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上海人学硕士学位论文数字化访客系统中基于a s i c 的图像压缩解压缩电路设计 摘要 随着小区宽带网络的发展，互联网络与人们生活日益紧密，利用互联网传 输视音频数据对小区进行管理己成为必然趋势。图像压缩解压缩系统作为数字 化访客系统实现图像处理的关键，是整个系统不可或缺的核心单元。它与视频 采集器、语音处理单元、网络接入器结合在一起，以互联网为网络传输平台， 共同实现了小区的可视访客系统。 论文阐述了图像压缩解压缩系统在小区数字化访客系统上的应用，给出了 系统的总体设计及其框架，按照功能模块划分，分析r 各模块的结构、功能、 工作原理等设计内容。本文在详尽论述了系统的硬件电路设计、印刷电路板制 作和硬件调试的同时，还全面描述了系统的可编程逻辑控制器件程序设计和 e z u s 3 的部分软件设计。 关键字： 图像压缩解压缩，a s i c ，z r 3 6 0 6 0 ，c p l d ，u s b 卜海大学硕士学位论文 数字化访客系统中基于a s i c 的舀像压缩解压缩电路设计 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e tn e t w o r k t h ei u t e m e th a sa l r e a d ye n t e r e di n t o t h ep e o p l el i v e b yt r a n s m i t t i n gt h ea u d i oa n dv i d e oi nt h en e t w o r k ，i ti si n e v i t a b l e t ou s et h ei u t e r n e tt om a n a g et h eu r t o w nb u s i n e s s b a s e do nt h ei n t e m e tn e t w o r k t h ec o m p r e s s i o na n dd e c o m p r e s s i o nu n i ti st h ec e n t r a lc o n t r o lp a r ti nt h eu p t o w n d i g i t a lv i s i t o rs y s t e m ( u d v s ) w h i c hi sc o m p o s e db yt h ei m a g ec a p t u r eu n i t ( i m u ) ， a u d i op r o c e s s i n gu n i t ( a p u ) a n dn e t w o r ka c c e s su n i t ( n a u ) i nt h i sp a p e r , t h ec o m p l i c a t i o no ft h ec o m p r e s s i o na n dd e c o m p r e s s i o ni nu d v s i sp r e s e n t e d c l a s s i f i e db yt h em o d u l e ，i ti n t e n s i v e l yd i s c u s s e st h es t r u c t u r e ，f u n c t i o n ， p r i n c i p l eo ft h em o d u l e s a l s o ，t h ep a p e rd i s c u s s e sc o n c r e t e l yt h eh a r d w a r ec i r c u i t d e s i g n ，p c bd e s i g na n dt h eh a r d w a r et e s t i n go ft h es y s t e m ，a n dt h es o f t w a r ed e s i g n a b o u tc p l da n de z u s bi se x p l a i n e di nd e t a i l e d k e vw o r d s ： l i n a g ec o m p r e s s i o n d e c o m p r e s s i o n ，a s i c ，z r 3 6 0 6 0 ，c p l d ，u s b i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：2 r 一，： 1 上海大学硕上学位论文数字化访客系统中基于a s i c 的图像压缩解压缩电路设计 1 1 引言 第一章绪论 近几年随着我国国民经济的发展和国家住房制度的改革，人民生活质量不 断提高，人们对住房条件的要求越来越高，对环境的舒适性、便利性、安全性 有了更高的要求，加之电子信息产业正快速发展并向人们生活的各个领域渗透， 与此相适应，各种不同档次的生活小区纷纷提出了自己不同的智能安全需求， 以实现对小区的统一、有序、智能、网络化的管理。