一種新的嵌入式MPEG-4 DVR系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：目前，視頻監(jiān)控已步入了全數(shù)字化的多媒體網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，在這一開發(fā)背景下，文章詳細(xì)介紹了基于VW2010編解碼芯片、FPGA和嵌入式CPU設(shè)計(jì)的嵌入式MPEG-4 DVR監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步介紹了VW2010芯片的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：嵌入式CPU；FPGA；DVR；MPEG-4；

1引言

隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬、計(jì)算機(jī)處理能力和存儲容量的快速提高，以及如MPEG-4、H.264等各種視頻編碼技術(shù)的涌現(xiàn)，從而使嵌入式DVR網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)得以迅速發(fā)展與普及。

MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)^[1]采用基于對象的編碼理念，支持內(nèi)容的可分級性，并具有基于內(nèi)容的交互性、高效的壓縮性和通用的訪問性等特點(diǎn)。MPEG-4提供了易出錯(cuò)環(huán)境的魯棒性，來保證其在許多無線和有線網(wǎng)絡(luò)及存儲介質(zhì)中的應(yīng)用。因此，在嵌入式多媒體網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中采用MPEG-4視頻壓縮技術(shù)不僅能夠獲得其在視頻處理方面的諸多優(yōu)勢，而且有利于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)傳輸及硬盤存儲，實(shí)現(xiàn)真正意義上的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

文章針對實(shí)際需求，提出了采用VW2010編解碼芯片為核心的嵌入式MPEG-4 DVR監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，詳盡介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和VW2010芯片的應(yīng)用。此次設(shè)計(jì)結(jié)合了高效的音視頻處理技術(shù)、大容量的信息存儲技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)以及低功耗高穩(wěn)定性的嵌入式技術(shù)于一身，是當(dāng)代安防領(lǐng)域的新應(yīng)用，在高端視頻監(jiān)控領(lǐng)域具有較廣闊的應(yīng)用前景。

2 DVR系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理

2.1 系統(tǒng)組成

由圖1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖所示，系統(tǒng)框圖中藍(lán)色虛線為I²C總線，黑色粗線為地址數(shù)據(jù)和控制總線。系統(tǒng)硬件核心由：VW2010編解碼芯片^[2]、AT91RM9200嵌入式CPU^[3]，以及EP1C6 FPGA處理芯片^[4]構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)共分5大功能模塊，分別為：視頻前端解碼A/D轉(zhuǎn)換模塊、視頻預(yù)處理及后處理FPGA模塊、MPEG-4編碼和解碼模塊、主控制芯片AT91RM9200模塊、視頻后端編碼D/A轉(zhuǎn)換模塊。

視頻前端解碼A/D轉(zhuǎn)換模塊：

視頻前端解碼A/D轉(zhuǎn)換模塊選用SAA7115（一路實(shí)時(shí)或兩路分時(shí)）或者TW2824（四路實(shí)時(shí)）視頻解碼芯片來實(shí)現(xiàn)視頻信號采集，并對采集獲得的視頻信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。然后向視頻預(yù)處理及后處理FPGA模塊輸出ITU-R.BT.656標(biāo)準(zhǔn)的8bitYUV數(shù)字視頻信號，以及所需的8bit的VBI信號。SAA7115和TW2824可分別由主控制CPU或VW2010芯片通過I²C總線進(jìn)行控制。當(dāng)在視頻預(yù)處理及后處理FPGA模塊中進(jìn)行特殊圖像處理時(shí)，由主控制CPU采用I²C總線模式進(jìn)行控制；當(dāng)無需特殊處理時(shí)，可把視頻預(yù)處理及后處理FPGA模塊視為直通數(shù)據(jù)傳輸通道，此時(shí)可由VW2010芯片自帶的ICI總線模式直接對其進(jìn)行控制。

