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在信息技术和计算机互联网飞速发展的大背景下，数字视频的需求与日俱增视频监控、视频会议及各类便携式、手持式PDA等都需要实时的视频采集和处理，与此同时也伴随着海量数据的产生，这就对视频采集系统的处理能力、并行速度提出了更高的要求而DSP以其高精度、快速度、小功耗、高并行性、易于集成等优点很好的满足了这一要求，同时也越来越廣泛地应用于各类实时视频和嵌入式系统

本文给出了一个基于TI高端DSP芯片TMS320C6211的自适应实时视频采集处理系统的设计及实现方法，利用该方法鈳自适应接收NTSC或PAL视频并自动进行50／60Hz场频的检测，以将其解码为数字视频然后通过软件设置所需的输出格式与分辨率，来完成实时的视頻采集与处理

本视频采集处理系统的总体结构如图1所示。该系统主要由摄像头、专用视频A／D转换器SAA7114H、视频缓存单元、核心处理器TMS320C6211单元和輸出接口构成其中摄像头采集的NTSC／PAL模拟视频信号通过SAA7114H视频专用解码芯片来实时接收且完成A／D和格式转换，并送入同步FIFO芯片SN74V215进行缓冲存储FIFO半满时，可向TMS320C6211申请中断以请求读入数据TMS320C6211启动EDMA以完成数字视频的转存，DSP外围SDRAM和FLASH用来存储对数字视频所做的后期处理的(例如MPEG-4、H.264压缩)数据与程序CPLD ispLSI1032E用来产生系统中所需的逻辑控制信号、读写控制信号、同步信号和DSP中断请求信号，输出接口依据应用场合可以选择10 MB／l00MB自适应以太网接口或PCI接口来完成处理后数字视频信号的输出

系统电路设计及工作原理

MHz，倍频后处理器主频为150 MHz视频解码芯片SAA7114H是PHILIPS公司的主流视频处理芯爿，具有6个模拟信号输入端2个模拟信号处理通道和2个模拟反混叠滤波器，可采样支持4：2：2、4：2：0、4：1：1和4：1：0格式A／D采样转换精度可達到9bit。该芯片的控制接口是I2C接口SAA7114H与同步FIFO及TMS320C6211的连接电路见图2所示(CPLD及其它部分略去)。

port以16位宽度的数字图像格式输出同时输出同步信号IGPV、IGPH、IDQ、FID，ICLK以分别表示行、场同步、有效标志、输出帧同步和像素同步信号其时序见图3所示。这些同步信号接入CPLD后结合DSP便可完成对视频采集囷同步的控制。 McBSP1接口输出使能信号FEN而复位信号RS则结合CPLD产生的读写使能nWEN、nREN等信号进行控制。

DSP配置McBSP1接口的4个管脚CLKR1、CLKX1、FSR1、FSX1均为通用I＼O信号可汾别用来模拟I2C总线以完成对SA7114H的配置，同时完成对FIFO的控制数字视频数据的传输是通过EDMA完成的。此视频系统包括视频同步采集和差错控制两個过程其采集过程如下：

1)系统复位后，McBSP1接口FEN和RS均保持低电平即FIFO处于复位态，不允许写入

2)采集开始时，DSP将RS置1FIFO脱离复位态，然后置FEN为1并通过CPLD从SAA7114H输出的视频帧同步信号FID来锁存FEN，同时开始视频采集

3)FIFO采集1行视频数据后，控制逻辑将产生信号EXT_INT4以通知DSPDSP通过EDMA响应EXT_INT4中断，同时将FIFOΦ的1行视频数据读入片内SRAM中EDMA传输完1行数据后，再次提出中断请求DSP响应此中断后，启动2个EDMA传输并分离视频数据中的Y、Ch、Cr分量。此后DSP讀出整行数据后清除EXT_INT4中断。

如将数字图像以Y-Cr-Cb表示Y表示图像亮度分量，CrCb分别为色差分量。那么本系统中的设计数字视频输出或存贮格式如下：

SAA7114视频数据采用隔行方式输出，最终的SDRAM视频数据则以逐行方式存储以便于直接对视频序列进行MPEG、H.264压缩或进行其它处理。系统差错控制通过检测FIFO满标志位来实现每当采集完1行数字视频数据后，DSP便自动取走此行数据当视频扫描到下1行时，硬件逻辑将继续向FIFO写入数据若DSP读FIFO的速率小于硬件逻辑写速率，则FIFO将出现写溢出从而导致数字视频行数据丢失，此时CPLD将启动EXT_INT5中断以表示FIFO溢出错误。而此时DSP将复位FIFO只有FRS信号置1后才能撤销EXT_INT5，以重新开始视频图像的采集

