摘要： 給出了一種基于ADSPBF561多內核處理器的高性能視頻監(jiān)控系統的設計方案。該方案選擇BF561雙DSP核處理器來實現復雜的智能視頻處理算法， 并選用ADV7183B來對CCD圖像信號進行解碼處理， 用本方案設計的汽車駕駛員輔助視覺傳感控制系統能防止交通事故的發(fā)生并改善交通流量， 可實現實時電子眼的功能。

0 引言

時鐘頻率的提高以及深亞微米半導體制造工藝的漏電流產生的高功耗使得處理器設計開始將思路轉向多內核集成的解決方案。事實上， 多核處理器技術是提高處理器性能的有效方法， 因為處理器的實際性能是處理器在每個時鐘周期內所能處理的指令數總量， 因此， 每增加一個內核，處理器每個時鐘周期內可執(zhí)行的單元數將增加一倍。上世紀末， 雙內核處理器開始進入高端服務器產品。隨著Intel和AMD公司先后推出雙內核CPU以來， 多內核CPU在個人電腦中的應用已經成為無可逆轉的趨勢， 同時， 多內核架構在處理器性能、低功耗、縮小系統電路板面積等方面都表現出了顯著的優(yōu)勢。

從某些方面來說， 嵌入式應用對處理器的需求更為苛刻， 特別是在低功耗、低成本等方面。

為了滿足當前嵌入式設備應用越來越高的性能需求， 并盡可能地降低功耗， 其高端嵌入式處理器領域的一個明顯變化， 就是從頻率越來越高向多內核架構轉變。多內核處理器的需求在很多產品領域顯著增加， 也為加強嵌入式處理器產品的競爭優(yōu)勢提供了另一個途徑。

1 多核處理器與高性能視頻系統

對于嵌入式系統設計工程師來說， 在消費類電子產品設計中， 單內核處理器依然是絕對的主流。但在部分需要更高處理速度和控制能力的應用中， 雙內核處理器早已不是陽春白雪， 而這類應用中的多媒體產品又占很大的比重， 例如視頻監(jiān)控(特別是具有智能分析功能的監(jiān)控設備)、視頻會議系統、數字攝像系統、汽車可視化系統等。智能視頻監(jiān)控設備大部分都是嵌入式設備。

由于智能視頻監(jiān)控屬于傳統視頻監(jiān)控的擴展與延伸， 所以， 傳統的視頻監(jiān)控對硬件平臺的要求，智能視頻監(jiān)控也都必須具備。但智能視頻監(jiān)控與傳統的視頻監(jiān)控相比， 用戶的需求更加多樣化，例如地鐵系統用戶所需要的功能是檢測是否跨越候車的黃線， 人群密度是否過大， 是否有可疑的遺留物體等； 而對于銀行系統用戶來說， 他們所需要的是ATM機的智能監(jiān)控分析， 包括是否有安裝假鍵盤、安裝吞卡器， 在ATM機是否有暴力行為， 是否出現犯罪分子的人臉等。因此， 用戶需求的多樣化可使算法隨著用戶的需求調整。另一方面， 智能視頻處理要求芯片具有強大的處理能力。另外， 許多算法在實現時也必須采用并行處理。因此， 傳統的基于單內核微控制器的解決方案就會面臨很大挑戰(zhàn)， 而融合MCU和DSP的異構雙處理器或多處理器解決方案， 以及具有強大運算能力的多內核處理器， 就成為智能視頻監(jiān)控嵌入式平臺的首選方案。

2 智能視頻監(jiān)控系統設計

智能視頻監(jiān)控設備融合了視頻圖像處理技術、模式識別技術、嵌入式開發(fā)與設計等多種先進的技術。該系統硬件設備外形小巧、性能卓越、功耗低。目前， 已可將多種智能視頻分析算法成功移植到該硬件平臺上， 這些算法包括區(qū)域入侵檢測、拌線檢測、物品遺留檢測、物品移動或被盜檢測、有方向性的區(qū)域入侵檢測、有方向拌線檢測、車流密度檢測、人數統計等。故其產品性能十分穩(wěn)定， 算法執(zhí)行效率很高。

圖1所示是一種基于BF561平臺開發(fā)的智能視頻監(jiān)控系統的硬件結構框圖。圖中的BF561采用的就是雙DSP核， 故能實現很復雜的智能視頻處理算法。這種Blackfin DSP采用低功耗設計， 其穩(wěn)定性在同價位DSP 中十分出眾。另外， 在Blackfin DSP平臺上， ADI公司還提供了許多開發(fā)源碼的程序， 并可以針對特定應用進行修改， 因而非常靈活。

圖1 基于BF561的視頻監(jiān)控系統功能框圖

本系統中的ADV7183B可對CCD圖像信號進行解碼處理， 以使其能夠適應ADSP BF561處理器； ADV7179則可對ADSP BF561處理器處理后的信號再進行視頻編碼， 然后送入顯示器進行顯示。另外， 通過ADSP BF561處理器的UART接口和EBIU口可以與控制臺以及各種處理器外設進行接口， 以用于數據存儲或通過以太網連接到遠程控制臺等。

2．1 雙內核匯聚式處理器BF561

ADSP BF561處理器是Blackfin產品家族中的一個高性能器件， 該器件內部包括兩個獨立的ADI處理器核， 每個處理器核則包含一個雙乘法累加器信號處理機和一個類RISC指令集。每個內核均采用完全的SIMD架構， 而且包含用于視頻加速處理和圖像處理的指令。匯聚式處理器的特點是減少或避免采用單獨的數字信號和控制處理器， 從而減少物料成本， 簡化軟硬件開發(fā)的復雜性。

