基于DSP的视频监控系统硬件设计.pdf

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1、第1 7 卷V 0 1 1 7第1 1 期N o 1 l电子设计工程E l e c t r o n i cD e s i g nE n g i n e e r i n g2 0 0 9 年1 1 月N O V 2 0 0 9基于D S P 的视频监控系统硬件设计田书成，。程永强1。黄英男2(1 太原理工大学信息工程学院，山西太原0 3 0 0 2 4；2 中国联通锦州市分公司，辽宁锦州1 2 1 0 0 0)摘要：提出一种基于D S P 的视频监控解决方案。系统设计加入F P G A 模块。使得设计方便、灵活，可广泛应用于工业控制、交通系统和数字视频展台等领域。该系统主要由电源、视频信号处理、

2、F P G A 和外围接口等4 个功能模块组成，主要介绍这4 个模块的硬件电路设计。该设计方案已成功应用于数字视频展台产品设计中。关键词：数字信号处理器；视频监控；C C D 图像传感器；硬件设计中图分类号：T N 9 4 6 9文献标识码：A文件编号：1 6 7 4 6 2 3 6(2 0 0 1 9)l l 0 0 8 4 加2S y s t e mh a r d w a r ed e s i g no fv i d e os u r v e i l l a n c eb a s e do nD S PT I A NS h u-c h e n 9 1。C H E N GY o n g-q

3、i a n 9 1，H U A N GY i n g n a n 2(1 c o 如鲈o f I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n go f r u 丁，T a y u a n0 3 0 0 2 4，C h i n a；2 J i n z h o uC o m p a n yo fC h i n aU n w o m，J i n z h o u1 21 0 0 0，C h i n a)A b s t r a c t：An e wm e t h o do fv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mb a s

4、 e do nD S Pi sp r o p o s e d B e c a u s eo ft h em o d u l eo fF P G A，t h i ss y s t e r np e r f o r m a n c ei sg o o da n di se x p a n d e de a s i l yt ob ea p p l i e di nd i g i t a lv i d e op r e s e n t e ra n dm a n yo t h e rs u r v e i l l a n c es y s t e m ss u c ha si n d u s t r

5、 y，t r a f f i ca n d o n T h i ss y s t e mi sm a d eu po fp o w e rm o d u l e，v i d e os i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e，F P G Am o d u l ea n de x t e r n a li n t e r f a c em o d u l e T h eh a r d w a r ed e s i g no ft h i ss y s t e mi sd e t a i l e d l yi n t r o d u c e di nt h i

6、 sp a p e r T h ed e s i g nh a sb e e ns u e e e s s f u l l yu s e di nt h ep r o d u c to fd i g i t a lv i d e op r e s e n t e r K e yw o r d s：D S P；v i d e os u r v e i l l a n c e；C C Di m a g es e n s o r；h a r d w a r ed e s i g n1引言目前视频监控广泛应用于安防监控、工业监控和交通监控等领域。视频监控系统大致经历3 个阶段：首先是基于模拟信号的电视

7、监控系统，其功能单一、易受干扰且不易扩展；随后出现基于P C 机的图像监控系统，其终端功能较强，但价格昂贵，稳定性差；近年来，随着嵌入式技术成熟，嵌入式视频采集处理系统具有可靠性高、速度快、成本低、体积小、功耗低、环境适应性强等优点1 2 1。基于嵌入式系统的上述诸多优点，这里提 n 一种基于D S P 的视频监控系统解决方案。2 系统硬件设计2 1 系统整体硬件结构整个系统硬件设计由电源、视频信号处理、F P G A 和外围接口等模块组成。其中。图像处理模块接收C C D 图像传感器传送的模拟视频信号并把模拟视频信号模数转换成数字信号。由D S P 处理所转换的数字信号，再转换为标准的Y U

8、 V4：2：2 格式的数字视频信号，并将获得的数字视频信号送至F P G A 模块，对Y U V 数字信号进行处理。从而产生标准的S V G A 格式，帧频为6 0H z 的行、场同步信号。图1 为该系统硬件设计框图。收稿日期：2 0 0 9-0 6 1 2稿件编号：2 0 0 9 0 6 0 4 7器匦 匦母囟咂产n 袁F、瓜i 亍亍i 司泌图1 系统硬件设计结构框图2 2 电源模块电源模块将外部输入的1 2V 直流电源转换成系统各模块所需工作电压。C C D 图像传感器所需电压为1 5V 和一7V，D S P 所需电压为3 3V 和5V。F P G A 所需电压为1 2V、2 5V和3 3

