电话线的图像传输系统的设计与实现

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摘　要：先容了一种利用硬件电路实现远程图像传输的方案。该系统以高速数字信号处理器TMS320VC33为主处理器，外加一些辅助器件，结合JPEG压缩标准，实现了基于电话线的图像传输。


　　关键词：数字信号处理器（DSP）；图像；电话线；JPEG


　　传统的远距离监控、图像传输一般采用专门光缆或微波进行传递，容易受到地形和线路的限制，且造价极高，一般用户难以接受，因此，不易推广应用。


　　目前，公共电话网（PSTN）已普及全国，如果远程监控传输系统与一般的电话线相连接，即可获得简单实用的远程监控系统。但由于图像数据量大，压缩算法复杂而普通电话带宽又较窄，使得图像传输的实时性难以实现。高速通用的数字信号处理芯片的出现和Modem的飞速发展，使这一应用成为现实。本文先容了以高速浮点处理芯片TMS320VC33为数据处理中心结合图像采集、通信控制来实现的一种远程图像监控系统。


　　1　DSP芯片TMS320VC33概况


　　TMS320VC33是美国TI企业推出的TMS320C3X系列的浮点式数字信号处理器，他是在原来的TMS320C31浮点DSP的基础上开发一个价格更低的版本，该产品以高速、低功耗、低成本、易于开发为显著特点。由于他采用了内部1．8 V，外部3．3 V供电，因而功耗比原有型号降低了大约一个数量级，而且能支撑高达150 M／FLOPS的运行速率，其主要特性如下：


　　CPU　带有32 b的高性能CPU；可进行16／32 b整数和32／40 b的浮点操作；内含8个扩展精度寄存器；带有2个地址发生器、8个辅助寄存器和2个辅助寄存器算术单元（ARAUs）。


　　存储器　具有32 b的指令字，24 b的地址线；带有34 k×32 b（1．1 Mb）的片内双静态RAM。


　　外围接口　带有启动程序装载功能；内含5倍频的锁相环（PLL）时钟发生器；片内存储器可映射外设，其中包括一个串行口、2个32 b定时器和一个DMA；具有4个内部译码页选，可简化与I／O及存储器的接口。


　　指令速度　具有高速的浮点运算能力，其中TMS320VC33-150型在13 ns单周期指令实行时间时为150 M／FLOPS和75 MI／S；而TMS320VC33-120 型在17 ns单周期指令实行时间时为120 M／FLOPS；60 MI／S。结构框图如图1所示。


　　2　DSP应用于电话线图传输系统


　　2．1　系统结构先容


　　远程监控系统最重要的功能是及时将监测场景中的图像信息回传至监控中心。由于电话线只能传送64 kb／s以下速率的数据，而实时图像每秒数据率在200 Mb／s以上（640×480×24／象素×30帧／s），即使一帧静态图像需要的数据也能达到7Mb/s以上。







　　因此，即便回传被监测场景的静态图像，也必须先进行数字图像的压缩处理，将数据率压缩到较低的水平上，再经过Modem，送到电话线路上传输。系统结构图如图2所示。







　　系统主要由图像采集、DSP图像压缩、程序、数据存储器及CPLD逻辑控制几个部分组成。其中图像采集和数字化由CCD和A／D（SAA7111）芯片完成。输出422格式的YUV信号经DSP进行单分量压缩编码，通信模块（用现成的Modem）接收图像数据发送至电话线传输；接收端经Modem接收至PC，将码流重新合并，将图像在计算机上显示出来。大家采用图像大小分割为352×288，176×144，采用JPEG基本系统进行图像压缩，传输速率范围为1～5帧／s。


　　2．2　系统设计考虑


　　（1）图像A／D变换由Philips企业生产的可编程视频处理芯片SAA7111完成。SAA7111有4路模拟输入，2路模拟信号处理通道，可以通过App灵活控制信号的各种制式。来自摄像头的模拟信号，首先在模拟信号控制下，进行信号箝位、模拟放大、A／D转换，然
后将得到的8 b亮度信号和8 b色度信号分别送往亮度处理电路和色度处理电路进行处理，产生16 b的YUV信号。Y（7－0）为8 b数字亮度信号，UV（7－0）为不同颜色（B－Y和R－Y）复用信号。数字化后得到的YUV信号经由高8 b、低8 b16 b数据线输出。DSP由图像缓冲接收数据进行压缩编码。


