的后端， 视频处理子系统的后端对数字视频信号进行编码后直接将其输出到显示器终端上。dm365 上的arm端主要作为控制器来控制视频解码芯片和外围接口芯片。
1. 1 视频采集输入设计
摄像头将采集到的模拟视频信号传输给tv p5158视频解码器 。该t vp5158 器件是一个4 通道、高品质ntsc/ pal 视频解码器， 它用数字化编码所有基带模拟视频格式， 使其变为数字视频信号输出。该编码器的每个通道都包含10 位27 msps 的模/ 数转换器。
tvp5158 支持ntsc( j， m， 4. 43) 和pal( b， d， g， h，i， m， n， nc， 60) 标准视频同时输入。每个视频解码通道均支持复合信号输入。tv p5158 输出端口支持8 位的itu r bt. 656 和16 位4 2 2 yuv 格式。
tvp5158 视频解码器再将解码信号传输给dm365 的视频处理前端( vpfe) 。t vp5158 高度灵活的视频输出与dm365 的无缝接口可取消对外部fpga 的需求。tvp5158 与dm365 的接口框图如图2 所示。
图2 tvp5158 与dm365 接口框图
tvp5158 输出8 位的itu rbt . 656 和16 位4 ：2 ：2 yuv 格式视频。dm365 支持itu bt. 601/bt . 656/ bt . 1120 数字ycbcr 4 ： 2 ：2( 8 b/ 16 b) 格式视频， 所以本系统中dm365 采用ycbcr 4：2： 2 的8 位it u r bt . 656 视频捕获模式， 该系统不需要外部行/ 场同步信号。t vp5158 的dvo 引脚与dm365 的yin 引脚相连， 以用来传输数据。
1. 2 外部存储器设计
在该单元中， 选用的外部存储器为一个ddr2sdram 芯片和一个nand flash 芯片。在该单元中， 采用华邦电子公司的1 gb ddr2 sdram 作为主存储器， 型号为w971gg6ib 。dm365 与w971gg6ib 的接口框图如图3 所示。
clk 和是时钟信号引脚， 芯片时钟通过这两个引脚输入。为行地址锁存， 为列地址锁存， 为写使能， 这三个引脚可对输入命令进行规定。
当片选为高电平时， 所有的外部命令都被禁止; 还可提供外部组选择。a0~ a12 为地址总线， 芯片中行地址为a0~ a12， 列地址为a0~ a9， 其中的a10 是自动预充电标志。因为该单元选用一个1 gb 的ddr2sdram， 所以选择ba0 和ba1 两个引脚对片内8 个组进行选择。dq0~ dq15 为双向数据总线引脚， 可支持16 位宽度的数据传输。当ddr dq s 进行写操作时， 数据输出到芯片中; 当ddr dq s 进行读操作时， 芯片的数据输入到dm365 中。ddr dqs1 用于ddrdq[ 15: 8] ， ddr dqs0 用于ddr dq [ 7: 0 ] 。ldqs与ddr dqs0 相连， ldqs 与dq0~ dq7 上的数据相对应; u dqs 与ddr dq s1 相连， udqs 与dq8 ~dq15 上的数据相对应。ldqs 和udqs 分别为低位和高位数据选通， 只有在不同数据选通模式通过emr 的控制位被使能时才被使用。
图3 dm365 与w971gg6ib 接口框图
单元中选用的nand flash 为三星公司的k9f2808u0c ， 它为一个132 mb 的闪存， 其中的内存容量分为16m 8 b 容量和4 mb 的备用容量。该存储器阵列包含1 024 个独立可擦除块， 每个数据块包含16kb。k9f2808u0c 的8 个i/ o 引脚是地址复用的， 这样可减少引脚数， 并方便系统升级， 闪存电源为3. 3 v。
dm365 与k9f2808u0c 的接口框图如图4 所示。
图4 dm365 与k9f2808u0c 接口框图
图4 中i/ o0 ~ i/ o7 为数据输入/ 输出引脚， 与em d[ 0: 7] 引脚相连， 实现数据的传输。i/ o 引脚用于输入命令、地址和数据， 还用于在读操作时输出数据。
引脚与em ce0 引脚相连， 实现片选功能。
引脚与em oe 引脚相连， 对串行数据输出进行控制。
引脚与em we 引脚相连， 控制了对i/ o 端口的写操作。命令、地址和数据被锁在we脉冲的上升沿。r/ b为输出引脚， 与em wait 引脚相连， 它表明了设备操作的状态， 当低电平时， 它表明一个程序、擦除或随机读操作正在进程中， 并在结束后返回到高电平状态。
1. 3 以太网设计
dm365 通过en c28j60 以太网控制器与网络进行通信， 其接口框图如图5 所示。
图5 dm 365 与enc28j60 接口框图
en c28j60 以太网控制器是美国微芯科技公司推出的产品， 适用于精简的嵌入式网络应用。dm365 的spi 接口与enc28j60 芯片的spi 接口相连。
为片选输入引脚， sck 为时钟输入引脚， si 为数据输入引脚。en c28j60 芯片与rj 45 接口之间还需要连接两个网络变压器。在差分接收引脚( t pin+ / t pin- )上连接一个专用于10ba se t 操作的1 ：1 脉冲变压器; 在差分发送引脚( t pout + / tpout - ) 上连接一个带有中心抽头的1：1 脉冲变压器。变压器起到电平转换及电气隔离的作用。
1. 4 视频输出设计
lcd 显示器与视频处理后端相连。视频输出部分框图如图6 所示。
图6 视频输出框图
osd 模块的主要功能是采集和混合视频数据以及显示/ 位图数据， 并将它们以ycbcr 格式传输给视频编码器( venc) 。视频和显示数据从外部ddr2/ mddr存储器读取。
2 结 语
该设计采用dm365 视频处理芯片， 充分利用其外围接口多的特点， 选用了一些外围接口芯片， 以满足智能视频处理的功能。
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