基于DSP的视频采集系统的设计

山东建筑大学课程设计说明书题目：基于DSP的网络通信系统的设计课程：DSP原理及应用课程设计院（部）：信息与电气工程学院专业：电子信息工程班级：电信071学生姓名：学号：指导教师：张君捧完成日期：2010年7月山东建筑大学信息与电气工程学院课程设计说明书I目录摘要........................................................................................................................................II1设计目的与要求....................................................................................................................12设计内容................................................................................................................................22.1理论依据......................................................................................................................22.2方案设计......................................................................................................................22.2.1视频信号采集系统特性..................................................................................32.2.2图象采集系统设计..........................................................................................42.2.3系统仿真..........................................................................................................42.3器件选型......................................................................................................................62.4系统设计...................................................................................................................10总结与致谢..............................................................................................................................11参考文献..................................................................................................................................12附录..........................................................................................................................................13山东建筑大学信息与电气工程学院课程设计说明书II摘要网络通信系统（CNS）是楼内的语音、数据、图像传输的基础，同时与外部通信网络（如公用电话网、综合业务数字网、计算机互连网、数据通信网及卫星通信网等）相连，确保信息畅通。CNS应能为建筑物或建筑群的拥有者（管理者）及建筑物内的各个使用者提供有效的信息服务。CNS应能对来自建筑物或建筑群内外的各种信息予以接收、存贮、处理、交换、传输并提供决策支持的能力。CNS提供的各类业务及其业务接口，应能通过建筑物内布线系统引至各个用户终端。。（这段是介绍设计背景，或者是对设计的总体描述）本设计做作的是一个基于DSP的视频采集系统。考虑到高速实时处理及实用化两方面的具体要求，需要开发一种具有高速、高集成度等特点的视频图象信号采集系统，为此系统采用专用视频解码芯片和复杂可编程逻辑器件(CPLD)构成前端图象采集部分。以CPLD器件作为控制单元和外围接口，以FIFO为缓存结构，能够有效地实现视频信号的采集与读取的高速并行，具有整体电路简单、可靠性高、集成度高、接口方便等优点（下面开始写你在本设计中做作的工作，如设计了什么硬件，软件等。）关键词：CPLD；DSP；视频采集；TI山东建筑大学信息与电气工程学院课程设计说明书11设计目的与要求数字图象处理技术在电子通信与信息处理领域得到了广泛的应用，设计一种功能灵活、使用方便、便于嵌入到系统中的视频信号采集电路具有重要的实用意义。在当前竞争如此激烈的社会，掌握以一技之能十分重要，对我所学的专业，ＤＳＰ是十分重要的一部分，学好DSP将会对我的将来的深造与就业都会有十分大的帮助，因此，以这次的课程设计为引导，在设计中不断学习，通过不同途径，初步掌握DSP的各项性能，熟悉其设计原理，了然于心，对将来会有很大的帮助本课程设计要求：输入信号为1路AV视频信号，要求系统能对1路输入信号进行实时采集、数字化处理、压缩、存储，要保证一定的录像质量。