9、V。本设计采用M O T O R O L A 公司的D C D C 电源转换器M C 3 4 0 6 3 A 将1 2V 直流电压转换成5V 直流电压，选用T e X a sI a s t r u m e n t 8 公司的电源转换器T P S 7 5 0 0 3 将5V 直压电源转换成1 2V、2 5V 和3 3v 直流电压。而C C D 图像传感器的工作电压则由N E 5 5 5 和7 8 L 1 5 产生。2 3 图像处理模块2 3 1 图像采集本设计图像采集电路将C C D 传感器输出的模拟视频信号转换成离散的模拟视频信号。再对模拟信号进行相关双采样、自动增益控制处理后，传输至D S

10、P 转换为数字信号。具体工作流程：系统上电复位后，D S P(C X D 3 1 4 2)产生控制信号驱动C C D 图像传感器把光信号转换成P A L 制式的模拟视频信号。并把该信号输入到C X A 2 0 9 6 N 1 3 1 的引脚D I N 和P I N 引作者简介：田书成(1 9 8 4 一)，男，河南平顶山人。硕士研究生。研究方向：图像处理的硬件设计。一8 4 万方数据田书成。等基于D S P 的视频监控系统硬件设计脚。此时，在引脚S H D 和S H P 的控制下对输入信号进行相关4 C m，此F P G A 具有较高的性价比，其内有2 5 万个系统门，5双采样。当S H D

11、信号的下降沿到来时，采样D I N 信号电平，5 0 8 个逻辑单元(L C)，6 1 2 个可配置逻辑块(C L B)，2 1 6K b i t当S H P 信号的下降沿到来时，再采样P I N 引脚的预加电平信的块R A M 1 2 个专用乘法器，1 5 8 个可用的I O 接1 2 1。4 个数号，将这两路信号送到C X A 2 0 9 6 N 内部的自动增益控制电字时钟管理单元(D C M)。图3 为其电路连接图。路，经差运算后输出。再对输出信号进行黑电平箝位、预消隐等处理，然后由C X A 2 0 9 6 N 的D R V O U T 引脚输出。D S P 产生C X A 2 0 N

12、 的丁作时序。2 北视频信号处理(C 略1 4 2 R)本设计采用S O N Y 公司专用信号处理器件C X D 3 1 4 2 R p q作为信号处理器。C X D 31 4 2 R 是专用于对Y e，C y，M g 和G 补色单片C C D 输出信号进行处理的低功耗、高效率的信号处理器：具有自动曝光和自动向平衡功能可同时输出复合视频信号和Y U V8 位数字信号输出。内部集成9 位A D 转换器同步信号产生电路、外部同步电路和时钟控制电路。此外。C X D 3 1 4 2 R 还具有串口通信功能用户可在P c 机中预先设定好D S P 中的寄存器值，通过串口下载到D S P，并对图像信号进

13、行自动曝光和自动白平衡等处理。图2 为视频信号处理模块电路连接图。图2 视频信号处理模块电路连接图图2 中，H l，H 2，X V l，X V 2，X V 3。X V 4 是C C D 图像传感器的时序驱动信号，E E P R O M 用来存储D S P 初始化的寄存器值。D O D 7 是Y U V 数字信号。其具体工作流程：将C C D 图像传感器采集的模拟信号经C X A 2 0 9 6 N 进行相关预处理后相应数字信号经V I N 引脚传给D S P(C X D 3 1 4 2)，D S P 接收数字信号后，利用其内部A E A W B 检测电路、同步信号产生电路、外同步电路以及相关算

14、法对其进行相关处理。处理完成后在行(H 引脚)、场(V 引脚)信号及时钟信号(P C L K)的控制下将8 位数字信号经过D 0 D 7 引脚传给F P G A 模块进行相关处理。通过引脚S C K、S I、S O、X C S 串口通信通过C S R O M、C A S I、C S A S O、C A S C K 引脚与外部E E P R O M 通信，实现D S P 相关的初始化。此外。I O 引脚输出经D S P 处理过的复合视频信号，通过相关接口直接在C R T 显示器上显示图像处理结果。2 3 3F P G A 模块为了实现实时预处理数字视频信号数据，增加系统扩展性该系统设计扩展一片由

15、X i l i n x 公司生产的基于9 0a m 工艺制造的S p a r t a n 3 E 系列F P G A，其型号为X C 3 S 2 5 0 E P Q 2 0 8 刚掣图3F P G A 模块电路连接图D S P 与F P G A 的通信是由l l 根总线完成的分别是8 根数据线，行、场同步信号和数据时钟总线。因为C X D 3 1 4 2 RD S P 输出P A L(逐行倒相)制式的数字视频信号F P G A 将此P A L 制视频信号转换成V G A 格式。首先将Y U V(4：2：2)格式信号转换成R G B(5：6：5)格式，然后利用2 个S D R A M 作为帧缓存

