摘 要：设计了一种节能型视频监控终端。该终端以TMS320DM642芯片为核心，在摄像头、图像解码芯片TVP5150、红外传感器等外围芯片的协助下，能有效监控区域人员出入情况，并仅在有人员进入监控区域时才开始视频图像的采集、处理、传输等，既达到了监控目的，又节约了部分电能。
关键词：视频监控；节能；TMS320DM642；红外传感器；TVP5150
视频监控系统越来越多地走进人们的生活，系统节能也是电子系统必须考虑的一个重要参数。对一个少有人出入的场合，采用不间断的实时监控不仅没有必要，也会浪费很多的电能。针对这种情况，本文设计了一个无人值守的智能监控终端。在没有人进入监控区域时，监控终端处于低能耗的休眠状态；当红外传感器检测到有人进入监控区域时，终端被唤醒并开始摄像，同时将处理后的视频信号经过网络传输到监控中心，为中心值班人员提供判断依据。对于出入人员较少的场合，利用该监控终端可以有效减少系统能耗，减少传输、保存的数据量，而且不会错过监控对象。
1 终端工作原理及总体框图
终端的总体框图如图1所示，在没有人员进入监控区时，系统处于休眠、节能状态，当红外传感器检测到有人员进入监控区域时，产生外部中断，中央处理器TMS320DM642在接收到外部中断时立即启动各模块进行图像的采集、处理、传输等。
2 终端系统设计
2.1 中央处理器的选择
由于终端要处理的数据量大，实时性强，所以采用多媒体处理芯片TMS320DM642(以下简称为DM642)。该芯片是TI公司C6000系列DSP中较新的32位定点DSP，工作频率由内部倍频器设置，可以达500 MHz、600 MHz或720 MHz，每秒可执行指令数4 000、4 800、5 760 MIPS。DM642采用TI公司第2代增强型超长指令集，它的EMIFA接口数据总线宽度为64位，最高存取频率133 MHz，可直接与大容量、低成本的SDRAM芯片无缝连接。DM642带有３个双通道(A，Ｂ两通道)数字视频口，可同时处理多路数字视频流。DM642拥有I2C接口，可以与外部I2C设备通信，用来配置外部I2C设备的寄存器，DM642的网口(EMAC接口)、PCI口和HPI口共享引脚。因其处理性能强，外围接口多而灵活，在机器视觉、医学成像、网络视频监控、数字广播等领域得到了广泛的应用。
2.2 红外传感信号处理模块的设计
为了节约电能，本终端采用红外传感器来检测监控区域有无人员进入，只在有人员进入监控区域时，终端才进入图像采集、处理、传输状态。本设计采用BISS0001芯片为热释电红外传感信号处理核心元件，其应用电路如图2所示。
图2中，7805为三端稳压集成电路，为信号处理电路提供电源。BISS0001芯片的第9引脚为触发控制信号Vc的输入脚，工作中应当保证输入电压Vc>VR(通常：VR=0.2VCC)，可以通过调节电阻R3来达到目的。当有行人进入监控区域时，热释电红外传感器PIR将检测到的人体发出的红外线转化为电信号，并将其送到BISS0001内部，信号经BISS0001处理后由2脚输出，输出Vo为低电平到高电平的跳变。如果BISS0001工作在有效状态不可重复触发的情况下(即图2中S1接低电平)，高电平的持续时间为Ts(Ts=49 152 R1C1)，在Ts时间段结束时，输出Vo即刻由高电平进入低电平并被封锁Ti(Ti=24R2C2)时长；对于有效状态可重复触发的情况来讲(即图2中S1接高电平)，如果在前一Ts时间段内，输入的变化使得输出有效状态再次触发，则Vo高电平信号将从此刻算起再持续一个Tx时长，之后才转换为低电平并进入封锁时间Ti。在封锁时间内，即使由于负载的切换而引入的干扰也不会改变输出Vo的状态。本设计中让S1接高电平，红外传感信号处理电路的输出信号Vo作为DM642的外部中断信号，将Vo与DM642的GP[5:4]连接，同时也作为TVP5150芯片的节电模式输入控制信号，如图2所示。
2.3 图像采集模块的设计
对于图像采集模块，本设计采用TI公司的TVP5150作为解码芯片。TVP5150是一款超低功耗的解码芯片，正常操作时的功耗只有113 mW，节电模式下功耗为1 mW，并支持PAL/NTSC/SECAM等格式，它能将摄像头所采集到的模拟图像信号转换为YUV4:2:2格式的ITU-R BT.656数字信号，它可以接收2路复合视频信号(CVBS)或1路S-Video信号，通过I2C总线设置内部寄存器，可以选择输出8位4:2:2的ITU-R BT.656数字信号(同步信号内嵌)，以及8位4:2:2的ITU-R BT.601信号(同步信号分离，单独引脚输出)。TVP5150与DM642的硬件连接如图3所示。
