基于Hi3516A的高清視頻處理系統的硬件設計

孫剛 劉守山 樊麗

摘 要：提出了基于Hi3516A的高清視頻處理系統的硬件設計方案。利用IMX185圖像傳感器采集圖像，經過系統的編解碼，然后通過HDMI接口傳輸到顯示器上。主要介紹了電源管理模塊的設計、存儲器模塊的設計、JTAG接口的設計、HDMI接口的設計等。

關鍵詞：Hi3516A；高清視頻；視頻處理系統

視頻處理系統在近年來一直受到人們廣泛關注，然而低分辨率的圖像已經滿足不了人們對圖像視覺的要求。本視頻系統采用Hi3516A芯片作為核心，可以實現1080p的高清視頻采集和傳輸。本文主要介紹了一套高清視頻的采集與傳輸系統的硬件設計，可以應用到醫療，交通和監控等眾多領域。

1 系統總體設計

系統采用的Hi3516A是基于Cortex-A7內核，主頻最高可以達到600Mhz，還具有32KB的指令緩存和數據緩存和128KB的二級緩存，其內部集成了H.264/H.265/MJPEG/JPEG的多協議編解碼器，既支持1080p@30fps，而且支持SM@30fps等的多碼流實時獨立編碼；視頻輸入接口支持BT.601，BT.656，BT.1120；支持HDMI接口的高清視頻傳輸。本系統采用CMOS傳感器獲得圖像數據，通過Hi3516A芯片實現對視頻的實時采集與傳輸。最終在PC端等地實現高清播放。系統的設計總框圖如圖1所示。

2 硬件的各模塊設計

2.1 圖像傳感器模塊

本系統采用的是索尼200萬像素的IMX185的CMOS傳感器，具有高靈敏度和多功能輸出接口（低壓LVDS并行，串行和CSI-2系列）的特點，支持光學尺寸1/2型全高清，具有高達120幀/秒的10位A / D轉換模式，以及高達60幀/ s的12位A / D轉換模式。完全可以滿足對1080p的高清圖像的要求。

2.2 電源管理模塊設計

電源模塊穩定地提供系統所需的電壓和功率是系統運行的關鍵，本系統的電源模塊需提供3.3V，1.8V，1.35V；1.2V和1.1V幾種電源。通過12V供電，其中，MP1470從12V轉5V，為USB模塊供電；MP1471從12V轉3.3V，提供整板電源；2塊MP2122從3.3V轉1.1V，提供4路CORE電源；2塊TPS79301分別從3.3V轉1.8V和1.2V，提供IMX185sensor模塊和HDMI模塊所需電源；MP2162從3.3V轉1. 5V/1.35V，提供DDR3控制模塊所需的1.5V/1.35V（本系統DDR3L顆粒需要1.35V供電）。

2.3 存儲模塊電路

2.3.1 DDR3內存模塊

Hi3516A的DDRC支持32bit DDR3和16bit DDR3。本系統采用32bit模式，以達到系統最佳性能，具體選用海力士公司的DDR3L顆粒H5TQ8G63AMR實現，它具有8GB存儲空間和16bit數據總線。電路原理如圖3-5所示，2片內存芯片共用地址總線和控制總線，獨立使用各自數據總線。內存模塊提供了程序運行空間，所有程序代碼在其中運行。

2.3.2 FLASH模塊

Hi3516A支持SPI FLASH和NAND FLASH，本系統選擇在這兩種接口下共同實現。電路原理如圖所示，SPI FLASH模塊采用旺宏電子公司32MB的MX25L25635芯片實現，該芯片的SPI總線與Hi3516A的SPI FLASH接口對接。需要注意，在SPI FLASH啟動模式下，主芯片釋放復位信號后，默認從SFC_CS1N引腳控制的FLASH中讀取boot，所以，將該FLASH的CS管腳連接至SFC_CS1N引腳上。NAND FLASH模塊采用鎂光公司容量為64G的MT29F64G08CFABAWP_B芯片實現，其控制接口直接與CPU相連。

2.4 JTAG接口設計

JTAG是一種主要用于芯片內部測試的國際標準測試協議。其基本原理是在器件內部先定義一個TAP，然后通過專用的JATG測試工具測試器件內部的節點。JTAG的標準接口有：模塊選擇引腳TMS、時鐘輸入引腳TCK、數據輸入引腳TDI、數據輸出引腳TDO。Hi3516A除了具有標準的引腳之外，還增加了可選引腳TRST。本模塊采用的是8針插座的JTAG接口。具體原理圖如下所示：

2.5 USB模塊電路的設計

USB是可實現主機和外設之間的高速數據傳輸的通信串行總線。Hi3516A內部集成USB接口控制器，該控制器支持符合USB2.0標準的高速（480Mbps），全速（12Mbps）和低速（1.5Mbps）數據傳輸，并支持USB2.0高速設備、主機和OTG模式。因目前USB設備的普遍性，擴展USB接口后系統可以方便掛載各種USB設備，如USB接口移動存儲設備等，還可以為后續實現基于USB接口的無線網絡傳輸提供可能。本模塊的設計采用TI公司的TPS2553DRVR，其支持的輸入電壓為5V。具體USB接口電路原理圖如圖所示。

2.6 HDMI接口設計

HDMI（數字高清多媒體接口）可以同時傳送最高質量的音頻和影音信號。HDMI的協議由Sony和Silicon Image等幾個公司合作開發完成，無需進行A/D或者D/A轉換就可傳送無壓縮的音頻信號及高分辨率視頻信號。它采用了由Silicon Image公司發明的最小化傳輸差分信號傳輸技術（TMDS）。本模塊采用的是SiI9022a芯片，它是一款超低耗的HDMI發送器，與其它芯片相比具有更高的集成度，電源管理特性也更強。同時采用了CM2020芯片對其進行接地保護。

2.7 Sensor接口電路

IMX185 Sensor模塊采用的LVDS接口由數據信號組和控制信號組組成，控制信號組為SPI通信總線。在接口電路中，把數據信號組和控制信號組分別接入Hi3516A的MIPI0和SPI0即可。為了保證在Sensor轉接頭處也能對差分信號包地，每對差分信號間都加入地線，將信號線包圍，如圖11所示。

3 結語

系統研究并實現了一個通用的基于Hi3516A的高清視頻圖像采集與傳輸系統。可以完成視頻的輸入與輸出，可以通過HDMI接口連接到PC端，實現1080p的高清視頻的傳輸。通過增加USB模塊，使系統的應用范圍得到擴展。我們可以在此傳輸系統上增加視頻壓縮算法或圖像處理的算法等，應用到醫療，交通和監控等眾多領域。

參考文獻：

[1]魯云.基于Hi3516A的高壓縮比網絡圖像編碼設備的設計[D].西南科技大學，2013.

[2] Hi3516A Professional HD IP Camera SoC Brief DataSheet [Z].Hisilicon，2014.

[3] 圣東東.基于DM642的視頻處理系統的硬件設計[J].電子設計工程，2011，2（19）：168-173.

[4]王海三.DDR總線信號完整性分析技術研究[D].華東理工大學，2015.

[5]王峰.基于Hi3516的音視頻采集及網絡傳輸技術研究CDR.西安電子科技大學，2013.

[6]李晉文，胡軍，曹躍勝，等.DDR3時序分析與設計[J].計算機科學，2012，39（4）：293-295.