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摘要：本文简单的介绍了GM8180处理器的接口与其视频编解码引擎。描述了视频控制器的应用与整体架构设计，并且对视频输入/出、音频输入/出等模块选用的芯片与电路设计进行详细介绍。进行测试时发现在GM8180采集视频过程出现错误，由于TW9910提供的时钟信号不合适导致，并且给出了解决方法。
关键词：视频控制器；视频采集；GM8180；H.264；TW9910
中图分类号：TP242.6 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2012.01.018
引言
在日常生活和科研活动中，很多动作由于危险性较高或者客观条件不允许必须要使用机器来进行操作。近年来，伴随着机器人技术的飞速发展，机器人已经陆续在各个领域服务于人类，很大程度上帮助我们解决各种困难问题…。管道机器人就是其中一种，它可以携带激光测距仪、定位系统、CCD摄像机、照明系统等；在管道中移动并且把内壁的情况通过电缆传输到控制箱，这样就可以及时查出管道变型与裂缝等安全隐患，避免事故发生。
目前用于控制管道机器人的设备大多是控制箱，体积庞大不便于携带。本文介绍一种基于ASIC(Application specificIntegrated Circuit)芯片GM8180TM的管道机器人便携式视频控制器设计。
1GM8180
由台湾智原公司推出的一款高性能GM8180芯片包含FA626 CPU核心与视频编解码引擎。它可以进行MPEG4/JPEG和H.264硬件编码工作，为初步的视频应用开发提供一种高效并且易于开发的系统。此外，GM8180还集成了656视频采集模块、视频输出模块、LCD控制器、DES/TDES控制器、USB2.0 OTG控制器、DMA控制器、SD卡控制器、IDE控制器、以太网控制器、12C、12S、SPI、AMBA总线等。
1.1FA626核心
FA626核心是是一款高速通用的32位嵌入式RSIC处理器，在低功耗情况下最高工作频率可以达到450MHz。它包括1个CPU核心，32kB高速指令缓存和32kB高速数据缓存，1个写入缓存，1个MMU和一个JTAG ICE接口。
FA626核心是8流水线哈佛架构。它包含一个分支目标寄存器(BTB)和一个返回寄存器(RS)用来减少分支冲突同时提高了整体的性能。FA626 MMU使用增强型ARM架构V4体系MMU来进行地址转换和存储器访问权限检验。
1.2 H.264编解码引擎
H.264也是MPEG-4第十部分，是ITU-T视频编码专家组和ISO/IEC动态图像专家组联合组成的联合视频组提出的高度压缩数字视频编解码器标准。在同等图像质量条件下H.264压缩比更高，编码后的视频文件更小，适用于互联网视频服务传输、视频监控系统等。
GM8180包含了FTMCP210硬件视频编码器和FTMCP220视频解码器。FTMCP210编码器用于对数字视频信号进行H.264编码，可以把连续的YCbCr 4：2：0格式数据压缩为视频流，支持分辨率范围为128x80至1920x1088，最高可以达到D 1标准90fps。FTMCP220解码器兼容ITU-T建议的H.264 ISO/IEC 14494-10先进编码标准，可以解码分辨率1920x1088的视频流，D1标准60fps。
2系统硬件设计
控制器整体架构与接口分布如图1所示，视频解码芯片使用TECHWELL公司TW9910芯片，将CVBS信号解码后送入GM8180视频采集模块。视频编码芯片选用Cirrus Logic公司的CS4954芯片连接656视频输出模块，用于输出CVBS信号。音频编解码芯片采用Wolfson公司生产的WM8731芯片，直接与GM8180相连实现音频信号的输入与播放。IDE部分选用IDT公司的IDTQS32861芯片。此外，还有RTC模块、TF卡模块、USB模块、4组TTL接口、GPIO接口、DDR、FLASH、电源模块等。
2.1視频采集模块
GM8180可以通过内部视频采集模块采集2路CCIR656数字视频信号，输出CCIR656信号的设备可以与GM8180直接相连。由于大部分摄像机输出CVBS模拟信号，所以控制器采用TECHWELL公司的TW9910作为视频解码芯片。它可以把CVBS模拟信号转化为8位或16位CCIR656数字信号传输给GM8180，对应VD[8.15]和VD[0.15]两种不同输出方式，本设计方案采用前者。然后GM8180进行H.264压缩编码工作。
GM8180通过12C总线连接TW9910芯片，串行数据线SDA与串行时钟线SCL接上拉电阻用于控制TW9910。VCLK时钟信号由TW9910提供。连接图如图2所示。
2.2视频输出模块
