系統(tǒng)組成
如圖1所示，本文所述數(shù)字視頻采集卡由以下5個(gè)部分組成：
圖1 采集卡系統(tǒng)組成框圖
?。?）高速視頻采集單元，主要完成模擬視頻信號(hào)到數(shù)字視頻信號(hào)的變換；
?。?）數(shù)據(jù)交換單元，由FPGA和雙口RAM構(gòu)成，采用包交換技術(shù)，完成數(shù)字視頻數(shù)據(jù)向DSP的傳送；
（3）DSP及其外圍接口電路，包括EMIF接口、McBSP接口、HPI接口、PLL時(shí)鐘接口、DMA接口、JTAG接口、電源監(jiān)控等；
?。?）DSP與PCI總線的橋接單元，主要完成DSP與上位機(jī)的通信；
?。?）雙供電模式的電源部分。
下面將對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)分別進(jìn)行介紹。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
高速視頻采集單元
模擬視頻信號(hào)是一類比較復(fù)雜的模擬信號(hào)，信號(hào)中包含了像素的亮度信息，色彩同步信息和行、場(chǎng)同步信息。要實(shí)現(xiàn)正確的圖像采集，必須從復(fù)合的視頻信號(hào)中正確地分離出各種信號(hào)，并利用其中的同步信號(hào)控制A/D轉(zhuǎn)換過程，從而實(shí)現(xiàn)正確的圖像采集。
如圖2所示，在硬件設(shè)計(jì)上有2種實(shí)現(xiàn)方案：
圖2 A/D采樣方案
?。?）采用通用A/D器件+同步信號(hào)分離器件；
?。?）采用專用的視頻A/D轉(zhuǎn)換芯片。
方案1的實(shí)現(xiàn)電路較復(fù)雜，本文的設(shè)計(jì)采用了第2種方案，以PHILIP公司的視頻采集芯片SAA7111為核心構(gòu)成轉(zhuǎn)換電路。
數(shù)據(jù)交換單元
在實(shí)時(shí)視頻圖像處理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的吞吐量是很大的，大量的視頻圖像數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)采集、傳輸、處理。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)的傳輸設(shè)計(jì)是非常重要的。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，利用FPGA和雙口RAM實(shí)現(xiàn)了一種包交換的數(shù)據(jù)傳輸方式，如圖3所示。
圖3 FPGA及雙口RAM
在系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA首先要完成對(duì)A/D采樣的控制，包括控制采樣的啟停，采樣數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換等；其次FPGA要完成對(duì)雙口RAM數(shù)據(jù)寫入的控制和數(shù)據(jù)發(fā)送中斷信號(hào)的產(chǎn)生；另外，還要在FPGA中形成從A/D到雙口RAM的數(shù)據(jù)通路，在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)一些數(shù)據(jù)預(yù)處理的功能。
在雙口RAM設(shè)計(jì)上，本文將整個(gè)雙口RAM分成2個(gè)存儲(chǔ)塊，每當(dāng)一個(gè)存儲(chǔ)塊在進(jìn)行寫操作時(shí)，另一個(gè)存儲(chǔ)塊在進(jìn)行讀操作，這樣數(shù)據(jù)的讀、寫操作在不同的存儲(chǔ)塊上同時(shí)進(jìn)行，即實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的緩沖，又實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的不間斷傳送。數(shù)據(jù)的分塊交換傳輸過程也是數(shù)據(jù)的打包過程，存儲(chǔ)塊的大小決定了數(shù)據(jù)包的大小，數(shù)據(jù)的打包有利于數(shù)據(jù)的整塊處理。
DSP及其外圍接口電路
在DSP芯片選型上，本文選擇了適合圖形圖像處理的TI 公司C6000系列芯片中性價(jià)比較高的C6201芯片，以其為核心構(gòu)建單DSP系統(tǒng)。C6201芯片擁有以下集成外設(shè)：外部存儲(chǔ)器接口EMIF，直接存儲(chǔ)器訪問通道DMA；多通道緩沖串口McBSP；主機(jī)口HPI；以及芯片設(shè)置管腳、定時(shí)器、中斷控制、下電邏輯和GPIO等。
在本文的設(shè)計(jì)中，根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，本著設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷同時(shí)又要便于系統(tǒng)將來擴(kuò)充的原則，在外圍接口中除去必須使用的接口外，有些不必要的外圍接口引腳直接浮空，有些則引出了擴(kuò)展接口，以便節(jié)約空間和將來系統(tǒng)的擴(kuò)展。