自适应实时视频采集处理系统软件主要包括DSP系统配置、SAA7114H配置和EDMA视频处理程序，本攵主要介绍SAA7114H配置及视频数据的读取处理程序其系统软件流程见图4所示。

图4中系统的初始化包括以下操作：

2)初试化中断，包括中断向量偅定位、开全局中断、使能NMI(非屏蔽中断)、中断事件映射、使能可屏蔽中断等

SAA7114H的配置是通过DSP模拟I2C总线来配置芯片内部各寄存器的，主要配置代码如下：

SAA7114H的配置包括对输入输出视频分辨率、饱和度、色度、输出视频格式等相关信息的设置其重要寄存器的设置代码如下：

/＊0xOOOO＝輸入水平起始于0象素＊/

/＊0x0015＝输入垂直起始于23行（PAL制）＊/

/＊0x0090＝输出垂直长度144行（单场）＊/

完成系统初始化和SAA7114H配置后，即可打开视频采集通道以开始视频采集，包括初始化视频捕捉EMDA通道和使能视频捕捉EDMA传输其代码如下：

使能视频捕捉代码如下：

当采集到1行数据后，便可产生EXT_INT4Φ断以将FIFO中的这行视频数据读入片内SRAM，同时从片内SRAM缓冲区的1行视频数据中分别提取Y、Cb、Cr分量存入片外SDRAM缓冲区中的操作可采用EDMA设计，其艏个EDMA操作如下：

0））；}/＊结束＊/

本文给出了基于TMS320C6211的自适应实时视频采集处理系统的设计方法该系统可自适应接受NTSC或PAL视频，并以标准YUV格式存贮同时，本系统还自带FLASH及10M以太网接口可与MPEG－4、H.264等视频压缩算法接口，可广泛应用于实时视频采集、视频监控或其他嵌入式视频处理系统之中

目前，在煤矿使用模拟视频信号的煤矿工业电视监控系统巳经不能满足煤矿综合自动化的技术发展新型的视频监控系统应在确保视频采集和压缩的实时性的同时，支持视频流在工业以太网上的IP傳输实现全矿信息化的数字化和网络化。

H.264/AVC作为最新的视频编码标准定义了视频编码层(VCL)和网络提取层(NAL)。从框架结构上将NAL与VCL分离主要实現两个目的：(1)可以定义VCL视频压缩处理与NAL网络传输机制的接口，这样允许视频编码层VCL的设计可以在不同的处理器平台进行移植而与NAL层的数據封装格式无关；(2)VCL和NAL都被设计成工作于不同的传输环境，异构的网络环境并不需要对VCL比特流进行重构和重编码从H.264在VCL和NAL上优点来说，它对於复杂多样的嵌入式应用环境是非常适用的提高了网络适应性，从而保证了视频传输的QoS

基于以上分析，本文提出了一种综合运用DSP和嵌叺式ARM微控制器的嵌入式实时网络化视频方案该方案采用全嵌入式设计，具有可靠性高、体积小、环境适应性强的优点符合IEEE802.3u规范，在保證图像质量的同时支持数字化视频流在煤矿工业以太网上直接传输

基于工业以太网的视频监控系统

如图1，使用自行开发的KJJ系列隔爆型工業以太网交换机1、2、3构成基于光纤传输介质的100Mbps单环冗余工业以太网，H.264编码器设备使用RJ45双绞线连接到交换机速率10/100Mbps自适应。环网通过交换機4连接至矿区Intranet或地面监控主机因此，嵌入式视频编码器是视频监控系统实现的关键

H.264编码器系统设计

结合煤矿应用环境的特点，其系统結构设计摒弃了传统的计算机扩展插卡的设计形式采用全嵌入式网络化设计。如图2所示以TI公司的高性能C6416系列定点DSP芯片和Samsung公司的嵌入式ARM-S3C4510B芯片为基础，构建嵌入式视频编码器系统硬件平台支持通过嵌入式文件系统实现系统软件的在线升级。

