21 世纪是数码时代，数字类消费产品的需求量正在进行着惊人的增长。在这些产品中，视频类产品的比重相当的大，在人们的日常生活中越来越普及。在这些产品中，无论是数码摄像机，还是具有摄像功能的手机，其最核心的部分便是音视频处理器，选择什么样的处理器，决定着此类产品的成本，性能，市场前景。
在本设计中，笔者选取了 TI 公司的 TMS320DM270(DM270) 作为核心的处理芯片。
可行性分析
为了使消费者获得质量更高的数字视频和影像内容，面向像素数为 300 万至 500 万像素的数码相机、数码摄像机及便携式多媒体产品。德州仪器（TI）推出了基于 DSP 的数字媒体处理器 DM270，它是基于多处理器架构之上，集成 DSP C5409 和 32 位 RISC 处理器 ARM7TDMI 的双核结构，其中 ARM7TDMI 来处理非成像功能，用作整个系统的主控制器，DSP 处理音视频编码，同时还集成了专门用于执行 DCT、反向 DCT 以及众多其它处理运算中的运动估计与补偿的图像处理引擎（iMX），以及可变长编解码器（VLCD）。
而且 TI 还提供了一系列音视频芯片，可与 DM270 进行无缝连接。TVP5040，TVP5145 可以用作视频 A/D 转换器，AIC23 可用作音频 A/D。
DM270 还有专门的 MMC/SD 控制器，进行外部 MMC/SD 卡的扩展功能，为大容量数据的存储提供了方便，以及 OSD（on screen display）模块，可以直接外接显示设备（LCD、TV）。
基于 DM270 的数码摄像机基本系统框架如图 1 所示。
方案设计
从图 1 可以看出，整个系统前端主要是由视频输入模块，音频输入模块，以及处理器 DM270 组成。后端则可以接入存储设备及显示设备（LCD，TV）。
视频模块
视频输入模块结构如图 3 所示，由前端的 CCD 模块进行数据的采集，进入 CPU 后通过预处理，再进行视频数据的压缩保存。
视频采集和输入
在 DM270 中有一个 CCD 可编程控制接口，可以方便的把标准的 CCD（CMOS）数据接入到系统内部，而且为 CCD 图像传感器提供了必要的时序逻辑，对逐行和隔行扫描 CCD 或 CMOS 图像传感器给予很好的支持，能支持高达 4096＊4096 像素。在笔者开发的系统中采用 OV7620 的 CMOS 摄像头，输出 YUV 数据直接进入系统。芯片内部还有硬件的 3A 模块来自动调节镜头的聚焦。另外，DM270 中有预览引擎（preview engine），可对 CCD 数据的图像进行增强，自动白平衡和各种尺寸的缩放。这样大大减少了 CPU 对数据的初级处理压力。　　
视频压缩
DM270 支持 VGA 分辨率下的 MPEG4 30fps 实时编解码，而且支持多种视频压缩标准，如 JPEG，motion-JPEG，H.263 等。可以为数码摄像机提供多种拍摄模式。
如前所述，DM270 内部还具有图像协处理器 iMX，可以高速进行 DCT、运动估计（补偿）、插值运算。VLCD 模块完成码流编码。在笔者开发的平台里可以做到 VGA 的 MPEG4 每秒 24 帧、H.263 每秒 30 帧的实时压缩编码及解码后通过 LCD 显示。
此外，除了视频图像外，还可以实现数码拍照的功能，进行 JPEG 图片的拍摄。在笔者开发的平台中可以实现 2048*1536 的 JPEG 图片。
视频输出显示
数码摄像机必须具备回现功能，而 DM270 带有 OSD 控制器，其后端有 VENC（video encode）和 D/A 转换模块，产生 NTSC 或 PAL 格式的视频信号输出给外部显示设备。DM270 将压缩的 MPGE4 数据或 JPEG 图片，解码后的 YUV 数据通过 OSD 实现回现功能。其数据流如图 3 所示。
OSD 模块具有 4 个图像层（两个 YUV 的 video 层和两个位图层），可以方便的实现图层的层叠混合。可以利用 OSD 的位图层 0 显示各种操作菜单，作为图形界面让用户调节系统参数。　　
