视频监控系统硬件设计.doc

存档日期存档日期 存档编号存档编号 徐徐 州州 师师 范范 大大 学学 本科生毕业论文 设计 论论文文题题 目目 视频监控系统硬件设计视频监控系统硬件设计 姓姓 名名 孙孙 静静 院院 系系 电电气气工工程程及及自自动动化化学学院院 专专 业业 自自动动化化 班班 级级 07 电电 51 指指导导老老师师 李李旭旭超超 徐州师范大学教务处印刷徐州师范大学教务处印刷 I 摘摘 要要 随着社会发展 科技进步 人们的生活水平显著提高 并对工作生活环境中 安全防范方面的意识及需求也显著增加 由此 信息处理技术特别是视频信息 处理技术得到了飞速的发展 这时的视频处理技术成为研究的热点 并已广泛 应用于视频会议 安全防范等多媒体信息生活方面 多媒体信息的处理与传统 信息的处理相比最大的不同在于多媒体信息处理特别是视频信息需要处理的信 息量极大 所以要求处理设备的数据吞吐量极大 而且处理速度要极快 以往 国内使用的视频监控系统大多数是基于模拟技术 20 世纪 90 年代末 网络带 宽 计算机处理能力和存储容量的迅速提高 再加上数字多媒体在压缩和通信 算法领域取得的显著进步 这就促使视频监控系统从模拟技术时代进入数字化 网络时代 即数字视频监控系统 目前 大多数的数字视频监控系统是基于 PC 机的图像采集卡进行视频图 像采集 但存在以下的一些缺点 如系统稳定性差 携带不方便 成本高 而且 在恶劣环境下性能较差等 为了克服这些缺点 在研究人员的深入研究下 利用 迅猛发展的超大规模集成电路和嵌入式集成电路 TI 公司的 DSP Motorola 公 司的 PowerPC 等功能强大的嵌入式处理器被研发出来 投入市场 且价格越来 越低 丰富的外设接口和高度的可编程性使得视频监控的硬件和软件都更容易 实现 不仅如此 将这种嵌入式处理器应用到视频监控系统中还克服了上述基 于 PC 机系统的诸多缺点 正是由于越来越高的性价比加上体积小 成本低等 独特优势使得嵌入式芯片在视频监控领域也渐渐占有了一席之地 本论文主要研究并设计了一个嵌入式视频监控系统 它的主控芯片采用了 TI 公司推出的专用多媒体处理芯片 TMS320DM642 本文先通过最小系统设计 其中包括 DSP 电源电路 复位电路等几部分 然后对外围设备进行扩展 包括 视频电路 音频电路 本地存储电路 以太网传输电路 UART 传输电路 最 后讨论了 TMS320DM642 处理器通常采用的 CCS 软件开发平台 关键词关键词 TMS320DM642 DSP 视频监控 II Abstract With the social development scientific and technological progress people s living standards have markedly improved and working and living environment security awareness and a significant increase in demand As a result information processing technology especially video information processing technology has been rapid development when the video processing technology as the research focus and has been widely used in video conferencing security and other multimedia life Multimedia information processing compared with the traditional information processing is the largest multimedia information processing of different video information need to be addressed in particular the enormous amount of information so the data throughput required a great deal of equipment and processing speed to be fast The past video surveillance systems for domestic use are mostly based on analog technology the 20th century late 90s network bandwidth computer processing power and storage capacity of the rapid increase combined with digital multimedia and communications algorithms in the field of compression achieved remarkable progress which to make video surveillance