本文所研究的数字化访客 系统就是为了适应小区智能化管理而设计的可视化系统【lj 【“。 在小区数字化访客系统的应用中，可视化是非常重要的一个环节，体现了整 个系统的人性化设计要求。它以互联网络为网络传输平台传输视频、音频数据， 使得小区安防系统和家庭安防系统联系在一起，住户共同参与构成智能小区的 多层防范体系。 本文设计了以高性能a s i c 芯片为主处理芯片的图像压缩解压缩系统，配合 使用视频采集器、语音处理单元、网络接入器等单元电路，可以有效实现可视 化功能和视频传输记录功能等。它不仅能实时、准确、高效的记录并传输图像 采集器所拍摄到的实时图像，而且系统实现简单、方便、可靠性高。同时，图 像压缩解压缩系统也可作为智能监控系统的核心处理单元，对智能监控系统的 发展将产生巨大的推动作用和经济效益。 论文在整个应用系统设计过程中，遇到最大的障碍是视频信息巨大数据量所 进行的采集、存储、处理和传输。因此，论文设计的图像压缩解压缩系统采用 高性能实时图像压缩芯片对视频摄像设备采集的数据进行压缩处理，进一步提 高了系统的实际应用能力，推动了系统的商业化、产品化。 1 2 课题研究的背景及其意义 图像压缩解压缩系统在小区数字化访客系统中的应用。目前，随着居民对 宽带数据的需求剧烈增长，使得视频图像方面的服务也不断扩宽和发展，为了 适应这些变化，以智能网络与布线系统为支撑平台的网络结构已经越来越多地 出现在住宅小区中。因此，为了适应智能小区的这些数字网络化要求，推进我 国小区智能化管理的进程，针对小区数字化可视访客系统中的图像压缩解压缩 系统的研究已刻不容缓。 同时，图像压缩解压缩系统在视频监控系统中也有广泛的应用。视频监控 系统的主要作用是对目标景物的实时监视和控制。其中，视频监控终端设备的 作用是为了清晰地获取图像信息并进行相应的故障处理，同时还可以把被监视 场所的图像全部或部分地记录下来，为日后对某些事件的处理提供方便条件和 重要依据。特别是画面分割器和录像设备、大容量存储器的出现，为实现对多 画面长时间连续监视和记录提供了极大方便口 ”。 数字化访客系统r l l 基于a s i c 的图像压缩解压缩电路设计 1 3 论文的主要工作 图像j 土缩解压缩系统是集中了多媒体技术、图像处理技术及网络传输技术 等一系列最新技术的新一代图像处理系统，其中涉及的关键技术除了数字图像 的采集、编码以外，还有宽带数据传输技术、大容量数据存储技术等等。 论文的主要研究内容可以概括为以下几个方面： 1 采用高性能a s i c 芯片作为图像处理核心，设计了小区数字化可视访客系 统的图像处理平台，配合图像采集器和图像显示器，有效的实现小区访客系统 的可视化，是智能小区管理系统发展的一个新的方向。 2 在研究j p e g 视频编码标准和u s b 体系结构的基础上，将整个图像处理 单元电路按照各部分功能划分为六大模块组成，并且分模块详细介绍了其结构 要求、器件选择、工作原理、电路原理图和控制操作等等。 3 根据系统要求，硬件设计部分完成了各模块的硬件设计、硬件调试和印 刷电路板的设计等：软件设计部分完成可编程逻辑控制器件程序设计和e z u s b 的程序设计。同时在论文中着重介绍了部分重要电路的具体设计方法以及相关 的软硬件测试。 4 同时，系统在实现时秉用了如下几个关键技术： 完成视频芯片和压缩芯片初始化操作，并存储大容量压缩数据到f l a s h ； 利用e z u s b 的u s b 口上传f l a s h 中的图像数据到p c ； 利用c p l d 实现y u v 到r g b 图像格式变换并驱动液晶l c d 显示； 沧文在四层电路板的布局、布线、器件安装调试等方面作了些工作。 1 4 论文的章节安排 第一章绪论，介绍了数字化访客系统在智能小区管理上的应用，并阐述了 本文所研究的图像压缩解压缩系统的背景及意义。同时简要叙述了论文的研究 内容和安排，为下文的详细叙述作铺垫。 第二章扼要介绍了j p e g 图像压缩算法、i i i c 总线和u s b 接口协议。 第三章介绍了系统方案选择及其总体设计方案思路，并对各模块的功能和 工作原理作j ，简单的叙述。 第四、五、人章详细介绍了系统各功能块的硬件和部分软件设计流程。其 中，硬件部分包括各模块的功能要求、器件选择、上作原理、电路原理图以及 控制操作等；软件设计部分则根据系统要求，完成可编程逻辑器件程序设计和 e z u s b 的u s b 接口程序设计。 论文第七章对全文进行简要总结，对系统的技术实现、功能扩展和应用领 论文第七章对全文进行简要总结，对系统的技术实现、功能扩展和应用领 域进行了展望。 上海人学硕上学位论文数字化访客系统中基于a s l c 的图像压缩解压缩电路设计 第二章相关原理介绍 2 1j p e g 压缩编码标准 j p e g 是联合图像专家组( j o i n tp i c t u r ee x p e r tg r o u p ) 的英文缩写，是国际标准 化组织( i s o ) 和c c i t t 联合制定的静态图像的压缩编码标准。