C6201的EMIF接口可以掛接3種外部存儲(chǔ)器：同步靜態(tài)存儲(chǔ)器SDRAM、同步突發(fā)靜態(tài)存儲(chǔ)器SBSRAM和異步存儲(chǔ)器。在系統(tǒng)中，用于數(shù)據(jù)緩沖和交換傳輸?shù)碾p口RAM是異步存儲(chǔ)器，此外，為了處理的中間結(jié)果數(shù)據(jù)、最終數(shù)據(jù)和DSP程序，系統(tǒng)中分別掛接了2片大容量SDRAM和一片SBSRAM。DMA是C6000DSP中一種重要的數(shù)據(jù)訪問方式，它可以在沒有CPU參與的情況下，由DMA控制器完成DSP存儲(chǔ)空間內(nèi)的數(shù)據(jù)搬移。在C6201 中提供了4 個(gè)輸出管腳（DMAC0-DMAC3）可以向外部邏輯反饋DMA傳輸?shù)耐綘顟B(tài)，這些引腳信號(hào)可有可無，因此在系統(tǒng)中沒有連接。C6000的多通道緩沖串口（McBSP）是在C2x、C3x、C5x和C54標(biāo)準(zhǔn)串口的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。C6201提供了2路McBSP接口，系統(tǒng)中引出了其中的一路作為將來系統(tǒng)功能擴(kuò)展用。主機(jī)口（HPI）是一個(gè)并行端口，主機(jī)（也稱為上位機(jī)）掌管該接口的主控權(quán)，通過它可以直接訪問DSP的存儲(chǔ)空間（包括映射的片內(nèi)外設(shè)）。系統(tǒng)中HPI通過粘合邏輯與主模式的PCI橋S5933相連。
PCI總線的橋接單元
DSP既可以單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)完全獨(dú)立的處理系統(tǒng)，也可以多DSP聯(lián)合構(gòu)成功能更強(qiáng)大的并行系統(tǒng)，還可以通過橋接電路與上位機(jī)相連構(gòu)成一個(gè)大系統(tǒng)中的一個(gè)功能單元。在本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PCI擴(kuò)展卡，可以與上位的PC機(jī)進(jìn)行通信。
在DSP與上位的PC機(jī)之間有2種PCI橋可供選擇，一種為主模式PCI橋，如AMCC S5933。主模式下，DSP與上位機(jī)之間可以相互訪問對(duì)方外圍設(shè)備，并且支持突發(fā)方式的數(shù)據(jù)傳送，缺點(diǎn)是要通過中間的粘合邏輯相連，不能直連。另外一種為從模式PCI橋，如TI 2040。從模式下，上位機(jī)可以訪問DSP的外圍設(shè)備，而DSP則無法訪問上位機(jī)外圍設(shè)備。從模式橋可以與DSP直連（無縫連接）。在本文的設(shè)計(jì)中，選用了主模式的PCI橋，在DSP與PCI橋之間通過一片CPLD進(jìn)行粘合。
圖4所示為C6201與S5933之間的連接。
雙供電模式的電源
C6000系列DSP需要2種電源，分別為CPU核心和周邊I/O接口供電。周邊電壓需要3.3V，CPU核心電壓則隨低功耗技術(shù)的發(fā)展，逐漸從2.5V降到1.8、1.5、1.2和1.0V。
因?yàn)樾枰?種電壓，所以需要考慮供電系統(tǒng)的配合問題。加電過程中，應(yīng)當(dāng)保證內(nèi)核電源（CVdd）先上電，最晚也要與I/O電源（DVdd）一起加。關(guān)閉電源時(shí)，先關(guān)閉DVdd，再關(guān)閉CVdd。講究供電次序的原因在于：如果僅給CPU內(nèi)核供電，對(duì)芯片不會(huì)產(chǎn)生損害，只是沒有輸入輸出的能力而已；如果反過來，則芯片緩沖驅(qū)動(dòng)部分的晶體管將在一個(gè)未知狀態(tài)下工作，這是非常危險(xiǎn)的。
本文中采用了一種最簡(jiǎn)單的雙電源供電實(shí)現(xiàn)方案：利用1個(gè)電源驅(qū)動(dòng)2個(gè)線性穩(wěn)壓模塊，產(chǎn)生需要的DVdd和CVdd。由于DVdd和CVdd由同一個(gè)電源產(chǎn)生，因此在加點(diǎn)次序上不存在問題。
小結(jié)
數(shù)字視頻的采集、處理、存儲(chǔ)和傳輸技術(shù)在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文介紹的基于TMS320C6201 DSP芯片的數(shù)字視頻采集卡的設(shè)計(jì)，在完成數(shù)字視頻采集的同時(shí)具備自主的實(shí)時(shí)數(shù)字視頻處理功能，并通過PCI接口實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的通信。這樣的設(shè)計(jì)在構(gòu)建數(shù)字視頻處理系統(tǒng)時(shí)將大幅度減輕主機(jī)的計(jì)算量，從而提高系統(tǒng)性能。