TMS320C54xDSP的視頻圖像采集接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　C5402是TI公司C54x系列定點(diǎn)DSP芯片中的新產(chǎn)品它集中了此系列早期產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，并提供了許多新的功能，開(kāi)發(fā)和使用更加方便。C5402具有靈活的指令系統(tǒng)和操作性能，它可選擇助記符指令或算術(shù)指令作為編程指令，同時(shí)支持匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言的單獨(dú)或混合編程。C5402采用改進(jìn)的Harvanl處理結(jié)構(gòu)，指令流水線(xiàn)操作。計(jì)算和處理速度很高，系統(tǒng)單指令周期可達(dá)到10ns。在片內(nèi)提供16k的RAM用作程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其最大可擴(kuò)展尋址空間為1M字節(jié)。C5402提供的McBSP串口和DAM數(shù)據(jù)傳送方式極大地方便它在通信領(lǐng)域的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)。C5402由于其高性能價(jià)格而成為當(dāng)前語(yǔ)言和靜態(tài)圖象處理和主流產(chǎn)品。

　　1 電路原理

　　采集電路如圖1所示，由視頻緩沖器、視頻A/D轉(zhuǎn)換器和視頻同步分離電路等組成。

　　1.1 視頻緩沖器

　　來(lái)自攝像機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)黑白全電視信號(hào)的幅度峰-峰值為1V，要送往A/D轉(zhuǎn)換器和行、場(chǎng)同步分離電路，而A/D轉(zhuǎn)換器的滿(mǎn)量程為2V，因此，視頻緩沖器要對(duì)全電視信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配和電壓放大，并能對(duì)全電視信號(hào)進(jìn)行黑電平調(diào)整。圖1中，U8構(gòu)成視頻緩沖器，增益為+2；調(diào)整電阻W1可以調(diào)整輸出信號(hào)的直流電平；R16是輸入匹配電阻，阻值大小由信號(hào)源決定，本電路中為75Ω。

　　1.2 A/D轉(zhuǎn)換器

　　TLC5510是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的新型模數(shù)轉(zhuǎn)換器件（ADC），它是一種采用CMOS工藝制造的８位高阻抗并行A/D芯片，能提供的最小采樣率為20MSPS。由于TLC5510采用了半閃速結(jié)構(gòu)及CMOS工藝，因而大大減少了器件中比較器的數(shù)量，而且在高速轉(zhuǎn)換的同時(shí)能夠保持較低的功耗。在推薦工作條件下，TLC5510的功耗僅為130mW。由于TLC5510不僅具有高速的A/D轉(zhuǎn)換功能，而且還帶有內(nèi)部采樣保持電路，從而大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)；同時(shí)，由于其內(nèi)部帶有了標(biāo)準(zhǔn)分壓電阻，因而可以從+5V的電源獲得2V滿(mǎn)刻度的基準(zhǔn)電壓。TLC5510可應(yīng)用于數(shù)字TV、醫(yī)學(xué)圖像、視頻會(huì)議、高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及QAM解調(diào)器等方面。

　　TLC5510的參考電壓可由其內(nèi)部的3個(gè)電阻R1、Rref、R2設(shè)定，如圖2所示。按圖2連接，將參考低電壓設(shè)定為0.6V，參考高電壓設(shè)定為2.6V，電阻Rref上的2V壓降即為滿(mǎn)足程電壓。當(dāng)輸入電壓為0.6V時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換的輸出數(shù)據(jù)為0；當(dāng)輸出電壓為2.6V時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換的輸出數(shù)據(jù)為255。

　　TLC5510有1個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘輸入端（CLK）和1個(gè)片選端（OE）。CLK的下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，1次A/D轉(zhuǎn)換需要2.5個(gè)CLK周期，即第1個(gè)CLK的下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后，要等第3個(gè)CLK的上升沿出現(xiàn)時(shí)，第1個(gè)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)才會(huì)準(zhǔn)備好。當(dāng)片選信號(hào)（OE）為低電平時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出到外部數(shù)據(jù)總線(xiàn)上，供DSP讀取。

　　1.3 采集電路的DSP的連接

　　采集電路與C5402的連接如圖3所示。其中，U19是16位寬度的高速總線(xiàn)收發(fā)器，并具有電平轉(zhuǎn)換的功能，將5V的奇偶場(chǎng)信號(hào)、復(fù)位同步信號(hào)和A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為C5402能接受的3.3V信號(hào)。