j p e g 标准适用于 各种分辨率与格式的彩色和灰度图像( 对二值图像不适宜) 而且与相同图像质量 的其它常用文件格式( 如g i f ，t i f f ，p c x ) 相比，j p e g 是目前静态图像中压缩 比壤高的。正是由于j p e g 的高压缩比，使得它广泛地应用于多媒体和网络程序 中，例如h t m l 语法中选用的图像格式之一就是j p e g ( ：另一种是g i f ) 。这种选 择是显然的，因为i n t e m e t 网络的带宽资源非常宝贵，选用一种高压缩比的图像 文件格式是十分必要的。 j p e g 有几种模式，其中最常用的是基于d c t 变换的顺序型模式，又称为 基线系统( b a s e l i n e ) 。 有关j p e g 压缩原理的内容，请见参考文献 6 1 1 7 1 1 8 9 1 。 2 2u s b 总线协议 当今的计算机外部设备，都在追求高速度和通用性。为了满足用户的需求， 以i n t e l 为首的七家公司( i n t e l ，c o m p a q ，m i c r o s o f t ，i b m ，d e c 、n o r t h e r nt e l e c o m 以 及日本n e c ) 于1 9 9 4 年1 1 月推出了u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线1 协 议的第一个草案，专门用于低、中速的计算机外设。u s b 可把多达1 2 7 个外设 同时连到用户的系统上，所有的外设通过协议来共享u s b 的带宽，其1 2 m b p s 的带宽对于键盘，鼠标等低中速外设是完全足够的。u s b 允许外设在主机和其 它外设工作时进行连接、配置、使用及移除，即所谓的即插即用( p l u g & p l a y ) 。 同时u s b 与外设之间的连接更容易，与以往普通并行口( p a r a l l e lp o n ) * n 串口 ( s e r i a lp o r t ) 的连接而言，主要的优点是速度高、功耗低、支持即插即用和使用方 便等优点。 总的来说，u s b 总线的主要优势体现在以f 几个方面： ( 1 ) 速度：( 2 ) 总线拓扑体系：( 3 ) 即插即用；( 4 ) 低功耗；( 5 ) 标准接口 有关u s b 总线协议的内容和特点，请见参考文献 1 0 1 1 1 1 。 2 3u c 总线协议 i i c 总线是由p h i l i p s 公司开发的一种十分简便的两线双向串行通信总线，这 项技术适用于系统内部的集成电路控制，因此被称为内部集成电路总线。它通 过对器件进行软件寻址，避免硬件片选寻址，节约了通信线数，简化了硬件设 计并缩小了印刷板空间，极大推进了设计进程。在进行数字控制电路的设计中 解决了许多接口问题，因此受到越来越多的用户青睐，并被世界上许多半导体 上海大学硕十学位论文数字化- 方客系统叶1 基于a s i c 的图像压缩，伯 压缩电路设| 十 厂商接受。 另外，兼容i i c 总线的i c 芯片通过允许简单地构造设备变量和简易升级功 能增加了系统设计的灵活性。 有关i i c 总线协议的内容和特点，请见参考文献 1 2 1 3 1 4 。 上海人学硕士学位论文数字化访窖系统c 基于a s i c 的图像压缩解压缩电路设计 第三章总体方案设计思路 本章详细地介绍小区数字化可视访客系统的整体设计方案，并给出本文所设 计的图像压缩，解压缩系统的具体实现思路，通过分析三种可行性方案设计，进 一步确定了以高性能a s i c 芯片构建系统的核心处理平台，并给出了系统的硬件 结构框图。 3 1 数字化访客系统框图 访 客 小区数字化访客系统框图，如图3 1 所示。 划瓣攀拦胃 ll 二卜三竺! 竺p 1 一 划瓣霉拦男 l l 二_ 矧! ! ：竺! p 瓣霉篙骨 l lj p 刊! ! 竺竺p 图3 1 数字化可访客系统框图 小区数字化访客系统是以互联网为网络传输平台，传输语音和视频数据，实 现访客与用户之间的可视化通信，同时实现小区内部之间的一对一或一对多的 通信。其中，视频与音频数据能够保存到用户端，以实现小区留言功能和广播 功能等。音频数据应达到实时传输；视频图像经压缩处理后传输，画面连续性 能达到人眼可以忍受的程度。 如图3 1 所示，整个系统分成视频处理模块、音频处理模块、音视频分解 复合单元和嵌入式系统网络接入模块组成。 视频处理模块的功能是在访客端主要完成视频采集、图像解码与数字化、图 像压缩与解压缩等功能；在用户端还要完成图像显示、图像存储功能和图像传 海大学硕士学位论文数字化访客系统中基于a s i c 的图像压缩解压缩电路设计 输到p c 等功能。语音处理模块主要完成语音数据编解码功能。音视频分解复 合单元完成音视频数据码流的复合或分解功能。嵌入式系统网络接入器主要实 现了综合语音、数据、视频业务的有效网络传输，包括接收和发送有效网络数 据，实现视频信号的单向通信和音频与数据信号的双向通信。 本文的主要工作是设计小区数字化访客系统的图像处理模块，即图像压缩 解压缩系统。系统其它模块的实现则由课题组其他人员完成。 