摘 要： 設計了一種節能型視頻監控終端。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助下，能有效監控區域人員出入情況，并僅在有人員進入監控區域時才開始視頻圖像的采集、處理、傳輸等，既達到了監控目的，又節約了部分電能。
關鍵詞： 視頻監控；節能；TMS320DM642；紅外傳感器；TVP5150
視頻監控系統越來越多地走進人們的生活，系統節能也是電子系統必須考慮的一個重要參數。對一個少有人出入的場合，采用不間斷的實時監控不僅沒有必要，也會浪費很多的電能。針對這種情況，本文設計了一個無人值守的智能監控終端。在沒有人進入監控區域時，監控終端處于低能耗的休眠狀態；當紅外傳感器檢測到有人進入監控區域時，終端被喚醒并開始攝像，同時將處理后的視頻信號經過網絡傳輸到監控中心，為中心值班人員提供判斷依據。對于出入人員較少的場合，利用該監控終端可以有效減少系統能耗，減少傳輸、保存的數據量，而且不會錯過監控對象。
1 終端工作原理及總體框圖
終端的總體框圖如圖1所示，在沒有人員進入監控區時，系統處于休眠、節能狀態，當紅外傳感器檢測到有人員進入監控區域時，產生外部中斷，中央處理器TMS320DM642在接收到外部中斷時立即啟動各模塊進行圖像的采集、處理、傳輸等。
2 終端系統設計
2.1 中央處理器的選擇
由于終端要處理的數據量大，實時性強，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DSP，工作頻率由內部倍頻器設置，可以達500 MHz、600 MHz或720 MHz，每秒可執行指令數4 000、4 800、5 760 MIPS。DM642采用TI公司第2代增強型超長指令集，它的EMIFA接口數據總線寬度為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個雙通道(A，Ｂ兩通道)數字視頻口，可同時處理多路數字視頻流。DM642擁有I2C接口，可以與外部I2C設備通信，用來配置外部I2C設備的寄存器，DM642的網口(EMAC接口)、PCI口和HPI口共享引腳。因其處理性能強，外圍接口多而靈活，在機器視覺、醫學成像、網絡視頻監控、數字廣播等領域得到了廣泛的應用。
2.2 紅外傳感信號處理模塊的設計
為了節約電能，本終端采用紅外傳感器來檢測監控區域有無人員進入，只在有人員進入監控區域時，終端才進入圖像采集、處理、傳輸狀態。本設計采用BISS0001芯片為熱釋電紅外傳感信號處理核心元件，其應用電路如圖2所示。
圖2中，7805為三端穩壓集成電路，為信號處理電路提供電源。BISS0001芯片的第9引腳為觸發控制信號Vc的輸入腳，工作中應當保證輸入電壓Vc>VR(通常：VR=0.2VCC)，可以通過調節電阻R3來達到目的。當有行人進入監控區域時，熱釋電紅外傳感器PIR將檢測到的人體發出的紅外線轉化為電信號，并將其送到BISS0001內部，信號經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工作在有效狀態不可重復觸發的情況下(即圖2中S1接低電平)，高電平的持續時間為Ts(Ts=49 152 R1C1)，在Ts時間段結束時，輸出Vo即刻由高電平進入低電平并被封鎖Ti(Ti=24R2C2)時長；對于有效狀態可重復觸發的情況來講(即圖2中S1接高電平)，如果在前一Ts時間段內，輸入的變化使得輸出有效狀態再次觸發，則Vo高電平信號將從此刻算起再持續一個Tx時長，之后才轉換為低電平并進入封鎖時間Ti。在封鎖時間內，即使由于負載的切換而引入的干擾也不會改變輸出Vo的狀態。本設計中讓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，同時也作為TVP5150芯片的節電模式輸入控制信號，如圖2所示。
2.3 圖像采集模塊的設計
對于圖像采集模塊，本設計采用TI公司的TVP5150作為解碼芯片。TVP5150是一款超低功耗的解碼芯片，正常操作時的功耗只有113 mW，節電模式下功耗為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換為YUV4:2:2格式的ITU-R BT.656數字信號，它可以接收2路復合視頻信號(CVBS)或1路S-Video信號，通過I2C總線設置內部寄存器，可以選擇輸出8位4:2:2的ITU-R BT.656數字信號(同步信號內嵌)，以及8位4:2:2的ITU-R BT.601信號(同步信號分離，單獨引腳輸出)。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。由于本設計采用了同步信號內嵌的ITU-R BT.656格式，所以該引腳未與DM642相關引腳相連接。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，當監控區域無行人走動時，Vo為低電平，這將使TVP5150芯片進入省電模式。YOUT[6:0]為BT.656/YUV數據輸出引腳，YOUT[7]/I2CSEL是BT.656/YUV數據的第7位，也是I2C接口設備地址設置位，TVP5150設備地址由I2CSEL引腳所接的上拉電阻或下拉電阻確定，I2CSEL引腳的狀態與設備地址映射關系如表1所示，DM642和TVP5150應答過程中需要從片TVP5150的地址。SCL、SDA分別為I2C接口的串行時鐘和數據引腳，DM642對TVP5150內部寄存器的訪問通過I2C總線實現。
