摘 要： 設(shè)計(jì)了一種節(jié)能型視頻監(jiān)控終端。該終端以TMS320DM642芯片為核心，在攝像頭、圖像解碼芯片TVP5150、紅外傳感器等外圍芯片的協(xié)助下，能有效監(jiān)控區(qū)域人員出入情況，并僅在有人員進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域時(shí)才開始視頻圖像的采集、處理、傳輸?shù)?，既達(dá)到了監(jiān)控目的，又節(jié)約了部分電能。
關(guān)鍵詞： 視頻監(jiān)控；節(jié)能；TMS320DM642；紅外傳感器；TVP5150
視頻監(jiān)控系統(tǒng)越來越多地走進(jìn)人們的生活，系統(tǒng)節(jié)能也是電子系統(tǒng)必須考慮的一個(gè)重要參數(shù)。對一個(gè)少有人出入的場合，采用不間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)控不僅沒有必要，也會浪費(fèi)很多的電能。針對這種情況，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)無人值守的智能監(jiān)控終端。在沒有人進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域時(shí)，監(jiān)控終端處于低能耗的休眠狀態(tài)；當(dāng)紅外傳感器檢測到有人進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域時(shí)，終端被喚醒并開始攝像，同時(shí)將處理后的視頻信號經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，為中心值班人員提供判斷依據(jù)。對于出入人員較少的場合，利用該監(jiān)控終端可以有效減少系統(tǒng)能耗，減少傳輸、保存的數(shù)據(jù)量，而且不會錯過監(jiān)控對象。
1 終端工作原理及總體框圖
終端的總體框圖如圖1所示，在沒有人員進(jìn)入監(jiān)控區(qū)時(shí)，系統(tǒng)處于休眠、節(jié)能狀態(tài)，當(dāng)紅外傳感器檢測到有人員進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域時(shí)，產(chǎn)生外部中斷，中央處理器TMS320DM642在接收到外部中斷時(shí)立即啟動各模塊進(jìn)行圖像的采集、處理、傳輸?shù)取?/p>
2 終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 中央處理器的選擇
由于終端要處理的數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，所以采用多媒體處理芯片TMS320DM642(以下簡稱為DM642)。該芯片是TI公司C6000系列DSP中較新的32位定點(diǎn)DSP，工作頻率由內(nèi)部倍頻器設(shè)置，可以達(dá)500 MHz、600 MHz或720 MHz，每秒可執(zhí)行指令數(shù)4 000、4 800、5 760 MIPS。DM642采用TI公司第2代增強(qiáng)型超長指令集，它的EMIFA接口數(shù)據(jù)總線寬度為64位，最高存取頻率133 MHz，可直接與大容量、低成本的SDRAM芯片無縫連接。DM642帶有３個(gè)雙通道(A，Ｂ兩通道)數(shù)字視頻口，可同時(shí)處理多路數(shù)字視頻流。DM642擁有I2C接口，可以與外部I2C設(shè)備通信，用來配置外部I2C設(shè)備的寄存器，DM642的網(wǎng)口(EMAC接口)、PCI口和HPI口共享引腳。因其處理性能強(qiáng)，外圍接口多而靈活，在機(jī)器視覺、醫(yī)學(xué)成像、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控、數(shù)字廣播等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
2.2 紅外傳感信號處理模塊的設(shè)計(jì)
為了節(jié)約電能，本終端采用紅外傳感器來檢測監(jiān)控區(qū)域有無人員進(jìn)入，只在有人員進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域時(shí)，終端才進(jìn)入圖像采集、處理、傳輸狀態(tài)。本設(shè)計(jì)采用BISS0001芯片為熱釋電紅外傳感信號處理核心元件，其應(yīng)用電路如圖2所示。