3 2 图像压缩，解压缩系统设计框架 根据上节介绍，本节将以小区数字化访客系统框图( 图3 1 ) 为基础，来设 计其图像处理平台，同时完成访客端和用户端的功能要求，实现图像信息的获 取、存储、处理和传送。 系统实际使用视频采集器来完成整个系统的图像采集功能，作为图像输入 设备；选用高性能处理器为核心加上其它功能芯片组成图像压缩解压缩系统， 来完成图像信息的数字化、存储、格式转换和显示功能；并将图像数据传输给 后端数据处理器完成数据的后期处理。 通过上述思路，本文设计了系统的整体框图，如图3 2 所示。整个系统由四 大功能模块组成：前端图像采集器i c u ( i m a g ec u p t u r eu n i t ) ，图像压缩解压缩 单元i p u ( i m a g ep r o c e s s i n gu n i t l ，后端数据处理器d p u ( d a t ap r o c e s s o ru n i t ) ，直 流电源模块d c ( p o w e rs u p p l y ) 。 图像采集器配备了微型长焦距摄像机，能实时拍摄物体的图像。它主要完 成图像采集功能，并传递图像的信息及时间地点等字符信息经串行通信口r s 2 3 2 给图像压缩解压缩单元i p u 。 图像压缩解压缩单元i p u 是整个系统的核心，主要功能有采样图像数字化、 图像显示、图像压缩及存储，并将压缩后的数据传输给音频、视频分解复合单 冗或经u s b 口传递给后端的数据处理器d p u 。 后端数据处理器d p u 完成数据的后期处理，通过u s b 输送图像到p c 完成 图像存储以备系统扩展功能使用。 电源部分d c 向图像采集设备和图像存储单元提供稳定电源。 图3 2 总体结构框图 上海大学硕上学位论文 数字化访客系统中基于a s i c 的图像压缩脯l 压绵电路设计 系统的总体结构框图如图3 2 所示。 由图可见，除电源之外，视频采集设备和图像压缩解压缩单元之间的接口 有两个，一是v i d e o i n ，模拟视频图像信号的输入接口；一是r s 2 3 2 接口，用于 传送相对应的图像信息，包括时间、日期等等。另外，图像处理单元和后面的 d p u 有一个u s b 接口，将存储于图像处理单元的图像及其图像信息传送至d p u ， 进行后续处理并更完好、持久的进行保存。图像压缩解压缩单元还要传输 p e g 码流到a v m u ，实现音视频复合码流。 图像压缩角￥压缩单元i p u 主要考虑完成两个功能。一是在采集图像压缩存 储的情况下，系统记录下图像数据经过压缩芯片处理后存储到f l a s h 芯片中； 二是要求采集的图像实时显示的情况下，则系统记录下视频图像信号经过压缩 和解压缩后经过液晶显示屏显示。从以上分析可以看出，整个系统应该涉及到 视频解码模块的设计、图像存储模块的设计、图像压缩模块的设计和u s b 接口 传输图像的设计。 3 3 可行性设计方案分析 根据系统总体结构框图( 图3 2 ) 可知，图像压缩，解压缩单元i p u 是整个系 统的核心，完成图像处理的大部分功能，因此，针对i p u 的可行性设计方案的 研究就成为系统设计的重点；方案核心是高性能图像处理器的选择。以下论文 将进一步以现在流行的高性能图像处理器为研究对象，着重分析三种图像压缩， 解压缩设计方案： ( 1 ) 基于d s p 处理器的压缩懈压缩设计方案 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 处理器以其高速、低功耗和高集成度在军事、 航天、图像处理等领域大显身手；随着半导体工艺的进步和工业民用领域的大 量采用，近几年来，d s p 价格大幅下调，而性能却不断提高，以不可阻挡的趋 势，进入通信、工业控制和消费领域，d s p 正日渐成为现代信息产业的重要基 石。从d s p 应用范围看，d s p 可分为通用d s p 和专用d s p 两种。其中专用d s p 往往是实现信号处理的某些专项功能，实现方式则往往是通用d s p 的掩模版本。 生产通用d s p 的主要厂家有t i 公司，a d 公司，m o t o r o l a ，l u c e n t ，其中t i 公 司著名的t m s 3 2 0 系列占据了国际市场接近一半的市场份额。 基于d s p 的图像压缩解压缩系统是以d s p 处理器为核心处理芯片，再加 上视频转换模块、图像存储单元和外围控制电路等部件组成。整个系统设计流 程如下：在p c 机上编写视频图像压缩算法，算法论证阶段，压缩算法转换成 d s p 处理器能够运行的代码，再进行d s p 算法代码优化，最后将优化的压缩算 法代码移植到d s p 处理器中用于压缩图像并构建成整个硬件系统。 使用d s p 处理器实现图像压缩算法有处理速度快、运算精度高、硬件扩展 功能强，可以方便实现图像压缩数据的后期处理和系统的扩展升级等一系列优 点。比如采集图像中对有用信息的提取、在采集图像中进行字符叠加、有效的 图像压缩格式转换等一系列后期处理。 此方案的整个硬件系统设计，压缩图像算法的编写和代码移植与优化是系 统开发的难点和重点。 