16、，利用场问插值算法，完成隔行到逐行的转换，并将帧率由2 5H z 提升到6 0H z，同时产生S V G A 格式、帧频为6 0H z的行、场同步信号。并把被放大的图像数据经D A 转换后输出列V G A 接口，V G A 显示器上实时显示采集的图像。2 4 外围接口模块本设计支持R 孓2 3 2 C 串口通信。但该串口通信需把3 3V逻辑电平转化成R S 2 3 2 C 标准电平。因此采用S P 3 2 3 2 E 1 6 i 系列器件完成电平转换。S P 3 2 3 2 E 可从+3 0 一+5 5V 的电源电压产生2 V e e 的R S 2 3 2 C 电压电平。该系列适用于+3 3V

17、 系统。S P 3 2 3 2 E 器件的驱动器满载时典型数据速率为2 3 5k b s。图4为系统设计的接口电路图。图4 接口电路图需要注意的是，由于采用S P 3 2 3 2 E 器件，其驱动能力有限，该接口电路只适用于近距离传输。如果要进行远距离传输则必须加强信号传输能力。3 系统硬件调试系统硬件调试应先调试电源模块如果系统电源错误，器件将损坏；然后调试D s P 模块。D S P 上电后，空闲情况下一般不会发热若有轻微的发热情况应立即断开电源以免损坏D S P 器件，其主要原因是把D S P 的工作电压接到D S P 的非电压引脚。D S P 的工作电压正常后再检查复位电路、时钟电路是

18、否正确。如果D S P 的时钟引脚无信号，一般是电路虚焊。如果有信号，但工作频率达不到系统工作的正常值，则通过调整外部可调电容。如果还达不到要求，则应(下转第8 8 页)-8 5-万方数据电子设计工程2 0 0 9 年第1 1 期4 功耗分析表l 是整个接口的功耗分析。将M C U 和S I C 0 5 1 1 2 分为工作和待机两个状态进行分析。表1 接口功耗分析由表l 可以看出，整个接口的总待机电流仅为0 2 斗A，在运算状态也只有2 4 0 斗A，在实际应用中显示刷新的频率不尽相同，2 4 0M 是系统工作的极限状态，这是一般的显示装置所不能比拟的。5 结束语问题电子纸的诞生完美的解决r

19、 该难题。电子纸是新生代的显示装置有着其他显示设备所无法比拟的特性，在介绍电子纸驱动模块与单片机接1 2 1 的同时给出电子纸显示模块相应的功能子程序由于只采用I O 和定时器。因此这里所讨论的内容也适用于其他型号M C U。参考文献：【l】许秉职未来的阅读方式：电子纸从梦想走入现实【j】I 微型计算机2 0 0 6。1 9(8 5)：8 6 8 9 f 2】张唏，王德银，张晨M S P 4 3 0 系列单片机实用C 语言程序设计M 1 北京：人民邮电出版社，2 0 0 5【3】，1 1 公司M S P 4 3 0i n t e r a c tc o n n e c t i v i t y E

20、 B O L 2 0 0 9 h u p：m i c r o e o n t r o l l e r t i c o r n【4】E P S O N 公司S I C 0 5 11 2t e c h n i c a lm a n u M E B O L 2 0 0 9 h t t p：w w w e p s o n c o r n c n e d 5】胡大可M S P 4 3 0 系列F l a s h 型超低功耗1 6 位单片杌【M 1 北京：北京航空航天大学出版社2 0 0 1 随着现代电子技术的发展，人们对便携电子产品的要求【6】徐建平，耿世钧，马廷锋，等超低功耗电子电路系统设计越来越高，

21、超长时间待机和超薄设计是便携产品最雉解决的原则阴电子技术应用，2 0 0 8(3 3)：1 1-1 4-l _-l-_-_(上接第8 5 页)考虑时钟信号是否受到低频信号干扰，就要认真检查电路板，必要时应修改布线。F P G A 模块的调试与上述方法相同。4 结论该系统设计已成功应用于数字视频展台项目。目前该产品已投入生产，但图像质量还有待提高，可能是模拟视频信号失真和白平衡的值设置不恰当。该设计方案具有较强的灵活性，还可应用于监控、安防等产品开发。参考文献：【1】韦在军，夏汗青，郭伟基于G P R S 通信技术的船栽远程视频监控系统【J】数据通信，2 0 0 4，1 5(I)：4 3 4 5