　　仔細(xì)分析了TLC5510的工作原理和C5402的讀/寫(xiě)時(shí)序后，沒(méi)有將TLC5510作為C5402的擴(kuò)展I/O口，而是將TLC5510作C5402的一個(gè)擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)單元。用該單元的讀選通信號(hào)（ADR）與TLC5510的CLK和OE相連（如圖3所示），這樣C5402讀TLC5510時(shí)，1條讀數(shù)指令完成2個(gè)操作：?jiǎn)?dòng)A/D轉(zhuǎn)換并讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。不過(guò)當(dāng)前的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果要等到第4次讀該端口時(shí)才能得到，A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)序如圖4所示。

　　1.4 同步分離電路

　　同步分離電路采用LM1881。該器件能接收PAL制、NTSC制和SECAM制的全電視信號(hào)，輸出復(fù)合同步信號(hào)、垂直同步信號(hào)、奇偶場(chǎng)信號(hào)和色同步旗形脈沖信號(hào)。C5402根據(jù)奇、偶場(chǎng)信號(hào)找到一場(chǎng)圖像的開(kāi)始，做好采集圖像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。當(dāng)復(fù)合同步信號(hào)到來(lái)時(shí)，C5402響應(yīng)行中斷（INT0），連續(xù)采集一行圖像數(shù)據(jù)。

　　2 圖像采集

　　壓縮卡的圖像采集是由C5402直接完成的。初始化結(jié)束后，C5402按缺省模式或主機(jī)命令的求確定圖像的大小和采集速率等參數(shù)，然后根據(jù)奇、偶場(chǎng)信號(hào)和復(fù)合同步脈沖信號(hào)來(lái)采集圖像數(shù)據(jù)。

　　2.1 采集流程

　　采集流程可分為以下幾個(gè)步驟：

　　①等待場(chǎng)開(kāi)始。

　?、诋?dāng)場(chǎng)開(kāi)始信號(hào)到來(lái)時(shí)，C5402進(jìn)入場(chǎng)處理子程序，開(kāi)放行中斷做好采集一場(chǎng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。根據(jù)奇、偶場(chǎng)信號(hào)可以決定是采集奇場(chǎng)圖像還是采集偶場(chǎng)圖像。

　?、郛?dāng)復(fù)俁同步信號(hào)到來(lái)時(shí)，C5402進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，并將圖像數(shù)據(jù)存入擴(kuò)展的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。當(dāng)一場(chǎng)或一幀圖像各行數(shù)據(jù)都采集完畢后，關(guān)閉中斷。

　　2.2 行、場(chǎng)處理

　　DSP接收到場(chǎng)開(kāi)始信號(hào)后進(jìn)入場(chǎng)處理子程序中。在場(chǎng)處理子程序中，先確定將要采集的圖像的大小并設(shè)置采集、編碼及發(fā)送過(guò)程中要使用的參數(shù)，然后打開(kāi)行采集中斷INT0，延時(shí)一定數(shù)目的行周期后退出場(chǎng)處理子程序，進(jìn)入圖像采集階段。

　　行采集中斷要完成圖像采集和其它一些任務(wù)。在每行圖像采集之間應(yīng)根據(jù)圖像大小延時(shí)一段時(shí)間，以保證采集到的圖像位于畫(huà)面的中心。采集圖像時(shí)，每隔140ns讀取一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，存入幀緩沖器。由于讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果與寫(xiě)幀緩沖器只用了80ns，因此可以先將圖像數(shù)據(jù)減去128，再存入幀存儲(chǔ)器，這樣就進(jìn)行了JPEG編碼時(shí)就不要執(zhí)行減128操作了，節(jié)約了時(shí)間。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本電路成本低、容易實(shí)現(xiàn)、占用DSP時(shí)間少、能滿(mǎn)足黑白電視信號(hào)的采集，在合肥工業(yè)大學(xué)DSP聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研制的便攜式準(zhǔn)動(dòng)視頻圖像壓縮系統(tǒng)[2]中得到應(yīng)用，效果良好。以本電路為基礎(chǔ)，使用TI公司的其它高速視頻A/D轉(zhuǎn)換器，例如TLC5540或TLC5580，便可構(gòu)成更高分辨率的視頻圖像采集系統(tǒng)。