DM642无线图像传输的TS流传输新技术

摘要：介绍一种基于M642的视频无线传输系统，在此基础上重点探讨了关于TS流传输的问题，提出了使用McBSP和GPIO方式分别实现TS流传输，并给出了一种改进的乒乓方式。实验结果证明，采用McBSP和GPIO都可以解决TS流传输问题，但在速度和实现难度方面采用GPIO表现更好，改进型的乒乓结构也在一定程度上提高了程序的效率。
关键词：TS流传输；DM642；视频无线传输系统；EDMA；McBSP；GPIO

引言
    无线通信技术因其免去了使用实体接线，为生活带来诸多便利，因此受到广大消费者的青睐。其中短距离无线通信技术作为无线通信的一个发展趋势，越来越受到人们的关注。数字图像信息及其处理技术正在发挥着越来越重要的作用，在人们生活中的地位也将越来越高。原来的民用设计普遍采用ASIC方式，如STi5517、STi5518等，但由于禁运等原因无法达到工业级及以上的标准。本设计采用的DM642和FPGA灵活性高，升级优化方便，且达到了工业级等级以上。本文主要介绍TS流传输的新方式，实现信源板中TS流实时传输到信道板上。

1 简介
1．1 基于DVB-T无线视频传输系统
    无线视频传输系统的硬件实现框图如图1所示。本系统硬件分为4个组成部分：信源编码部分、信道编码调制部分、射频部分和接收机部分。

    摄像头采集视频信号，并输出PAL制的模拟电视信号。视频解码器将AV视频信号数字化和解码，转化为YUV(4：2：2)格式输出。TMS320DM 642将原始视频以MPEG-2格式进行编码，并且将编码数据封装为TS数据流。TS数据流以SPI并行数据格式传递给信道解码部分。
    信道编码部分通过FPGA(EP3C55F484)对数据进行DVB-T编码和中频调制，调制信号经过模拟上变频完成射频调制。
    接收机部分通过接收射频信号并对其进行模拟下变频，提取出感兴趣的中频信号，利用信道解调器对其进行信道解码。解码后的信源数据流以TS流格式传送给TMS320DM642处理器。处理器先进行TS解包，再对MPEG-2数据流解压缩。根据系统不同设置，可以通过PCI接口发送至PC端进行后端数据处理，或通过视频编码器将视频信号还原为模拟电视信号。
1．2 传送流(TS流)
    TS流是由打包的视频、音频基本码流再经过打包形成的复合码流，每包长度为188字节，或由PS流分段截取，适用于误码较大的应用环境。传送流的系统层可分作两个子层：一个是相应于特定数据流操作(PES分组层，可变长度)，该层是为编解码的控制而定义的逻辑结构，
PES头包括流的性质、版权说明(该节目是原始节目还是复制节目)、加入时间标签PTS和DTS、说明DSM的特殊模式等；另一个是相应于多路复用操作(TS分组层，188字节固定长度结构)，该层是针对交换和互操作而定义的，在TS头中加入同步、说明有无差错、有无加扰，加入连续计数和不连续性指示(因为节目流的包相互交叉)，加入节目参考时钟PCR以及包识别PID等。两个子层间的复用关系是将PES结构切割成一个个小包，作为TS包的净荷嵌入到TS流结构中而建立起来的，这种结构可以很方便地实现直接从传送流中解出原始音视频数据，也可从一个或多个传送流中抽取想要的基本流来进行解码，或构造新的传送流再次传输，还可以依据通信信道的质量在TS流与PS流间作切换。
1．3 数据在DM642接口的传输
    I2C总线传输为140kb／s，速度慢，接口简单，适合于各种芯片参数的配置或EEPROM访问等数据量小的通信。视频口传输为27M×20b／  s，数据较快，接口复杂，功能单一，一般只用于DSP与视频编／解码器之间的视频数据传输。网口传输为10M／100M，通信协议复杂，若用FPGA实现，则接口也复杂，适合于DSP与PC机间的数据传输。McBSP传输为40 Mb／s，如果用FPGA实现接口较为简单，适合于DSP与FPGA低速数据传输。GPIO传输为10M×n，n是GPIO的引脚数目，接口极其简单，传输速度较快。如DM6437共有111个GPIO引脚，若用3个32位的GPIO则可达到960 Mb／s。即使用1个32位的GPIO bank也可以达到320 Mb／s，能够满足一般的数据传输需求。DM642有16个GPIO口，速度也可达到160 Mb／s，满足设计要求。图2即是GPIO方式传输TS流需要的时序。