system from analog technology into the digital era of the Internet age the digital video surveillance system Currently most of the digital video surveillance system is PC based image capture card for video image capture but there are some shortcomings below such as poor stability of the system carry convenient high cost and poor performance in harsh environments such as To overcome these shortcomings the researchers in depth study using the difference between the rapid development of large scale integrated circuits and embedded integrated circuits TI s DSP Motorola s PowerPC embedded processors such as the powerful have been developed put market and prices getting lower and lower rich and highly programmable peripheral interface makes video surveillance hardware and software are easier to achieve not only that this kind of III embedded processors applied to the video surveillance system also overcome PC based system these many shortcomings It is coupled with the increasingly high cost small size low cost makes embedded chips unique advantages in video surveillance has gradually occupied a space In this thesis and to design an embedded video monitoring system which uses the main control chip TI has introduced a dedicated media processing chip TMS32ODM642 This article first by minimizing the system design including DSP power supply circuit reset circuit reset circuit and other parts and then be extended to peripheral devices including the video circuitry audio circuitry local storage circuit Ethernet transmission circuits UART transmission circuits Finally the discussion in the design of high speed PCB and the module needed to pay attention to a mixture of some of the problems and analyzes the work of all the expansion interface circuit timing Key words TMS320DM642 DSP Video Surveillance System IV 目目 录录 摘摘 要要 I I ABSTRACT IIII 1 绪论绪论 1 1 1 研究视频监控系统的背景及意义 1 1 2 研究视频监控系统的现状及发展 2 1 3 本论文的工作内容及结构安排 3 2 方案的确定与系统介绍方案的确定与系统介绍 5 2 1 方案的选择与确定 5 2 2 TMS320DM642 的介绍 5 2 3 系统结构 11 3 最小系统设计最小系统设计 13 3 1 电源模块 13 3 2 系统时钟电路 14 3 3 JTAG 接口电路 15 3 4 内存扩展接口 EMIF 16 3 5 系统配置 23 4 外围电路设计外围电路设计 25 4 1 I2C 总线 25 4 2 视频采集模块 27 4 3 视频播放电路 31 4 4 PCI HPI EMAC 模块 35 V 5 集成开发环境集成开发环境 CCSCCS 36 5 1 软件环境介绍 36 5 2 实时操作系统 DSP BOIS 36 5 3 软硬件调试的系统实现 