圖1 MPEG-4 DVR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖

視頻預(yù)處理及后處理FPGA模塊：

視頻預(yù)處理及后處理FPGA模塊采用Cyclone-EP1C6芯片進(jìn)行視頻圖像的特殊處理以及系統(tǒng)所需的時(shí)序生成。由主控制CPU通過I²C總線和系統(tǒng)控制總線對其實(shí)現(xiàn)的功能邏輯進(jìn)行直接控制。該模塊主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能――前端預(yù)處理、后端后處理和時(shí)序生成。

前端預(yù)處理是為了滿足某些監(jiān)控領(lǐng)域的特殊需求，對未壓縮的視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如添加水印和特殊信息插入等。同時(shí)，當(dāng)前端有多路（4路）視頻數(shù)據(jù)輸入時(shí)，可通過多路視頻數(shù)據(jù)的整合來實(shí)現(xiàn)4路圖像的實(shí)時(shí)處理。后端后處理，也是為了滿足某些特殊需求，而對由VW2010解碼后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊處理。

MPEG-4編碼和解碼模塊：

MPEG-4編碼和解碼模塊選用VW2010芯片實(shí)現(xiàn)MPEG-4的編解碼處理。由主控制CPU 采用Motorola主機(jī)通信模式通過VW2010的HIU接口單元實(shí)現(xiàn)對VW2010芯片內(nèi)部寄存器設(shè)置和工作狀態(tài)控制，以及對壓縮視頻數(shù)據(jù)的讀寫操作。

功能描述：該模塊主要實(shí)現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)的MPEG-4編碼和解碼，以及對音頻數(shù)據(jù)的編解碼功能。VW2010內(nèi)部集成DSP芯片能夠?qū)崿F(xiàn)對音頻信號編解碼以及對視頻信號、音頻信號、用戶數(shù)據(jù)和VBI數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)復(fù)用、解復(fù)用功能。VW2010通過VPI接口和VBI接口接收視頻預(yù)處理及后處理FPGA模塊輸出的8bit視頻信號以及VBI信號進(jìn)行MPEG-4編碼處理，復(fù)用處理后轉(zhuǎn)入HIU接口單元等待主控制芯片接收。同時(shí)，VW2010可通過HIU接口單元接收主控制芯片發(fā)送的MPEG-4編碼后的視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過解復(fù)用處理后進(jìn)入MPEG-4解碼單元，然后把解碼后的視頻數(shù)據(jù)通過VPO接口向視頻預(yù)處理及后處理FPGA模塊發(fā)送8bit解碼后的視頻數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)中由主控制芯片對VW2010芯片的11個(gè)GPIO口進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)某些特殊功能。其中，GPIO[10:11]作為VW2010的第二個(gè)I²C總線接口，GPIO[8:9]用于SAA7120中的TTX功能，而GPIO[0:7]可用于輸出多路報(bào)警信號。

主控制芯片AT91RM9200模塊：

主控制CPU芯片選用AT91RM9200芯片為主控制處理器，通過I²C總線、控制總線、主機(jī)地址總線和數(shù)據(jù)總線參與外圍設(shè)備控制。系統(tǒng)通過AT91RM9200芯片實(shí)現(xiàn)對前端視頻解碼控制、視頻預(yù)處理控制和MPEG-4編碼和解碼控制，后端視頻編碼控制，以及多入報(bào)警信號的輸入控制。同時(shí)，主控制芯片的數(shù)據(jù)總線和地址總線通過復(fù)用方式與外圍的VW2010、8M Flash和32M SDRAM芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用其實(shí)現(xiàn)2路IDE硬盤存儲功能、網(wǎng)絡(luò)傳輸功能、USB功能、2路串口功能和6鍵鍵盤控制功能。AT91RM9200芯片控制MPEG-4碼流的接收和發(fā)送，并對碼流進(jìn)行IDE硬盤存儲控制和數(shù)據(jù)讀寫處理。主控制芯片通過其網(wǎng)絡(luò)芯片進(jìn)行視頻流的網(wǎng)絡(luò)傳輸，也可以通過USB芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換傳輸。PC主機(jī)可通過USB、串口和JTAG口對其進(jìn)行控制。