TVP5150芯片的AIP1A和AIP1B为模拟信号的输入端，该引脚需接0.1～1 μF的滤波电容，HSYNC为行同步信号的输出引脚。由于本设计采用了同步信号内嵌的ITU-R BT.656格式，所以该引脚未与DM642相关引脚相连接。PND引脚为省电模式的控制信号输入端，低电平有效，与红外传感信号处理电路的输出信号Vo连接，当监控区域无行人走动时，Vo为低电平，这将使TVP5150芯片进入省电模式。YOUT[6:0]为BT.656/YUV数据输出引脚，YOUT[7]/I2CSEL是BT.656/YUV数据的第7位，也是I2C接口设备地址设置位，TVP5150设备地址由I2CSEL引脚所接的上拉电阻或下拉电阻确定，I2CSEL引脚的状态与设备地址映射关系如表1所示，DM642和TVP5150应答过程中需要从片TVP5150的地址。SCL、SDA分别为I2C接口的串行时钟和数据引脚，DM642对TVP5150内部寄存器的访问通过I2C总线实现。
DM642芯片的VP0D[19:0]为视频口VP0的数据总线引脚，其中VP0D[8:2]与多通道串行口McBSP0引脚复用，为了将VP0D[8:2]配置为VP0的低位数据引脚，需要把PERCFG寄存器中的VP0EN位置1。VP0CLK0为外部像素时钟输入引脚，与视频解码芯片TVP5150的像素时钟输出引脚PCLK/SCLK连接。
2.4 网络模块的设计
为了将监控终端所采集到的视频图像传回值班中心，终端应当支持网络传输功能。DM642上EMAC口支持网络通信，EMAC接口与PCI、HPI接口共用相同的引脚，在系统上电时，通过上/下拉电阻配置系统使用的模式。本设计中令PCI_EN=0，MAC_EN=1，HD5=0将复用接口配置为16位的EMAC接口和16位的HPI接口。DM642的EMAC接口符合IEEE802.3协议，支持传媒无关接口，具有8个独立的发送与接收通道，支持同步10/100 Mbit的数据操作和广播、多帧传输格式。EMAC接口需要外扩相关的网络电路才能完成网络与DM642之间的数据包交换。本终端设计中，采用INTEL公司的LXT971ALC芯片完成网络功能，最后通过一个网络电平转化芯片PM44-11BG和外部相连，其硬件连接如图4所示。
3 终端工作流程
终端工作流程如图5所示。上电复位时，DM642执行复位中断，完成对自身及周围芯片的初始化。DM642的外部中断EXTIN4~EXTIN7与GPIO口的GP[7:4]复用，当这些引脚配置为外部中断输入引脚时，可通过设置中断寄存器IER[7:4]相应位来使能中断，触发方式(上升沿触发或下降沿触发等)由中断方式寄存器EXTPOL[3:0]设置。本设计中对相关寄存器做如下配置：令寄存器EXTPOL[1:0]=01，将外部中断EXTIN5(GP[5])设置为上升沿触发，EXTIN4(GP[4])设置为下降沿触发。因此与EXTIN5对应的中断函数执行唤醒芯片，启动图像采集、处理、传输等功能；而与EXTIN4对应的中断函数执行停止图像采集、处理、传输等功能，并将控制状态寄存器设置为CSR[15:10]=010001，使CPU的工作模式转变为功率下降模式PD1。
在中断使能寄存器IER中，IE[15:4]位用于使能CPU中断INT[15:4]。当IEx=1时，使能INTx中断响应，此时程序的中断服务函数才起作用；当IEx=0时，禁止INTx中断响应。使用汇编语言设置IER寄存器的中断位使能外部中断的程序代码如下：
MVK 30H，B1； //B1寄存器赋初值，对应INT4、INT5
MVC IER，B0； //把IER的当前值赋予寄存器B0
OR B1，B0，B0； //两个寄存器中的值按位取“或”
MVC B0，IER； //把B0寄存器的值赋予IER寄存器，IE4、IE5被置位，使能INT4，INT5
如果禁止中断INT5，可采用如下代码：
MVK FFDFH，B1； //B1寄存器赋初值，对应INT5
MVC IER，B0；//把IER寄存器的当前值赋予寄存器B0
AND B1，B0，B0； //B0和B1寄存器中的值按位取“与”，把结果保存在寄存器B0中
MVC B0，IER //把B0寄存器的值赋予IER寄存器中，IE5被清除
当红外传感器检测到监控区域有人员进入时，红外传感信号处理电路输出端Vo由低电平变为高电平，并保持一段时间的高电平。DM642的EXTIN5(GP[5])端在检测到上升沿触发信号后，执行与之对应的中断函数，唤醒芯片，启动图像采集、处理、传输等功能。由于红外传感信号处理电路设置为可重复触发模式，则只要监控区域有人员走动，输出端就一直保持高电平，终端就一直保持采集、处理、传输视频图像。当监控区域无行人走动时，Vo由高电平变为低电平，并进入低电平的封锁时间段，EXTIN4(GP[4])端在检测到下降沿触发信号后，执行对应的中断函数，停止图像采集、处理、传输等功能，并使CPU的工作模式再次转变为功率下降模式PD1。
本文面向实时图像处理，采用模块化设计思想，以多媒体专用DSP处理器TMS32ODM642为核心，在红外传感器、图像采集芯片、网络数据处理芯片等的紧密配合下，终端既能完成图像的采集、处理、传输功能，又能实时地根据监控区域的人员变化情况调整工作模式，减少了无用数据的处理，提高了效率，节约了成本，满足了社会对电子产品的绿色、低碳的要求。
参考文献
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[4] 王跃宗，刘京会.TMS320DM642 DSP应用系统设计与开发[M].北京：人民邮电出版社，2009.