海大学硕士学位沦文数字化访客系统中基于a s i c 的图像压缩解压缩电路设计 ( 2 ) 基于a r m 处理器的压缩解压缩设计方案 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是微处理器行业的一家知名企业，设计 了大量高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器、相关技术及软件。技术具有性能 高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费教育类多 媒体、d s p 和移动式应用等。a r m 将其技术授权给世界上许多著名的半导体、 软件和o e m 厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的a r m 相关技术及服务。 利用这种合伙关系，a r m 很快成为许多全球性r i s c 标准的缔造者。低价、低 能耗、高性能系统微处理器，配有c a c h e 、内存管理和写缓冲是a r m 处理器的 一系列优点。广泛应用于高级引擎管理、保安系统、顶置盒、便携计算机和高 档打印机中。 基于a r m 处理器的压缩解压缩系统是以a r m 9 为核心的控制处理器，再 加上进行外围视频输入输出电路构成的。a r m 9 处理器属于实时响应处理器， 处理速度快，系统时钟速率高，功耗低，控制方便等优点，完全满足图像处理 系统的需要和产品设计的要求。 但是，与a s i c 专用芯片相比，它的开发周期长、实时高速算法实现难度 大，而且在操作系统上移植算法有很多难点要去克服。 ( 3 ) 基于a s i c 专用芯片的压缩解压缩设计方案 a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 是为了满足一种或几种特定 功能而设计并制造的集成电路芯片，它密度一般都很高，一片a s i c 芯片就能取 代由若干中小规模集成电路芯片搭成的印刷线路板，甚至一个完整的数字系统 也能用一片a s i c 芯片实现。因此，使用a s i c 能大大减小系统的硬件规模，降 低系统功耗，提高系统的可靠性、保密性和工作速度。 基于a s i c 专用芯片实现图像压缩解压缩系统是以专用的图像压缩芯片为 主要的处理芯片，加上外围视频输入模块、视频输出模块和可编程逻辑控制器 件等部件组成。因为专用芯片不需要涉及到图像压缩的算法细节，只要对压缩 算法的原理和专用芯片使用说明进行研究即可，而且专用芯片电路控制简单， 易于操作，所以对于整个硬件系统设计来说，系统开发周期短、利于系统集成， 方便系统设计等优点。 在选用a s i c 专用芯片的系统设计中，可编程逻辑控制芯片的设计和视频图 像压缩芯片的控制是论文研究重点，并且视频模数转换芯片的设计和一些总线 控制接口协议也是课题研究的重点之一。 3 4 系统的硬件结构框图 系统的硬件模块组成如图3 3 所示，根据系统中各部分完成的功能的不同， 将之分为六大模块，分别为：视频解码与图像数字化模块( a d c ) 、图像压缩与 解压模块( j p e g ) 、图像显示保存与图像信号基色转换模块( d o b & l c d d ) 、图 像数据存储模块( f l a s h ) 、单片机功能控制与u s b 接口传输模块( m c u ) 以 及综合逻辑控制模块( c p l d ) 。 l ：海大学硕士学何论文数字化访客系统中基于a s i c 的图像压缩解压缩电路设计 图像压缩解压缩系统 刚冈 图3 3 硬件组成模块 根据图3 4 可得，系统硬件结构框图如下： 图3 4 硬件结构框图 如图所示，视频采集设备将摄像头所拍摄到的图像从视频信号输入接口 v i d e oi n 输入到图像存储压缩系统，由于视频采集设备所输出的视频信号是模拟 的，而图像压缩解压缩系统的处理操作都是基于数字信号的，因此，模拟视频 信号首先进入a d c 模块，进行视频解码和图像数字化处理( 即模数转换) ，输 出的数字视频信号格式符合c c i r - 6 5 6 标准。此时得到的视频解码数据量很大， 不利于数据的存储和传输，所以视频解码的数字图像信号要进入到j p e g 模块进 行图像压缩以减少数据量。 如果压缩后的图像数据需要存储保存，即视频信号进入f l a s h 存储器而不 直接进入d o b & l c d d 模块，不进行转换图像信号的格式；如果图像需要输出 显示，此时图像信号要通过另一块j p e g 芯片解压恢复原始图像数据，再经过 y u v 到r g b 信号的转换才能驱动l c d 屏。为了调试方便，图像存储系统还配 置了一个l c d 显示器，用于显示从d o b & l c d d 模块出来的视频图像。存储在 f l a s h 存储器的图像数据再经过m c u 模块的u s b 接口上传给p c 机，以后在 数字化访客系统巾基于a s i c 的图像压缩椭军压缩电路设计 p c 上完成图像建库、图像分割、图像识别等后续功能。 单片机功能控制与u s b 接口传输模块( m c u ) 以及综合逻辑控制模块 ( c p l d ) 是图像压缩解压缩系统的核心控制部件。