電話線的圖像傳輸系統的設計與實現

2019-11-03 09:03:22

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供稿：網友

王愛珍，董有爾

山西大學物理電子工程學院　山西太原　030006

　　摘　要：介紹了一種利用硬件電路實現遠程圖像傳輸的方案。該系統以高速數字信號處理器TMS320VC33為主處理器，外加一些輔助器件，結合JPEG壓縮標準，實現了基于電話線的圖像傳輸。

　　關鍵詞：數字信號處理器（DSP）；圖像；電話線；JPEG

　　傳統的遠距離監控、圖像傳輸一般采用專門光纜或微波進行傳遞，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，不易推廣應用。

　　目前，公共電話網（PSTN）已普及全國，如果遠程監控傳輸系統與一般的電話線相連接，即可獲得簡單實用的遠程監控系統。但由于圖像數據量大，壓縮算法復雜而普通電話帶寬又較窄，使得圖像傳輸的實時性難以實現。高速通用的數字信號處理芯片的出現和Modem的飛速發展，使這一應用成為現實。本文介紹了以高速浮點處理芯片TMS320VC33為數據處理中心結合圖像采集、通信控制來實現的一種遠程圖像監控系統。

　　1　DSP芯片TMS320VC33簡介

　　TMS320VC33是美國TI公司推出的TMS320C3X系列的浮點式數字信號處理器，他是在原來的TMS320C31浮點DSP的基礎上開發一個價格更低的版本，該產品以高速、低功耗、低成本、易于開發為顯著特點。由于他采用了內部1．8 V，外部3．3 V供電，因而功耗比原有型號降低了大約一個數量級，而且能支持高達150 M／FLOPS的運行速率，其主要特性如下：

　　CPU　帶有32 b的高性能CPU；可進行16／32 b整數和32／40 b的浮點操作；內含8個擴展精度寄存器；帶有2個地址發生器、8個輔助寄存器和2個輔助寄存器算術單元（ARAUs）。

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

　　外圍接口　帶有啟動程序裝載功能；內含5倍頻的鎖相環（PLL）時鐘發生器；片內存儲器可映射外設，其中包括一個串行口、2個32 b定時器和一個DMA；具有4個內部譯碼頁選，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13 ns單周期指令執行時間時為150 M／FLOPS和75 MI／S；而TMS320VC33-120 型在17 ns單周期指令執行時間時為120 M／FLOPS；60 MI／S。結構框圖如圖1所示。

　　2　DSP應用于電話線圖傳輸系統

　　2．1　系統結構介紹

　　遠程監控系統最重要的功能是及時將監測場景中的圖像信息回傳至監控中心。由于電話線只能傳送64 kb／s以下速率的數據，而實時圖像每秒數據率在200 Mb／s以上（640×480×24／象素×30幀／s），即使一幀靜態圖像需要的數據也能達到7Mb/s以上。

　　因此，即便回傳被監測場景的靜態圖像，也必須先進行數字圖像的壓縮處理，將數據率壓縮到較低的水平上，再經過Modem，送到電話線路上傳輸。系統結構圖如圖2所示。

　　系統主要由圖像采集、DSP圖像壓縮、程序、數據存儲器及CPLD邏輯控制幾個部分組成。其中圖像采集和數字化由CCD和A／D（SAA7111）芯片完成。輸出422格式的YUV信號經DSP進行單分量壓縮編碼，通信模塊（用現成的Modem）接收圖像數據發送至電話線傳輸；接收端經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基本系統進行圖像壓縮，傳輸速率范圍為1～5幀／s。

　　2．2　系統設計考慮

　?。?）圖像A／D變換由Philips公司生產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，進行信號箝位、模擬放大、A／D轉換，然后將得到的8 b亮度信號和8 b色度信號分別送往亮度處理電路和色度處理電路進行處理，產生16 b的YUV信號。Y（7－0）為8 b數字亮度信號，UV（7－0）為不同顏色（B－Y和R－Y）復用信號。數字化后得到的YUV信號經由高8 b、低8 b16 b數據線輸出。DSP由圖像緩沖接收數據進行壓縮編碼。

