系統組成

　　如圖1所示，本文所述數字視頻采集卡由以下5個部分組成：

圖1 采集卡系統組成框圖

　　（1）高速視頻采集單元，主要完成模擬視頻信號到數字視頻信號的變換；

　　（2）數據交換單元，由FPGA和雙口RAM構成，采用包交換技術，完成數字視頻數據向DSP的傳送；

　　（3）DSP及其外圍接口電路，包括EMIF接口、McBSP接口、HPI接口、PLL時鐘接口、DMA接口、JTAG接口、電源監控等；

　　（4）DSP與PCI總線的橋接單元，主要完成DSP與上位機的通信；

　　（5）雙供電模式的電源部分。

　　下面將對系統各個部分的設計分別進行介紹。

　　系統設計實現

　　高速視頻采集單元

　　模擬視頻信號是一類比較復雜的模擬信號，信號中包含了像素的亮度信息，色彩同步信息和行、場同步信息。要實現正確的圖像采集，必須從復合的視頻信號中正確地分離出各種信號，并利用其中的同步信號控制A/D轉換過程，從而實現正確的圖像采集。

　　如圖2所示，在硬件設計上有2種實現方案：

圖2 A/D采樣方案

　　（1）采用通用A/D器件+同步信號分離器件；

　　（2）采用專用的視頻A/D轉換芯片。

　　方案1的實現電路較復雜，本文的設計采用了第2種方案，以PHILIP公司的視頻采集芯片SAA7111為核心構成轉換電路。

　　數據交換單元

　　在實時視頻圖像處理系統中，數據的吞吐量是很大的，大量的視頻圖像數據被實時采集、傳輸、處理。因此，在系統設計中，數據的傳輸設計是非常重要的。在本系統的設計中，利用FPGA和雙口RAM實現了一種包交換的數據傳輸方式，如圖3所示。

圖3 FPGA及雙口RAM

　　在系統中，FPGA首先要完成對A/D采樣的控制，包括控制采樣的啟停，采樣數據格式的轉換等；其次FPGA要完成對雙口RAM數據寫入的控制和數據發送中斷信號的產生；另外，還要在FPGA中形成從A/D到雙口RAM的數據通路，在此基礎上可以實現一些數據預處理的功能。

　　在雙口RAM設計上，本文將整個雙口RAM分成2個存儲塊，每當一個存儲塊在進行寫操作時，另一個存儲塊在進行讀操作，這樣數據的讀、寫操作在不同的存儲塊上同時進行，即實現了數據的緩沖，又實現了數據的不間斷傳送。數據的分塊交換傳輸過程也是數據的打包過程，存儲塊的大小決定了數據包的大小，數據的打包有利于數據的整塊處理。

　　DSP及其外圍接口電路

　　在DSP芯片選型上，本文選擇了適合圖形圖像處理的TI 公司C6000系列芯片中性價比較高的C6201芯片，以其為核心構建單DSP系統。C6201芯片擁有以下集成外設：外部存儲器接口EMIF，直接存儲器訪問通道DMA；多通道緩沖串口McBSP；主機口HPI；以及芯片設置管腳、定時器、中斷控制、下電邏輯和GPIO等。

　　在本文的設計中，根據系統的具體要求，本著設計簡捷同時又要便于系統將來擴充的原則，在外圍接口中除去必須使用的接口外，有些不必要的外圍接口引腳直接浮空，有些則引出了擴展接口，以便節約空間和將來系統的擴展。

　　C6201的EMIF接口可以掛接3種外部存儲器：同步靜態存儲器SDRAM、同步突發靜態存儲器SBSRAM和異步存儲器。在系統中，用于數據緩沖和交換傳輸的雙口RAM是異步存儲器，此外，為了處理的中間結果數據、最終數據和DSP程序，系統中分別掛接了2片大容量SDRAM和一片SBSRAM。DMA是C6000DSP中一種重要的數據訪問方式，它可以在沒有CPU參與的情況下，由DMA控制器完成DSP存儲空間內的數據搬移。在C6201 中提供了4 個輸出管腳（DMAC0-DMAC3）可以向外部邏輯反饋DMA傳輸的同步狀態，這些引腳信號可有可無，因此在系統中沒有連接。C6000的多通道緩沖串口（McBSP）是在C2x、C3x、C5x和C54標準串口的基礎上發展起來的。C6201提供了2路McBSP接口，系統中引出了其中的一路作為將來系統功能擴展用。主機口（HPI）是一個并行端口，主機（也稱為上位機）掌管該接口的主控權，通過它可以直接訪問DSP的存儲空間（包括映射的片內外設）。系統中HPI通過粘合邏輯與主模式的PCI橋S5933相連。

　　PCI總線的橋接單元

　　DSP既可以單獨構成一個完全獨立的處理系統，也可以多DSP聯合構成功能更強大的并行系統，還可以通過橋接電路與上位機相連構成一個大系統中的一個功能單元。在本文所設計的系統中，整個系統作為一個標準的PCI擴展卡，可以與上位的PC機進行通信。

　　在DSP與上位的PC機之間有2種PCI橋可供選擇，一種為主模式PCI橋，如AMCC S5933。主模式下，DSP與上位機之間可以相互訪問對方外圍設備，并且支持突發方式的數據傳送，缺點是要通過中間的粘合邏輯相連，不能直連。另外一種為從模式PCI橋，如TI 2040。從模式下，上位機可以訪問DSP的外圍設備，而DSP則無法訪問上位機外圍設備。從模式橋可以與DSP直連（無縫連接）。在本文的設計中，選用了主模式的PCI橋，在DSP與PCI橋之間通過一片CPLD進行粘合。

圖4所示為C6201與S5933之間的連接。

　　雙供電模式的電源

　　C6000系列DSP需要2種電源，分別為CPU核心和周邊I/O接口供電。周邊電壓需要3.3V，CPU核心電壓則隨低功耗技術的發展，逐漸從2.5V降到1.8、1.5、1.2和1.0V。

　　因為需要2種電壓，所以需要考慮供電系統的配合問題。加電過程中，應當保證內核電源（CVdd）先上電，最晚也要與I/O電源（DVdd）一起加。關閉電源時，先關閉DVdd，再關閉CVdd。講究供電次序的原因在于：如果僅給CPU內核供電，對芯片不會產生損害，只是沒有輸入輸出的能力而已；如果反過來，則芯片緩沖驅動部分的晶體管將在一個未知狀態下工作，這是非常危險的。

　　本文中采用了一種最簡單的雙電源供電實現方案：利用1個電源驅動2個線性穩壓模塊，產生需要的DVdd和CVdd。由于DVdd和CVdd由同一個電源產生，因此在加點次序上不存在問題。

　　小結

　　數字視頻的采集、處理、存儲和傳輸技術在眾多領域有著廣泛的應用。本文介紹的基于TMS320C6201 DSP芯片的數字視頻采集卡的設計，在完成數字視頻采集的同時具備自主的實時數字視頻處理功能，并通過PCI接口實現與主機的通信。這樣的設計在構建數字視頻處理系統時將大幅度減輕主機的計算量，從而提高系統性能。