2022年嵌入式G无线视频监控系统硬件设计与信号完整性仿真 .pdf
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1、收稿日期: 2010 03 26;修回日期: 2010 05 19。基金项目:中国博士后基金资助项目( 20070420825) ;中南大学博士后基金资助项目。作者简介: 黄帅 ( 1985 ) , 男 , 湖南长沙人, 硕士研究生, 主要研究方向: 高速系统设计与DSP 应 用 ;许雪梅( 1971 ), 女 , 湖 南 邵 阳 人 , 副教授 , 博士 , 主要研究方向: 嵌入式系统在无线通信中的应用;徐蔚钦( 1986 ), 男 , 浙江金华人, 硕士研究生, 主要研究方向: Linux操作系统下驱动设计与开发;周文 ( 1985 ) , 男 , 江西上饶人, 硕士研究生, 主要研究方向
2、: 无线视频监控。文章编号: 1001 9081( 2010) 09 2535 03嵌入式 3G 无线视频监控系统硬件设计与信号完整性仿真黄帅, 许雪梅 , 徐蔚钦 , 周文( 中南大学物理科学与技术学院, 长沙 410083 )( huangsh- 147 163 com)摘要: 提出了一种基于DaVinci平台的嵌入式3G 无线视频监控系统的解决方案。该方案充分利用WCDMA 网络的高带宽, 可 进 行 两 路 视 频 的 同 步 监 控。 对 系 统 的 硬 件 设 计 进 行 了 深 入 的 探 讨 , 设 计 了 各 个 功 能 模 块。 应 用Hyperlynx 软件与IBIS 模
3、型对硬件PCB 设计进行了仿真分析, 有效地解决了系统DDR2 接口电路中出现的反射、 串扰等信号完整性( SI) 方面的问题, 充分保证了高速PCB 设计的质量和 速度 。 相 比 传 统 的 有 线 视频 监 控 , 该 方 案 更 加 灵活,使用范围更加广泛。关键词 : DaVinci ; 无线视频监控; PCB 设计 ; DDR2; 信号完整性中图分类号:TP303文献标志码: AHardwaredesign and signal integritysimulationofembedded 3G wireless video surveillancesystemHUANGShuai ,
4、 XU Xue- mei,XU Wei- qin , ZHOU Wen( School of Physics Science and Technology,Central South University,ChangshaHunan410083 ,China )Abstract:A solution of embedded 3G wireless video surveillance system based on DaVinci platform was proposed , whichtook full advantage of the high- bandwidth of WCDMAne
5、twork and could realize two-way video surveillancein parallelThehardware design was discussed in depth and various functionalmodules were designed The simulationanalysis of hardwarePCB design was made by use of Hyperlynxsoftware and IBIS modelsThe Signal Integrity( SI)problems , which usuallyappeare
6、d in DDR2 interface circuitsuch as reflectionand crosstalk,were resolved effectivelyAnd the qualityand speedduring high-speed circuitPCB design were fullyguaranteed Compared to the traditional wired video surveillance,this solutionis more flexibleand can be used more widely Key words:DaVinci;wireles