山东建筑大学信息与电气工程学院课程设计说明书22设计内容2.1理论依据数字图像处理中，由于数据量大、算法难度高，因此实时性成为技术难点之一。如果采用专用电路实现，虽然实时性得到保证，但系统的灵活度大大降低。因此，寻求一种高速通用数字信号处理系统成为当务之急。II公司推出的TMS320DM642(以下简称DM642)型数字信号处理器可实时处理4路模拟视频和音频输入、l路模拟/数字视频和1路模拟音频信号输出，适应PAL/NTSC标准复合视频CVBS或分量视频Y/C格式的模拟信号输入，可适应PAL/NTSC标准S端子或数字RGB模拟/数字信号输出，可适应标准麦克风或立体声音频模拟输入及标准立体声音频模拟输出，具有对多路采集数据进行实时处理和分析的功能，可实现数据和图像叠加显示。设计的基于DSP(数字信号处理器)的数字视频采集及处理系统，主要就系统的硬件电路设计及软件编制进行详细阐述。本系统的功能是把CCD摄像头采集到的模拟视频信号转化成数字视频信号，然后对数字视频信号根据需要进行处理，处理后的结果通过通信模块输送给需要它的诸如机器人等设备。硬件系统分为数据处理、视频I／O、通信和逻辑功能几个模块，本论文对这几个模块进行了详细阐述，着重讨论了各个模块之间的接口的实现。在系统的电路设计中采用TI公司的DSP作为数据采集的控制器和数字信号的处理器，视频I／O模块完成视频信号的模／数转换和数／模转换，通讯模块利用总线完成本系统与其他设备的通信，逻辑功能模块利用可编程逻辑器件CPLD完成整个系统的逻辑接口功能。软件主要分为采集和处理两部分，论文中详细地介绍了这两个部分的工作过程和软件功能的实现，给出了程序设计的流程。2.2方案设计整个系统分为两部分，分别是图象采集系统和基于DSP主系统。前者是一个基于SAA7110A/SAA7110视频解码芯片，由复杂可编程逻辑芯片CPLD实现精确采样的高速视频采集系统；后者是通用数字信号处理系统，它主要包括：64KWORD程序存储器、64K山东建筑大学信息与电气工程学院课程设计说明书3WORD数据存储器、DSP、时钟产生电路、串行接口及相应的电平转换电路等。系统的工作流程是，首先由图象采集系统按QCIF格式精确采集指定区域的视频图象数据，暂存于帧存储器FIFO中；由DSP将暂存于FIFO中的数据读入DSP的数据存储器中，与原先的几帧图象数据一起进行基于H.263的视频数据压缩；然后由DSP将压缩后的视频数据平滑地从串行接口输出，由普通MODEM或ADSLMODEM传送到远端的监控中心，监控中心的PC机收到数据后进行相应的解码，并将还原后的视频图象进行显示或进行基于WEB的广播。2.2.1视频信号采集系统特性视频信号采集系统是高速数据采集系统的一个特例。过去的视频信号采集系统采用小规模数字和模拟器件，来实现高速运算放大、同步信号分离、亮度/色度信号分离、高速A/D变换、锁相环、时序逻辑控制等电路的功能。但由于系统的采样频率和工作时钟高达数十兆赫兹，且器件集成度低，布线复杂，级间和器件间耦合干扰大，因此开发和调试都十分困难；另一方面，为达到精确采样的目的，采样时钟需要和输人的视频信号构成同步关系，因而，利用分离出来的同步信号和系统采样时钟进行锁相，产生精确同步的采样时钟，成为设计和调试过程中的另一个难点。同时，通过实现亮度、色度、对比度、视频前级放大增益的可编程控制，达到视频信号采集的智能化，又是以往系统山东建筑大学信息与电气工程学院课程设计说明书4难以完成的。关于这一点，在系统初期开发过程中已有深切体会[1]。基于以上考虑，本系统采用了SAA7110A作为视频监控系统的输入前端视频采样处理器。2.2.2图象采集系统设计SAA7110/SAA7110A是高集成度、功能完善的大规模视频解码集成电路[2]。它采用PLCC68封装，内部集成了视频信号采样所需的2个8bit模/数转换器，时钟产生电路和亮度、对比度、饱和度控制等外围电路，用它来替代原来的分立电路，极大地减小系统设计的工作量，并通过内置的大量功能电路和控制寄存器来实现功能的灵活配置。SAA7110/SAA7110A可应用的范围包括桌面视频、多媒体、数字电视机、图象处理、可视电话、视频图象采集系统等领域。SAA7110/SAA7110A的控制总线接口为I2C总线。SAA7110/SAA7110A作为I2C总线的从器件，根据SA管脚的电平，器件的读写地址可以分别设置为9CH/9DH(W/R，SA=0)或9DH／9FH(W/R，SA=1)。其内部共计47个寄存器，分别控制解码器(00H～19H)和视频接口(20H～34H)。通过I2C总线读、写片内的上述寄存器，可以完成输入通道选择、电平箝位和增益控制、亮度、色度和饱和度控制等功能。但是，有一个问题必须解决，那就是DSP芯片没有内置I2C总线接口，为此，本系统提出并采用了对DSP芯片的两个可编程I/O引脚进行软件仿真来实现I2C总线控制的方法。由于受C2000程序存储空间最大仅有64KB的限制，为了减小I2C总线控制仿真软件的规模，仿真软件全部用汇编语言完成，因而给本系统的设计带来了相当的难度和工作量。2.2.3系统仿真在实时系统的设计中，同步与精确采样是两个至关重要的问题，它们直接关系到系统设计的成败。由于SAA7110A输出的两个时钟信号LCC和LCC2与采样时钟和数据输出时钟同步，因而可以作为采样数据接口控制子系统中数据存储控制的时钟和完成各种功能的同步时钟，系统不需要再生成或采用另外的时钟信号，从而避免了外部时钟、采样时钟和视频信号相互间的同步和锁相问题，既保证了整个系统的同步，又极大地降低了系统设计的复杂度。由SAA7110A输出的行有效信号HREF、行同步信号HS、场同步信号山东建筑大学信息与电气工程学院课程设计说明书5VS、奇偶场