其中，综合逻辑控制c p l d 模块产生各级控制信号，对视频信号的传送过程进行控制。m c u 模块有三个功 能，一是通过r s 2 3 2 接口完成系统与p c 机的通信，并控制其他模块的工作：二 是完成视频解码芯片和图像压缩芯片的初始化设置；其三是利用其u s b 接口将 存储在f l a s h 上的图像数据传送至p c 机上。 各模块具体的功能、构成、器件选择及工作原理等将在第四章作具体介绍。 上海大学硕士学位论文数字化访客系统中基于a s i c 的图像压缩解压缩电路设计 第四章系统硬件设计 系统的硬件结构框图如图3 4 所示。 如上一章所述，图像压缩解压缩系统分为六大模块。本章将对该六大模块分 别进行详细的介绍。 4 。1 视频解码与数字化模块( a d c ) 1 功能要求 由于前端图像采集器传送至图像压缩解压缩系统的视频信号是模拟图像信 号，而整个系统的图像数据处理都是基于数字化的，因此，系统设计首要解决的 就是将模拟视频图像信号转变为数字视频信号，并选择适合系统处理的图像数据 格式。这里的a d c 模块就是解决这些的问题，完成对模拟视频图像进行视频解码， 并数字化成c c i r6 5 6 ( 8 位1 格式。 2 芯片选择 视频a d c 模块选用p h i l i p s 公司的s a a 7 1 1 1 a 模数转换芯片，由它加上一 定的外围电路组成a d c 模块完成视频解码和数字化功能。 s a a 7 1 1 1 视频解码芯片具有四路模拟输入和内部选择模拟信号源，如 4 x c v b s 、2 x y c 或者( 1 x y c 和2 x c v b s ) 、两路模拟预处理通道对所选择的c v b s 或y c 通道可编程为静态增益控制或自动增益控制、内含两个8 位a d 转换器、 含片内时钟发生器、梳状滤波功能、行锁定系统时钟频率、数字p l l 可用来进行 行同步处理和时钟发生、可进行行场同步信号的检测、自动进行标准p a l 制式和 n t s c 制式之间的转换、片内进行亮度、色度、饱和度的控制、多种数据输出格式， 具体输出格式如下： ( 1 ) 4 ：l ：l 的y u v 格式( 1 2 位) ； ( 2 ) 4 ：2 ：2 的y u v 格式( 1 6 位) ； ( 3 ) 4 ：2 ：2 的y u v 格式 c c i r - - 6 5 6 ( 8 位) ； ( 4 ) 8 ：8 ：8 的r g b 格式( 2 4 位) ； 可通过i i c 总线接收外部控制器信号对这些输出格式进行选择 1 6 。 3 工作原理 a d c 模块的具体结构，如图4 1 所示。 模拟视频图 视频a d c 模块结构 图4 1 视频a d c 模块结构 数字视频数 据输出端 时钟同步 控制信号 上海大学硕士学位论文数字化访客系统中基于a s i c 的图像压缩墒引鼍骗电路设计 设计如图3 1 所示，信号i i c 和r e s 均来自m c u 模块，i i c 用于对s a a 7 1 1 1 a 进行初始化、亮度、对比度、饱和度的控制、信号输入源的选择控制、信号输出 格式选择控制等，r e s 则完成复位功能。s a a 7 1 1 1 a 的四路模拟视频信号输入端 口a 1 1 l 、a 1 1 2 、a 1 2 1 、a 1 2 2 ，这里只需选择其中的一路，即a 1 2 2 作为图像采集 设备模拟视频信号的输入，其余三个端口接电容滤波，以防止干扰。 信号进入s a a 7 1 1 1 a 后，进行模数变换处理。之后信号分为2 路，一路进入 实时视频预处理电路，在亮度、对比度和饱和度控制处理和取样滤波后，根据来 自1 2 c 总线控制信号，使模块输出的视频信号格式符合c c i r - 6 5 6 ( 8b i t ) 标准，数据 从v p 0 8 v p 0 1 5 输出( v p 0 0 v p 0 7 不用) 并进入后面的图像压缩与解压模块。 另一一路信号经过同步分离电路，产生行、场参考信号h r e f 和v r e f ，并与该 ：苍片产生的时钟信号l l c 、l l c 2 作为整个系统的基准信号均被发送到综合逻辑控 制模块c p l d 中。 s a a 7 111 a 芯片中的行参考信号h r e f 、场参考信号v r e f 、时钟信号l l c 、 l l c 2 都可由管脚直接引出，从而省去了以往时钟同步电路的设计，同时，系统内 部锁相环技术的集成更使其可靠性得到了很大的提高，并极大的降低了设计复杂 度。 4 电路原理图 视频解码芯片的电路原理图，如图4 2 所示。 图4 2 视频a d c 电路原理图 s a a 7 1 1 1 a 芯片的v p o 8 1 5 引脚通过总线d v 0 ：7 与压缩芯片引脚y o ： 7 相连，作为压缩芯片的原始图像来源。芯片的s c l 和s d a 引脚通过i i c 总线与 单片机的6 4 脚和6 5 脚相连，作为芯片初始化调试接口。芯片的引脚h r e f 、v r e f 、 上海人学硕士学位沦文 数字化访客系统中基于a s i c 的图像压缩，角 压缩电路设计 时钟l l c 、l l c 2 和r s t 0 都直接引出，通过t 7 1 1 1 总线，连接逻辑控制芯片的全 局时钟输入引脚，作为整个系统的基准信号使用。 