GM8180可以对视频文件进行H.264解码并且输出8位CCIR656数字信号，如果要输出模拟视频信号则需要外接编码芯片，本设计选用Cirrus Logic公司的CS4954芯片完成此项任务。该芯片工作电压在3.3V-5V之间，把8位YCbCr或者YUV数字视频信号转换为CVBS模拟信号输出，这样就可以外接屏幕观看视频。此外CS4954芯片可以调节模拟视频信号饱和度色调、亮度、对比度等，输出视频质量较高。
GM8180通过12C总线连接CS4954芯片对其进行控制，RST-4954管脚用于重置该芯片。具体连接图如图3所示。
2.3音频模块
GM8180集成了AMBA总线，它是由ARM公司提出的一种开放性的偏上总线标准，包括AHB与APB总线。AHB主要用于高性能模块之间的连接，而12S、SPI、UART等低带宽外设的连接通过APB总线连接。GM8180内部拥有1个SPI接口，它可以用于在CPU与外围低俗期间之间进行同步串行数据传输，由CPU作为主设备提供时钟进行数据同步。一般使用4条线：串行时钟线(SCLK)、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS。
GM8180通过SPI接口连接Wolfson公司生产的WM8731芯片，它是一款为便携数字音频设计的高品质音频编码解码器，功耗极低并且拥有耳机驱动器。可以进行左右声道线性输入、连接MIC，也可以输出左右声道耳机模拟信号WM8731内部集成一个时钟发生器，通过一个12MHz时钟可以直接产生44.1KHz、48KHz、96MHz以及MP3标准定义的其他采样率。硬件连接图如图4所示。
4
2.4其他模块
除了上述电路模块外部设备还有用于外接硬盘的IDE模块，使用4片IDTQS32861芯片作为高速锁存器。存储接口方面还有TF卡与USB接口，都是不用外接芯片直接连接GM8180。实时时钟RTC模块使用S-35390，外接 32.768KHz晶振，通过12C连接GM8180，这样即使掉电系统时钟也可以准确无误。为了方便连接外接键盘与无线模块，引出了4个GPIO口与2组TTL串口。
3GM81 80视频采集错误/g,因分析与解决方法
控制器使用开源且可以裁减内核的嵌入式操作系统arm-linux-2.6.14。硬件焊接结束后，通过ICE接口把bootloader启动映像写入FLASH中，进入启动界面通过TF卡把arlTl--linux-2.6.14系统映像写入FLASH中，这样就可以上电后自动启动系统。
在测试控制器视频输入部分电路时经常出现图像不稳定或者出现采集错误。电路连接参照图2，TW9910作为主器件向GM8180提供8位CCIR656数字信号和时钟，时序图如图5所示。
可以看到在时钟上升沿，视频信号线此时处于不稳定状态。不幸的是GM8180只能在收到的时钟信号CLK上升沿进行视频采集，导致画面不稳定或者采集发生错误。
经过试验找到了一种解决办法，通过在布线时加长CLK时钟线长度达到延时效果，则GM8180端收到CLK上升沿时偏离了不稳定区域，此时视频输入部分可以正常工作。时序如图6所示。
4结论
本文介绍了用于管道机器人的便携式控制器硬件电路设计。控制器使用开源且可以裁减内核的嵌入式操作系统arm-linux-2.6.14，经过程序测试，所有硬件模块都可以正常工作。管道机器人进入管道后可以通过电缆传出模拟视频信号到控制器，然后进行编解码等工作后存入硬盘、U盘等存储设备，也可以通过视频输出模块进行視频回放。另外还可以进行QT界面移植，使得控制器操作更加人性化。
参考文献
[1]汪地.机器人远程监控系统的研究[D].上海：上海大学，2005.WANG D.A Study 0f Robot Remote Control andMonitoring System[D].Shang Hai：Shanghai University，2005.
[2]张家亮.基于GM8180的网络视频服务器的软件设计[J].通信技术，2010，43(6)：201 203.ZHANG J L.Software Design 0f Network Video ServerBased 0n GM8180[J].Communication Technology，2010，43(6)：201 203.
[3]Faraday.GM8180 Data Sheet[z].2008.
[4]沈文君，孟利民，方立华.TW9910在视频监控系统中的应用与设计[J].杭州电子科技大学学报，2010，30(5)：113 116.SHEN W J，MENG L M，FANG L H.Design and Application 0f TW9910 in the Video Surveillance System[J].Journal of Hangzhou Dianzi University，2010，30(5)：113 116.(in Chinese).