ADSP BF561接口方便、功能強大， 并具有易于控制的兩個視頻輸入/輸出口， 可支持ITU-R656， 同時包含有可方便使用的DMA控制器和UART 接口， 以及數量眾多的GPIO。同時，Blackfin處理器還可提供全面的電源管理方案。

其獨特的低功耗和低電壓設計(Blackfin可以由低于2V的外部電壓供電) 可減少系統的整體功耗，這對于全天候運行的智能視頻監(jiān)控系統來說， 具有非常重要的意義。

雙內核BF561具有兩倍于BF533處理器的處理性能， 并具有兩倍的片上存儲器， 從而大大增強了數據帶寬， 并可與BF533處理器的代碼完全兼容。BF561處理器自帶的328KB片上存儲器提供有兩個并行數據端口， 因而可直接連接并行AD和DA轉換器或其他通用外設。此外， BF561處理器還內置有多個獨立的DMA控制器， 并支持數據的自動傳輸， 從而可使處理器內核的負擔最小化。BF561延續(xù)了Blackfin處理器接口豐富的特點， 故可為設計帶來極大的便利。

一直以來， 大部分多內核處理器都是集成有多個DSP和CPU內核的異構多核處理器， 它們分別將DSP和CPU服務于信號處理任務和控制任務，十分適合于任務劃分簡單的手機等通信應用。而BF561的雙內核DSP則是一個例外， 每個內核都可以同時單獨完成信號處理和控制處理任務， 因而無須將這兩類任務分別在多個內核之間的分配， 這樣就可以隨意地進行任務分配以平衡內核之間的任務處理量。BF561的雙核處理器相互獨立， 因此， 設計時可以根據應用分配兩個處理器內核的任務， 而且兩個內核在執(zhí)行指令上是相同的。兩個處理器內核可以分別用于運行嵌入式操作系統(OS) 和信號處理。對于信號處理任務量較大的嵌入式系統， BF561也可以將兩個內核同時用于信號處理， 然后單獨采用具有相同內核的BF533 (或BF536處理器) 運行嵌入式操作系統。

2.2 ADV7183B視頻解碼器

本智能視頻監(jiān)控系統采用ADV7183B芯片作為系統CCD圖像信號的解碼芯片。ADV7183B是一款綜合的視頻解碼芯片， 能夠處理NTSC或PAL制式下的CVBS、S-Video、YPrPb 3種格式的輸入視頻源， 可廣泛地應用于放映機、數字電視、DVD、游戲機等電子產品。

ADV7183B內部帶有行鎖定系統時鐘(LLC)和自適應數字線長跟蹤(ADLLT) 電路， 可以提供雙重視頻鎖定功能， 同時也具有實時時鐘、信息輸出功能以及3行色度梳狀濾波器。ADV7183B完整的AGC和箝位控制功能可對色度、亮度、飽和度和對比度進行編程視頻調節(jié)， 并可自動進行NTSC或PAL檢測， 它有12個模擬視頻輸入信道， 可設置為二線連續(xù)雙向端口模式， 并與I2C兼容； 此外，ADV7183B還可支持不同模式的視頻輸入和16 bit寬度總線數字輸出， 其輸入峰峰值為0.5 V～2 V。

通過不同的配置， ADV7183B的6個模擬視頻輸入信道可支持6個CVBS輸入信號、3個S-video輸入信號和2個YPrPb構成的模擬視頻輸入信號，并可由寄存器INSEL控制輸入源的類型和信道。

此外， ADV7183B也支持3種輸出接口模式： 包括兼容LLC的同步像素接口、CAPI接口和SCAPI接口。ADV7183B 的默認模式為兼容LLC 的8 bitCCIR656數據。圖2所示是ADV7183B的軟件配置流程圖。

圖2 ADV7183B的軟件配置流程

2.3 攝像頭的選擇

本設計選用德國Aglaia GmbH公司推出的汽車駕駛員輔助視覺傳感器系統， 該系統具有防止交通事故發(fā)生和改善交通流量的功能。它的實時電子眼方案由硬件和軟件組成， 可模仿人類從眼球(圖像捕捉) 到大腦(圖像分析和闡釋) 的視覺系統， 并能夠通知駕駛員前方的交通標志， 還可對潛在的交通沖突發(fā)出警告并自動限速。當駕駛員駛出車道線時還可發(fā)出警告， 甚至可以提供“ 疲勞分析” ， 以幫助駕駛員避免碰撞。AglaiaGmbH公司的完整解決方案包括攝像頭、圖像傳感器和圖像處理算法， 其交通分析應用程序則包括可用軟件配置的各種功能模塊， 例如車道線識別、物體識別、交通標志識別、頭燈及尾燈識別等。

由于Blackfin具有高性能、低成本、低功耗和豐富的I/O 接口， Aglaia GmbH公司最終選擇BF561處理器來用于其汽車駕駛員輔助視覺傳感器系統。該系統的核心部分是四個BF561處理器，其在大約3A電流左右僅消耗少于20W的能量， 同時包括嵌入式微控制器和信號處理器的能耗。而雙核的BF561器件的1.2V設計只消耗不到1A的電流， 因而很容易滿足Aglaia的20W限制的要求。

3 結束語

本文的智能視頻監(jiān)控系統可廣泛用于軍事、公安、金融、交通、教育、公共設施、社區(qū)、個人以及工業(yè)和商業(yè)領域?；贐F561處理器的獨特優(yōu)勢， Blackfin DSP在算法并行處理上可以做的很好， 特別是BF561采用雙DSP核， 故能夠實現很復雜的智能視頻處理算法。由于BlackfinDSP采用的是低功耗設計， 故其穩(wěn)定性在同價位DSP中也十分優(yōu)良。