a d c 电路原理图设计中应注意以下几个方面： ( 1 ) s a a 7 1 1 1 a 是增强型视频输入处理器，其外部供电需要模拟3 ，3 v 和数字 3 3 v ，同样地线也分为模拟地g n d a 和数字地g n d d ，因此，应该将数字3 3 v 接一个电感产生模拟3 3 v ，供系统使用。 ( 2 ) 为了方便调试i i c 总线，s c l 和s d a 应分别通过发光二极管接高电平以 提高调试效果。再次，将暂时用不到的管脚按要求接地或高电平，以减少干扰。 f 3 ) 应注意行参考信号h r e f 、场参考信号v r e f 、时钟信号l l c 、l l c 2 都 可由管脚直接引出，作为整个系统的基准信号均发送到综合逻辑控制模块中。 5 控制与初始化 s a a 7 1 1 1 a 的配置是通过i i c 总线完成的。e z u s b 单片机的6 4 脚和6 5 脚为 i i c 总线的数据线s d a 和时钟线s c l ，通过i i c 总线可以实现对s a a 7 1 1 1 a 的初 始化操作。同时，也可以通过m c u 其他i o 引脚，模拟i i c 总线进行数据传输。 1 ) i i c 总线设计1 1 2 。“】 i i c 总线采用双线传输，一根为串行数据线( s d a ) ，另一根为串行时钟( s c l ) ， 这两根线均为开漏结构或集电极开路输出，允许多个设备接入该总线。 f 1 1s d a ：串行地址数据输入数据输出端，这是一个双向传输端，用于 传送地址和数据进入器件或从器件发出数据。它是一个漏极开路输出端，因此要 求接一个上拉电阻到电源端。对一般的数据传输阶段，仅在s c l 为低期间s d a 才 允许变化，即s d a 线上的数据必须在时钟s c l 的高电平周期保持稳定。在s c l 为高电平期间的s d a 的变化用于标识s t a r t ( 开始) 和s t o p ( 停止) 条件。 ( 2 ) s c l ：串行时钟端，此输入端用在同步进入器件和从器件发出的数据。 在快速模式下频率可达到4 0 0 k h z 。 i i c 的总线状态定义，如图4 3 所示。 s c i , s n a t o )【a j 止竺、岸恃 l 嘲鞠蝴隧 ， - 图4 3 i i c 总线传送顺序 ( 1 ) 总线不忙( a ) ：数据和时钟线保持高。 ( 2 1 开始数据传送( b ) ：当时钟s c l 为高时，s d a 线由高到低的变化决定开 始条件。所有的命令必须在开始条件以后进行。 f 3 ) 停止数据传送( c ) ：当时钟s c l 为高时，s d a 线由低到高的变化决定停 止条件。所有的操作必须在停止条件以前结束。 ( 4 ) 数据有效( d ) ：在开始条件以后，时钟信号的高电平周期期间，当数据线 是稳定时，数据线的状态表示数据有效。在时钟信号低电平周期期间，数据线上 上海大学硕士学位论文数字化访客系统中基于a s i c 的图像压缩解压缩电路设计 的数据可以改变。每位数据需一个时钟脉冲。 每次数据传输在开始条件下启动，在停止条件下结束。在开始和停止条件之 f 司的数据字节的传输数目由主器件决定。在每一字节接收后，当寻址时，每接 收器件必须产生一个确认信号位。主器件必须产生一个与此确认位相应的额外时 钟脉冲。而且在响应时钟脉冲期间，接收器必须将s d a 线拉低，使它在这个时钟 脉冲的高电平期间保持稳定的低电平。当然，建立和保持时间必须加以考虑。若 不在从器件输出的最后一个字节中产生确认位，主器件必须发一个数据结束信号 给从器件。在这种情况下，从器件必须保持数据线为高电平，使得主器件能产生 停止条件。 2 ) 初始化操作 i i c 的操作数据格式，如图4 4 所示。 i i c 总线写操作顺序 叵 亘匝卫亟垂工工匦习】j 科d d r e s s 工巫三口巫亟巫画亟 亟圈固 i i c 总线读操作顺序 s虬a v ea d d r e s swa c ks s u r a d d r e s s a c k s l s r s l a v ea d d r e s sr a c k sd a t a ( nb y + 18 s )i a c km 】p 【 标注s ：开始状态 p ：停止状态 s r ：重复开始状态 a c k s ：从机产生应答信号 a c k m ：主机产生应答信号 s u b a d d r e s s ：子地址 s l a v ea d d r e s sw ：写从机地址 s l a v ea d d r e s sr ：读从机地址 图4 4 i i c 操作数据格式 s a a 7 l l l a 的初始化包括：输入通道选择、输出数据格式选择、亮度和色度设 置、同步信号设置等。除了初始化s a a 7 1 l l a 外，还需要检测s a a 7 1 l l a 的状态 寄存器，以其来判断当前是否有模拟视频信号输入。其中，s a a 7 1 1 1 a 的管脚i i s a 接地时，其设备地址为0 x 4 8 ，否则为o x 4 a 。