    如果利用任务或中断的方式传输数据，因为数据量大，势必增加CPU的负担，这种负担很有可能是CPU无法承受的。例如使用任务来传输，若数据为8 MB／s，则这个任务占用CPU 80％的时间，这是本应该占据大部分时问的图像压缩算法无法忍受的，并且时常可能被突如其来的中断打断而丢失数据。若利用中断来同步传输，而使CPU大部分时间在中断中，亦是不现实的。这里采用DSP中的增强型的DMA模块(EDMA)，在CPU不参与的情况下完成数据传输，只有传输完成才进入中断，如此则解放出CPU，以使算法占用它。
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2 TS流传输实现
2．1 McBSP实现
    McBSP由数据通道和控制通道组成，可以与外部设备连接，进行数据通信。数据的接收与发送分别工作于不同的引脚上，因此数据通信是全双工的。其他的4个引脚用于传输控制信号(时钟和同步信号)。
    这里采用EDMA进行McBSP与存储器缓冲区之间的数据搬运。EDMA控制器读取从外部设备接收到并保存在DRR(数据接收寄存器)的数据，或者将需要向外部设备发送的数据写入DXR(数据发送寄存器)。被写入DXR的数据经过XSR被移出到DX脚上。同理，接收的数据先被移入RSR，然后被拷贝到RBR，最后再被拷贝到DRR，这时就允许被EDMA访问了。McBSP中内部数据的移出和外部数据的移入可以同时发生，即可以进行全双工的数据通信。
    以EDMA接收数据的配置为例，配置参数RAM。EDMA通道接收数据源地址为McBSP0的DRR寄存器，地址计数模式为不变模式。设置EDMA通道接收数据目的地址为DSP片内存储区PingBuffer首地址，确保第一次传输数据是到PingBuffer，地址计数模式同样为递增模式。配置源地址计数索引值，由于源地址为McBSP0的DRR寄存器，固定不变；配置目的地址计数索引值，由于接收数据为32位，所以srcBidx=srcCidx=4，这是因为DSP内的最小计数单元为1个字节，8bits；配置剩余的参数RAM传输参数，包括设置ACNT=4，BCNT=2 048，CCNT=1，采用一维传输A-SYN C。
    接下来是ping-pong传输的程序实现。替ping-pong各自分配1个通道，于是一共有3个通道，对应3个参数RAM。ping通道的参数RAM与主通道的参数RAM完全一致，pong通道的参数RAM与主通道相比，只需将pong通道接收数据目的地址改为PongBuffer首地址。随后调用EDMA_link三次，分别将主通道和ping通道连接，ping通道和pong通道相互连接。EDMA中断设置与GPIO输出任务一样。
2．2 GPIO实现
    TS流输出任务采用1D到1D的传输模式。SUM=01，DUM=00，即源地址是188字节的Buffer，目的地址是GPIO[8：15]对应的寄存器，GP4的外部触发EDMA传输，传输188字节产生1次EDMA中断。队列优先级设置为紧急，来保证时序。以EXTINT5为EDMA触发事件：