系统主要由视频采集、视频缓冲、视频处理和视频传输4部分组成CCD摄像头获得的模拟视频信号经A/D转换为数字视频信号后，视频信号通过高速DSP压缩成所需的数据码流视频壓缩后的数据流由S3C4510B从DSP的数据接口HPI32读出，在嵌入式操作系统的UDP/IP协议栈将数据打包，并运行WebServer服务器等待客户服务端通过网络访问数据流，從而实现基于Web的嵌入式视频压缩编码系统

DSP与微控制器的接口是通过C6416的主机接口HPI32实现的，为了确保数据吞吐量使用32位总线，C6416的主机接口囷PCI总线引脚共用设置PCI_EN=0，配置为HPI模式这样做的优点是充分利用DSP的带宽资源，减少总线上的冲突减轻EMIF总线压力。因为DSP为高速器件S3C4510B为低速器件，接口DSP采用异步从模式即DSP(slave)，S3C4510B(master)这样DSP工作在从模式下，无须加入共享存储器模块节省了开发的成本，同时也降低了开发的难度其他相关控制信号线连接如图3。因为S3C4510B有自己的地址和数据总线所以地址选通信号/HAS接高电平，S3C4510B通过内存分区(BANK)RCS5访问C6416来传递数据S3C4510B配置了64MSDRAM在RAM分區0，引导BootROM2MB和文件系统IntelFlashROM8MB分别放在ROM分区0和1在S3C4510B上运行VxWorks实时操作系统，包括TrueFFS文件系统和嵌入式Web服务器

该模块的主要功能是将从CCD摄像头输入的模擬视频信号转换为数字信号。如图4所示普通CCD摄像头的输出是NTSC制式(或PAL制式)的复合全电视信号CVBS或是S-Video信号，二者均为模拟信号通过Philips公司的TV解碼芯片SAA7114H将模拟TV信号解码并且模数转换为符合CCIR.601标准的数字视频信号，并且存储到AVERLOGIC(凌泰)专用的视频帧FIFO芯片AL4V8M440(8Mb)中等待DSP处理。帧FIFO配置在C6416的CE2空间CPLD通過SAA7114H的输出状态信号以及C6416DSP的相应输出控制信号生成FIFOAL4V8M440的控制信号。通过检测SAA7114H输出的同步信号来生成DSP中断通知DSP读取视频FIFO中已满的一场图像数据。

由于H.264的视频格式主要为QCIF和CIFQCIF的Y信号规定为176点/行、144行/帧，其色度信号Cb和Cr的规定为88点/行、72行/帧每个像素用12位表示；CIF的Y信号的规定为352点/行、288荇/帧，其色度信号Cb和Cr的规定为176点/行、144行/帧每个像素用12位表示。H.264标准中默认的输入位流为4:2:0形式所以要对采集来的视频数据进行存储格式轉换，即通过存储转换使视频流在FIFO中以4:2:0的QCIF或者CIF格式进行存放这里称之为视频格式转换。

TMS320C6416是德州仪器(TI)公司最新推出的高性能定点DSP其时钟頻率可达600MHz，最高处理能力为4800MIPS该DSP具有Viterbi译码协处理器(VCP)和Turbo译码协处理器(TCP)。采用两级缓存结构：一级缓存(L1)由128kb的程序缓存和128kb的数据缓存组成二级緩存(L2)为8Mb。有2个扩展存储器接口(EMIF)可以与异步(SRAM，EPROM)/同步存储器(SDRAM、SBSRAM、ZBTSRAM、FIFO)无缝连接最大可寻址范围为1280MB；主机接口(HPI)总线宽度可由用户配置(32/16b)。由于需偠处理的图像数据量非常大(对于720*576的图像需要829440B)而且系统频繁的转移数据，采用64位数据宽度的SDRAM对提高整体效率非常有用所以配置64位宽128MB的SDRAM在A總线EMIFA上，使用分区CE0FLASHROM用于存放程序，连接在分区CE1使用16位宽B总线EMIFB，共8MB帧FIFO配置在分区CE2，用于存放A/D采集的像素由CPLD控制写入，DSP读出数据进行壓缩处理具体流程如图5所示。

(2)完成对整个硬件系统各模块的控制功能，实现数字視频流的传输控制；

(3)通过C6416的HPI32总线将压缩后的视频流传送到微控制器上；

(5)带有音频扩展接口可以很方便的构成音频视频同步的网络视频监控系统。

H．264首先对视频编码流的相关信息进行语法优先级上的数据分类根据具体的网络传输环境，在保证视频抗误码能力的前提下选择夶小合适的数据分类整合打包策略在此基础上，H.264提供了面向RTP/UDP/IP和H.223信道传输的NAL接口本系统使用面向RTP/UDP/IP的NAL接口。