[5]Cirrus L0aic.CS4954 Data Sheet[z].1999.
[6]Wolfson Microeletronic.WM8731 Data Sheet[z].2001.
关键词：视频控制器；视频采集；GM8180；H.264；TW9910
中图分类号：TP242.6 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2012.01.018
引言
在日常生活和科研活动中，很多动作由于危险性较高或者客观条件不允许必须要使用机器来进行操作。近年来，伴随着机器人技术的飞速发展，机器人已经陆续在各个领域服务于人类，很大程度上帮助我们解决各种困难问题…。管道机器人就是其中一种，它可以携带激光测距仪、定位系统、CCD摄像机、照明系统等；在管道中移动并且把内壁的情况通过电缆传输到控制箱，这样就可以及时查出管道变型与裂缝等安全隐患，避免事故发生。
目前用于控制管道机器人的设备大多是控制箱，体积庞大不便于携带。本文介绍一种基于ASIC(Application specificIntegrated Circuit)芯片GM8180TM的管道机器人便携式视频控制器设计。
1GM8180
由台湾智原公司推出的一款高性能GM8180芯片包含FA626 CPU核心与视频编解码引擎。它可以进行MPEG4/JPEG和H.264硬件编码工作，为初步的视频应用开发提供一种高效并且易于开发的系统。此外，GM8180还集成了656视频采集模块、视频输出模块、LCD控制器、DES/TDES控制器、USB2.0 OTG控制器、DMA控制器、SD卡控制器、IDE控制器、以太网控制器、12C、12S、SPI、AMBA总线等。
1.1FA626核心
FA626核心是是一款高速通用的32位嵌入式RSIC处理器，在低功耗情况下最高工作频率可以达到450MHz。它包括1个CPU核心，32kB高速指令缓存和32kB高速数据缓存，1个写入缓存，1个MMU和一个JTAG ICE接口。
FA626核心是8流水线哈佛架构。它包含一个分支目标寄存器(BTB)和一个返回寄存器(RS)用来减少分支冲突同时提高了整体的性能。FA626 MMU使用增强型ARM架构V4体系MMU来进行地址转换和存储器访问权限检验。
1.2 H.264编解码引擎
H.264也是MPEG-4第十部分，是ITU-T视频编码专家组和ISO/IEC动态图像专家组联合组成的联合视频组提出的高度压缩数字视频编解码器标准。在同等图像质量条件下H.264压缩比更高，编码后的视频文件更小，适用于互联网视频服务传输、视频监控系统等。
GM8180包含了FTMCP210硬件视频编码器和FTMCP220视频解码器。FTMCP210编码器用于对数字视频信号进行H.264编码，可以把连续的YCbCr 4：2：0格式数据压缩为视频流，支持分辨率范围为128x80至1920x1088，最高可以达到D 1标准90fps。FTMCP220解码器兼容ITU-T建议的H.264 ISO/IEC 14494-10先进编码标准，可以解码分辨率1920x1088的视频流，D1标准60fps。
2系统硬件设计
控制器整体架构与接口分布如图1所示，视频解码芯片使用TECHWELL公司TW9910芯片，将CVBS信号解码后送入GM8180视频采集模块。视频编码芯片选用Cirrus Logic公司的CS4954芯片连接656视频输出模块，用于输出CVBS信号。音频编解码芯片采用Wolfson公司生产的WM8731芯片，直接与GM8180相连实现音频信号的输入与播放。IDE部分选用IDT公司的IDTQS32861芯片。此外，还有RTC模块、TF卡模块、USB模块、4组TTL接口、GPIO接口、DDR、FLASH、电源模块等。
2.1視频采集模块
GM8180可以通过内部视频采集模块采集2路CCIR656数字视频信号，输出CCIR656信号的设备可以与GM8180直接相连。由于大部分摄像机输出CVBS模拟信号，所以控制器采用TECHWELL公司的TW9910作为视频解码芯片。它可以把CVBS模拟信号转化为8位或16位CCIR656数字信号传输给GM8180，对应VD[8.15]和VD[0.15]两种不同输出方式，本设计方案采用前者。然后GM8180进行H.264压缩编码工作。
GM8180通过12C总线连接TW9910芯片，串行数据线SDA与串行时钟线SCL接上拉电阻用于控制TW9910。VCLK时钟信号由TW9910提供。连接图如图2所示。
2.2视频输出模块
GM8180可以对视频文件进行H.264解码并且输出8位CCIR656数字信号，如果要输出模拟视频信号则需要外接编码芯片，本设计选用Cirrus Logic公司的CS4954芯片完成此项任务。该芯片工作电压在3.3V-5V之间，把8位YCbCr或者YUV数字视频信号转换为CVBS模拟信号输出，这样就可以外接屏幕观看视频。此外CS4954芯片可以调节模拟视频信号饱和度色调、亮度、对比度等，输出视频质量较高。
