基于多内核处理器ADSPBF561的高性能视频控制系统设计

摘要： 给出了一种基于ADSPBF561多内核处理器的高性能视频监控系统的设计方案。该方案选择BF561双DSP核处理器来实现复杂的智能视频处理算法， 并选用ADV7183B来对CCD图像信号进行解码处理， 用本方案设计的汽车驾驶员辅助视觉传感控制系统能防止交通事故的发生并改善交通流量， 可实现实时电子眼的功能。

0 引言

时钟频率的提高以及深亚微米半导体制造工艺的漏电流产生的高功耗使得处理器设计开始将思路转向多内核集成的解决方案。事实上， 多核处理器技术是提高处理器性能的有效方法， 因为处理器的实际性能是处理器在每个时钟周期内所能处理的指令数总量， 因此， 每增加一个内核，处理器每个时钟周期内可执行的单元数将增加一倍。上世纪末， 双内核处理器开始进入高端服务器产品。随着Intel和AMD公司先后推出双内核CPU以来， 多内核CPU在个人电脑中的应用已经成为无可逆转的趋势， 同时， 多内核架构在处理器性能、低功耗、缩小系统电路板面积等方面都表现出了显着的优势。

从某些方面来说， 嵌入式应用对处理器的需求更为苛刻， 特别是在低功耗、低成本等方面。

为了满足当前嵌入式设备应用越来越高的性能需求， 并尽可能地降低功耗， 其高端嵌入式处理器领域的一个明显变化， 就是从频率越来越高向多内核架构转变。多内核处理器的需求在很多产品领域显着增加， 也为加强嵌入式处理器产品的竞争优势提供了另一个途径。

1 多核处理器与高性能视频系统

对于嵌入式系统设计工程师来说， 在消费类电子产品设计中， 单内核处理器依然是绝对的主流。但在部分需要更高处理速度和控制能力的应用中， 双内核处理器早已不是阳春白雪， 而这类应用中的多媒体产品又占很大的比重， 例如视频监控(特别是具有智能分析功能的监控设备)、视频会议系统、数字摄像系统、汽车可视化系统等。智能视频监控设备大部分都是嵌入式设备。

由于智能视频监控属于传统视频监控的扩展与延伸， 所以， 传统的视频监控对硬件平台的要求，智能视频监控也都必须具备。但智能视频监控与传统的视频监控相比， 用户的需求更加多样化，例如地铁系统用户所需要的功能是检测是否跨越候车的黄线， 人群密度是否过大， 是否有可疑的遗留物体等； 而对于银行系统用户来说， 他们所需要的是ATM机的智能监控分析， 包括是否有安装假键盘、安装吞卡器， 在ATM机是否有暴力行为， 是否出现犯罪分子的人脸等。因此， 用户需求的多样化可使算法随着用户的需求调整。另一方面， 智能视频处理要求芯片具有强大的处理能力。另外， 许多算法在实现时也必须采用并行处理。因此， 传统的基于单内核微控制器的解决方案就会面临很大挑战， 而融合MCU和DSP的异构双处理器或多处理器解决方案， 以及具有强大运算能力的多内核处理器， 就成为智能视频监控嵌入式平台的首选方案。

2 智能视频监控系统设计

智能视频监控设备融合了视频图像处理技术、模式识别技术、嵌入式开发与设计等多种先进的技术。该系统硬件设备外形小巧、性能卓越、功耗低。目前， 已可将多种智能视频分析算法成功移植到该硬件平台上， 这些算法包括区域入侵检测、拌线检测、物品遗留检测、物品移动或被盗检测、有方向性的区域入侵检测、有方向拌线检测、车流密度检测、人数统计等。故其产品性能十分稳定， 算法执行效率很高。

图1所示是一种基于BF561平台开发的智能视频监控系统的硬件结构框图。图中的BF561采用的就是双DSP核， 故能实现很复杂的智能视频处理算法。这种Blackfin DSP采用低功耗设计， 其稳定性在同价位DSP 中十分出众。另外， 在Blackfin DSP平台上， ADI公司还提供了许多开发源码的程序， 并可以针对特定应用进行修改， 因而非常灵活。

图1 基于BF561的视频监控系统功能框图

本系统中的ADV7183B可对CCD图像信号进行解码处理， 以使其能够适应ADSP BF561处理器； ADV7179则可对ADSP BF561处理器处理后的信号再进行视频编码， 然后送入显示器进行显示。另外， 通过ADSP BF561处理器的UART接口和EBIU口可以与控制台以及各种处理器外设进行接口， 以用于数据存储或通过以太网连接到远程控制台等。

2．1 双内核汇聚式处理器BF561

ADSP BF561处理器是Blackfin产品家族中的一个高性能器件， 该器件内部包括两个独立的ADI处理器核， 每个处理器核则包含一个双乘法累加器信号处理机和一个类RISC指令集。每个内核均采用完全的SIMD架构， 而且包含用于视频加速处理和图像处理的指令。汇聚式处理器的特点是减少或避免采用单独的数字信号和控制处理器， 从而减少物料成本， 简化软硬件开发的复杂性。