H.264将每个编码帧或者分片Slice在MTU容量嘚限制下分成传输优先级不同的两个输出包：

为了满足不同速率、解析度以及网络传输的要求H.264提供了多种档次(Profile)和等级(level)。根据H.264/AVC规范结合礦山监控系统信息流的特点，经过测试分析采用如图6所示的编码结构。H.264编码主要由帧间预测(Inter-Prediction)帧内预测(Intra-Prediction)，整数变换(Transition)、量化(Q)、环路滤波(filter)和熵编码(EntropyEncoding)等几部分组成编码器生成的码流提交给NAL层。

输入帧Fn经过宏块(MC)处理后根据是在帧间还是帧内预测编码模式，分别确定预测值(P)：在幀内模式P值由前面经过编码、译码和重建的分片uF’n决定；在帧间模式，P值由帧间的运动补偿预测决定

另外，H.264使用以下几项关键技术：

(1)H.264除了支持P帧、B帧外还包括流间传送帧—SP帧，能在有类似内容但有不同码率的码流之间快速切换使用多参考帧进行帧间预测编码，其中參考帧的个数为1~5个这样比单参考帧节省了5%～10%的码子空间；

(2)帧间预测可以基于7种不同大小的块来进行，这比单独的16×16块预测方法提高大于15%嘚编码率；

(3)H.264的运动估计采用高精度的亚像素运动补偿支持1/4或者1/8像素精度的运动估值。对于QCIF的视频格式使用1/4像素精度预测方式；对CIF的视频格式使用1/8像素精度预测方式

(4)H.264中可选32种不同的量化步长，这与H.263中有31个量化步长很相似但是在H.264中，步长是以12.5%的复合率递进的而不是一个凅定常数；

(5)H.264使用基于4×4块的整数残差变换编码方式，反变换过程中没有匹配错误问题；

(6)采用基于4×4块边界的去块滤波器来消除块效应从洏极大地改善了图像的主观质量；

(7)H.264采用两种可选择熵编码CAVLC(基于内容的自适应变长编码)和CABAC(自适应二进制算术

ITU-T官方提供的H.264的核心算法不仅在代码结构上需要改进，而且在具体的核心算法上也需要做大的改动才能达到实时的要求。

需要做的具體工作包括：去除冗余代码规范程序结构，全局和局部变量的调整和重新定义结构体的调整等。开发工具CCS有自己的ANSIC编译器和优化器並有自己的语法规则和定义，所以在DSP上实现H.264的算法要把PC机上C语言编写的H.264代码进行改动使其完全符合DSP中C的规则。相关的改动包括：去除所囿的文件操作；去除可视化界面的操作；合理安排内存空间的预留和分配；规范数据类型——因为C6416是定点DSP芯片只支持4种数据类型：short型(16b)、int(32b)、long型(40b)和double型(64b)，因此必须对数据进行重新规范把浮点数的运算部分近似用定点表示，或用定点实现浮点运算；根据内存的分配定义远近程常量和变量；把常用的数据在数据结构中提取出来以near型数据定义在DSP内部存储空间，以减少对EMIF端口的读取从而提高速度。

结合DSP本身的特点对算法进一步优化，实现H.264算法对视频图像的实时处理采取了以下措施：

(1)通过选择CCS提供的编译优化参数-mw、-pm、-o3和-mt等，根据H.264系统的要求进行優化通过不断地对各个参数的选择、搭配、调整，改善循环、多重循环体的性能从而提高软件的并行性。

(2)对反复调用和影响编码速度嘚关键C代码进行线性汇编重写结合CCS代码剖析工具，利用线性汇编重写了反整数变换、1/4像素内插和去块效应等关键函数函数运行时钟周期只是C语言的1/2~1/3。

(3)对原测试模型进行裁减定制H.264的编码代码，通过实际测试盒性能分析删除了对性能影响不大的算法，如峰值信噪比计算等部分

(4)使用intrinsics内联函数优化C程序，内联函数直接替代复杂的C代码有助于减少指令周期，提高代码性能

(5)利用EDMA实现大容量数据传输，以DMA的方式加快数据处理速度从而减少CPU接入，减轻处理器的负担

(6)在网络软件实现、EDMA数据传输和定时器使用上，充分利用TI提供的库函数有助於提高性能，降低代码长度

H.264编码器防爆设计和性能评价

由于煤矿井下环境极其恶劣，因此除了在进行硬件设计时需考虑电路板的电气特性以外基于编码器功耗和现场安全要求，对其采用防爆外壳外壳的设计参照《煤矿安全规范》、《煤矿设计规范》、《爆炸性环境用防爆电气通用设备要求》、《煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求》、《爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电氣设备要求》等技术标准，要求产品能够通过振动、冲击、淋水、湿热、高低温工作、电压波动等10多项安全检测并能安全运行在井下有爆炸性气体的环境中。

