傳統(tǒng)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控、圖像傳輸一般采用專門光纜或微波進(jìn)行傳遞，容易受到地形和線路的限制，且造價極高，一般用戶難以接受，因此，不易推廣應(yīng)用。

目前，公共電話網(wǎng)(PSTN)已普及全國，如果遠(yuǎn)程監(jiān)控傳輸系統(tǒng)與一般的電話線相連接，即可獲得簡單實用的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。但由于圖像數(shù)據(jù)量大，壓縮算法復(fù)雜而普通電話帶寬又較窄，使得圖像傳輸?shù)膶崟r性難以實現(xiàn)。高速通用的數(shù)字信號處理芯片的出現(xiàn)和Modem的飛速發(fā)展，使這一應(yīng)用成為現(xiàn)實。本文介紹了以高速浮點處理芯片TMS320VC33為數(shù)據(jù)處理中心結(jié)合圖像采集、通信控制來實現(xiàn)的一種遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)。

1 DSP芯片TMS320VC33簡介

TMS320VC33是美國TI公司推出的TMS320C3X系列的浮點式數(shù)字信號處理器，他是在原來的TMS320C31浮點DSP的基礎(chǔ)上開發(fā)一個價格更低的版本，該產(chǎn)品以高速、低功耗、低成本、易于開發(fā)為顯著特點。由于他采用了內(nèi)部1．8V，外部3．3V供電，因而功耗比原有型號降低了大約一個數(shù)量級，而且能支持高達(dá)150M／FLOPS的運行速率，其主要特性如下：

CPU 帶有32b的高性能CPU；可進(jìn)行16／32b整數(shù)和32／40b的浮點操作；內(nèi)含8個擴展寄存器；帶有2個地址發(fā)生器、8個輔助寄存器和2個輔助寄存器算術(shù)單元(ARAUs)。

存儲器 具有32b的指令字，24b的地址線；帶有34kX32b(1．1 Mb)的片內(nèi)雙靜態(tài)RAM。

外圍接口 帶有啟動程序裝載功能；內(nèi)含5倍頻的鎖相環(huán)(PLL)時鐘發(fā)生器；片內(nèi)存儲器可映射外設(shè)，其中包括一個串行口、2個32b定時器和一個DMA；具有4個內(nèi)部譯碼頁選，可大大簡化與I／O及存儲器的接口。

指令速度 具有高速的浮點運算能力，其中TMS320VC33-150型在13ns單周期指令執(zhí)行時間時為150M／FLOPS和75MI／S；而TMS320VC33-120型在17ns單周期指令執(zhí)行時間時為120M／FLOPS；60MI／S。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 DSP應(yīng)用子電話線圖傳輸系統(tǒng)

2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)重要的功能是及時將監(jiān)測場景中的圖像信息回傳至監(jiān)控中心。由于電話線只能傳送64kb／s以下速率的數(shù)據(jù)，而實時圖像每秒數(shù)據(jù)率在200Mb／s以上(640×480×24／象素×30幀／s)，即使一幀靜態(tài)圖像需要的數(shù)據(jù)也能達(dá)到7Mb／s以上。

因此，即便回傳被監(jiān)測場景的靜態(tài)圖像，也必須先進(jìn)行數(shù)字圖像的壓縮處理，將數(shù)據(jù)率壓縮到較低的水平上，再經(jīng)過Modem，送到電話線路上傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

系統(tǒng)主要由圖像采集、DSP圖像壓縮、程序、數(shù)據(jù)存儲器及CPLD邏輯控制幾個部分組成。其中圖像采集和數(shù)字化由CCD和A／D(SAA7111)芯片完成。輸出422格式的YUV信號經(jīng)DSP進(jìn)行單分量壓縮編碼，通信模塊(用現(xiàn)成的Modem)接收圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至電話線傳輸；接收端經(jīng)Modem接收至PC，將碼流重新合并，將圖像在計算機上顯示出來。我們采用圖像大小分割為352×288，176×144，采用JPEG基本系統(tǒng)進(jìn)行圖像壓縮，傳輸速率范圍為1～5幀／s。

2．2 系統(tǒng)設(shè)計考慮

(1)圖像A／D變換由Philips公司生產(chǎn)的可編程視頻處理芯片SAA7111完成。SAA7111有4路模擬輸入，2路模擬信號處理通道，可以通過軟件靈活控制信號的各種制式。來自攝像頭的模擬信號，首先在模擬信號控制下，進(jìn)行信號箝位、模擬放大、A／D轉(zhuǎn)換，然后將得到的8b亮度信號和8b色度信號分別送往亮度處理電路和色度處理電路進(jìn)行處理，產(chǎn)生16b的YUV信號。Y(7-0)為8b數(shù)字亮度信號，UV(7-0)為不同顏色(B-Y和R-Y)復(fù)用信號。數(shù)字化后得到的YUV信號經(jīng)由高8b、低8b16b數(shù)據(jù)線輸出。DSP由圖像緩沖接收數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼。