視頻后端編碼D/A轉(zhuǎn)換模塊：

視頻編碼模塊采用SAA7120為其核心芯片，可由主控制CPU、VW2010芯片通過I²C總線對其進(jìn)行控制。SAA7120接收視頻預(yù)處理及后處理FPGA模塊發(fā)送的ITU-R.BT.656標(biāo)準(zhǔn)的8bitYUV數(shù)字視頻信號，并進(jìn)行視頻信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對視頻信號的分時(shí)編碼與顯示，并輸出YC或CVBS等視頻信號。

2.2 系統(tǒng)硬件特點(diǎn)及硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、穩(wěn)定性高、交互性能強(qiáng)、數(shù)據(jù)壓縮可選格式多，以及應(yīng)用性強(qiáng)和應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。該系統(tǒng)具有三片核心芯片，通過摩托羅拉主機(jī)通信模式完成交互控制。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了具有高性價(jià)比的FPGA芯片使其能夠根據(jù)某些特殊需求做出相應(yīng)調(diào)整，因此極大的增強(qiáng)了其應(yīng)用的靈活性。同時(shí)，利用嵌入式CPU的豐富接口不但節(jié)省了傳統(tǒng)的IDE控制接口芯片、以太網(wǎng)MAC及USB接口芯片，還減少了電路尺寸及布線工作量。VW2010外圍的A/D、D/A等芯片可以通過AT91RM9200的串行I²C總線，方便地完成相應(yīng)的初始化和制式轉(zhuǎn)換。整個(gè)系統(tǒng)對電源種類要求很低，減少了對電源部分的設(shè)計(jì)壓力和成本。AT91RM9200通過CPLD芯片擴(kuò)展出的兩個(gè)IDE接口相比在一個(gè)IDE接口上掛接多個(gè)IDE設(shè)備來說提高了速度。壓縮完成的文件不但可以通過以太網(wǎng)接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，還可以通過目前流行的USB移動硬盤完成數(shù)據(jù)的傳遞。

由于電路的復(fù)雜性，且采用了高速數(shù)字電路，加上對電磁兼容(EMC)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)需考慮以下幾點(diǎn)：1.VW2010編解碼器的SDRAM必須盡可能的靠近VW2010芯片；2.對于處理VW2010、SDRAM、SAA7115和SAA7120等控制接口的時(shí)鐘線時(shí)，要盡量使各線的長度及阻抗匹配，并要求對電路中的高速時(shí)鐘線進(jìn)行覆銅屏蔽；3.采用六層電路板，可以降低回路噪聲，提高電路的穩(wěn)定性；4.應(yīng)做到模擬地與數(shù)字地隔離。避免數(shù)字電路對模擬電路產(chǎn)生干擾，提高采樣的精度；5.對于高速的數(shù)據(jù)總線應(yīng)盡量添加排阻，以達(dá)到阻抗匹配的目的。并應(yīng)盡量減少走線長度，減小電路中電流的環(huán)路面積；6.對于USB等接口電路需添加相應(yīng)的保護(hù)電路，以免外部噪聲干擾。

2.3 VW2010應(yīng)用

VW2010是實(shí)時(shí)MPEG-1、-2和-4音視頻系統(tǒng)編解碼芯片，支持同時(shí)壓縮、解壓或編碼、解碼處理，兼容多種視頻標(biāo)準(zhǔn)。視頻編碼部分接收未壓縮的ITU-R.BT.656數(shù)字視頻信號。其為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供TS傳輸流或?yàn)榇鎯?yīng)用提供PS節(jié)目流。視頻解碼部分接收MPEG碼流，并輸出ITU-R.BT.656數(shù)字視頻。VW2010是該DVR系統(tǒng)中完成音視頻編解碼的主芯片。