7、s video surveillance;PCB design; DDR2;signal integrity0引言在如今的信息社会, 视频监控广泛应用到电力系统、 电信机房 、 城市交通、 小区 治 安 等 领 域 。但 是 , 由 于 监 控 点 分 布 范围散 、 数量多 、 距离远 、 甚至地处偏僻, 传统的有线视频监控难以实现1 。 无线 通 信 技 术 的 日 益 发 展 , 传 输 带 宽 不 断 提 高,基于多种无线传输手段的视频监控以其特有的灵活性成为视频监控新的发展方 向。 随 着 3G 的 正 式 到 来 , 移 动 通 信 数 据网络为 承 载 视 频 监 控 数 据 的
8、 传 输 提 供 了 更 好 的 条 件 和 保障2 。 本 文 采 用TI公 司 的DaVinci系 列 双 核DSPTMS320DM6446 作为系统核 心 处 理 器, 利 用 WCDMA 无 线 网卡 E1750 进行数据无线 发 射 与 接 收 , 详 细 介 绍 了 3G 无 线 视频监控系统的硬件 设 计 方 案 以 及 高 速 PCB 设 计 中 的 信 号 完整性分析和仿真策略。1系统结构与工作原理系统主 要 由 视 频 采 集 前 端、WCDMA无 线 通 信 网 络 与Internet 、 监控服务端3 部分组成, 系统结构如图1 所示 。 系统基本工作原理是: 摄像头采
9、集到模拟视频信号经过数字化、 视频压缩编码后, 通过 WCDMA 模块进行无线发射, 视频数据通过 WCDMA 网络和Internet 发送 到 视 频 监 控 中 心 或 各 种 接 入Internet 的移动终端 , 如 手 机 、 PDA 等。 监 控 中 心 和 移 动 终 端对视频流进行解码, 即可看到监控现场的实时视频画面, 用户还可发出指令对监控前端进行远 程 操 控。由 于 采 用3G无 线通信网络, 相比传统的CDMA /GPRS 网络 , 带宽得到大幅的提高 。CDMA 峰值速率为 153 6 Kbps, 而 目 前 WCDMA 网 络 下行速率可达14 4 Mbps, 上
10、行速率5 76 Mbps , 这为高质量视频传输奠定了很好的基础。图13G无线视频监控系统结构第 30 卷第 9 期2010 年 9 月计算机应用Journal of Computer ApplicationsVol 30 No9Sep 2010名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 4 页 - - - - - - - - - 2系统硬件设计与实现该系统采用 独 立 于 计 算 机 的 嵌 入 式 设 计 方 案 , 以 双 核DSP 处理器TMS320DM644
11、6 ( 以下称DM6446 ) 为核心 , 主要由音视频采集模块、 音视 频 数 据 编 码 模 块 、 存 储 器 模 块、 电 源 模块以及无线发射模块组成, 硬件结构如图2 所示 。图 23G 无线视频监控系统硬件结构2 1音视频编解码模块音 视 频 编 解 码 模 块 为 系 统 的 核 心 模 块,系 统 采 用DM6446 芯片和相应外围 芯 片 构 成。 DM6446 是 TI 公 司 推 出的高集成度的 SoC 视 频 芯 片 , 包 括 一 个 ARM 子 系 统 、 一 个DSP 子系统和一个视频处理子系统(VPSS) , 同时还带有一个图像 协 处 理 器 VICP 和
12、各 种 丰 富 的 外 设, 其 中 ARM 采 用ARM926EJ- STM 内核 , 主 频 达 297 MHz, DSP 采 用 C64x + 内核 , 主频达594 MHz, 指令数更是高达4752 MIPS 3 。 与 前代DSP 产 品 DM64x相 比,成 本 降 低 了 50% 。 DM6446具 有ARM9 内核 ,可 以 运 行 常 见 的 嵌 入 式 操 作 系 统 ( 如 Linux ,Windows CE) , 具有 强 大 的 系 统 管 理 和 外 设 控 制 能 力。 因 此采用 DM6446 DSP处理器在速度、 功耗 、 成本上与多芯片系统相比具有较大的优势
13、。2 2音视频采集模块系统中的视频解码 芯 片 使 用 TVP5150 , 该 芯 片 支 持 两 个复合视频或一个S 端 子 输 入。 为 充 分 利 用 无 线 网 络 带 宽, 系统使用两片TVP5150实 现 两 路 视 频 信 号 的 同 步 采 集 编 码 以及传输 。DM6446 只有一路像素同 步 信 号 PCLK , 不 能 实 现多路视频的同 步 输 入 , 一 般 都 将 多 路 视 频 输 入 设 计 为 选 通 方式4 。 在本系统中, 使用 一 块 CPLD 对 两 路 视 频 信 号 进 行 同步 , 然后将16 b( 2 路 8 b 的 RBT656 视频数据)