圖2中，7805為三端穩(wěn)壓集成電路，為信號處理電路提供電源。BISS0001芯片的第9引腳為觸發(fā)控制信號Vc的輸入腳，工作中應(yīng)當(dāng)保證輸入電壓Vc>VR(通常：VR=0.2VCC)，可以通過調(diào)節(jié)電阻R3來達(dá)到目的。當(dāng)有行人進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域時(shí)，熱釋電紅外傳感器PIR將檢測到的人體發(fā)出的紅外線轉(zhuǎn)化為電信號，并將其送到BISS0001內(nèi)部，信號經(jīng)BISS0001處理后由2腳輸出，輸出Vo為低電平到高電平的跳變。如果BISS0001工作在有效狀態(tài)不可重復(fù)觸發(fā)的情況下(即圖2中S1接低電平)，高電平的持續(xù)時(shí)間為Ts(Ts=49 152 R1C1)，在Ts時(shí)間段結(jié)束時(shí)，輸出Vo即刻由高電平進(jìn)入低電平并被封鎖Ti(Ti=24R2C2)時(shí)長；對于有效狀態(tài)可重復(fù)觸發(fā)的情況來講(即圖2中S1接高電平)，如果在前一Ts時(shí)間段內(nèi)，輸入的變化使得輸出有效狀態(tài)再次觸發(fā)，則Vo高電平信號將從此刻算起再持續(xù)一個(gè)Tx時(shí)長，之后才轉(zhuǎn)換為低電平并進(jìn)入封鎖時(shí)間Ti。在封鎖時(shí)間內(nèi)，即使由于負(fù)載的切換而引入的干擾也不會改變輸出Vo的狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中讓S1接高電平，紅外傳感信號處理電路的輸出信號Vo作為DM642的外部中斷信號，將Vo與DM642的GP[5:4]連接，同時(shí)也作為TVP5150芯片的節(jié)電模式輸入控制信號，如圖2所示。
2.3 圖像采集模塊的設(shè)計(jì)
對于圖像采集模塊，本設(shè)計(jì)采用TI公司的TVP5150作為解碼芯片。TVP5150是一款超低功耗的解碼芯片，正常操作時(shí)的功耗只有113 mW，節(jié)電模式下功耗為1 mW，并支持PAL/NTSC/SECAM等格式，它能將攝像頭所采集到的模擬圖像信號轉(zhuǎn)換為YUV4:2:2格式的ITU-R BT.656數(shù)字信號，它可以接收2路復(fù)合視頻信號(CVBS)或1路S-Video信號，通過I2C總線設(shè)置內(nèi)部寄存器，可以選擇輸出8位4:2:2的ITU-R BT.656數(shù)字信號(同步信號內(nèi)嵌)，以及8位4:2:2的ITU-R BT.601信號(同步信號分離，單獨(dú)引腳輸出)。TVP5150與DM642的硬件連接如圖3所示。
TVP5150芯片的AIP1A和AIP1B為模擬信號的輸入端，該引腳需接0.1～1 μF的濾波電容，HSYNC為行同步信號的輸出引腳。由于本設(shè)計(jì)采用了同步信號內(nèi)嵌的ITU-R BT.656格式，所以該引腳未與DM642相關(guān)引腳相連接。PND引腳為省電模式的控制信號輸入端，低電平有效，與紅外傳感信號處理電路的輸出信號Vo連接，當(dāng)監(jiān)控區(qū)域無行人走動時(shí)，Vo為低電平，這將使TVP5150芯片進(jìn)入省電模式。YOUT[6:0]為BT.656/YUV數(shù)據(jù)輸出引腳，YOUT[7]/I2CSEL是BT.656/YUV數(shù)據(jù)的第7位，也是I2C接口設(shè)備地址設(shè)置位，TVP5150設(shè)備地址由I2CSEL引腳所接的上拉電阻或下拉電阻確定，I2CSEL引腳的狀態(tài)與設(shè)備地址映射關(guān)系如表1所示，DM642和TVP5150應(yīng)答過程中需要從片TVP5150的地址。SCL、SDA分別為I2C接口的串行時(shí)鐘和數(shù)據(jù)引腳，DM642對TVP5150內(nèi)部寄存器的訪問通過I2C總線實(shí)現(xiàn)。
DM642芯片的VP0D[19:0]為視頻口VP0的數(shù)據(jù)總線引腳，其中VP0D[8:2]與多通道串行口McBSP0引腳復(fù)用，為了將VP0D[8:2]配置為VP0的低位數(shù)據(jù)引腳，需要把PERCFG寄存器中的VP0EN位置1。VP0CLK0為外部像素時(shí)鐘輸入引腳，與視頻解碼芯片TVP5150的像素時(shí)鐘輸出引腳PCLK/SCLK連接。
2.4 網(wǎng)絡(luò)模塊的設(shè)計(jì)
