基于ARM11和DSP协作视频流处理技术的3G视频安全帽设计

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1.引言
       
        为提高在高危工作场所现场作业的可控性，本文采用仿生学原理和高集成度设计实现了与人眼同视角的3G视频安全帽。本设计由视频安全帽和腰跨式数据处理终端两部分组成，采用高可靠性航空插头连接。其中图像处理采用三星公司的S3C6410ARM11处理器和TMS320DM642 DSP处理器组成。本设计结合DSP处理器在视频压缩方面的优势和运行于ARM之上的Linux操作系统在数据管理与任务调度机制方面的出色表现，由DSP完成图像处理功能，并通过高速接口把视频数据传输给嵌入式微处理系统，完成视频数据的传输、存储功能。
       
        2.系统构成
       
        本设计由视频安全帽和腰跨式视频终端两部分组成。视频安全帽中包含1路视频输入、1路音频输入和1路音频输出，并配备辅助灯光。腰跨式视频终端主要由ARM11和DSP双核系统、3G无线模块和电源管理模块组成，主要完成数据处理、传输、存储和系统控制功能。
       
        2.1 ARM处理系统设计
       
        ARM处理系统，主要由主控模块、数据存储系统、模拟数字信号的采集模块等部分。
       
        CPU采用三星公司S3C6410A处理器，最高工作频率可达667MHz.
       
        2.2 DSP视频处理系统设计
       
        DSP图像处理系统由三部分组成，视频解码、图像处理。其中视频解码采用TVP5150超低功耗解码器，图像处理采用TMS320DM642（简称DM642）DSP处理器，它可在600MHz时钟频率下工作，指令周期为1.67ns，每个指令周期可并行8条32位指令，处理能力可达到4800MIPS的峰值计算速度。
       
        摄像头模拟信号通过TVP5150解码后，送到DM642芯片进行H.264视频压缩，压缩后的信号传送到ARM嵌入式系统通过3G模块将数据传送至远端服务器或进行本地存储。
       
        2.3 ARM系统与DSP系统间的协作实现
       
        如图1所示，视频信号经DSP压缩编码后通过主机接口（HPI）将数据传送至S3C6410A中进行下一步数据传输或存储，其电路图如图2所示。
       
       
       
        本文选用HPI16模式，主要接口信号线如下：
       
        （1）16位数据线HD［15：0］，这些数据线在没有用到HPI读写功能时处于高阻态。
       
        （2）2条访问控制选择信号线HCNTL［1：0］。
       
        它的状态用来控制当前访问的是三个HPI寄存器中的哪一个，HCNTL［1：0］=00时，主机对HPIC寄存器进行读写操作：HCNTL［1：0］=01时，主机对H P L A寄存器进行独显操作；HCNTL［1：0］=10时，主机以抵制自动增加的方式对HPID寄存器进行读写操作，每读取一次HPID，HPIA自动增加一个字抵制（4个字节）；HCNTL［1：0］=11时，主机以固定地址模式对HPID寄存器进行读写操作，HPIA寄存器地址不变。
       
        （3）半字识别选择信号线HHWIL.由于DM642最小存储单位是字（32bit），当HPI配置为HPI16时，需要连续传输两个半字组成一个字传给主机，HHWIL信号线用于区分先传高位半字还是低位半字。
       
        （4）地址选通输入信号线HAS.此信号用于主机的数据线和地址线复用情况。不用时此信号应该接高。
       
        （5）主机读写选择信号线HR/W.主机必须将HR/W设置为高以进行读操作，设置为低以进行写HPI操作。
       
        （6）3条选通信号线HCS，HDS1和HDS2.这三个信号线在片内组合为一个低电平有效的选通信号HSTROBE.
       
        （7）准备好信号线HRDY.当该信号线为低时，表明HPI己准备好传送数据。
       
        （8）向主机发送中断信号线HINT.
       
        如图2所示，将S3C6410的Bankl片选信号nCS7与nHCS连接，使HPI接口作为外部物理地址映射到S3C6410相应内核空间，Bankl地址空间从0×08000000到0x0fffffff而将读写信号nOE和nWE分别接到nHDSl和nHDS2.本系统采用的是HPll6模式，将32位数据分低16位和高16位分别存储，这里采用ADDR5控制半字节标识选择。将S3C6410的AB2、AB3连接到HCNTL0、HCNTLl，能够方便的对HPI的三个寄存器HPIC、HPIA、HPID进行寻址。ADDR6连接到DM642的HR/W，通过控制此地址线来实现HPI读写的选通，HRDY反相后与WAIT信号线相连，DM642的HINT直接连接到S3C6410的外部中断IRQ5引脚上，以实现DSP对主机中断信号的传输。
       
        经测试，基于HPI16数据传输协议，DM642与S3C6410间的通信速率可以达到50Mbps，带宽足够用来传输MPEG等压缩的视频数据。
       
        3.总结
       
        基于本文设计的ARM11和DSP协作视频流处理技术的3G视频安全帽以在石油、电力等行业野外作业中得到应用。文章采用HPll6的传输模式，其传输速度能够较好地满足实际需求，后续将尝试采用HPl32模式，传输速度还会得到进一步提高。在ARM与DSP之间的通信中，通过视频数据通信协议的引入，与传统的通过read/write buffer实现通信相比，视频数据传输的可靠性得到了较好的保证。