38 5 4 驱动程序 38 6 结论和展望结论和展望 40 致致 谢谢 41 参考文献参考文献 42 附录附录 43 徐州师范大学本科毕业设计 视频监控系统硬件设计 1 1 绪论 1 1 研究视频监控系统的背景及意义 随着科技的迅猛发展 社会生活随之改变 在解决物质生活问题之后 人 们的安全意识也不断提高 目前安全问题已成为社会关注的焦点 应用现代科 技解决安全隐患等问题是社会发展的必然趋势 而且 随着第五次产业革命的 浪涌 信息化 数字化大崭露头角 展现其无穷魅力和发展潜力 工业企业自 动化 信息化快速发展起来 现代生活的智能化日趋完善 也一步一步踏进并 影响着我们的生活 视频监控技术以直观 方便 信息内容丰富等优点随着这 次国际潮流应运而生 得到广泛应用出现在社会安全防范 交通管理 大型超 市禁窃及军事勘察等各个领域 近些年来 互联网大范围普及 计算机技术 图像处理技术 网络和传输技术日新月异的发展 带动视频监控技术跟上社会 步伐 众所周之 视频监控技术已经深入渗透我们的生活中 在教育 政府机 关 医疗场所 酒店 运动场馆 各种娱乐场所及治安领域随处可见 近年来 中国安全防范在越来越多的现代化改造与建设的企业中得到重视 并且占却来越多的预算比重 视频监控是擦很难过受到 平安城市 2008 北 京奥安防项目及各大行业及项目急速增长原因的刺激和强制拉动下 市场规模 迅速扩大 迅速发展起来 机场 地铁 旅游景区都新设 安防 视频监控设 备 随着覆盖要求广 控制点数增加 网络传输 I O 要求不断的提高 网络视 频监控成为了当前中国市场的重要拉动因素 伴随着市场的快速发展 浮现出 相应的问题与挑战 然而在这一过程中 也创造了相应的机遇 根据社会对视 频监控技术的要求来说 概括有 一 要求监控范围更广 而且在同一个整套 系统中覆盖面及距离提出更具体要求 二 要求监控系统要与网络化结合 要 求达到管理信息化 智能化 系统可以存储和传输大量监控信息 进行自动处 理 系统管理各级人员达到资源共享 使服务更快捷 更方便 更有效 二十世纪八十年代 视频监控技术兴起 继而 后来的不断发展 模拟监 控系统和以 PC 机为平台的显卡数字监控系统已不能满足人们的生活 因为这 两种技术硬件设备实时性不高 存储能力不强 携带不方便 安装麻烦 新一 代的视频监控系统在超大规模集成电路和嵌入式技术快速发展的条件下 嵌入 徐州师范大学本科毕业设计 视频监控系统硬件设计 2 式数字视频监控系统 嵌入式视频监控系统有以下有点 一 这种系统的硬件与处理器和软件结合 较为紧密 有很强的专一功能 对其他模块干扰性不强 二 由于其功能单一 只要算法选择正确 系统实时性就能得到保障 总体来说 嵌入式视频监控技术对社会有着重要意义 它可以广泛用于各 个行业如超市 家庭 小区 校园等 有效预防突发事件发生 维护社会稳定 团结 1 2 研究视频监控系统的现状及发展 随着社会的发展进步 视频监控技术由于方便 实时性能好 直接等优点 不但被现代大工厂 娱乐场馆等公共场所广泛应用 而且也出现在私人家庭 公司办公等地方 视频监控越来越靠近人民的生活 由此 人们随着科技 意 识等发展和进步 对视频监控系统的要求也随之改变 总体来说 视频监控系 统经历了模拟时代 半数字时代 全数字时代三大发展历程 第一代视频监控系统 20 世纪 80 年代的视频监控系统比较简单 采用同 轴电缆 采用摄像机 电缆 录像机 监视器这些当时的专用设备 这是一个 传统的模拟闭路视频监控系统 随后出现了矩阵视频监控系统 提高了效率 方便了管理 因为这个系统将任意一个输入通道切换到任意一个输出通道 但 这个系统受到模拟视频缆传输长度和和放大器的限制 监控范围受限制 而且 矩阵联网限制了它的可扩展性 因此 要想发展视频监控技术就必须解决这些 问题 第二代视频监控系统 半数字视频监控技术 所谓半数字视频监控技术 就是在原有的模拟视频监控技术上采用数字硬盘录像机 但仍采用同轴电缆传 输视频信号 这个半数字视频监控系统方案还是需要在每个摄像头上安装单独 的视频电缆 同时 光端机的出现解决了视频监控系统不能远距离传输的问题 采用复用技术进行传输 扩大了传输容量和质量 同时 也扩展了传输业务种 类 初级矩阵之间的联网是通过 RS232 484 通讯的 但传输速度低 不支持远 程传输 联网规模受到限制 后来 发展了 IP 通道 控制通道和视频数据通道 分开传输 增强了视频联网能力 但这种都是基于模拟矩阵 模拟视频技术已 徐州师范大学本科毕业设计 视频监控系统硬件设计 3 经接近极限 无法去解决现在的视频监控系统存在问题 因此 需要另辟新径 开发新型视频监控系统技术 第三代视频监控系统 全数字时代视频监控系统 视频从图像采集即为数 字信号 网络传输 基于国际 TCP IP 协议 采用流媒体技术实现多路复用传 输 通过网络虚拟矩阵 对整个监控系统进行控制 调度 存储等 现代的视 频监控系统已渐进入了全数字时代 可以进行报警 巡视 门禁等功能大多实 际应用于安防系统 视频监控系统随着时代潮流 现在正向网络化和全数字化全面发展 随着 光纤网络的发展保证了视频监控画面的清晰性 实时性 安全性 各项技术的 结合应用 促使着视频监控技术向着远距离 广范围 功能多 平台大 速度 快 网络化的方向发展 1 3 本论文的工作内容及结构安排 