14、 的数据传输到DM6446 的 CCD0 15 , 如 图 3 所 示。 DM6446 利 用 IIC 接口通过 CPLD 对 TVP5150 进行控制和状态读写。TVP5150 地址通过 对 芯 片 的 YOUT7 /IIC引 脚 进 行 上 拉 (0 xBA )和 下 拉( 0 xB8 ) 可实现地址的分配。除让两路视频的同步输入, CPLD还可起到电平转化的作用, 将 TVP5150 的 3 3 V 电平转换为DM6446 的 1 8 V 的 IO 电 平 , 减 少 电 平 转 换 元 件 的 使 用 。系统使 用 TI 公 司 的 TLV320AIC33作 为 音 频 编 解 码 器
15、 , 可 与DM6446 的音 频 串 行 接 口 (ASP)无 缝 连 接。 系 统 工 作 时,DM6446 与 AIC23B 的数据交换的协议采用DSP 模式 , 控制接口采用IIC , 音频为立体 声 Line 输 入 (不 进 行 音 频 功 率 放 大,噪声相对较低) 。图 3双路视频同步采集电路2 3存储器模块系统的 存 储 模 块 主 要 包 括 NAND Flash、 DDR2 以 及 USB接口移动硬盘。 DM6446 中的 ARM 内核具有16 KB 用于 boot的 ROM, 为了存储系统程序和Linux 内核 , 系统需要额外扩展持久性存储芯片。 NAND Flash
16、 可 集 成 度 高 , 价 格 便 宜 , 系 统使用 NAND Flash 存储器来存储启动代码和数据, 也可以存储文件系统等信息。DM6446 内部 RAM 容 量 太 小, 系 统 工 作时必须使用外部RAM 来 装 载 内 核 镜 像 以 及 文 件 系 统, 视 频 数据在传输和处理 中 也 需 要 大 容 量 的 RAM 来 进 行 数 据 暂 存,故系统中使用两片数据 宽 度 为 16 位 的 DDR2 存 储 器 组 成 宽度为 32 位的外部随机存储器, 作为整个DM6446 系统的缓冲中心 。 为方便数据的 本 地 保 存, 系 统 可 以 通 过 USB20 接 口连接
17、移动硬盘等大容量存 储 设 备 , 保 存 好 数 据 后 可 以 拔下 取走 。2 43G 无线发射与接收模块无线发射与接收 模 块 使 用 华 为 无 线 上 网 卡 E1750, 该 模块使 用 WCDMA 无 线 通 信 网 络 , 支 持 上 行 最 高 速 率 HSUPA5 76 Mbps ; 支持下行最 高 速 率 HSDPA 7 2 Mbps。 该 速 率 远高于传统的CDMA 与 GPRS 通信网络速率。 该网卡使用USB接口 , 可与系 统 编 解 码 模 块 的 USB 接 口 直 接 相 连 。DM6446的 USB 接口工作在主模式, 无线网卡与移动硬盘作为系统 的从
18、设备 。由于 无 线 网 卡 需 要 系 统 USB 接 口 提 供 电 源, 考 虑DM6446 的 USB 接口的输出功率有限, 在设计USB 接口时 需要提高其输出功率。 一 个 简 单 方 法 就 是 外 接 电 源 , USB 设 备使用电路板上5 V 电 源 独 立 供 电 , 而 不 使 用 DM6446 的 USB接口的供电电压。2 5电源管理模块系统电源分为+ 5 V、+ 3 3 V、+ 1 8 V 及 + 1 2 V 四种 ,系统主电源为5 V, 其余电压均由5 V 电 源 供给 。1 2 V 为 内核供电 , 1 8 V 除 了 为 DM6446的 I /O 与 DDR2
19、 内 存 供 电,3 3 V需要 给 大 部 分 外 设 供 电。 本 设 计 使 用 DC-DC 稳 压 器TPS54310 作为系统电源的供给芯片, 可 以 持 续 输 出 3 A 的 电流且符合系统5 V 主电压的输入。ARM 启动 DSP 模式5 下,ARM 核应先于DSP 核上电或两者同时上电, 但内核电压要早于I /O电 压 上 电。可 将TPS54310( Core)的PWRGD引 脚 与TPS54310 (I /O )的SS/ENA引 脚 相 接 ,只 有 当 TPS54310( Core) 的输出电压稳定后, PWRGD 引 脚 才 会 输 出 高 电 平, 这样可以保证当
20、内 核 电 压 ( 同 时 上 电 )输 出 稳 定 后 , TPS54310( I / O)才 会 输 出 电 压,严 格 确 保 了 上 电 次 序 。 系 统 设 计TPS3307-18D 电源监控芯片 监 控 板 上 的 多 个 电 源 , 一 旦 某 个6352计算机应用第 30 卷名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 4 页 - - - - - - - - - 电源的电压降到一定的门限值以下时, 就强制进入复位状态。3硬件信号完整性分析与仿真在高速电
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