基于DSP+FPGA多視頻通道的切換控制

隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)都是用單一攝像頭對(duì)某一固定場(chǎng)景進(jìn)行監(jiān)控，不僅視頻的視野范圍有限，而且不能對(duì)同一個(gè)物體的不同方位進(jìn)行監(jiān)控。這里提出了一種多通道視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)不同視頻通道穩(wěn)定、可靠地切換控制，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控不同場(chǎng)景。該系統(tǒng)不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)控視頻范圍有限的不足，而且提高了監(jiān)控資源的利用率，降低了監(jiān)控成本。

　　1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　采用DSP+FPGA的硬件結(jié)構(gòu)方案，利用DSP和FPGA控制MAX4312選通所需要的視頻通道，從而達(dá)到在多路視頻通道間進(jìn)行切換的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　1．1 控制器件的選型

　　根據(jù)實(shí)際需要，DSP采用ADI公司推出的Blackfin系列高性能處理器ADSP_BF561(以下簡(jiǎn)稱BF561)作為算法處理和控制核心，BF561處理器包含2個(gè)獨(dú)立的BF533內(nèi)核，每個(gè)內(nèi)核分別包含2個(gè)乘／累加器(MAC)，2個(gè)40位的ALU，4個(gè)視頻ALU和1個(gè)40位移位器。Blackfin處理器采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)和分級(jí)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。L1存儲(chǔ)器一般以全速運(yùn)行，沒有或只有很少延遲。L2是另一級(jí)存儲(chǔ)器，分布在片內(nèi)或片外，對(duì)其訪問會(huì)消耗多個(gè)處理器周期。在L1級(jí)，指令存儲(chǔ)器只存放指令，2個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存放數(shù)據(jù)，1個(gè)專用的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)堆棧和局部變量信息。在L2級(jí)，采用統(tǒng)一的存儲(chǔ)空間，可以存放指令和數(shù)據(jù)。這里采用L2級(jí)存儲(chǔ)器。

　　FPGA采用Altera公司的EP3C40F48C對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，該芯片具有多達(dá)24 624個(gè)邏輯單元，具有高級(jí)外部存儲(chǔ)器接口，允許將外部單數(shù)據(jù)率(SDR)SDRAM，雙數(shù)據(jù)率(DDR)SDRAM和DDR FCRAM器件集成到復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，而不會(huì)降低數(shù)據(jù)訪問性能，具有129個(gè)兼容的LVDS通道，每個(gè)通道數(shù)據(jù)率高達(dá)640 Mb／8，還有4個(gè)可編程鎖相環(huán)和8個(gè)全局時(shí)鐘線。另外EP3C40F484C的功耗較低，全局運(yùn)行時(shí)總功耗為300 mW左右。

　　1．2 Flash的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，F(xiàn)lash采用CMOS型的M29W640D，其空間為18 Mx16 bit。該系統(tǒng)中，外部數(shù)據(jù)線為D1～D15，地址線為A2～A22。連接時(shí)需要注意，因?yàn)镕lash是16 bit位寬，硬件連接上需要地址錯(cuò)位，即DSP的A2對(duì)應(yīng)Flash的A1，DSP的A3對(duì)應(yīng)Flash的A2，依次類推。在軟件編程上，任何對(duì)Flash的操作，如擦除、寫入，均要先對(duì)特定地址寫入一定數(shù)量固定的控制命令字，即簽到指令，這樣確保在通電和斷電時(shí)，不會(huì)對(duì)存儲(chǔ)器誤操作。

　　1．3 SDRAM的設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)所采用的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是大容量SDRAM MT48LC16M16，其容量是4 Bankx8 Mx16 bit。根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，SDRAM在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)數(shù)據(jù)以及程序代碼。由于Flash的存取速度比較慢，在Flash里，在系統(tǒng)初始化時(shí)應(yīng)預(yù)先將存儲(chǔ)在其中的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)及程序代碼搬到更快的存儲(chǔ)器里面，以便DSP不受存儲(chǔ)器讀取時(shí)間的制約，充分發(fā)揮其高速性能。

　　1．4 視頻采集模塊設(shè)計(jì)

　　由于視頻通道的切換時(shí)間非常短，這就需要切換控制模塊對(duì)視頻信號(hào)有一個(gè)非常準(zhǔn)確的判斷，以便及時(shí)發(fā)送切換命令，因此需要選擇一款高速的轉(zhuǎn)換器。另外由于本系統(tǒng)的電源為5 V供電，因此需要選擇一款低功耗的器件。因此選擇AD9203作為模擬信號(hào)的數(shù)字量化器件。

　　AD9203是ADI公司出品的一款單通道、低電壓的高速A／D轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達(dá)40 Ms／s。其精度穩(wěn)定可靠，在全采樣帶寬范圍內(nèi)，始終基本保持著10位的精度；在40 Ms／s的采樣速率下，ENOB(有效位數(shù))仍然達(dá)到9．55位，差分非線性度±0．25 LSB，信噪比和失真度保持在59 dB左右。AD9203的工作電壓比較靈活，允許住2．7～3．6 V范圍內(nèi)變動(dòng)，特別適合于便攜式設(shè)備在低電壓下的高速操作。在3 V的供電下，40 Ms／s全速工作時(shí)，功耗只有74 mW；在5 Ms／s時(shí)，功耗將會(huì)降到17 mW，在待機(jī)模式下，功耗只有0．65 mW。對(duì)于輸入信號(hào)的峰峰值，通常設(shè)置為1 Vp-p或者2 Vp-p。另外，AD9203允許外部電壓參考，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要，在1～2 V間靈活地設(shè)置輸入信號(hào)的峰峰值。圖2是AD9203的電路應(yīng)用原理圖。

圖2 AD9203的電路應(yīng)用原理圖

　　2 控制模塊設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)的工作流程為，在不同的監(jiān)控點(diǎn)上安裝多個(gè)攝像頭進(jìn)行圖像監(jiān)控，多路圖像視頻信號(hào)通過(guò)MAX4312，每一時(shí)刻選通其中一路視頻信號(hào)輸入。該視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)AD8013AR處理后從圖像監(jiān)控器輸出數(shù)字圖像信號(hào)，同時(shí)從行場(chǎng)分離芯片EL4583C輸出相應(yīng)的行(VIDEO_Hs)、場(chǎng)(VIDEO_Vs)信號(hào)，從AD9203輸出圖像后肩信號(hào)(AD_BRST)和視頻量化信號(hào)。然后將行(VIDEO_Hs)、場(chǎng)(VIDEO_Vs)信號(hào)送進(jìn)DSP，將后肩信號(hào)(AD_BRST)和視頻量化信號(hào)送進(jìn)FPGA。FPGA利用這些信號(hào)對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，然后將處理后的圖像通過(guò)PPI口送給DSP中進(jìn)行算法處理。最后由DSP發(fā)送視頻通道切換命令完成不同通道之間的切換，并且將最后處理結(jié)果送給報(bào)警和狀態(tài)指示裝置，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控告警功能。軟件控制流程如圖3所示。