视频监控技术经历三个发展时代 每个时代都有显著的优点和缺点 对每 个时代的优缺点进行概括和总结 利用现代先进和不断发展的技术进行改进和 革新 这样视频监控技术才得以前进 更全方位的为人们服务 综合上文 我 们看到视频监控技术要求 稳定性要好 帮助相关工作人员即使在恶劣的环境下也能够稳定工作 节约成本 扩大数据传输距离 可进行远距离操作 视频数据可存储 可以直接连接到网络 本文主要的内容安排如下 第 1 章 绪论 本章主要介绍视频监控系统的背景及意义 以及视频监控 技术三大发展历程并分析了视频监控系统在相应时代存在的系统有缺点 最后 展望了视频监控技术及其系统的发展方向 然后布置了论文的结构安排 第 2 章 方案确定及系统介绍 本章主要确定方案并选定 TMS320DM642 为核心的视频监控系统 并了解 DM642 的构成 徐州师范大学本科毕业设计 视频监控系统硬件设计 4 第 3 章 最小系统介绍 设计 DM642 的最小系统组成 包括电源模块 系统时钟模块 JTAG 电路 EMIF 电路 SDRAM 存储电路 FLASH 存储模 块等详细设计过程 第 4 章 外围模块介绍 设计视频采集电路 视频输出电路 I2C 总线的 设计过程 第 5 章 集成开发环境 简单的介绍了软件的开发环境 徐州师范大学本科毕业设计 视频监控系统硬件设计 5 2 方案的确定与系统介绍 2 1 方案的选择与确定 设计视频监控系统有以下三种方案 1 基于 PC 机的视频采集系统 这种方案以 PC 机为核心的视频采集系统非常普遍 利用视频采集卡采集 采集数字化信号 通常基于 PC 机的视频采集系统使用 32 位的 PCI 总线 采取 插卡方式进行通讯和数据传输 这种视频监控系统开发周期短 成本少 而且 易于维护 升级 但其缺点就是算法复杂麻烦 对于一些现场要求较高的场合 难以满足要求 2 基于专用芯片的视频处理器组成的系统 这种设计系统主要是用一些专用视频图像处理芯片 这里专用的视频图像 处理芯片主要指数字信号处理器 DSP 来完成对视频压缩编码 DSP 结合外部 专用图像编码芯片构成视频编解码系统 这种系统的优点是在特定场合 开发 商已经将算法设计好 用户在使用时只要在使用时只要选择输入数据 使用很 方便 当然他的缺点也就显现出来了 由于厂家已经将算法固定在芯片内 用 户无法根据场合自己或一些特定场合灵活设计 3 基于高速 DSP 视频采集系统 基于以上两种视频采集系统方案的优缺点 高速的 DSP 视频采集系统有一 定的硬件后 同时又结合软件 可以进行软件升级 有较好的前景 本文是基于高速 DSP 视频采集芯片的视频监控系统硬件设计 2 2 TMS320DM642 的介绍 2 2 1 DSP 与 TMS320DM642 的性能特点 随着技术的高速发展 数字信号处理器 DSP 的应用范围越来越广 普及 率越来越高 DSP 芯片主要分为以下两大类 徐州师范大学本科毕业设计 视频监控系统硬件设计 6 1 专用 DSP 芯片 这类芯片被设计和加工成独立的电路模块 只能完成 功能单一的任务 应用场合也比较特殊 常用于高速信号处理环境中 2 通用可编程数字信号处理器 这类芯片通过嵌入内部的程序来调用自 身的硬件资源 使用起来时更加的灵活 应用领域相应也更加广泛 DSP 的生产厂家有很多 TI 公司是 DSP 芯片主要生产厂家之一 TMS320DM642 是 TI 公司于 2003 年左右推出的一款 32 位定点 DSP 芯片 主 要面向数字媒体 TMS320DM642 内核和片上资源如图 2 1 所示 工作频率由 内部倍频器设置 可达 500MHz 600MHz 或 720MHz 相应时钟周期为 2ns 1 67ns 1 39ns 每秒可执行指令数 4000MIPS 4800MIPS 和 5760MIPS DM642 采用 TI 公司第二代增强型超长指令集 其 EMIFA 接口数 据总线宽度为 64 位 最高数据存取频率 133MHz 可直接与大容量 低成本的 SDRAM 芯片无缝连接 DM642 片上带有 3 个双通道 A B 两通道 数字视 频口 可同时处理多路视频流 片上带有多通道串口音频接口 可同时处理四 路立体输入 输出音频信号 DM642 拥有 I2C 接口 可以与外部 I2C 设备通信 多用于配置外部 I2C 总线设备的寄存器 DM642 的网口 EMA 接口 PCI 接 口和 HPI 口共享引脚 TMS320DM642 的片上存储空间分为 L1 存储区和 L2 存 储区两部分 L1 存储区又分为程序存储空间和数据存储空间 程序存储空间和 数据存储空间的容量均为 16K 8 位 L2 存储区为单一的 RAM 其容量为 256K 8 位 L2 的存储区管理外部扩展的数据存储器和程序存储器 DM642 的片上资源归纳为 1 1 3 个可编程视频端口 VP0 VP2 这些视频能够与通用视频编 解码 芯片无缝连接 支持多种视频分辨率及视频标准 如 BT 656 数据格式 原始视 频数据格式 raw video data 和 TSI 数据格式 2 1 个 10 100M 以太网接口 EMAC 接口 符合 IEEE 802 3 标准 3 1 个多通道串行音频接口 McASP 支持 I2S DIT S PDIF IEC60958 1 AES 3 CP 430 