22、【2】王国伟，宋铁成，陈正石基于W e bS e v e r 的视频监控服务器叨计算机工程，2 0 0 5，3 1(2 2)：2 0 2 2 0 4【3】S o n yC o r p o r a t i o n D i g i t a lC C Dc a m e r ah e a da m p l i f i e r E B O L 2 0 0 8 h u p f f w w w a i l d a t a s h e e t c o m v i e w j s p?S e a r c h w o r d-C X A2 0 9 6 N【4】S o n yC o r p o r a t i o

23、n S i g n a lp r o c e s s o rL s If o rs i n g l e-c h i pC C Dc o l o re a m e r a E B O L 2 0 0 8 h t t p：w w w s o n y c o r n【5】X I L I N X S p a r t a n-3 EF P G Af a m i l y：c o m p l e t ed a t as h e e t E B O L】2 0 0 5 h t t p：w w w x i I l l i n x c o r n c a【6】S I P E x s P 3 2 2 2 3 2D

24、a t as h e e t 匝B o L】20 0 5 h t t p：#w w w 丑l ld a t a-s h e e t e o m h,i e w j s p?S e a r c h w o r d-=s P 3 2 3 2 K-一-卜。卜。卜S p a r t a n 6F P G A 针对低功耗、低成本高速互连赛灵思公司宣布其低成本S p a r t a n 6F P G A 系列兼容P C IE x p r e s s1 1 标准，为消费、汽车、无线和其他价格敏感或大批量市场。提供了低风险和低成本的串行连接解决方案。S p a r t a n 一6F P G A 可满足为车栽

25、信息娱乐系统、平板显示和视频监控特定应用而开发P C I e 兼容系统时，对成本、易用性和低功耗的需求。X i l i n xS p a r t a n 6L X TF P G A 中集成的P C IE x p r e s s 端点模块，已经通过了针对P C I e1 1 单通道配置的P C I S I G 兼容性与互操作性测试。这一最新的重大里程碑事件进一步说明了赛灵思在推动为广泛采用的串行互联标准，提供F IG A 支持的领导地位。同时该重大里程碑事件距离V i r t e x 6F P G A 宣布P C I S I G 兼容的P C I e2 0 多通道配置的实现还不到3 个月。通过V

26、 i r t e x-5F P G A 系列，赛灵思已经是首家把兼容的P C I e1 1 模块集成到可编程器件中的厂商同时也是首家通过提供V i r t e x 5F X T 与V i r t e x 一5T X T 器件的软I P 支持而率先推出兼容P C I e2 0 标准5 G b s 版本F P G A 的厂商。P c I e1 1 在S p a r t a n-6L X T 器件中实施同时经生产验证的赛灵思G T P 串行收发器提供高达3 1 2 5G b s 的速率，L o g i C O R E 解决方案使用针对P C IE x p r e s s 的集成端点模块。带物理层(P

27、 H Y)的可配置P C I e 核提供目前成本最低的单通道集成可编程实施。G T P 串行收发器具有清楚的工艺、电压和温度描述。P C IE x p r e s s 的S p a r t a n-6F P G A 集成端点模块还具有许多方便使用的功能，可简化设计进程，以及为优化P C I e 端点应用的配置同时还有更多的资源支持以提供完整的P C I e 解决方案。设计人员现在可立即利用S p a r t a n 6F P G AS P 6 0 5 评估套件开始评估并设计低成本、低功耗的P C IE x p r e s s1 1 兼容系统。与该评估套件一起提供的I S E 设计套件l l 中

28、的X i l i n xC O R EG e n e r a t o r 系统可帮助设计人员为他们的应用配置P C I e 端点模块。咨询编号：2 0 0 9”1-8 8-万方数据基于DSP的视频监控系统硬件设计基于DSP的视频监控系统硬件设计作者：田书成，程永强，黄英男作者单位：田书成,程永强(太原理工大学,信息工程学院,山西,太原,030024)，黄英男(中国联通锦州市分公司,辽宁,锦州,121000)刊名：电子设计工程英文刊名：ELECTRONIC DESIGN ENGINEERING年，卷(期)：2009,17(11)参考文献(6条)参考文献(6条)1.SIPEX SP3222/323

29、2 Data sheet 20052.XILINX Spartan-3E FPGA family:complete data sheet 20053.Sony Corporation Signal processor LSI for single-chip CCD color camera 20084.Sony Corporation Digital CCD camera head amplifier 20085.王国伟;宋铁成;陈正石 基于Web Sever的视频监控服务器期刊论文-计算机工程 2005(22)6.韦在军;夏汗青;郭伟 基于GPRS通信技术的船栽远程视频监控系统期刊论文-数据通信 2004(01)本文链接：http:/