基于TMS320C64x的图像采集硬件设计

毕业设计(论文)开题报告题目：基于TMS320C64x的图像采集硬件设计课题类别：设计□论文□学生姓名：高尚学号：200357910140班级：255710301专业（全称）：电子信息工程指导教师：贺科学2007年4月一、本课题设计（研究）的目的：TMS320C6000系列DSP、尤其是C64X系列具有极强的处理性能，广泛应用于图像处理、雷达以及通信等领域。本课题以视频摄像头为研究对象，以TMS320C64x系列的DSP（DM642型）作为图像数据处理工具，设计一个完整的图像采集硬件系统，达到图像的高速处理要求。具体内容包括DSP基本电路的设计(时钟和电源电路)、外围Flash存储器的扩展、程序存储器和数据存储器的扩展、视频摄像头的控制分析CMOS摄像头（MT9T001）的原理及其与DM642的连接；分析TMS320DM642的电路图；系统机构设计：硬件电路板的设计，板子的布线。以DM642为核心，使用PROTELDXP和POWERPCB工具软件，设计包括CMOS摄像头，FLSAH，SDRAM，电源部分，UART，扩展口。二、设计（研究）现状和发展趋势（文献综述）：1.视频处理系统研究的现状[1][2][3]对于一个多媒体处理系统来说，由于视频处理的数据比较大，因此视频处理能力决定整个系统的性能。视频处理的功能主要又视频编解码芯片和处理器来实现的。不同的应用需求将选择不同的视频编解码芯片和处理器。1.1视频编解码器目前在视频处理系统中的视频源和显示设备以模拟信号为主，对视频数据处理之前要进行数字化，数字化又视频解码器来完成。而又数字视频转换成模拟食品是靠视频编解码器来完成的。在视频编解码器方面Philips是入手最早的公司，它率先推出的单片视频编解码器SAA7111结束了使用分立元件来设计视频采集电路的历史。它使得视频信号的采集变得易于实现，目前很多视频采集系统都还在使用该视频解码芯片。为了满足图象的高质量和一些视频监控场合，Philips在2000推出了SAA7114视频编解码芯片，它将输入通道数扩展为6个，A/D转换器的扩展为9位，并增加了I/O端口和音频输入端口，目前该芯片在国内外嵌入式视频采集系统中应用较为广阔。Philips的视频编解码器产品中应用较为广泛的还有SAA7130、SAA7134、SAA7113等。TI公司在视频解码器方面入手晚于Philips，该公司于2001年正式宣布进军视频产品领域，它推出的芯片中，应用较为广泛的是TVP5022、TVP5020等。其中TVP5145的A/D位数为10bit，TI视频编解码器比Philips公司的芯片来说在产品中的应用较少。在视频解码器方面，Philips公司在推出SAA7111的同时，它同时推出了视频编码器SAA7115/7116。到目前，它的主要产品有SAA7120、SAA7121、SAA7127等。TI公司的产品相对较少，目前应用较为广泛的TVP6000和TVP3026等。由于对图象质量要求的不断提高，从视频编解码器的发展过程来看，芯片集成的集成化程度提高很快，比如目前的视频编解码器芯片与早期推出的相比，芯片内部在噪声滤波方面改进很大，信号的通道数一般都扩展到了6个或6个以上，A/D的位数也提高了10bit，可以选择SAA7130，做图象分析，可以选择精度高的新片如TVP5145、SAA7113等。1.2视频处理器在视频处理系统中，系统的视频处理能力决定了系统的性能。视频处理器主要包括了专用图象处理芯片、通用DSP和多媒体DSP等。1.2.1专用图象处理芯片在专用图象处理芯片方面，国外的有AD公司的基于小波变换的实时视频压缩解压缩芯片ADV6XX系列，ADV-JP2000，TI公司的TSB43CA43A等，国内有支持AVS标准的风芯系列芯片，成都天敏微电子有限公司的RAY2613等等。对于专用的图象处理芯片，它们都是针对某些特定的标准，算法已经固化不可修改，往往根据实际情况和根据需求不同而选择或定制不同压缩标准的芯片。