　　（2）本系统采用JPEG基本系统，并且为了消除对复合视频信号编码造成的差排干扰及提高压缩比，采用分量编码即以YUV信号作为编码对象。对接收到的数据首先进行电平偏移，以满足运算范围；然后将各分量分割成不重叠的8×8的象素块，再用快速离散余弦变换将各子块转换成8×8的二维DCT变换，得到的64个系数代表了该图像块的频率成分。在8×8的系数矩阵中，左上角的一个为直流（DC）系数，其余63个为交流（AC）系数。从左到右水平频率增高，从上到下，竖直频率增高。接着，用一个8×8的量化值阵列对DCT系数进行量化；再用Z形（Zigzag）扫描将系数矩阵变成一维数列，各项按频率由低到高顺序排列。最后就是借助于熵编码器将这些系数值转换成一串编了码的数据流。


　　（3）DSP及其外围电路的设计


　　存储器设计　VC33具有程序引导功能，程序可以由低速的EPROM装入到系统的高速RAM全速运行。为了降低系统成本，本课题中用EPROM和高速RAM相结合的存储器配置方式。其中，EPROM用于存储程序和初始化数据，高速RAM用于实时运行的程序和数据。系统加电运行时，VC33自动将程序和初始化数据从低速EPROM装入到高速RAM。装入完毕，程序在高速RAM中全速运行。


　　电源设计　TMS320VC33需2种电源，分别为CPU核心1．8 V和周边I／O3．3 V接口电路供电。因为需要2套供电系统，所以要考虑到配合问题。在加电68过程中，应保证CPU内核电源CVDD先上电，最晚也要和I／O电源DVDD一起加。关闭电源时，先关闭DVDD，再关闭CVDD。这是因为：如果只有CPU内核获得供电，周边I／O没有供电，对芯片只是没有输入和输出，不会产生损害。而反过来，周边I／O供电而内核没有加电，那么芯片缓冲、驱动部分的三极管将处于未知状态下工作。系统考虑利用一个电源驱动两个线性稳压模块，产生所需的CVDD和DVDD，问题得到解决。


　　复位考虑　TMS320C3X支撑一个非屏蔽外部复位信号（Reset低电平有效），以将处理器置入一个已知的状态。为了使系统被复位信号正确的初始化，复位信号的脉冲宽度必须至少10个H1周期以上。


　　（4）控制逻辑设计


　　控制逻辑采用型号为XC95144的CPLD的实现，其作用有：记录图像缓存的读写地址、控制读写信号、控制采样时序的产生及译码逻辑。


　　2．3　图像传输的通信实现


　　图像压缩编码后的数据流通过TMS320VC33的串行口直接发送给Modem，通信协议控制模块完成串行通信接口协议控制，通信命令收发及与DSP的接口。由于系统发送方和接收方都是通过Modem接入公用电话网，线路的连接和释放只需正确地设置Modem即可。


　　2．4　系统设计流程


　　TMS320VC33传输系统设计分硬件和App两部分完成。其基本过程如图3所示。


　　3　结　语


　　本文先容了基于电话线的远程图像传输系统。系统采用TMS320VC33作为主处理器，该片具有快速运算能力，结合JPEG压缩编码算法标准，实现了图像的传输。该系统可应用于某些（对远程场景图像质量要求不太高的情况下）远程图像监控系统，具有设备结构简单、价格低廉、传输所需频带窄等优点。只要被监控场景下有电话线路，即可实现图像监控，并且由于系统采用了TI企业的DSP芯片作为主要处理器实现系统功能，因而具有较高的系统性能和可靠性。随着高性能DSP和Modem技术的进一步发展，该系统的信息处理能力可以进一步增强，从而进一步提高图像的传输速度和恢复图像的质量，以满足人们的视觉需求。







　　参考文献


　　［1］　中国人民解放军总装备部军事训练教材编辑工作委员会．图像通信技术［M］．北京：国防工业出版社，2002


　　［2］　RobertLibbry L．信号与图像处理［M］．北京：电子工业出版社，2000．


　　［3］　黎洪松．数字视频技术及其应用［M］．北京：清华大学出版社，1995．


　　［4］　王念旭．DSP基础与应用系统设计［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2001．


　　［5］　TMS320C3X user′s guide．U．S．A．TexasInstruments［M］．2000．


　　［6］　蔡茂国，杨淑雯．基于DSP的远程监控系统的设计与实现［J］．电子技术应用，2001，（9）．