為了將監(jiān)控終端所采集到的視頻圖像傳回值班中心，終端應(yīng)當(dāng)支持網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。DM642上EMAC口支持網(wǎng)絡(luò)通信，EMAC接口與PCI、HPI接口共用相同的引腳，在系統(tǒng)上電時(shí)，通過上/下拉電阻配置系統(tǒng)使用的模式。本設(shè)計(jì)中令PCI_EN=0，MAC_EN=1，HD5=0將復(fù)用接口配置為16位的EMAC接口和16位的HPI接口。DM642的EMAC接口符合IEEE802.3協(xié)議，支持傳媒無關(guān)接口，具有8個(gè)獨(dú)立的發(fā)送與接收通道，支持同步10/100 Mbit的數(shù)據(jù)操作和廣播、多幀傳輸格式。EMAC接口需要外擴(kuò)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)電路才能完成網(wǎng)絡(luò)與DM642之間的數(shù)據(jù)包交換。本終端設(shè)計(jì)中，采用INTEL公司的LXT971ALC芯片完成網(wǎng)絡(luò)功能，最后通過一個(gè)網(wǎng)絡(luò)電平轉(zhuǎn)化芯片PM44-11BG和外部相連，其硬件連接如圖4所示。
3 終端工作流程
終端工作流程如圖5所示。上電復(fù)位時(shí)，DM642執(zhí)行復(fù)位中斷，完成對自身及周圍芯片的初始化。DM642的外部中斷EXTIN4~EXTIN7與GPIO口的GP[7:4]復(fù)用，當(dāng)這些引腳配置為外部中斷輸入引腳時(shí)，可通過設(shè)置中斷寄存器IER[7:4]相應(yīng)位來使能中斷，觸發(fā)方式(上升沿觸發(fā)或下降沿觸發(fā)等)由中斷方式寄存器EXTPOL[3:0]設(shè)置。本設(shè)計(jì)中對相關(guān)寄存器做如下配置：令寄存器EXTPOL[1:0]=01，將外部中斷EXTIN5(GP[5])設(shè)置為上升沿觸發(fā)，EXTIN4(GP[4])設(shè)置為下降沿觸發(fā)。因此與EXTIN5對應(yīng)的中斷函數(shù)執(zhí)行喚醒芯片，啟動圖像采集、處理、傳輸?shù)裙δ?；而與EXTIN4對應(yīng)的中斷函數(shù)執(zhí)行停止圖像采集、處理、傳輸?shù)裙δ?，并將控制狀態(tài)寄存器設(shè)置為CSR[15:10]=010001，使CPU的工作模式轉(zhuǎn)變?yōu)楣β氏陆的Ｊ絇D1。
在中斷使能寄存器IER中，IE[15:4]位用于使能CPU中斷INT[15:4]。當(dāng)IEx=1時(shí)，使能INTx中斷響應(yīng)，此時(shí)程序的中斷服務(wù)函數(shù)才起作用；當(dāng)IEx=0時(shí)，禁止INTx中斷響應(yīng)。使用匯編語言設(shè)置IER寄存器的中斷位使能外部中斷的程序代碼如下：
MVK 30H，B1； //B1寄存器賦初值，對應(yīng)INT4、INT5
MVC IER，B0； //把IER的當(dāng)前值賦予寄存器B0
OR B1，B0，B0； //兩個(gè)寄存器中的值按位取“或”
MVC B0，IER； //把B0寄存器的值賦予IER寄存器，IE4、IE5被置位，使能INT4，INT5
如果禁止中斷INT5，可采用如下代碼：
MVK FFDFH，B1； //B1寄存器賦初值，對應(yīng)INT5
MVC IER，B0；//把IER寄存器的當(dāng)前值賦予寄存器B0
AND B1，B0，B0； //B0和B1寄存器中的值按位取“與”，把結(jié)果保存在寄存器B0中
MVC B0，IER //把B0寄存器的值賦予IER寄存器中，IE5被清除
當(dāng)紅外傳感器檢測到監(jiān)控區(qū)域有人員進(jìn)入時(shí)，紅外傳感信號處理電路輸出端Vo由低電平變?yōu)楦唠娖?，并保持一段時(shí)間的高電平。DM642的EXTIN5(GP[5])端在檢測到上升沿觸發(fā)信號后，執(zhí)行與之對應(yīng)的中斷函數(shù)，喚醒芯片，啟動圖像采集、處理、傳輸?shù)裙δ?。由于紅外傳感信號處理電路設(shè)置為可重復(fù)觸發(fā)模式，則只要監(jiān)控區(qū)域有人員走動，輸出端就一直保持高電平，終端就一直保持采集、處理、傳輸視頻圖像。當(dāng)監(jiān)控區(qū)域無行人走動時(shí)，Vo由高電平變?yōu)榈碗娖剑⑦M(jìn)入低電平的封鎖時(shí)間段，EXTIN4(GP[4])端在檢測到下降沿觸發(fā)信號后，執(zhí)行對應(yīng)的中斷函數(shù)，停止圖像采集、處理、傳輸?shù)裙δ埽⑹笴PU的工作模式再次轉(zhuǎn)變?yōu)楣β氏陆的Ｊ絇D1。
本文面向?qū)崟r(shí)圖像處理，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以多媒體專用DSP處理器TMS32ODM642為核心，在紅外傳感器、圖像采集芯片、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理芯片等的緊密配合下，終端既能完成圖像的采集、處理、傳輸功能，又能實(shí)時(shí)地根據(jù)監(jiān)控區(qū)域的人員變化情況調(diào)整工作模式，減少了無用數(shù)據(jù)的處理，提高了效率，節(jié)約了成本，滿足了社會對電子產(chǎn)品的綠色、低碳的要求。
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