基于DSP+FPGA的實時視頻采集系統(tǒng)設(shè)計

為了保證視頻采集系統(tǒng)的實時性，該系統(tǒng)使用雙RAM的乒乓機構(gòu)。乒乓操作在FPGA時序設(shè)計中的使用十分廣泛，是一種典型的以面積換速度的設(shè)計思想。這種結(jié)構(gòu)是將輸入數(shù)據(jù)流通過輸入數(shù)據(jù)選擇單元等時地將數(shù)據(jù)流分配到兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。在第1個緩沖周期，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到數(shù)據(jù)緩沖模塊1上；在第2個緩沖周期，則通過輸入數(shù)據(jù)選擇單元的切換來將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到數(shù)據(jù)緩沖模塊2，同時將數(shù)據(jù)緩沖模塊1緩存的第1個周期的數(shù)據(jù)通過輸出數(shù)據(jù)選擇單元的選擇后，送到運算處理單元進行處理；此后在第3個緩沖周期，再次切換數(shù)據(jù)的輸入與輸出緩沖模塊。如此循環(huán)，周而復始。其具體狀態(tài)機如圖4所示。

系統(tǒng)中的通信模塊主要是在DSP處理完數(shù)據(jù)后給FPGA發(fā)送一個信號，以通知DSP處于空閑狀態(tài)，當FPGA內(nèi)部模塊收到后，再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/DSP">DSP上。
2．3 視頻后端處理模塊
本系統(tǒng)采用的是，TI公司的高性能、低功耗定點DSP芯片TMS320VC5509A，它內(nèi)部的主時鐘工作頻率最高可達200 MHz，處理速度最高400MIPS；該DSP的片上RAM較大，包括32 K×16位DARAM和96 K×16位SARAM，共128 K×16位的片上存儲空間；其片上外設(shè)豐富，包括實時時鐘RTC、10位ADC、MCBSP接口、USB高速接口(速率為12Mb／s)，還有MMC／SD(多媒體卡)接口、I2H接口等；該DSP處理器為低電壓供電，采用1．6 V的內(nèi)核電壓。3．3 V的I／O電壓，功耗低達0．2 mW／MIPS。
DSP作為視頻采集系統(tǒng)的主處理器，主要完成各類接口和外設(shè)的配置以及視頻的實時處理。包括時鐘發(fā)生器(PLL)、I2C總線接口、EMIF模塊、USB接口等。
各類接口只有協(xié)調(diào)工作，才可保證系統(tǒng)的正常運行。其中時鐘發(fā)生器負責將外部24 MHz的晶振時鐘倍頻為200 MHz的系統(tǒng)工作時鐘：I2C總線負責對視頻采集芯片SAA711 1A進行初始化配置：USB接口負責與上位機通信，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。
考慮到視頻數(shù)據(jù)的龐大和DSP片上ROM的局限性，本系統(tǒng)在DSP外部擴展了一塊4 M×16 bit的SDRAM和一塊256 K×16 bit的FLASH。其中SDRAM映射在DSP的CE2、CE3空間，F(xiàn)LASH映射在CE1空間。由于外設(shè)接口配置一般都較為復雜，因此使用了TI公司的片上支持庫函數(shù)(CSL)，以簡化用戶接口的配置。
視頻數(shù)據(jù)中一般都會存在很多冗余信息(時間冗余度、空間冗余度等)，因此具有壓縮的必要性。視頻編碼的主要目的就是在保證重構(gòu)質(zhì)量的前提下，以盡量少的比特數(shù)來表征視頻信息，盡量去除視頻圖像數(shù)據(jù)本身具有的多種冗余特性，如空間冗余、時間冗余、心理視覺冗余和熵編碼冗余等。常見的壓縮標準有JPEG、MPEG－1、MPEG－2、H．261以及H．263等。這些算法一般都較為復雜，處理的數(shù)據(jù)量也十分巨大。而采用哈佛總線和流水線操作等內(nèi)部結(jié)構(gòu)DSP在視頻處理算法的實現(xiàn)上具有巨大優(yōu)勢。視頻算法的編程和調(diào)試可在CCS(code composer studio)2．0環(huán)境下完成，可使用C語言實現(xiàn)，這樣有利于跨平臺的移植、優(yōu)化和升級。

3 結(jié)束語
本文所設(shè)計的基于DSP+FPGA的實時視頻采集系統(tǒng)，采用雙RAM的乒乓結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)對視頻的實時采集，利用DSP主處理器來實現(xiàn)JPEG壓縮算法，同時使用在線編程技術(shù)并利用JTAG對系統(tǒng)進行在線調(diào)試。因此，該系統(tǒng)具有體積小、成本低、功耗低、速度快、適應(yīng)性強、便于維護等特點，因此，在圖像的實時處理方面具有良好的應(yīng)用前景。