(2)本系統(tǒng)采用JPEG基本系統(tǒng)，并且為了消除對復(fù)合視頻信號編碼造成的差排干擾及提高壓縮比，采用分量編碼即以YUV信號作為編碼對象。對接收到的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行電平偏移，以滿足運算范圍；然后將各分量分割成不重疊的8X8的象素塊，再用快速離散余弦變換將各子塊轉(zhuǎn)換成8X8的二維DCT變換，得到的64個系數(shù)代表了該圖像塊的頻率成分。在8X8的系數(shù)矩陣中，左上角的一個為直流(DC)系數(shù)，其余63個為交流(AC)系數(shù)。從左到右水平頻率增高，從上到下，豎直頻率增高。接著，用一個8X8的量化值陣列對DCT系數(shù)進(jìn)行量化；再用Z形(Zigzag)掃描將系數(shù)矩陣變成一維數(shù)列，各項按頻率由低到高順序排列。就是借助于熵編碼器將這些系數(shù)值轉(zhuǎn)換成一串編了碼的數(shù)據(jù)流。

(3)DSP及其外圍電路的設(shè)計

存儲器設(shè)計 VC33具有程序引導(dǎo)功能，程序可以由低速的EPROM裝人到系統(tǒng)的高速RAM全速運行。為了降低系統(tǒng)成本，本課題中用EPROM和高速RAM相結(jié)合的存儲器配置方式。其中，EPROM用于存儲程序和初始化數(shù)據(jù)，高速RAM用于實時運行的程序和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)加電運行時，VC33自動將程序和初始化數(shù)據(jù)從低速EPROM裝入到高速RAM。裝入完畢，程序在高速RAM中全速運行。

電源設(shè)計 TMS320VC33需2種電源，分別為CPU1．8V和周邊I／O 3．3V接口電路供電。因為需要2套供電系統(tǒng)，所以要考慮到配合問題。在加電過程中，應(yīng)保證CPU內(nèi)核電源CVDD先上電，晚也要和I／O電源DVDD一起加。關(guān)閉電源時，先關(guān)閉DVDD，再關(guān)閉CVDD。這是因為：如果只有CPU內(nèi)核獲得供電，周邊I／O沒有供電，對芯片只是沒有輸入和輸出，不會產(chǎn)生損害。而反過來，周邊I／O供電而內(nèi)核沒有加電，那么芯片緩沖、驅(qū)動部分的三極管將處于未知狀態(tài)下工作。系統(tǒng)考慮利用一個電源驅(qū)動兩個線性穩(wěn)壓模塊，產(chǎn)生所需的CVDD和DVDD，問題得到解決。

復(fù)位考慮 TMS320C3X支持一個非屏蔽外部復(fù)位信號(Reset低電平有效)，以將處理器置人一個已知的狀態(tài)。為了使系統(tǒng)被復(fù)位信號正確的初始化，復(fù)位信號的脈沖寬度必須至少10個H1周期以上。

(4)控制邏輯設(shè)計

控制邏輯采用型號為XC95144的CPLD的實現(xiàn)，其作用有：記錄圖像緩存的讀寫地址、控制讀寫信號、控制采樣時序的產(chǎn)生及譯碼邏輯。

2．3 圖像傳輸?shù)耐ㄐ艑崿F(xiàn)

圖像壓縮編碼后的數(shù)據(jù)流通過TMS320VC33的串行口直接發(fā)送給Modem，通信協(xié)議控制模塊完成串行通信接口協(xié)議控制，通信命令收發(fā)及與DSP的接口。由于系統(tǒng)發(fā)送方和接收方都是通過Modem接人公用電話網(wǎng)，線路的連接和釋放只需正確地設(shè)置Modem即可。

2．4 系統(tǒng)設(shè)計流程

TMS320VC33傳輸系統(tǒng)設(shè)計分硬件和軟件兩部分完成。其基本過程如圖3所示。

3 結(jié) 語

本文介紹了基于電話線的遠(yuǎn)程圖像傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)采用TMS320VC33作為主處理器，該片具有快速運算能力，結(jié)合JPEG壓縮編碼算法標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了圖像的傳輸。該系統(tǒng)可應(yīng)用于某些(對遠(yuǎn)程場景圖像質(zhì)量要求不太高的情況下)遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)，具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、傳輸所需頻帶窄等優(yōu)點。只要被監(jiān)控場景下有電話線路，即可實現(xiàn)圖像監(jiān)控，并且由于系統(tǒng)采用了TI公司的DSP芯片作為主要處理器實現(xiàn)系統(tǒng)功能，因而具有較高的系統(tǒng)性能和可靠性。隨著高性能DSP和Modem技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該系統(tǒng)的信息處理能力可以進(jìn)一步增強，從而進(jìn)一步提高圖像的傳輸速度和恢復(fù)圖像的質(zhì)量，以滿足人們的視覺需求。

  

參考文獻(xiàn):

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[3]. CPLD datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/CPLD_1136600.html.
[4]. SAA7111 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/SAA7111_596088.html.
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[7]. XC95144 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/XC95144_727462.html.