TW9910在视频监控系统中的应用与设计

沈文君,孟利民,方立华

(浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310023)

0 引 言

近几年来,随着数字多媒体技术和网络技术的迅速发展,智能网络视频监控系统也得到了迅速发展和广泛应用[1]。目前对于视频监控产品的需求越来越大,性能更高 功耗更低 成本更低的视频监控产品越来越受到欢迎,而视频解码芯片的选择是提高性能的关键,目前市场上的视频解码芯片种类繁多,如国外的有TW2835 SAA7113等,国内有龙晶的DS1000,但是它们都有各自的优点和缺点。例如TW2835和DS1000功能比较强,但是芯片比较贵,芯片面积比较大不利于设计面积要求小的电路板;SAA7113价格便宜,但是图像的质量相对较差。TW9910是TECHWELL公司性能较好的一块视频解码芯片,价格也较便宜,本文以TW9910的应用为例对其硬件电路设计和软件设计进行分析。

图1 系统总体框架

1 硬件电路设计

1.1 硬件总体框架

硬件的总体设计如图1所示,系统选用的 CPU为 GM8180,属于ARM9芯片,内部包含了H.264编解码器,缓存采用两片 32M×16的DDR,扩展存储采用一片8M×16的FLASH,视频解码芯片为TW9910,3G网络用于设备发送和接收数据,SD卡用于存储视频数据。

系统的总体流程为：TW9910将接收到的一路模拟视频信号经过ADC转换成8位数字信号后发送给CPU进行H.264压缩,再由CPU进行发送和存储。CPU通过IIC初始化TW9910。

1.2 TW9910硬件电路

TW9910芯片是一款低功耗的NTSC/PAL/SECAM视频解码器芯片,视频解码器将输入的基带模拟CVBS或S端子视频信号解码成数字的8位或16位4：2：2 YUV格式输出。它包括模拟前端输入源选择,可变增益放大器,2个10位的ADC和模拟箝位电路,Y/C分离电路,多标准色解码器和同步电路。

TW9910的外围电路较为简单,如图2所示。YMUX[0..3]是模拟CVBS或Y信号输入,CIN0是模拟色度信号输入,这5个引脚在不使用时需要串0.1μ F的电容接到模拟地,从中可以看出TW9910可以支持四路模拟信号输入：四路CVBS,或者三路CVBS和一路S端子输入。本系统选择了一路CVBS输入,由YMUX0引脚输入。XTI为芯片的时钟频率输入引脚,由27MHz的有源晶振提供,此频率为芯片模拟视频信号的采样频率。RSTB引脚为芯片复位信号输入引脚,低电平有效,TMODE引脚为芯片的测试引脚,与RSTB引脚一起操作可用于芯片的检测,芯片正常工作时要拉低,本系统通过串4.7K的电阻接到地。PDN引脚是电源关闭控制引脚,高电平有效,本系统没有用到此功能,因此串4.7K的电阻接到地。SCLK和SDAT分别是IIC的串行时钟线和串行数据线,CPU可以通过它们来控制TW9910,分别通过串4.7K的电阻上拉到3.3V,使其更加稳定。VD[0..15]为数字视频输出引脚,TW9910有VD[8..15](8位)和VD[0..15](16位)两种不同的输出格式,可以通过改变输出格式控制寄存器相应的值来选择8位输出还是16位输出,本系统由于CPU的视频捕获端口为8位输入,因此芯片选择VD[8..15]8位输出,因此需要将输出格式控制寄存器的LEN位设为“1”,其中VD0引脚还用作于设置芯片的7位地址的第7位,通过上拉(选择“1”)或下拉(选择“0”)选择,本系统将此引脚通过串4.7K 的电阻上拉到 3.3V,将芯片的7位地址的第7位设置为“1”。CLKX2为数据输出时钟信号,通过修改相应寄存器的值来确定频率,本系统为27MHz。VD[8..15]这8个信号串两个0Ω的排阻,CLKX2信号串一个33Ω的小电阻,这是为了阻抗匹配,减少信号反射[2]。

图2 TW9910电路原理图

2 软件设计

2.1 操作系统

Linux具有内核小、效率高、源代码开放,内核直接支持网络支持的优点[3]。但是FLASH的容量毕竟有限,不能直接把Linux作为操作系统,需要针对具体的应用通过配置内核,裁减Shell,嵌入式C库对系统进行制定。Linux的动态模块加载,使Linux的裁减极为方便,高度模块化的部件使添加更加容易,本系统采用的是对Linux进行定制的armlinux操作系统,版本为2.6.14。

2.2 软件实现

2.2.1 视频处理要求及流程

本监控系统既要实现远程无线监控,又要实现历史视频数据的查看,因此采用双码流进行传输,将一路CIF格式的视频信号用作本地存储,另一路QCIF格式视频信号用于3G网络发送。

本系统的视频采集和压缩流程[4]如图3所示。TW9910将接收到的模拟视频信号进行AD转换后变为8位数字信号,视频数据格式为ITU-R656;CPU的视频捕获模块将捕获到来自TW9910的视频数据信号,并转化为4：2：0YUV的格式,以便进行压缩处理;CPU的H.264压缩模块将从视频捕获模块接收到的视频数据压缩为H.264格式的压缩文件。

图3 视频采集和压缩流程图

2.2.2 主程序流程

在程序启动的时候首先要初始化硬件,在加载TW9910驱动模块时通过IIC总线对视频采集芯片TW9910进行初始化[5];通过主程序对CPU的视频捕获模块和H.264压缩模块进行初始化。创建两个线程,分别用于一路CIF和一路QCIF视频图像的捕获和H.264压缩。其中CIF视频数据用于本地存储,压缩完写入SD卡存储,QCIF数据用于3G无线网络传输,压缩后放到共享内存中,用于3G无线网络进程来读取视频数据并发送到客户端。

主程序流程如图4所示：

图4 主程序流程图

TW9910的初始化过程如图5所示,按需求配置TW9910的寄存器：

3 结束语

图5 通过IIC对TW9910初始化

本文提出的方案已经过实际测试,能够支持NTSC/PAL/SECAM制式的视频信号输入,支持D1,CIF,QCIF分辨率输出,效果图如图6、7所示,低成本实现了高画质,可广泛应用于商场 仓库 交通 家庭等多种视频监控场合。

图6 CIF视频图像

图7 QCIF视频图像

[1]西刹子.安防天下—智能网络视频监控技术详解与实践[M].北京：清华大学出版社,2010：1-12.

[2]Douglas Brooks.信号完整性问题和印制电路板设计[M].北京：机械工业出版社,2005：92-107.

[3]吴才章.基于ARM的图像采集与显示系统设计[J].自动化技术与应用,2006,29(3)：118-122.

[4]刘云,卢少同,周亮.网络视频监控系统的设计与实现[J].安防科技,2009,3(17)：50-53.

[5]俞永昌.设备驱动开发技术及应用[M].北京：人民邮电出版社,2008：97-120.