一種數(shù)碼相機(jī)成像和視頻處理前端的設(shè)計(jì)

   關(guān)鍵詞：數(shù)碼相機(jī) TVP5040 TMS320DSC 系列DSP CCD

目前，數(shù)字類消費(fèi)電子產(chǎn)品的需求率增長驚人。在這些產(chǎn)品中，成像和視頻類產(chǎn)品比重很大。在這些影像產(chǎn)品中，無論是數(shù)碼相機(jī)還是內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)的可拍照手機(jī)，或者其它數(shù)字成像和視頻終端產(chǎn)品，都需要成像和視頻處理前端與其協(xié)同工作。

德州儀器公司（TI）在推動(dòng)新興消費(fèi)類產(chǎn)品的高級(jí)圖像應(yīng)用方面及時(shí)跟進(jìn)，發(fā)布了目前業(yè)界性能最為卓越的基于數(shù)字信號(hào)處理器（TMS320DSC系列DSP）的解決方案。這種低功耗、完全可編程的DSP解決方案，使實(shí)時(shí)視頻功能在成像終端上的應(yīng)用成為可能。TMS320DSC系列芯片在一個(gè)單一器件中集成了兩項(xiàng)功能：超低功耗的TMS320C5000用來進(jìn)行實(shí)時(shí)媒體處理；一個(gè)ARM7TDMI RISC處理器以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能。可編程的硬件多媒體加速器可以進(jìn)行并發(fā)性處理，以增強(qiáng)專用成像和視頻性能。

TI還提供了一系列成像和視頻處理前端產(chǎn)品，可與TMS320DSC系列DSP進(jìn)行無縫工作。TVP5031、TVP5040和TVP5145使用戶能夠?qū)⒛M視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成TMS320DSC系列芯片可以處理的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

1 數(shù)碼相機(jī)的成像和視頻處理前端

數(shù)碼相機(jī)市場通常被劃分為高端（400萬像素以上）、中端（330、210萬像素）與低端（百萬像素以下①三種檔次。針對(duì)不同的市場，大部分廠商會(huì)根據(jù)CCD和CMOS的差異而采取不同的解決方案，而采用TMS320DSC系列DSP的數(shù)碼相機(jī)解決方案則可兼顧。從入門產(chǎn)品到最高級(jí)設(shè)計(jì)的整個(gè)相機(jī)系統(tǒng)或其它影像產(chǎn)品，都可由這個(gè)系列DSP的可編程能力而輕松實(shí)現(xiàn)，這是其優(yōu)勢之一。其次，成像和視頻處理前端TVP5031、TVP5040和TVP5145的可編程能力，使得開發(fā)者可以通過更新的算法和標(biāo)準(zhǔn)來升級(jí)或更改模塊前端的處理。

    一般來說，數(shù)碼相機(jī)的成像和視頻處理前端主要是鏡頭模塊（包含CCD傳感器、鏡頭和馬達(dá)）與模擬前端電路（AFE）。本文所述的成像和視頻處理前端與專用數(shù)字處理器TMS320DSC的接口設(shè)計(jì)如圖1所示。

驅(qū)動(dòng)電路和時(shí)序生成器件產(chǎn)生CCD或CMOS所需要的時(shí)鐘信號(hào)，模擬前端的作用是將圖像傳感器輸出的模擬圖像信號(hào)鉗位放大，并完成A/D轉(zhuǎn)換，這里采用TVP5040。TMS320DSC系列DSP含有圖像處理和時(shí)序控制電路，通過I/O接口可以控制時(shí)序產(chǎn)生，通過CCD控制器可以正確接收垂直同步（VD）和水平同步（HD）信號(hào)。經(jīng)過相關(guān)配置以后，DSP就可以接受TVP5040輸出的CCD原始數(shù)據(jù)了。