等音频数据格式 4 2 个多通道串行接口 McBSP 这两个串行接口采用 RS232 电平驱动 5 1 个 VCXO 内插控制单元 VIC 支持音视 频同步 6 1 个 32 位 66MHz 3 3V 主 从 PCI 接口 遵循 PCI2 2 标准 徐州师范大学本科毕业设计 视频监控系统硬件设计 7 7 1 个用户可以配置的 16 32 位主机接口 HPI 8 1 个 16 位通用输入输出端口 GPIO 9 1 个 64 位外部存储器接口 EMIFA 该接口能够与异步存储器 SRAM E2PROM 及同步存储器 SDRAM SBSRAM ZBT SRAM FIFO 无缝连接 外部存储器最大可寻址空间为 1024MB 10 1 个具有 64 路独立通道的增强型 EDMA 控制器 11 1 个数据管理输入 输出模块 MDIO 12 1 个 I2C 总线模块 13 3 个 32 位通用定时器 14 1 个符合 IEEE 1149 1 标准的 JTAG 接口 EMIF接口 定时器0 1 2 内插控制单元VCXO 20位的视频口VP2 20位视频口VP0 串口 McBSP0和音频控制端口 McASP0引脚复用 20位视频口VP1 串口 McBSP1和McASP1引脚 复用 66MHzPCI接口 HPI接 口 EMAC MDIO网口的引脚 复用 GPIO口 I2C接口 增 强 型 D M A 控 制 器 E D M A L2 高 速 缓 冲 区 内 部 存 储 器 L1高速程序缓冲区 取指令 控制寄存器 控制逻辑 译码 指令分发 测试 在线仿真 A31 A16 L1高速数据缓存器 A15 A0 B31 B16 B15 B0 L 1 S 1 D 1 M 1 D 2 M 2 S 2 L 2 PLL内部倍频盛典逻辑控制 启动配置 中断控制 C64xDSP内核 TMS320DM642 图 2 1 TMS320DM642 内核和片上资源 徐州师范大学本科毕业设计 视频监控系统硬件设计 8 2 2 2 DM642 内核和两级缓存机制 TMS320DM642 处理器采用 VelociTI 指令结构 1 优化 DM642 芯片的性 能 DM642 内核包括两个通用寄存器组 A 和 B A B 分别包括 32 个通用寄 存器 A0 A31 B0 B31 寄存器宽度为 32 位 通用寄存器 A 和 B 支持 C62x VelociTI 结构的 16 位 32 位和 40 位定点型数据格式 也支持 C64x 的 8 位和 64 位定点型数据格式 DM642 的片上存储器为 L1 和 L2 两部分 L1 存储区包括程序存储空间和 数据存储空间 程序存储空间和数据存储空间的容量均为 16K 8 位 L2 存储 区为单一的 RAM 其容量为 256K 8 位 L2 的存储区管理外部扩展的数据存 储器和程序存储器 CPU 请求数据的过程见图 2 2 CPU发出数据请求 数据在L1中 吗 数据在L2中 吗 向外部存储器发出请求数据 将数据送入CPU 将数据送入L1中将数据送入L2中 NO NO YES YES 图 2 2 CPU 在 L1 L2 两层缓存机制读取数的过程 2 2 3 EMIFA 接口 TMS320DM642 通过 EMIFA 接口访问外部存储器空间和 I O 空间 外扩的 存储器可以是 RAM 也可以是 SDRAM SBSRAM ZBT SRAM FIFO 和 FLASH EMIFA 接口除数据总线和地址总线外 还包括 3 种类型的功能引脚 徐州师范大学本科毕业设计 视频监控系统硬件设计 9 EMIFA 空间管理引脚 EMIFA 总线状态指示引脚和 EMIFA 存储器控制引脚 TMS320DM642 的数据总线宽度为 64 位 划分为 4 个存储空间 CE0 CE3 每个存储空间的大小为 256MB DM642 通过 EMIFA 接口扩展外部存储器时 使用 CE0 CE3 信号作为空间片选信号 可以把外扩的存储器映射在不同的空 间中 空间片选信号低电平有效 EMIFA 接口的数据宽度也支持 8 位 6 位和 32 位的数据 2 2 4 视频接口 TMS320DM642 处理器集成了 3 个功能丰富的视频接口 VP0 VP2 每个视 频口包括 20 路数据信号 VPxD 19 0 2 路时钟信号 VPxclk 1 0 输入引脚 3 路 控制信号 VPxCTL 2 0 每个视频口划分为 A B 两个通道 每个通道既可以 配置为视频输入口也可以配置为视频输出口 不过 A B 两个通道在使用过程 中必须设置为相同的类型的输入或输出 3 个视频引脚之间的复用关系如下表 表 2 1 视频口的功能分配 视频口名称通道第 1 功能第 2 功能 A视频口McBSP0 VP0B视频口McASP A视频口McBSP0 VP1B视频口McASP A视频口单独使用 VP2B视频口单独使用 2 2 5 PCI 接口 DM642 的 PCI 接口具有 32 位地址 数据复用的总线 最高频率可达 66MHz 可以设置主模式和从模式 将 DM642 与 PC 进行连接 功能如下 1 PCI 接口通过 EDMA 内部硬件地址发生器与 DM642 连接 这种结构允 许 PCI 工作于主模式或者从模式 2 配置寄存器部分内容支持从外部 E2PROM 加载 支持 4 wrie 串行 