主機(jī)接口結(jié)構(gòu)、功能與應(yīng)用：

VW2010的主機(jī)接口由HIU和PCI這兩個(gè)內(nèi)部模塊構(gòu)成。HIU模塊具有16bit帶寬內(nèi)核，能夠連接16bit帶寬的主機(jī)總線（摩托羅拉、Intel等主機(jī)），并能連接標(biāo)準(zhǔn)PCI總線。

通過主機(jī)接口能夠訪問VW2010芯片內(nèi)部硬件寄存器和編解碼器SDRAM。主機(jī)接口內(nèi)部擁有中斷控制器用于管理來自芯片內(nèi)部各個(gè)獨(dú)立工作模塊的中斷信號，片內(nèi)A/V緩存器和各個(gè)FIFO，以及允許外部主機(jī)來確定中斷源。主機(jī)接口還允許外部主機(jī)重置芯片內(nèi)部編解碼器和主RISC處理器等各個(gè)獨(dú)立模塊。主機(jī)接口能夠靈活響應(yīng)DMA請求，而且主機(jī)接口內(nèi)部包含了一系列內(nèi)部寄存器，這些內(nèi)部寄存器保存著用于A/V捕獲和編碼處理的相關(guān)參數(shù)，可用于啟動和停止編解碼器操作等。

在DVR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，VW2010通過HIU與外部主機(jī)通信。此時(shí)置芯片rom_data[6:0]引腳為0x1x001，即rom_data[1]引腳接下拉電阻置低位，rom_data[0]引腳懸空置高位。

寄存器讀寫：

HIU模塊具有讀寫芯片內(nèi)部硬件寄存器的I/O通道。HIU模塊通過發(fā)送寄存器讀寫命令來獲得訪問權(quán)限。HIU訪問寄存器命令由兩部份構(gòu)成，HIU命令碼和寄存器地址碼。

微碼下載：

HIU提供了往芯片內(nèi)編解碼器的CPU和主RISC處理器下載微碼的通道。微碼的下載類似于寄存器訪問和SDRAM訪問，它需要HIU的命令，而且HIU提供的帶寬必須能區(qū)分出寫入帶寬（16bits）和內(nèi)部寄存器帶寬（16bits）間指令長度存在的差異。

啟動碼導(dǎo)入：

VW2010支持三種啟動碼導(dǎo)入模式：ROM導(dǎo)入，ICI導(dǎo)入和主機(jī)導(dǎo)入。所有三種模式向主RISC處理器、編解碼器CPU導(dǎo)入的微碼都是先置于解碼器的SDRAM中。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用主機(jī)導(dǎo)入模式，此時(shí)，所有的微代碼都通過HIU模塊下載。且系統(tǒng)中無需外部ROM或SEEPROM協(xié)助。在此模式下，外部主機(jī)負(fù)責(zé)所有的下載程序。一旦所有的微碼被下載，且所有模塊都被初始化后，外部主機(jī)可啟動編解碼器和主RISC處理器。

主機(jī)接口信號：

求主機(jī)的DMA控制；host_hiu_cdo_ack_壓縮數(shù)據(jù)輸出確認(rèn)信號，由主機(jī)DMA控制；hiu_host_cdi_req_壓縮數(shù)據(jù)接收請求信號；host_hiu_cdi_ack_ 壓縮數(shù)據(jù)接收確認(rèn)信號；hiu_host_dtack_主機(jī)壓縮數(shù)據(jù)輸出的傳輸確認(rèn)信號。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于摩托羅拉接口總是16bit模式的，因此，傳統(tǒng)的摩托羅拉接口的UDS和LDS信號未被使用。

小結(jié)：

文章較為詳細(xì)的論述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)原理。并通過分析VW2010的主機(jī)接口模式，深入淺出的描述了VW2010芯片的具體應(yīng)用方法。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的嵌入式MPEG-4 DVR監(jiān)控系統(tǒng)通過采用VW2010、FPGA和嵌入式ARM9三款核心芯片來構(gòu)造，融合三者各自應(yīng)用特點(diǎn)，具有高效的圖像處理能力、交互性能強(qiáng)、靈活的應(yīng)用性和穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。

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