基于达芬奇技术的音视频压缩传输系统

杨 峰，陈建春

(西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071)



基于达芬奇技术的音视频压缩传输系统

杨 峰，陈建春

(西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071)

针对高集成Davinci数字媒体处理器的应用，并结合现如今Davinci技术数字图像处理的发展主流和应用方向，设计了一种音视频采集压缩传输系统。系统以TMS320DM365为核心处理器，分别采用TLV320AIC3101芯片和TVP5146芯片对模拟音、视频信号进行采集，利用TMS320DM365核心处理器实现对音视频数据进行压缩编码处理，并通过以太网或PCI接口将处理后的音视频数据流进行传输。测试结果表明，音视频回放清晰流畅，稳定性较好，符合项目的设计要求，具有一定的工程应用价值。

音视频压缩；DaVinci；多媒体处理器；TMS320DM365

结合当前音视频压缩技术的发展现状以及课题的具体需求，设计了一种音视频压缩传输系统[1-2]。该系统完成了模拟音视频的采集，并对采集到的音视频进行压缩处理[3](以MPEG-4的格式对视频进行压缩处理，以AAC的格式对音频进行压缩处理[4])，再将处理后的数据通过PCI接口传输到上位机，同时存入硬盘文件系统。

1 系统总体设计

本文旨在设计一个音视频压缩传输系统，实现对音视频的实时采集、压缩、传输和实时显示等。系统主要包括DSP模块、音视频采集模块、外部存储器模块以及网络传输模块。系统总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体框图

系统的基本工作原理是，由CCD摄像头采集输入模拟视频信号，经过视频解码芯片TVP5146进行模/数转换，变成符合ITU-BT.656标准的数字视频信号，然后将数字视频信号传输到达芬奇处理器TMS320DM365的视频处理子系统的前端，即实现了对视频的实时捕获。与此同时，音频编解码芯片TLV320AIC3101将MIC采集输入的模拟音频信号量化成数字量传输给DM365，实现音频的实时采集。通过DM365内部的DSP核完成对音频数据的AAC编码以及对视频数据的MPEG-4压缩编码，并由其内部的ARM核将压缩编码后的数据打包成TS码流，然后采用UDP协议通过以太网发送出去；或经EMIF接口传输至FPGA进行数据的缓存及传输[5]。

2 系统硬件设计

2.1 TMS320DM365数字媒体处理器

TMS320DM365是TI公司基于达芬奇技术开发的一款为迎合网络多媒体技术，特别是编解码技术需求的低功耗、低成本、高性能的数字媒体处理器。其内部集成了一个支持高达300 MHz工作频率的ARM926EJ-S处理器，以及一个H.264高清编解码协处理器(HDVICP)和一个用以MPEG-4/JPEG高清编解码协处理器(MJCP)[6]。同时还具有DDR2内存控制器，64通道的增强型DMA控制器，串行端口(2个UART、I2C、SPI、音频串口)，10/100 Mbit·s-1以太网，以及多达104个通用I/O口。

2.2 音视频采集模块设计

系统的音频采集模块由音频编解码芯片TLV320AIC3101及其外围电路组成。其主要功能是将由MIC采集输入到TLV320AIC3101编解码芯片的模拟音频信号转化成数字信号，并以I2S格式将转化后的音频数据流传输给DM365进行音频压缩处理[7-8]。

系统的视频采集模块采用由视频解码芯片TVP5146及其外围电路组成。其主要是实现将一路由CCD摄像头采集输入的标准PAL制式的模拟视频信号发送到TVP5146解码芯片，完成视频图像的模拟信号数字化，并将模拟视频信号转换为数字并行信号(BT.656码流格式)的功能。

2.3 外部存储器模块设计

2.3.1 DDR2 SDRAM缓存模块

由于TMS320DM365内置的存储器容量不是很大，因此要完成大量图像数据的采集和处理需要额外的存储器。系统根据编码模式及数据存储容量的大小，选用一片MT47H64M16芯片作为SDRAM[9]，SDRAM与TMS320DM365通过EMIF相连接。TMS320DM365内部集成有对DDR的控制寄存器[10]，系统在对DDR进行读写之前，必须先对EMIF接口进行设置。

2.3.2 NAND Flash存储模块

系统中NAND Flash的主要是用来存储一级引导程序UBL、启动程序UBoot、Linux内核(uImage)、文件系统、驱动程序以及应用程序等系统操作数据。在TMS320DM365上电或复位时，DSP会从NAND Flash的起始地址拷贝1 kbit的代码到内部的RAM运行，从而加载引导程序，启动系统的运行。NAND Flash与DM365通过AEMIF(异步外部存储器接口)进行连接通信。

2.4 网络传输模块设计

2.4.1 以太网通信接口

系统采用KS8001作为以太网PHY芯片，并通过MII接口[11]与DM365相连接。DM365通过MDIO接口实现对KS8001寄存器的配置和控制，并通过上拉和下拉电阻对KS8001进行适当的配置。KS8001外接25 MHz晶振作为时钟源，并且通过标准的RJ-45接口连接到网络[12]。该模块提供1路100 Mbit·s-1的网络接口，能够快速将从DM365传输过来的数据通过KS8001转换为以太网物理层能接收的数据，并通过RJ-45传输到因特网。

2.4.2 PCI总线接口

PCI 总线是一种用来传输数据的高性能局部总线，用以解决原有的标准总线数据传输率低的问题。FPGA内部集成有PCI软核，支持32位33 MHz的PCI总线用以传输数据。系统中的PCI总线既可以将由DM365传输给FPGA的音视频数据流传给上位机；同时也可以将从上位机中获取的配置信息以及其他系统参数输入到FPGA中，并由FPGA通过SPI总线传输到DM365中作为启动参数，从而实现多种参数的系统启动方式。