　?。?）本系統采用JPEG基本系統，并且為了消除對復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。對接收到的數據首先進行電平偏移，以滿足運算范圍；然后將各分量分割成不重疊的8×8的象素塊，再用快速離散余弦變換將各子塊轉換成8×8的二維DCT變換，得到的64個系數代表了該圖像塊的頻率成分。在8×8的系數矩陣中，左上角的一個為直流（DC）系數，其余63個為交流（AC）系數。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8×8的量化值陣列對DCT系數進行量化；再用Z形（Zigzag）掃描將系數矩陣變成一維數列，各項按頻率由低到高順序排列。最后就是借助于熵編碼器將這些系數值轉換成一串編了碼的數據流。

　?。?）DSP及其外圍電路的設計

　　存儲器設計　VC33具有程序引導功能，程序可以由低速的EPROM裝入到系統的高速RAM全速運行。為了降低系統成本，本課題中用EPROM和高速RAM相結合的存儲器配置方式。其中，EPROM用于存儲程序和初始化數據，高速RAM用于實時運行的程序和數據。系統加電運行時，VC33自動將程序和初始化數據從低速EPROM裝入到高速RAM。裝入完畢，程序在高速RAM中全速運行。

　　電源設計　TMS320VC33需2種電源，分別為CPU核心1．8 V和周邊I／O3．3 V接口電路供電。因為需要2套供電系統，所以要考慮到配合問題。在加電68過程中，應保證CPU內核電源CVDD先上電，最晚也要和I／O電源DVDD一起加。關閉電源時，先關閉DVDD，再關閉CVDD。這是因為：如果只有CPU內核獲得供電，周邊I／O沒有供電，對芯片只是沒有輸入和輸出，不會產生損害。而反過來，周邊I／O供電而內核沒有加電，那么芯片緩沖、驅動部分的三極管將處于未知狀態下工作。系統考慮利用一個電源驅動兩個線性穩壓模塊，產生所需的CVDD和DVDD，問題得到解決。

　　復位考慮　TMS320C3X支持一個非屏蔽外部復位信號（Reset低電平有效），以將處理器置入一個已知的狀態。為了使系統被復位信號正確的初始化，復位信號的脈沖寬度必須至少10個H1周期以上。

　?。?）控制邏輯設計

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

　　2．3　圖像傳輸的通信實現

　　圖像壓縮編碼后的數據流通過TMS320VC33的串行口直接發送給Modem，通信協議控制模塊完成串行通信接口協議控制，通信命令收發及與DSP的接口。由于系統發送方和接收方都是通過Modem接入公用電話網，線路的連接和釋放只需正確地設置Modem即可。

　　2．4　系統設計流程

　　TMS320VC33傳輸系統設計分硬件和軟件兩部分完成。其基本過程如圖3所示。

　　3　結　語

　　本文介紹了基于電話線的遠程圖像傳輸系統。系統采用TMS320VC33作為主處理器，該片具有快速運算能力，結合JPEG壓縮編碼算法標準，實現了圖像的傳輸。該系統可應用于某些（對遠程場景圖像質量要求不太高的情況下）遠程圖像監控系統，具有設備結構簡單、價格低廉、傳輸所需頻帶窄等優點。只要被監控場景下有電話線路，即可實現圖像監控，并且由于系統采用了TI公司的DSP芯片作為主要處理器實現系統功能，因而具有較高的系統性能和可靠性。隨著高性能DSP和Modem技術的進一步發展，該系統的信息處理能力可以進一步增強，從而進一步提高圖像的傳輸速度和恢復圖像的質量，以滿足人們的視覺需求。

　　參考文獻

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摘自《現代電子技術》　

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