DM642芯片的VP0D[19:0]為視頻口VP0的數據總線引腳，其中VP0D[8:2]與多通道串行口McBSP0引腳復用，為了將VP0D[8:2]配置為VP0的低位數據引腳，需要把PERCFG寄存器中的VP0EN位置1。VP0CLK0為外部像素時鐘輸入引腳，與視頻解碼芯片TVP5150的像素時鐘輸出引腳PCLK/SCLK連接。
2.4 網絡模塊的設計
為了將監控終端所采集到的視頻圖像傳回值班中心，終端應當支持網絡傳輸功能。DM642上EMAC口支持網絡通信，EMAC接口與PCI、HPI接口共用相同的引腳，在系統上電時，通過上/下拉電阻配置系統使用的模式。本設計中令PCI_EN=0，MAC_EN=1，HD5=0將復用接口配置為16位的EMAC接口和16位的HPI接口。DM642的EMAC接口符合IEEE802.3協議，支持傳媒無關接口，具有8個獨立的發送與接收通道，支持同步10/100 Mbit的數據操作和廣播、多幀傳輸格式。EMAC接口需要外擴相關的網絡電路才能完成網絡與DM642之間的數據包交換。本終端設計中，采用INTEL公司的LXT971ALC芯片完成網絡功能，最后通過一個網絡電平轉化芯片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。上電復位時，DM642執行復位中斷，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]復用，當這些引腳配置為外部中斷輸入引腳時，可通過設置中斷寄存器IER[7:4]相應位來使能中斷，觸發方式(上升沿觸發或下降沿觸發等)由中斷方式寄存器EXTPOL[3:0]設置。本設計中對相關寄存器做如下配置：令寄存器EXTPOL[1:0]=01，將外部中斷EXTIN5(GP[5])設置為上升沿觸發，EXTIN4(GP[4])設置為下降沿觸發。因此與EXTIN5對應的中斷函數執行喚醒芯片，啟動圖像采集、處理、傳輸等功能；而與EXTIN4對應的中斷函數執行停止圖像采集、處理、傳輸等功能，并將控制狀態寄存器設置為CSR[15:10]=010001，使CPU的工作模式轉變為功率下降模式PD1。
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IEx=1時，使能INTx中斷響應，此時程序的中斷服務函數才起作用；當IEx=0時，禁止INTx中斷響應。使用匯編語言設置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INT4、INT5
MVC IER，B0； //把IER的當前值賦予寄存器B0
OR B1，B0，B0； //兩個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INT5
MVC IER，B0；//把IER寄存器的當前值賦予寄存器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
當紅外傳感器檢測到監控區域有人員進入時，紅外傳感信號處理電路輸出端Vo由低電平變為高電平，并保持一段時間的高電平。DM642的EXTIN5(GP[5])端在檢測到上升沿觸發信號后，執行與之對應的中斷函數，喚醒芯片，啟動圖像采集、處理、傳輸等功能。由于紅外傳感信號處理電路設置為可重復觸發模式，則只要監控區域有人員走動，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。當監控區域無行人走動時，Vo由高電平變為低電平，并進入低電平的封鎖時間段，EXTIN4(GP[4])端在檢測到下降沿觸發信號后，執行對應的中斷函數，停止圖像采集、處理、傳輸等功能，并使CPU的工作模式再次轉變為功率下降模式PD1。
本文面向實時圖像處理，采用模塊化設計思想，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、網絡數據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，又能實時地根據監控區域的人員變化情況調整工作模式，減少了無用數據的處理，提高了效率，節約了成本，滿足了社會對電子產品的綠色、低碳的要求。
參考文獻
[1] 美國德州儀器公司.TMS320C6000系列DSP的CPU與外設[M]．卞紅雨編譯．北京：清華大學出版社，2007.
[2] 江思敏，劉暢．TMS320C6000 DSP應用開發教程[M]．北京：機械工業出版社，2005．
[3] 卿太全，郭明瓊.最新傳感器選用手冊[M].北京：中國電力出版社，2009.
[4] 王躍宗，劉京會.TMS320DM642 DSP應用系統設計與開發[M].北京：人民郵電出版社，2009.