1.2.2通用DSP芯片对于通用DSP芯片，以AD、TI、Motorola的DSP为主，如AD公司的ADP21160、ADSP21060等在图象处理系统中应用较为广泛，TI公司的TMS320C6000系列目前在图象的处理领域应用相当广泛。由于一系列的原因，DSP成为多媒体编解码器的理想选择。首先，不断变革的编解码标准要求解决方案必须是可编程的；使用通用DSP开发视频系统，其灵活性较大，兼容性较强。对于不同的图象处理算法通常只需要求该算法程序即可实现系统升级完成不同的功能。第二，大多数的编解码器是运算密集型，而DSP就是设计与高效数学运算；第三，DSP内核提供了低功耗、低成本的最佳组合。但大多数的通用DSP芯片用于重复性较强的数据处理，其外设接口有限。1.2.3媒体处理器[4][5]传统的通用DSP芯片的片内外设接口有限，一方面需要较为复杂的饿外围电路构造视频的专用外围接口，在有的系统中使用CPLD/FPGA来配合DSP完成图象的处理，使系统的成本上升、开发的难度加大，另一方面因为缺乏身队图象位和字节操作的专门指令，使高速的DSP处理器在视频处理方面难有出色表现，因此，与专用芯片比较，在多媒体设备上，通用DSP芯片一直处于劣势。但是，对于可编程的媒体处理器灵活性的需求是日渐突出的。因为多媒体信号处理技术处于一个高速发展的阶段，各种国际标准共存，新标准不断出现，例如对于视频压缩编码，就有多种国际标准：H261、H263、H264等。优点在于：开发的周期较短，费用较低，而且产品易于维护和升级。缺点在于：由于随着食品压缩标准的不断发展和完善，算法的运算量和复杂度也就随之提升，因此在好多实时性要求较高的场合，这种途径已经很难满足现场的需求了。因此，该方法主要用语两种场合：算法开发初中期阶段及一些对实时性要求不高的领域。1.3.2基于专用视频图象芯片的视频处理系统该方法主要是指使一些专用的视频图象处理芯片来实现的对视频的压缩编码，这些专业的视频处理芯片主要指使用一些专用的视频图象芯片来实现对视频的压缩编码，这些专业视频处理芯片主要指具有特殊用途的数字信号处理器等。下面给出了基于专用图象编码芯片ADV601构成的视频编解码系统的框图。该系统在湖要完成视频图象的实时采集、压缩、解压缩、模拟视频的输出和数据传输等功能。在该系统中，采用了AD公司的小波食品压缩/解压缩专用芯片ADV601，它在系统中对视频解码器输出的TCrCb数据进行实时压缩/解压缩的作用。在系统中，视频输入可以是PAL制或NTSC制的模拟视频信号，输入的视频信号的制式由视频解码芯片自动检测，视频解码芯片主要完成对视频输入信号的A/D转换功能，同时分离出行、场同步信号，并提供27Mhz的系统时钟输出。视频解码芯片输出的数据直接输入到编码器ADV601，ADV601按MPEG-2标准完成数据的实时压缩。压缩后的数据通过数据总线送入DSP，在系统中DSP的主要功能是完成各外围芯片的初始化、时序控制以及数据的存储和转发功能；对于视频输出部分，由DSP将来自前端的压缩数据或者来自外部接口的数据送到另外一ADV601，这里ADV601完成数据的解压缩功能，解压后的数据放入一片视频编码芯片，由它可以直接提供全电视信号输出以及S端子输出。优点：通常，由于芯片的开发商已经在芯片内部通过硬件将算法加以实现，因此RruRBT656模拟视频信号视频解码芯片视频编码芯片DSP专用视频图象芯片ADV601模拟视频信号专用视频图象芯片ADV601RruRBT656用户只需要选取合适的芯片后将数据输入即可，即用户在系统开发中参与的工作很少。缺点：系统的实现的开销太大；算法已经固化，第三方难以进行开发，灵活性差。所以，这种方法一般应用于那些对系统处理实时性要求很高的场合。1.3.3基于高速DSP的视频采集系统软硬件相互结合实现可以分为两类：一类是通用数字信号处理器与高级语言性户结合来进行压缩编码系统开发；两一类是用FPGA等可编程阵列产品结合其相应的开发语言来进行系统的开发。