TMS320C54xDSP的視頻圖像采集接口設(shè)計

摘要：介紹一種基于DSP的黑白電視信號采集電路。電路由通信視頻A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，DSP啟動A/D轉(zhuǎn)換并讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。電路結(jié)構(gòu)簡潔、成本低、容易實現(xiàn)，能滿足黑白電視信號采集的需要。

關(guān)鍵詞：視頻圖像采集 A/D轉(zhuǎn)換 DSP TMS320C54x

引言

視頻圖像采集的方法很多，基本上可分為2大類：自動圖像采集和基于處理的圖像采集。前者采用專用圖像采集芯片，自動完成圖像的采集、幀存儲器地址生成以及圖像數(shù)據(jù)的刷新；除了要對采集模式進行設(shè)定外，主處理器不參與采集過程。這種方法的特點是采集不占用CPU的時間，實時性好，適合活動圖像的采集，但電路較復(fù)雜、成本高。后者采用通用視頻A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)圖像的采集，不能完成圖像的自動采集，整個采集過程在CPU的控制下完成，由CPU啟動A/D轉(zhuǎn)換，讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存入幀存儲器。其特點是數(shù)據(jù)采集占用CPU的時間，對處理器的速度要求高，但電路簡單、成本低、易于實現(xiàn)，能夠滿足某些圖像采集系統(tǒng)的需要。下面以TI公司的TMS320VC5402（以下簡稱C5402）DSP[1]為例，介紹基于數(shù)據(jù)信號處理器（DSP）的視頻圖像采集電路和采集方法。

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

來自攝像機的標準黑白全電視信號的幅度峰-峰值為1V，要送往A/D轉(zhuǎn)換器和行、場同步分離電路，而A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程為2V，因此，視頻緩沖器要對全電視信號進行阻抗匹配和電壓放大，并能對全電視信號進行黑電平調(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)整輸出信號的直流電平；R16是輸入匹配電阻，阻值大小由信號源決定，本電路中為75Ω。

1.2 A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器采用TI公司的TLC5510芯片。TLC5510為5V電源、8bit、20Msps的高速并行A/D轉(zhuǎn)換器，最大量程為2V。

TLC5510的參考電壓可由其內(nèi)部的3個電阻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壓降即為滿足程電壓。當(dāng)輸入電壓為0.6V時，A/D轉(zhuǎn)換的輸出數(shù)據(jù)為0；當(dāng)輸出電壓為2.6V時，A/D轉(zhuǎn)換的輸出數(shù)據(jù)為255。

TLC5510有1個轉(zhuǎn)換時鐘輸入端（CLK）和1個片選端（OE）。CLK的下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換，1次A/D轉(zhuǎn)換需要2.5個CLK周期，即第1個CLK的下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換后，要等第3個CLK的上升沿出現(xiàn)時，第1個A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)才會準備好。當(dāng)片選信號（OE）為低電平時，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出到外部數(shù)據(jù)總線上，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位寬度的高速總線收發(fā)器，并具有電平轉(zhuǎn)換的功能，將5V的奇偶場信號、復(fù)位同步信號和A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為C5402能接受的3.3V信號。

仔細分析了TLC5510的工作原理和C5402的讀/寫時序[1]后，沒有將TLC5510作為C5402的擴展I/O口，而是將TLC5510作C5402的一個擴展的外部存儲單元。用該單元的讀選通信號（ADR）與TLC5510的CLK和OE相連（如圖3所示），這樣C5402讀TLC5510時，1條讀數(shù)指令完成2個操作：啟動A/D轉(zhuǎn)換并讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。不過當(dāng)前的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果要等到第4次讀該端口時才能得到，A/D轉(zhuǎn)換的時序如圖4所示。讀選通信號（ADR）是由高速譯碼器（74AHCT138）經(jīng)過一級譯碼得到。這種設(shè)計方案既簡化了線路，又簡化了數(shù)據(jù)采集的程序設(shè)計，減少了DSP參與A/D轉(zhuǎn)換的時間。實驗證明該設(shè)計方案性能優(yōu)越——DSP在采集圖像數(shù)據(jù)時只要直接讀TLC5510就可以了。

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，輸出復(fù)合同步信號、垂直同步信號、奇偶場信號和色同步旗形脈沖信號。本電路中，復(fù)合同步信號與C5402的INT0引腳相連，奇、偶場信號與C5402的輸入引腳BIO相連（如圖3所示）。C5402根據(jù)奇、偶場信號找到一場圖像的開始，做好采集圖像數(shù)據(jù)的準備。當(dāng)復(fù)合同步信號到來時，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、偶場信號和復(fù)合同步脈沖信號來采集圖像數(shù)據(jù)。

2.1 采集流程

采集流程可分為以下幾個步驟：

①等待場開始。

②當(dāng)場開始信號到來時，C5402進入場處理子程序，開放行中斷做好采集一場數(shù)據(jù)的準備。根據(jù)奇、偶場信號可以決定是采集奇場圖像還是采集偶場圖像，或者采集一幀完整的圖像。

③當(dāng)復(fù)俁同步信號到來時，C5402進入中斷服務(wù)子程序，連續(xù)采集一行圖像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)存入擴展的數(shù)據(jù)存儲器中。當(dāng)一場或一幀圖像各行數(shù)據(jù)都采集完畢后，關(guān)閉中斷。

2.2 行、場處理

DSP接收到場開始信號后進入場處理子程序中。在場處理子程序中，先確定將要采集的圖像的大小并設(shè)置采集、編碼及發(fā)送過程中要使用的參數(shù)，然后打開行采集中斷INT0，延時一定數(shù)目的行周期后退出場處理子程序，進入圖像采集階段。

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)圖像大小延時一段時間，以保證采集到的圖像位于畫面的中心。在采集圖像時，每隔140ns讀取一個A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并存入幀緩沖器。由于讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果和寫幀緩沖器只用了80ns，因此可以先將圖像數(shù)據(jù)減去128，再存入幀存儲器，這樣就進行了JPEG編碼時就不要執(zhí)行減128操作了，節(jié)約了時間。

結(jié)束語

本電路成本低、容易實現(xiàn)、占用DSP時間少、能滿足黑白電視信號的采集，在合肥工業(yè)大學(xué)DSP聯(lián)合實驗室研制的便攜式準動視頻圖像壓縮系統(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)。