3 系统软件设计

系统的软件设计主要是在设计好的硬件平台上搭建达芬奇软件开发环境，启动Linux系统并进行程序设计。其中达芬奇软件开发环境搭建，主要是将达芬奇的相关软件安装到Linux服务器的文件系统中[13]，并在Linux服务器中安装交叉编译工具arm_v5t。系统采用NANDFlash模式启动；这种启动方式需要进行3个阶段的代码引导，即RBL->UBL->UBoot；首先要通过CCS软件实现目标板的UBoot程序的烧写，之后才能进行内核的加载及文件系统的创建[14](内核及文件系统的烧写通过Linux服务器中的TFTP实现)。

应用程序开发部分主要由主线程、视频捕获线程、视频编码线程、写线程和语音线程组成[15]。其中主线程执行相关的初始化；视频捕获线程和语音线程主要是采集原始的音视频数据；视频编码线程用来对视频捕获线程的帧数据进行压缩编码处理[16]；写线程将已处理的数据通过以太网或PCI接口进行传输。其主要流程图如图2所示。

图2 程序设计主要流程

4 测试结果

系统测试环境包括一个模拟摄像头、使用系统设计的DM365硬件平台、PC机一台及LCD显示屏一个，测试环境如图3所示。

图3 测试环境

图4 视频编解码效果图

程序运行后，在LCD显示屏上可以看到视频清晰流畅，在耳机中可以听到清晰同步的声音。同时，系统还能根据用户的需求灵活设置帧率、分辨率及P/I等参数。图4 为视频编解码效果图，其中帧率为25 fip·s-1，分辨率为720×576；设置其分辨率为352×288，帧率为25 fip·s-1，其效果如图5所示。对帧率进行设置，可在PC机的超级终端上看到帧率的变化，如图6所示。同时也可以设置P/I比等参数。

图5 分辨率为352×288实验结果图

图6 帧率为2实验结果图

5 结束语

介绍了基于达芬奇技术的音视频压缩传输系统的设计与实现；系统实现了对音视频数据的采集、压缩以及传输。经过多次长时间的测试，系统具有良好的稳定性和可靠性。且能灵活的设置分辨率、帧率、P/I帧比例等参数，符合项目的设计要求，具有一定的工程应用价值。本文的创新点：(1)能灵活地设置分辨率、帧率、P/I帧比例等参数，实现了多种参数的系统启动方式；(2)系统中的音视频数据流既可以通过以太网实时传输，又可以在FPGA中缓存再通过PCI总线传输到上位机。

[1] 王飞.基于DaVinci技术的视频编码系统实现[D].西安:西安电子科技大学,2012.

[2] 邓娜.基于DM6467的多通道视频传输系统的设计与实现[J].广东通信技术,2014(10):62-65.

[3] 李小平.MPEG-音视频压缩系统的设计与实现[J].福建电脑,2004,6(6):60-61.

[4] 张晶.基于DM6467的视频压缩存储和网络传输系统设计[J].液晶与显示,2013,28(6):911-916.

[5] 底鹏.音视频数据采集接口电路设计与实现[D].西安:西安电子科技大学,2015.

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[7] 余涵.基于DM6467T的音视频采集模块设计[J].计算机工程,2013,39(11):312-316.

[8] 王雄伟.基于DM365 的视频编码器的硬件设计[J].电子设计工程,2011,19(8):128-129.

[9] 张刚,贾建超,赵龙.基于FPGA 的DDR3SDRAM控制设计与实现[J].电子科技,2014,27(1):70-73.

[10] 周顺燕,吴丹.TMS320C6713_DSP的高速EMIF数据接口设计与实现[J].计算机测量与控制,2010,18(7):1654-1656.

[11] 张琦.基于达芬奇技术的数字视频系统设计与实现[J].微计算机信息,2008,24(23):184-185.

[12] 魏建儒.基于DM365实时视频采集传输模块设计与研究[D].西安:西安理工大学,2011.

[13] TI.TMS320DM36x digital media system on chip ARM_SUBSYSTEM user guide[EB/OL].(2009-05-11)[2015-12-20]www.ti.com.

[14] TI.TMS320DM365 digital media system on chip[EB/OL].(2011-03-26)[2016-01-29] www.ti.com.

[15] 王跃宗,刘京会.TMS320DM642DSP应用系统设计与开发[M].北京:人民邮电出版社,2009.

[16] 文全刚.嵌入式Linux操作系统原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2014.

Design and Implementation of Audio and Video Compression Transmission System Based on DaVinci Technology

YANG Feng,CHEN Jianchun

(School of Electronic Engineering,Xidian University,Xi’an 710071,China)

In view of the high integration of the application of Davinci digital media processor,and combined with the nowadays Davinci technology mainstream and application direction of the development of digital image processing,designed a set of audio and video collection and compression transmission system.In system,TMS320DM365 as the core processor,TLV320AIC3101 chips and TVP5146 chips were respectively used to collect analog sound and video signal,using TMS320DM365 processor implementation of video image format conversion and h.264/mpeg-4 compression processing,and through the Ethernet or PCI interface for audio and video data stream transmission.The test results show that the audio and video playback fluidity,has better stability, conform to the design requirements of the project,and has certain engineering application value.

audio and video compression;DaVinci;multimedia processor;TMS320DM365

2016- 10- 24

杨峰(1992-)，男，硕士研究生。研究方向：电路与系统。陈建春(1962-)，男，博士，教授。研究方向：电子系统设计等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.026

TN919.8；TP368

A

1007-7820(2017)08-096-04