目前，随着集成电路设计与制造技术的飞速发展，这些芯片的集成度、数据吞吐能力及运算速度等都得到了很大的提高，而成本降低了很多。同时吸取了前两种方法的优点，又很好地弥补了其不足之处，系统硬件定型后，产品的升级只需要对软件进行修改即可，因此应用前景很好。下图给出了基于告诉DSP的视频采集系统框图，该系统完成视频图象的实时采集、除数以及各种视频压缩算法和图象处理算法的实现，根据不同的应用，在DSP中可以编制不同的图象处理程序，相比基于专用视频图象芯片的视频处理系统而言，该系统具有很大的灵活性。系统的视频输入为模拟视频信号。视频解码芯片完成视频信号的A/D转换，为后续处理提供数字视频数据，同时它还分离出行、场同步信号供CPLD/FPGA使用。CPLD/FPGA负责将数据写入FIFO中，并控制祯的输入比率。对于不同的输入制式，不同的采集要求和不同的处理要求，FIFO完成输入和输出数据的缓冲。在该系统中，如果采用新型媒体处理器完全可以省去CPLD/FPGA和FIFO。2.DSP芯片的分类[7][8]DSP芯片可以按照以下的三种分类方式进行分类。2.1.按数据类型分按照所支持的数据类型不同，DSP分为定点DSP和浮点DSP。定点DSP进行算术操作时，使用的时小数点位置固定的有符号数或无符号数，浮点DSP模拟视频信号视频解码芯片视频编码芯片FIFODSPCPLD/FPGAFIFO模拟视频信号进行算术操作时，使用的是带有指数的小数，小数点的位置随着具体数据的不同进行浮动。定点器件在结构上比浮点器件简单，具有价格低速度快的特点，因而应用的最多。而浮点器件的优点是精度高，不需要定标和考虑有限长效应，但是其成本和功率消耗相对比较高，速度比较慢，适合于对数据动态范围和精度要求高的特殊应用。2.2.按用途分各个厂家根据用户的需要设计了各种用途DSP，根据CPU的性能、片内存储器容量以及外设接口方面将自己产品划分为不同的系列。如TI生产的用于音频和通信的C54×、C55×；用于生物检测的C67×；用于工业生产的LF/C240×、C28×；用于视频和图象的各个用途的C62×、C64×、DM64×、DaVinci等。2.2.3.系统DSP选型[9][10][11][12][13]在设计一个DSP处理系统时，其首要任务就是确定DSP的型号，只有选定了DSP芯片的型号，才能进一步设计其外围电路。总的来说，DSP芯片型号的选择应根据实际的应用系统需要而确定，对于不同的DSP应用系统由于各自得应用场合，应用目的皆不同，DSP芯片的选择也将有所不同。一般来讲，DSP芯片的选型主要从以下几个因素考虑。1.DSP的运算速度。运算速度是DSP芯片的一个重要的性能指标，也是DSP选型所需考虑的一格主要因素；2.DSP芯片的运算精度和动态范围；3.DSP芯片的接口功能。主要考虑是否便于和所需外部设备接口，如串行通信接口，各种存储器接口等；4.DSP芯片的开发工具和开发软件；5.价格因素。芯片的价格直接影响芯片的推广程度和设计方案的产品化；6.除了以上因素，还应该考虑DSP芯片的功耗，封装形式，供货情况，技术支持以及是否有工业级或军品级芯片提供等等。最后为了便于视频信号的采集和输出，DSP应具有视频外接口，这样的系统不需要复杂的外围电路，就可以与视频编解码芯片无缝连接，相对于视频输入，输出处理模块采用分立元件，缓冲器和逻辑控制器件的传统方案来说，电路简化，成本低，可靠性高，开发周期短，供货渠道以及DSP的，在本文中选用TI公司的高速数字媒体处理器TMS320DM642。三、设计（研究）的重点与难点，拟采用的途径（研究手段）：根据系统任务要求和DSP系统的基本构成，设计DSP视频处理系统硬件框图如下所示。系统以数字媒体处理器TMS320DM642为核心，DSP外部扩展了存储器SDRAM和Flash，分别用于程序运用和程序存储。系统通过控制视频编解码器完成视频的采集和输出，构成硬件输入输出系统。四、设计（