E2PROM 接口 3 PCI 复位时 E2PROM 接口直接由 PCI 接口管理 无须 DSP 干预 复位 后 DSP 软件可以控制 E2PROM 徐州师范大学本科毕业设计 视频监控系统硬件设计 10 4 突发主 从模式访问 DSP 整个片内 RAM 集成外设以及片外存储器 通 过 EMIF 2 2 6 HPI 接口 主机接口 HPI 为 32 位宽度的并行端口 通过主机接口 主机处理器可 以直接访问 CPU 的存储空间 在 DSP 与主机传送数据时 HPI 能自动地将 外部接口传来连续的 8 位数组合成 16 位数后传送给主机 此外 HPI 能够 作为从端口 使得主设备通过它访问DSP 通过 HPI 主控制器能够访问 DSP 的整个内存空间 HPI 主机主要有以下几部分组成 1 HPI 地址寄存器 HPIA 它只能由主机对其直接访问 该寄存器中存 放着当前寻址的 HPI 存储单元的地址 2 HPI 存储器 DARAM RAM 主要用于 DSP 与主机之间传送数据 也 可以用作通用的双导址数据 RAM 或程序 RAM 3 HPI 控制逻辑 用于处理 HPI 与主机之间的接口信号 4 HPI 控制寄存器 HPIC DSP 和主机都能对它直接访问 5 HPI 数据锁存器 HPID 它也只能由主机对其直接访问 如果当前进 行读操作 则 HPID 中存放的是要从 HPI 存储器中读出的数据 如果当前进行 写操作 则 HPID 中存放的是将要写到 HPI 存储器的数据 2 2 7 EMAC 接口 EMAC 接口主要用于和网络器件之间的连接 需要外扩相关的网络电路 控制网络芯片与 DM642 之间的数据包交换 DM642 的 EMAC 接口符合 IEEE 802 3 协议 支持传媒无关接口 MII 具有 8 个独立的发送与接收通道 支 持同步 10 100Mbit 的数据操作和广播 多帧传输格式 2 2 8 GPIO 接口 GPIO 接口包括 16 个输入 输出引脚 输入 输出 输入 输出 高阻 可以通 过编程设置 GPIO 接口部分输入 输出引脚与其他接口引脚复用此外 GPIO 外 设能够在不同中断 事件生成模式下产生 CPU 中断及 EDMA 事件 徐州师范大学本科毕业设计 视频监控系统硬件设计 11 2 3 系统结构 本论文主要是围绕以 TMS320DM642 为核心的嵌入式通用视频监控系统 系统具备多个扩展接口 实现根据实际情况灵活选用接口 能够实现多端口视 频实时采集 支持复杂的视频压缩算法 对监控对象实施全时间的信息采集 回放 存储 整个系统框图如图 2 3 在图中我们可以看到 1 SDRAM FLASH UART ATA 通过 EMIF 总线连接 2 PCI HPI EMAC 通过 PCI 总线连接 3 控制通道通过 I2C 总线连接 4 摄像头采用 CMOS 器件 5 JTAG 电路 时钟电路和电源复位电路都是通过 DM642 内部的专用接 口连接 DM642 视频采样器1 视频采样器2 视频采样器3 视频采样器4 摄像头一 摄像头四 摄像头三 摄像头二 FLASHSDRAM1SDRAM2 双UART RS232 EMAC接口 HPI 接口 PCI接口 ATA接口 电源复位电路 外部时 钟电路 系统配 置电路 JTAG接口 l 图 2 3 视频监控系统的结构框图 系统的整个工作流程描述如下 徐州师范大学本科毕业设计 视频监控系统硬件设计 12 DM642 的 3 个可编程视频端口都配置为 2 通道 其中 VP0 和 VP1 的 A 通 道都用于视频端口 VP2 的 A B 通道都用于视频端口 因此允许最多同时采 集 4 路模拟视频信号 系统上电或复位后 从 FLASH 加载程序 对芯片完成初始化操作 并对 外围芯片进行配置 然后就可以进行图像采集了 DM642 通过 I2C 总线对系统 的其他芯片进行控制 DM642 的 4 个视频接口与视频解码芯片 TVP5150AM1 连接 从外设的 CMOS 摄像头采集到的模拟信号经过 TVP5150AM1 芯片 A D 转换后成为 BT 656 格式的数字信号 输出地数字信号经过视频端口的内部 FIFO 缓冲后 由 DM642 的视频输入端口 经过基于 DM642 的软件编码器编码 压缩处理 生成数字视频码流数据有 4 种去向 第一种 通过视频编码器 本 设计采用 SAA7105 编码器 经数据数模转换后输出 PAL 制式信号 送入本地 进行视频实时显示 第二种 4 路解码器芯片输出的视频数据经过 DSP 内部软 件编码器编码压缩 通过 PCI 接口送到本地主机保存或者进一步处理 第三种 通过扩展的 ATA 接口将数据传送到 IDE 硬盘进行本地存储 第四种 经过 DSP 打包之后 经过以太网接口将数据送入远程服务器保存 视频模拟信号通 过音频编解码器进行数字化后 送入 DM642 进行处理或保存 需要回放时 由 DM642 将数字音频数据发送回音频编解码芯片 再进行模拟化 然后输出 视频 徐州师范大学本科毕业设计 视频监控系统硬件设计 13 3 最小系统设计 3 1 电源模块 电源模块的设计在整个系统中占有非常至关重要的地位 在设计中 我们 需要一个稳定 低噪音的电源供电 才能保证一个稳定的系统 保证系统功能 正常实现 否则 将无法达到预计设计效果 在进行电源模块设计时 要求从 