在数据读写首个字节的第8 位表示 读写：0 表示写，1 表示读。根据需要可以对s a a 7 1 1 1 的状态寄存器进行设置， 例如设置寄存器o a h 、0 b h 、o c h 、0 d h 的值可分别用于调整编出信号的亮度、 对比度、饱和度、色度。s a a 7 1 1 1 a 寄存器功能介绍和设置参数见参考文献 1 6 】的 芯片手册说明。 通过设置，s a a 7 1 1 1 a 工作于一路模拟p a l 制式全电视信号输入，输出为 y u v 4 ：2 ：2 ( 8 b i t ) 数字视频输出。至于a d c 模块输出的数据码流的格式和显示格 式之间的转换将在后面的d o b 模块中介绍。 上海人学硕士学位论文 数字化访客系统中基于a s i c 的图像压缩解压缩电路殴计 4 2 图像压缩与解压缩模块( j p e g ) 1 功能要求 从数字视频解码与图像数字化模块a d c 输出的视频信号格式符合c c i r 一6 5 6 标准，数字视频信号的每场图像大小为7 2 0 2 8 8 2 = 4 1 4 7 2 0 b 。如果每幅视频图像 分奇偶2 场扫描输出，且每秒钟需要传输2 5 帧图像信号，每秒钟所要传输的数字 视频信号数据量超过2 0 m ，由此可见，模拟视频信号经过采样和数字化之后，必 须要对数字视频信号的数据进行压缩处理，以提高图像的传输时间，并减少所需 的存储容量。j p e g 模块就能够完成图像压缩功能。图像经过压缩后每场大小约为 2 0 k b ，压缩比大约为2 0 ：1 ，极大的减小了数据量，并且图像质量只有轻微改变。 2 芯片选择 图像压缩模块选用了集成j p e g 编解码芯片z r 3 6 0 6 0 。它是z o r a n 公司专为 计算机视频采集与编辑应用而设计的，可以方便地实现对视频信号的实时压缩侑￥ 压缩。 z r 3 6 0 6 0 芯片为1 0 0 引脚q f p 封装，其中v c l k 和v c l k x 2 是外部的时钟输 入，v c l k x 2 为视频时钟，对c c i r 数字视频格式，接2 7 m h z 时钟：v c l k 的频率是 v c l k 2 的一半，并要求与v c l k x 2 同步。s t a r t 、f r a m e 等为外部的控制信 号。z r 3 6 0 6 0 的接口可分为视频接口、主机接口和代码接口三部分。视频信号由 视频接口输入输出，对芯片的控制字通过主机接口写入读出，在主动方式下j p e g 码流通过代码接口输入输出：在被动方式下，代码传输是通过主机接口和代码接 口共同完成的【j 。 3 工作原理 压缩j 卷片的具体结构，如图4 5 所示。 a d c 数字 图像信号 综合逻辑 控制c p l d m c u ( e z 单片机) v p 0 8 文p 0 1 5 - ， c o d e 0 ：7 f i h s y n c v s y n r z r 3 6 0 6 0 l l c 2 一j p l l c j # c b u s y j i r q d a t a 0 ：7 h e n d e o i c o m p a d d r o a d d r l7 l j 、 、一， 1 1 nn 乐妤苦特| 足 i fp 图4 5z r 3 6 0 6 0 的结构框图 视频图像 压缩信号 综合逻辑 控s u c p l d 如图所示，z r s 6 0 6 0 芯片的正常工作需要控制输入时钟、片内寄存器初始化 设置和两片芯片之间的数据传递。s a a 7 1 1 1 a 芯片中的行参考信号h r e f 、场参考 信号v r e f 、时钟信号l l c 、l l c 2 都可由可编程逻辑器件模块一一对应的引入到 视频压缩芯片z r 3 6 0 6 0 的行同步信号h s y n c 、场同步信号v s y n c 、时钟信号 v c l k 、v c l k 2 ，完成芯片的视频输入信号的时钟控制。z r 3 6 0 6 0 芯片通过m c u 单元模块的d a t a 0 ：7 数据总线、地址选择控制线a d d r 0 ：1 1 和读写控制线r d 、 上海大学硕士学位论文 数字化访客系统中基于a s i c 的图像压缩解压缩电路设计 w r 完成内部寄存器的初始化设置，将z r 3 6 0 6 0 设置为视频同步从模式、8 比特 视频总线宽度、8 比特代码从模式。压缩芯片输出数据一路送到存储单元f l a s h 中，另一路数据输出到逻辑控制单元经过y 【v 到r g b 的格式转换后再送到l c d 显示。 考虑到将来硬件调试和硬件扩展的方便，在设计整个硬件系统，采用两片 z r 3 6 0 6 0 芯片。一块芯片只用于视频图像压缩，另一块也只用于压缩数据的解压 缩。这样，系统在初始化时通过不同的片选信号c s 0 、c s l 分别选中一块芯片进 行初始化。初始化后的一块芯片负责压缩芯片自动检测是否有数字信号输入，一 旦有信号，就按照芯片内部寄存器的设置进行压缩输出；而负责解压缩的芯片因 为在设置已经知道图像压缩码流格式的情况下，自动检测是否有压缩码流输入， 如果有