    pong的参数RAM设置类似，只要将源地址改为pong，并将重载的参数RAM地址改为edmacfg_pong即可。
    DM642中，EDMA的64个通道只产生一种中断。当一个通道传输完成后，IPR(Interrupt Pending Register)寄存器里的相应位会被置1，EDMA中断处理器通过查询IPR寄存器，确定是哪个通道完成了传输，并调用相应的中断服务程序，即tccCb(回调函数，即通道传输完成后所调用的中断服务程序)。tccCb=edma_isr，该函数的作用是当一个接收Buffer被填满时，在通道传输完成后发送一个旗语信号给信号处理程序，通知其对收到的数据进行处理。参数RAMOPT中TCINTEN位置1，以使能EDMA中断。随后，利用DSP／BIOS将EDMA中断源和DSP的可屏蔽中断5连接起来。编写相应通道的EDMA中断程序，传输完一个TS包后，检查是否1帧图像的TS流传完，用以生成数据有效信号(Dvalid)，通知接收方哪些是有用数据。由于选用了DM642的可屏蔽中断5，还需使能IER寄存器里的对应位。
    TS流输入则只需要将SUM=00，DUM=01，目的地址和源地址交换，再将EDMA中断程序中目的地址变更到188字节后的地址。采用GP4作EDMA同步事件(即SPI时钟)，GPIO[8：15]作数据输入，GP7作同步，采用GP6作外部中断，用作数据有效线。在外部中断中重载，在传输完成中断中改变目的地址。如此则可顺利接收到TS流。[!--empirenews.page--]

    采用Link的ping-pong方式，利用两个参数RAM反复转载得到TS流的数据：在此采用的双缓冲结构，即在DSP缓冲区内开辟两块缓冲用于并行处理FPGA通过McBSP传过来的数据。当EDMA往PingBuffer里传输数据时，CPU即可处理PongBuffer里的数据。当工作完成后，彼此交换缓冲区，EDMA往PongBuffer里写数据，CPU处理PingBuffer里的数据。为了实现双缓冲结构，采用了EDMA提供的Link功能，如图3所示，即将不同的EDMA传输参数RAM连接起来，组成一个传输链。在传输链中，一个传输的结束会导致自动从参数RAM中装载下一个传输需要的事件参数。在具体程序中，只需将ping通道的参数RAM连接到pong通道，同时将pong通道的参数RAM连接到ping通道即可。[!--empirenews.page--]
2．3 ping-pong操作的改进
    由于原来程序McBSP通过EDMA传输到ping或pong中，在EDMA传输完成中断的过程中还需要复制数据(memcpy)到公共缓冲区。复制数据是一个很费时的过程，但程序不宜停留在中断的时间过长，故而希望EDMA能直接传到公共缓冲区中。

    如图4所示，在建立McBSP和EDMA通信时，将ping目的地址改变成公共缓冲池的首地址，将pong目的地址变为缓冲池下一个缓冲区的首地址。再在EDMA传输完成中断的过程中改变上一次用的PaRAM的目的地址，即ping完成，则中断改变ping的目的地址。这样对原程序改变较小，并且占用的参数RAM也较少。但要求ping，pong通道必须处在同一优先级队列中。当重新转载其中一个时，才不会影响另一个通道。

3 测试结果
    图5是用连续自增的数在32 Mb／s的速度下以McBSP方式在FPGA的SignalTap II中看到的时序。

    图6是时钟为9 MHz时TS输出任务在FPGA的SignalTap II中看到的TS流时序。实测中，输入任务在接收板DSP接收到TS流数据，数据率为9 MB／s，数据有效(Dvalid)上升沿来时，得同步头0x47。
    TS流在SDRAM存放的基地址为0x804DBC88，前4个字节(即0x47 0x40 0x45 0x10)是TS包的包头，从包头的定义规范可以看到，第1个字节0x47为TS包的同步字节；第2个字节0x40说明这个TS包包含1个PES包的包头，它传输的优先级为0级，在这个包中不存在传输错误；第2个字节和第3个字节表明这个TS包的PID是0x45，是这个设计中的视频包的PID；第4个字节说明在这个TS包中仅有有效载荷，没有自适应区。188字节后再次出现同步字节0x47，0x00表示不是第1个TS包，PID也是0x45。再过188个字节还是同步字节0x47。可见，TS流的输入输出任务都较好地实现了它们的功能。

结语
    本文介绍了一种基于DM642和EP3C55F484的无线视频传输系统的实现方式，并就TS流传输进行了讨论。测试结果证明，项目中提出的McBSP和GPIO结合EDMA方式都成功实现了TS流的输入和输出传输，GPIO方式速度较快，信道中直接采用GPIO的方式要比模拟McBSP接口简单得多，并用改进的乒乓方式提高程序运行效率。