ADSP BF561接口方便、功能强大， 并具有易于控制的两个视频输入/输出口， 可支持ITU-R656， 同时包含有可方便使用的DMA控制器和UART 接口， 以及数量众多的GPIO。同时，Blackfin处理器还可提供全面的电源管理方案。

其独特的低功耗和低电压设计(Blackfin可以由低于2V的外部电压供电) 可减少系统的整体功耗，这对于全天候运行的智能视频监控系统来说， 具有非常重要的意义。

双内核BF561具有两倍于BF533处理器的处理性能， 并具有两倍的片上存储器， 从而大大增强了数据带宽， 并可与BF533处理器的代码完全兼容。BF561处理器自带的328KB片上存储器提供有两个并行数据端口， 因而可直接连接并行AD和DA转换器或其他通用外设。此外， BF561处理器还内置有多个独立的DMA控制器， 并支持数据的自动传输， 从而可使处理器内核的负担最小化。BF561延续了Blackfin处理器接口丰富的特点， 故可为设计带来极大的便利。

一直以来， 大部分多内核处理器都是集成有多个DSP和CPU内核的异构多核处理器， 它们分别将DSP和CPU服务于信号处理任务和控制任务，十分适合于任务划分简单的手机等通信应用。而BF561的双内核DSP则是一个例外， 每个内核都可以同时单独完成信号处理和控制处理任务， 因而无须将这两类任务分别在多个内核之间的分配， 这样就可以随意地进行任务分配以平衡内核之间的任务处理量。BF561的双核处理器相互独立， 因此， 设计时可以根据应用分配两个处理器内核的任务， 而且两个内核在执行指令上是相同的。两个处理器内核可以分别用于运行嵌入式操作系统(OS) 和信号处理。对于信号处理任务量较大的嵌入式系统， BF561也可以将两个内核同时用于信号处理， 然后单独采用具有相同内核的BF533 (或BF536处理器) 运行嵌入式操作系统。

2.2 ADV7183B视频解码器

本智能视频监控系统采用ADV7183B芯片作为系统CCD图像信号的解码芯片。ADV7183B是一款综合的视频解码芯片， 能够处理NTSC或PAL制式下的CVBS、S-Video、YPrPb 3种格式的输入视频源， 可广泛地应用于放映机、数字电视、DVD、游戏机等电子产品。

ADV7183B内部带有行锁定系统时钟(LLC)和自适应数字线长跟踪(ADLLT) 电路， 可以提供双重视频锁定功能， 同时也具有实时时钟、信息输出功能以及3行色度梳状滤波器。ADV7183B完整的AGC和箝位控制功能可对色度、亮度、饱和度和对比度进行编程视频调节， 并可自动进行NTSC或PAL检测， 它有12个模拟视频输入信道， 可设置为二线连续双向端口模式， 并与I2C兼容； 此外，ADV7183B还可支持不同模式的视频输入和16 bit宽度总线数字输出， 其输入峰峰值为0.5 V～2 V。

通过不同的配置， ADV7183B的6个模拟视频输入信道可支持6个CVBS输入信号、3个S-video输入信号和2个YPrPb构成的模拟视频输入信号，并可由寄存器INSEL控制输入源的类型和信道。

此外， ADV7183B也支持3种输出接口模式： 包括兼容LLC的同步像素接口、CAPI接口和SCAPI接口。ADV7183B 的默认模式为兼容LLC 的8 bitCCIR656数据。图2所示是ADV7183B的软件配置流程图。

图2 ADV7183B的软件配置流程

2.3 摄像头的选择

本设计选用德国Aglaia GmbH公司推出的汽车驾驶员辅助视觉传感器系统， 该系统具有防止交通事故发生和改善交通流量的功能。它的实时电子眼方案由硬件和软件组成， 可模仿人类从眼球(图像捕捉) 到大脑(图像分析和阐释) 的视觉系统， 并能够通知驾驶员前方的交通标志， 还可对潜在的交通冲突发出警告并自动限速。当驾驶员驶出车道线时还可发出警告， 甚至可以提供“ 疲劳分析” ， 以帮助驾驶员避免碰撞。AglaiaGmbH公司的完整解决方案包括摄像头、图像传感器和图像处理算法， 其交通分析应用程序则包括可用软件配置的各种功能模块， 例如车道线识别、物体识别、交通标志识别、头灯及尾灯识别等。

由于Blackfin具有高性能、低成本、低功耗和丰富的I/O 接口， Aglaia GmbH公司最终选择BF561处理器来用于其汽车驾驶员辅助视觉传感器系统。该系统的核心部分是四个BF561处理器，其在大约3A电流左右仅消耗少于20W的能量， 同时包括嵌入式微控制器和信号处理器的能耗。而双核的BF561器件的1.2V设计只消耗不到1A的电流， 因而很容易满足Aglaia的20W限制的要求。

3 结束语

本文的智能视频监控系统可广泛用于军事、公安、金融、交通、教育、公共设施、社区、个人以及工业和商业领域。基于BF561处理器的独特优势， Blackfin DSP在算法并行处理上可以做的很好， 特别是BF561采用双DSP核， 故能够实现很复杂的智能视频处理算法。由于BlackfinDSP采用的是低功耗设计， 故其稳定性在同价位DSP中也十分优良。