音频模块
从图 1 可以看出，音频数据直接输入到 DM270 中的 DSP 进行处理。
音频采集与输入
DM270 内部的 DSP 是 5409，有两个多通道缓冲串行口（McBSP）模块，用于音频的采集接口。在笔者开发的平台中，音频采样和转换采用的是 AIC23 芯片。TLV320AIC23 是 TI 推出的一款高性能的立体声音频 CODEC，内置二级输出放大器，支持 MIC 和 LINE IN 两种输入方式（2 选 1），并且可以对输入输出进行可编程的增益调节。AIC2 模数及数模转换都高度集成在芯片内部，而且采用先进的 Sigma-delta 过采样技术，可在 8~96kHz 频率范围内提供 16bit，20bit，24bit 和 32bit 的采样。输入输出信噪比可以分别达到 90dB 和 100dB。为数码摄像机的声音录放音质，提供了保证。而且 AIC23 与 DSP 内部的 McBSP 可以进行无缝连接。其接口如图 2。
音频压缩，解码
在 DM270 中 DSP 的运算能力强大，可以实现多种语音压缩编码、解码。下面的表格是几种语音编码方式的比较。
由表格可以看出，在保证高音质的情况下，G.711 和 G.726 的算法复杂度相对简单，这样可以减少 DSP 的数据处理压力，使 DSP 有更多的资源进行视频数据的处理。而且 G.711 数据可以被 QuickTime 格式的影音文件支持，这样可以增加数码摄像机文件支持格式。G.726 为可变码率编码，数码摄像机用户可以根据存储空间来选择。
在笔者开发的平台上，分别实现了 G.711 与 G.726 算法及 QuickTime 文件的录放功能。
系统软件设计
在笔者开发的系统中，因为 DM270 的 ARM 核为 ARM7TDMI，没有内存管理单元（MMU），所以采用 uClinux 作为嵌入式操作系统同标准的 Linux 相比，uClinux 最大的特点在于不具有 MMU，因此很适合那些没有 MMU 的处理器。由于 uClinux 的内核是由 Linux 根据所要运行的 CPU 裁减、修改而来。它保持了原有 Linux 系统的主要优点，如稳定性好，出色的文件系统支持，完善的应用程序开发，升级方便。
该方案的软件平台架构如图5。
在用户应用程序中主要完成三种功能：录像功能，拍照功能，以及录像及照片的回放功能。
并且可以实现三种功能的实时的相互切换。如图 6 所示。
在该方案软件系统中还移植了 U-boot 进行系统引导与加载，提高了整个系统的运行效率。
为产品系统的升级服务提供了良好的支持。
表1  几种语音编码方式的比较
编码名称 G.711 G.726 GSM G.729
编码方式 PCM ADPCM RPE-LTP CSA-CELP
编码速率Kbit/s 64 40/32/24/16/8 13 8
复杂度 1 10 5 30
平均得分 43 4 3.7 4

结语
本系统已经在中国农业大学信息与电气工程学院得到实现，可以进行 MPEG4、motion-JPEG 录像，JPEG 拍照，以及 QuickTime 格式的录制；并实现了上述录像，拍照在 LCD 及电视机上的回放功能。实践证明，这种高性能，基于 DSP 及 ARM 双核技术的解决方案，使得产品开发应用变得更加容易，而且使用的系统软件可以随时升级，可以按照用户的要求进行定制，甚至做到 DIY，为产品的尽快进入市场奠定了基础。

参考文献
[1] TI.TMS320DM270 CPU and Peripherals Technical eference Manual Version 1.3，2003.2
[2] 韩春雷，王库，马健，一种数码相机成像和视频处理前端的设计，2004.9
[3]《TLV320AIC23B Datasheet》，Texas Instruments，2002

（来源:  电子产品世界）