以下两个方面考虑 1 DSP 芯片的供电需求 2 外围芯片的供电需求 本设 计电源模块主要有 供电电路和电源监测电路 3 1 1 供电电路 整个电路板是采用 5 的电压供电 供电来源有外部引入 也可以由 PCI 槽 引入 DM642 芯片需要 2 个独立的电压 12 CPU 内核电压 Cvdd 电压大小为 1 4V 外围 I O 电压 Dvdd 电压大小为 3 3V 这两个电压在供电时需要有严格 的顺序 CPU 供电一定要早于 I O 供电 最晚也要一起上电 这是因为 Cvdd 先上电 对内部芯片不会造成伤害 这样仅仅是外围 I O 不可以传输数据而已 而不会对芯片造成伤害 相反 如果外围 I O 上电比 CPU 早 那么芯片缓冲区 和驱动部分的三极管将处在一个未知的状态 这样对芯片的危害是很大的 因 此 在关闭电源时 要先关闭 I O 电源 再关闭 CPU 电源 但是当实际系统中 如果只能给外围 I O 先供电 那么只要保证在上电过程中 I O 电源不会超过内 核电源 2V 而且整个上电过程需要在 25ms 内完成 徐州师范大学本科毕业设计 视频监控系统硬件设计 14 VIN 1 PW RGD 2 SS EN 3 PH 4 RT 5 PG ND 6 TPS5431 0 1 VIN 1 PW RGD 2 SS EN 3 PH 4 RT 5 PG ND 6 TPS5431 0 2 71 5K 71 5K 5V 1 4V 3 3V RE SET 1 WD I 2 MR 3 VD D 4 GN D 5 TPS3823 33 RE SET WD I 3 3V J13 J12 图 3 1 电源设计模块供电电路和监测电路 在设计中 采用 2 片 TI 公司专为高性能芯片设计的 TPS54310 芯片 芯片 的输入采用 3 引脚 输出采用 5 引脚 这样很有利于调高电压和电流的通过率 并且易于芯片散热 电源设计如图 3 1 所示 为了解决电源上电顺序的问题 将 TPS54310 1 的 PWRGD 引脚和 TPS54310 2 的 SS EN 引脚相连 只有当 TPS54310 1 的稳定输出电压高于 1 4V 时 TPS54310 1 的 PWRGD 引脚才输出高电平送到 2 的 SS EN 引脚 当这个 值高于 1 2V 时 芯片 2 才开始工作 这样就保证了内核上电一定早于外围 I O 上电 3 1 2 电源监测电路 为了保证芯片在没有接收到稳定的电源时 不会产生失控状态 需要在系 统中加入一个电源检测电路 这样系统的芯片在任意的时刻都可以通过复位来 调整工作状态 这样 在 Cvdd 和 Dvdd 达到要求的电平以前 DSP 一直保持复 位状态 TI 公司的 TPS3823 33 芯片 其复位时间长达 200ms 能满足系统中芯 片的复位要求 同时 这个芯片内部有看门狗电路 WDI 引脚用来接收 CPU 的信号 随时监控程序运行 防止跑飞 3 2 系统时钟电路 TMS320DM642 处理器及外围电路往往需要不同频率的时钟 为了提供这 些时钟 一种方法是采用标准晶振 但是标准晶振很难满足特殊频率的要求 如编 徐州师范大学本科毕业设计 视频监控系统硬件设计 15 表 3 1 CY22381 的引脚配置 配置内容CY22381 l CY22381 2 CLKA MHz 25 000030 7222 CLKB MHz 50 00003 5777 CCCLKC MHz 133 000014 3181888 REF MHz 10 000010 0000 PLLI MHz 399 0000315 0000 PLLZ MHz 400 0000267 75 PLL3 MHz OFF307 2000 PLLIdivide322 PLLZdivide875 PLL3divide1610 码芯片 TVP5150 需要的 14 318Hz 时钟晶振就很难提供 另一种方法就是采用 可编程时钟芯片 时钟芯片能够提供多路时钟 可以通过编程自由设置时钟频 率 以 CY22381 系列芯片代表 CY22381 的工作电压为 3 3V 内部带有 FLASH 存储器 3 路时钟输出 本设计选用 2 个 CY22381 系列的 CY22381FC 芯片 其输入频率范围为 8 30MHz 最高输出频率可达 200MHz CY22381 的 配置表 3 1 所示 3 3 JTAG 接口电路 JTAG 14 接口有两方面的功能 一方面实现在线仿真 另一方面实现把程 序烧录到 DM642 的 FLASH 存储器中 JATG 是基于 EIEE1149 1 标准的一种边 界扫描测试方式 图中 JTAG 为 14 针插座 它与仿真器接头连接 JTAG 插座 的 Pin4 Pin8 Pin10 和 Pin12 引脚接地 Pin5 引脚接 3 3V 电源 TMS TDO TDI 和 TCK 引脚加 1K 的上拉电阻 DM642 包括两种复位信号 一种来自 RESET 低电平有效 引脚 用于内核寄存器的复位 另一种来自仿 真接口 TRST 低电平有效 引脚 用于仿真逻辑的复位 徐州师范大学本科毕业设计 视频监控系统硬件设计 16 图 3 2 JTAG 接口电路 DM642 的 JTAG ID 的寄存器 地址 0 x01 B3 F008 定义了设备的 ID DM642 芯片设备的 ID 