对H.264与MPEG-4、H.263++编码性能在10/100Mbps工业以太网试验环境进行比较结果表明：H.264具有比MPEG和H.263++更优秀的PSNR性能。H.264的PSNR比MPEG-4平均要高2dB比H.263++平均要高3dB。而且在同样的编码速率下基于H.264的编码系统视频更清晰、流畅，能满足现场的需求

本文提出了使用数字信号处理器和嵌入式网络微控淛器，设计面向煤矿工业以太网应用的H.264编码器从而构建基于工业以太网的网络化视频监控系统，对煤矿视频监控系统的网络化关键技术進行研究有利于促进煤矿企业信息化和网络化，构建基于IP的管控一体化网络

在过去相当长的一段时间内，传统的模拟闭路电视监控系统是场所监控的市场主流产品但随着信息技术的發展和用户需求的提高，模拟闭路电视监控系统暴露出一些缺陷主要表现在：传输距离不可能很远、无法远程监视、布线工程量大，特別不适应信息时代的数字化发展趋势而数字化监控系统的优点恰好克服了模拟闭路电视的局限性，如网络传输视频流、传输距离远、布線不重复、抗干扰能力强、远程监控、查询方便等

2PCI板卡的模块化设计

PCI编码卡从功能上分为6大模块：

4本板卡在网络监控中的应用

康佳LC-TMl708P 液晶彩电逆变器驱动电路采用FPl451 控制芯片，采用"Royer"结构的逆变电路在逆变器电路中，设有过电压、欠电压、过电流和平衡保护电路

保护电路启动时，会切断控制芯片的PWM 脉冲达到保护的目的。本文介绍康佳LC-TMl708P 液晶彩电逆变器原理和维修其他TM 系列液晶彩电可参照维修，因机型的差异个别机型的逆变器电路可能有所不同。

康佳LC-TMl708P 液晶彩电逆变器电路如图1 所示它采用U1（FPl451）控制芯片组成"Royer"结构的逆变电路，將开关电源输出的低压直流电转换为CCFL 所需的 V 的交流电

图1 FP1451 集成电路（逆变器）内部电路框图。

FPl451 是一个PWM（脉宽调制）控制芯片在开关电源、逆变电路中有着广泛的应用，该芯片由基准电压、振荡器、误差放大器、定时器和PWM 比较器等电路组成利用FPl451 可以组成各种开关电源和控淛系统，不仅能使开关电源和控制系统简化容易维修，降低成本而且更重要的是能降低系统的故障率，提高系统设备运行的可靠性

FPl451 為双通道驱动控制电路，可输出两路PWM控制脉冲分两路驱动电路进行控制，每路驱动电路均可驱动两个CCFL（冷阴极荧光灯）工作FPl451 适用的电源电压范围宽，可以在3.6~40 V 的单电源下工作具有短路和低电压保护电路。

2. 引脚功能和内部电路

FPl451 内部电路框图如图2 所示其引脚功能见表1 所示。另外与FPl451 内部电路和引脚功能基本一致的还有TLl451、BA9741、SP9741 等。

图2 康佳LC- TM708P 液晶彩电逆变器电路图

控制电路由PWM 控制芯片U1 及其外围元器件组成。

在需偠点亮显示器时微控制器输出的"ON/OFF"信号为高电平，控制Q12、QlO 导通于是，由开关电源产生的12 V 直流电压经导通的QlO 加到U1 的供电端⑨脚U1 得电后，其内部基准电压源先工作输出2.5 V 的基准电压，该基准电压不但供给U1 片内电路还通过U1輥輴訛脚输出，为外部电路提供基准电压然后，U1 启動内部振荡电路开始工作其振荡频率由U1①、②脚外接的定时电阻R14、定时电容C8 大小决定。

振荡电路工作后产生振荡脉冲，加到PWM 比较器1 和PWM 仳较器2,经过变换整形后从U1⑦、⑩脚输出PWM脉冲去两路直流变换电路。