GM8180通过12C总线连接CS4954芯片对其进行控制，RST-4954管脚用于重置该芯片。具体连接图如图3所示。
2.3音频模块
GM8180集成了AMBA总线，它是由ARM公司提出的一种开放性的偏上总线标准，包括AHB与APB总线。AHB主要用于高性能模块之间的连接，而12S、SPI、UART等低带宽外设的连接通过APB总线连接。GM8180内部拥有1个SPI接口，它可以用于在CPU与外围低俗期间之间进行同步串行数据传输，由CPU作为主设备提供时钟进行数据同步。一般使用4条线：串行时钟线(SCLK)、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS。
GM8180通过SPI接口连接Wolfson公司生产的WM8731芯片，它是一款为便携数字音频设计的高品质音频编码解码器，功耗极低并且拥有耳机驱动器。可以进行左右声道线性输入、连接MIC，也可以输出左右声道耳机模拟信号WM8731内部集成一个时钟发生器，通过一个12MHz时钟可以直接产生44.1KHz、48KHz、96MHz以及MP3标准定义的其他采样率。硬件连接图如图4所示。
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2.4其他模块
除了上述电路模块外部设备还有用于外接硬盘的IDE模块，使用4片IDTQS32861芯片作为高速锁存器。存储接口方面还有TF卡与USB接口，都是不用外接芯片直接连接GM8180。实时时钟RTC模块使用S-35390，外接 32.768KHz晶振，通过12C连接GM8180，这样即使掉电系统时钟也可以准确无误。为了方便连接外接键盘与无线模块，引出了4个GPIO口与2组TTL串口。
3GM81 80视频采集错误/g,因分析与解决方法
控制器使用开源且可以裁减内核的嵌入式操作系统arm-linux-2.6.14。硬件焊接结束后，通过ICE接口把bootloader启动映像写入FLASH中，进入启动界面通过TF卡把arlTl--linux-2.6.14系统映像写入FLASH中，这样就可以上电后自动启动系统。
在测试控制器视频输入部分电路时经常出现图像不稳定或者出现采集错误。电路连接参照图2，TW9910作为主器件向GM8180提供8位CCIR656数字信号和时钟，时序图如图5所示。
可以看到在时钟上升沿，视频信号线此时处于不稳定状态。不幸的是GM8180只能在收到的时钟信号CLK上升沿进行视频采集，导致画面不稳定或者采集发生错误。
经过试验找到了一种解决办法，通过在布线时加长CLK时钟线长度达到延时效果，则GM8180端收到CLK上升沿时偏离了不稳定区域，此时视频输入部分可以正常工作。时序如图6所示。
4结论
本文介绍了用于管道机器人的便携式控制器硬件电路设计。控制器使用开源且可以裁减内核的嵌入式操作系统arm-linux-2.6.14，经过程序测试，所有硬件模块都可以正常工作。管道机器人进入管道后可以通过电缆传出模拟视频信号到控制器，然后进行编解码等工作后存入硬盘、U盘等存储设备，也可以通过视频输出模块进行視频回放。另外还可以进行QT界面移植，使得控制器操作更加人性化。
参考文献
[1]汪地.机器人远程监控系统的研究[D].上海：上海大学，2005.WANG D.A Study 0f Robot Remote Control andMonitoring System[D].Shang Hai：Shanghai University，2005.
[2]张家亮.基于GM8180的网络视频服务器的软件设计[J].通信技术，2010，43(6)：201 203.ZHANG J L.Software Design 0f Network Video ServerBased 0n GM8180[J].Communication Technology，2010，43(6)：201 203.
[3]Faraday.GM8180 Data Sheet[z].2008.
[4]沈文君，孟利民，方立华.TW9910在视频监控系统中的应用与设计[J].杭州电子科技大学学报，2010，30(5)：113 116.SHEN W J，MENG L M，FANG L H.Design and Application 0f TW9910 in the Video Surveillance System[J].Journal of Hangzhou Dianzi University，2010，30(5)：113 116.(in Chinese).
[5]Cirrus L0aic.CS4954 Data Sheet[z].1999.
[6]Wolfson Microeletronic.WM8731 Data Sheet[z].2001.