为 0 x0007 902F JTAG ID 寄存器是一个只读属性的 寄存器 其电路图如图 3 2 所示 3 4 内存扩展接口 EMIF 3 4 1 接口概述 TMS320DM642 的数据总线 10 宽度为 64 位 划分为 4 个存储空间 每个 空间的大小为 256MB 4 个空间地址分配如下 CE0 空间 0 x8000 0000 0 x8FFF FFFF CE1 空间 0 x9000 0000 0 x9FFF FFFF CE2 空间 0 xA000 0000 0 xAFFF FFFF CE3 空间 0 xB000 0000 0 xBFFF FFFF DM642 通过 EMIF 接口扩展外部存储器时 使用 CE0 CE3 信号作为片选 徐州师范大学本科毕业设计 视频监控系统硬件设计 17 信号 可以把外扩的存储器映射到不同的空间 这里 片选信号低电平有效 EMIF 接口数据宽度支持 8 位 16 位 32 位 分配如下图 DM62 SDRAM 动态存储器 SDRAM 动态存储器 FLASH 程序存储器 IDE 硬盘 ED 31 0 ED 63 32 ED 7 0 ED 15 0 EMIF ED 64 0 图 3 3 EMIF 存储器的扩展示意图 TMS320DM642 利用数据地址总线 空间片选信号等扩展外部 RAM 存储 器 FLASH 存储器 DM642 的 EMIF 接口包含的引脚如图 3 4 所示 其中 AECLKIN AECLKOUT1 AECLKOUT2 为时钟引脚 这些引脚为 外部存储器提供必要的时钟脉冲 AED 63 0 AEA 22 3 是数据地址总线引脚 ASDCKE 引脚是 SDRAM 存储器时钟使能信号 AECLKIN AECLKOUT1 AECLKOUT2 AED 0 63 AEA 3 22 ACE 0 3 ABE 0 7 ARDY ASOE3 AOE ASDRAS ASOE ARE ASDCAS ASADS AWE ASDWE AHOLD AHOLDA ABUSEQ APDT ASDCKE EDMA 内部总线 控制寄 存器 外部存储 其扩展接 口 图 3 4 DM642 的 EMIF 接口包含的引脚 徐州师范大学本科毕业设计 视频监控系统硬件设计 18 ASADS ASOE ASWE ARSE 引脚信号用于 SBSRAM 存储器的地址选 通 输出使能 写使能 读使能状态的监控 TMS320DM642 利用数据地址总 线 空间片选信号等扩展外部 RAM 存储器 FLASH 存储器 输入 输出端口 FIFO 存储器等 可以和多种总线类芯片连接 3 4 2 EMIF 接口主要寄存器 EMIF 接口包含了多个寄存器 寄存器列如下表 表 3 2 EMIF 接口常用寄存器 寄存器名称描述 GBLCTLEMIF 接口全局控制寄存器 CECTL0 CECTL3EMIF 接口 CE 空间控制寄存器 CESEC0 CESEC3EMIF 接口 CE 空间次级控制寄存器 SDCTLEMIF 接口 SDRAM 控制寄存器 SDTIMEMIF 接口 SDRAM 刷新控制寄存器 SDEXTEMIF接口SDRAM扩展寄存器 PDTCTLEMIF 接口外设控制寄存器 3 4 3 FLASH 存储器的扩展 TMS320DM642 片内是不带 FLASH 或 E2PROM 3 系统掉电后 DM642 芯 片存储器里的数据和程序将会全部丢失 在某些情况下 这会对使用者带来严 重的损失 因此 通常在 DM642 外部扩展 FLASH 存储器 3 用它来存储程序 和一些重要的数据 FLASH 存储器通过 EMIF 接口扩展 由 DSP 或 CPLD 器 件产生 FLASH 芯片所需要的逻辑器件 本文选用 AMD 公司生产的 AM29LV33C 17 型号的 FLASH 存储器芯片 此芯片的容量为 4M 8 位 单电源供电 电源电压范围 2 7 3 6V 此芯片与 DM642 直接相连 AM29LV33C 芯片内部的存储空间是分页的 分为 64 个扇区 每个扇区的 大小为 64KB 每个扇区由片上的地址线控制 9 总体说 这个芯片的特点是 单电源供电 徐州师范大学本科毕业设计 视频监控系统硬件设计 19 扇区分得较多 使用较为灵活 数据存储速度快 可达 70ns 低功耗 在 1MHz 5MHz 和睡眠模式下的电流消耗分别为 2mA 10mA 和 200mA 存储寿命长 稳定性好 可靠性高 AM29LV33C 数据存储寿命大约为 20 年 AM29LV33C 20 芯片地址有 22 条 而 DM642 的地址线却只有 19 条 AEA 22 3 两个芯片之间的地址线数量很明显不匹配 导致 DM642 不能遍历 FLASH 芯片的所有地址单元 为了解决这一问题 在 DM642 系统中采用 CPLD 器件 这里 将 FLASH 芯片的地址引脚 A 21 19 引脚与 CPLD 的输入 输出引脚相连 AM29LV33C 芯片的信号 CE 和复位信号由 CPLD 产生 数据 输出使能信号 OE 写使能控制信号 WE 分别与 DM642 的 TCAS 低电平有效 RE 低电平有效 和 TWE 低电平有效 引脚直接连接 FLASH 数据读写映 射在 DM642 的 CE1 空间 可以作为程序存储器 也能当做 FLASH 数据存储 器使用 FLAS