2 NTSC/PAL數(shù)字視頻解碼器TVP5040

TVP5040作為一款高質(zhì)量單芯片數(shù)字視頻解碼器，可能很方便的將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻。它包括業(yè)界領(lǐng)先的2個(gè)10位高速2x過抽樣A/D轉(zhuǎn)換器。接受標(biāo)準(zhǔn)的NTSC/PAL制式的復(fù)合視頻信號(hào)和S-Video信號(hào)輸入，輸出格式可以是8位、10位、16位或20位4：2：2（YcbCr）子采樣格式，也可以是8位或10位ITU-RBT，656定義的標(biāo)準(zhǔn)輸出（帶嵌入同步）。采樣可以是矩形像素或者遵循ITU-RBT.601協(xié)議。TVO5040利用德州儀器的專利技術(shù)，對(duì)那些微弱、不穩(wěn)定的信號(hào)進(jìn)行捕捉，并去除噪聲。

其三線互補(bǔ)自適應(yīng)梳狀濾波器，可以降低色度和亮度的交叉影響。利用所支持的主機(jī)端口和接口I2C、3個(gè)并行主機(jī)接口（PHI）或VIP模式，可對(duì)視頻特性，如色調(diào)、對(duì)比度和飽和度等進(jìn)行編程操作。TVP5040產(chǎn)生同步、消隱、場和鎖存信號(hào)，以及數(shù)字視頻輸出。同時(shí)，具有先進(jìn)的垂直消隱區(qū)間數(shù)據(jù)恢復(fù)功能，內(nèi)置FIFO可存儲(chǔ)高達(dá)14行的圖文電視數(shù)據(jù)。

TVP5040主要包括以下模塊：

*模擬信號(hào)處理器和A/D轉(zhuǎn)換器（AGC，AD）；

*Y/C分離電路（Luma/Chroma separation）;

*色度處理（chrominance processing）;

*亮度處理器（luminance processing）;

*時(shí)鐘處理與節(jié)電控制；

*輸出格式化器（outputformatter）；

*主機(jī)端口接口（interface）；

*VBI數(shù)據(jù)處理器（VBI）；

*增強(qiáng)型Macrovision檢測（Macrovision detection）。

    模塊功能如圖2所示。

TVP5040由一組內(nèi)部寄存器初始化并控制，它們?cè)O(shè)置所有的操作參數(shù)。為了能夠正確設(shè)置寄存器的參數(shù)，主機(jī)在上電復(fù)位時(shí)，必須向TVP5040下載微代碼，以使TVP5040的內(nèi)部微處理器對(duì)內(nèi)部寄存器編程。由于微代碼較大，TVP5040提供了不同的主機(jī)端口接口，包括I2C端口（I2C Interface）、3個(gè)并行主機(jī)接口（PHI Interface）和視頻端口接口（VIP Interface）用于下載和進(jìn)一步的配置。主機(jī)接口用于初始化內(nèi)部微處理器，讀寫狀態(tài)寄存器以及訪問分片VBI數(shù)據(jù)（sliced VBI data）。這些接口模式是在上電復(fù)位或是組合使用GLCO、PALI和FID引腳復(fù)位時(shí)確定的。

外部控制器通過標(biāo)準(zhǔn)的主機(jī)端口接口與TVP5040通信。TVP5040有一個(gè)內(nèi)部微處理器，還有相連的100K的指令RAM。微處理器控制芯片的功能包括PLL操作、AGC、同步和寄存器配置等。這種可編程結(jié)構(gòu)使得TVP5040可以利用更新的算法來提高性能。每次上電啟動(dòng)的時(shí)候都要下載用于內(nèi)部微處理器的微代碼。

控制每行像素?cái)?shù)的采樣頻率是不同的，這取決于視頻格式和標(biāo)準(zhǔn)。TVP5040的視頻端口輸出格式時(shí)序如圖3所示。其它還有水平、垂直同步以及場同步信號(hào)的時(shí)序圖，限于篇幅，就不一一列出了。

3 TMS320DSC系列DSP的CCD控制器

TMS320DSCX系列DSP的圖像功能單元CCD控制器為CCD和CMOS圖像傳感器提供了必需的邏輯，對(duì)逐行和隔行掃描CCD或CMOS圖像傳感器給予了很好的支持。CCD控制器可以編程控制，有20個(gè)寄存器需要設(shè)置，由TMS320DSCX控制，能支持高達(dá)4096