淺談嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的設(shè)計(jì)

　　嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器是一種提供網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸和共享的嵌入式設(shè)備，是為構(gòu)建高可靠性的多媒體數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)是指通過(guò)軟硬件將監(jiān)控頭采集到的圖像處理成數(shù)字信號(hào)，傳送到電腦進(jìn)行處理。對(duì)于數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)各部分功能的不同，我們將整個(gè)數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)劃分為七層——表現(xiàn)層、控制層、處理層、傳輸層、執(zhí)行層、支撐層、采集層。當(dāng)然，由于設(shè)備集成化越來(lái)越高，對(duì)于部分系統(tǒng)而言，某些設(shè)備可能會(huì)同時(shí)以多個(gè)層的身份存在于系統(tǒng)中?？刂茖邮钦麄€(gè)安防監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它是系統(tǒng)科技水平的最明確體現(xiàn)。通常我們的控制方式有兩種——模擬控制和數(shù)字控制。模擬控制是早期的控制方式，其控制臺(tái)通常由控制器或者模擬控制矩陣構(gòu)成，適用于小型局部安防監(jiān)控系統(tǒng)，這種控制方式成本較低，故障率較小。但對(duì)于中大型安防監(jiān)控系統(tǒng)而言，這種方式就顯得操作復(fù)雜且無(wú)任何價(jià)格優(yōu)勢(shì)了，這時(shí)我們更為明智的選擇應(yīng)該是數(shù)字控制。

　　1 系統(tǒng)組成與工作原理

　　網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器系統(tǒng)又叫數(shù)字視頻編碼器，是一種壓縮、處理音視頻數(shù)據(jù)的專(zhuān)業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，由音視頻壓縮編解碼器芯片、輸入輸出通道、網(wǎng)絡(luò)接口、音視頻接口、RS485串行接口控制、協(xié)議接口控制、系統(tǒng)軟件管理等構(gòu)成，主要是提供視頻壓縮或解壓功能，完成圖象數(shù)據(jù)的采集或復(fù)原等，目前比較流行的基于 MPEG-4或H.264的圖像數(shù)據(jù)壓縮通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)以及音頻數(shù)據(jù)的處理。網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器在目前視頻領(lǐng)域中的應(yīng)用主要是利用網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器構(gòu)建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)?；诰W(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的多通道數(shù)字傳播技術(shù)具有傳統(tǒng)的基于磁帶錄像機(jī)的模擬輸出系統(tǒng)無(wú)可比擬的諸多優(yōu)勢(shì)，網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器采用開(kāi)放式軟硬件平臺(tái)和標(biāo)準(zhǔn)或通用接口協(xié)議，系統(tǒng)擴(kuò)展能力較強(qiáng)，能夠與未來(lái)全數(shù)字、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化、多通道資源共享等體系相銜接。

　　 圖1 系統(tǒng)框圖 圖2 AT2042與CPU的通信機(jī)制

　　2 視頻編碼模塊

　　視頻編碼模塊的核心是Pentamicro公司生產(chǎn)的AT2042，它是一個(gè)內(nèi)置微控制器ARM946E 的雙通道音視頻編解碼芯片，可支持MPEG-4/2/1和JPEG標(biāo)準(zhǔn)的視頻壓縮編碼，具有畫(huà)面縮放、顏色數(shù)據(jù)格式變換、噪聲抑制濾波等功能。 AT2042能直接與IBM、Motorola、ARM、Xscale和Axis等多種CPU接口，無(wú)需其它附加電路。MPC860T對(duì)AT2042的控制和訪問(wèn)可通過(guò)AT2042的狀態(tài)寄存器和命令寄存器以及四個(gè)輸入輸出隊(duì)列：發(fā)送/接收隊(duì)列，復(fù)用/解復(fù)用隊(duì)列。AT2042與CPU的通信機(jī)制如圖2所示

　　AT2042與CPU的通信實(shí)現(xiàn)情況如下：CPU通過(guò)命令寄存器來(lái)控制內(nèi)置微控制器ARM946E的操作狀態(tài)；通過(guò)狀態(tài)寄存器來(lái)檢查 AT2042內(nèi)部各個(gè)FIFO的操作狀態(tài)；通過(guò)接收隊(duì)列給AT2042發(fā)送各種配置參數(shù)，以及所有內(nèi)置微控制器ARM946E所需要的相關(guān)參數(shù)；通過(guò)復(fù)用隊(duì)列將壓縮編碼后的比特流讀出。

　　3網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

　　3.1 MPC860T最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　MPC860T是Motorola公司的高性能的32位PowerPC嵌入式處理器，有三個(gè)主要的功能模塊：嵌入式的PowerPC內(nèi)核、RISC通信處理模塊（CPM）和系統(tǒng)接口單元（SIU）。MPC860有兩個(gè)CPU：PowerPC和32位RISC。PowerPC執(zhí)行高層代碼，RISC處理實(shí)際通信的低層功能，2個(gè)處理機(jī)互相配合工作。這種雙處理器構(gòu)架，分擔(dān)了主CPU的工作量，提高了處理效率，同時(shí)降低了芯片功耗，特別適合于各種通信及控制領(lǐng)域的嵌入式應(yīng)用。MPC860T最小系統(tǒng)如圖3所示。

　　3.1.1 電源

　　電源作為一個(gè)系統(tǒng)的能量提供者，在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中成為必不可少且至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。MPC860T的工作電壓為3.3V，需提供一個(gè)3.3V/1A的直流穩(wěn)壓電源給CPU及外圍電路。

　　3.1.2 時(shí)鐘電路

　　MPC860時(shí)鐘系統(tǒng)為所有片上或片外設(shè)備提供不同的時(shí)鐘。MPC86OT一共有兩個(gè)參考時(shí)鐘源，一個(gè)是其工作頻率的晶振，連接EXTCLK腳，一個(gè)是 32KHz的晶體，連接EXTAL和XTAL腳。設(shè)計(jì)中，兩個(gè)外部時(shí)鐘源都用到了。EXTCLK外接一個(gè)5MHz的晶體振蕩器作為SPLL的參考時(shí)鐘源，在EXTAL和XTAL之間接一個(gè)32.768KHz的晶體作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘的參考時(shí)鐘源。

　　3.1.3 復(fù)位模塊

　　MPC860T包括上電復(fù)位、外部硬復(fù)位、內(nèi)部硬復(fù)位、JTAG 復(fù)位、外部軟復(fù)位和內(nèi)部軟復(fù)位。復(fù)位電路采用MAX811T來(lái)實(shí)現(xiàn)。上電和人工按鍵均可產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，其中/RESET端口接MPC860T的 /PORESET，由/RESET產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)復(fù)位處理器。由SN74LVTH125芯片組成的電路提供/HRESET和/SRESET復(fù)位功能。手動(dòng)按下按鍵連接芯片/OE控制三態(tài)門(mén)的輸出使能時(shí)，低電平輸出到/HRESET或/SRESET，MPC860T響應(yīng)復(fù)位動(dòng)作。正常狀態(tài)下，輸出呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。

　　3.1.4 存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　MPC860T的存儲(chǔ)控制器最多可以控制8個(gè)存儲(chǔ)體或外圍設(shè)備，支持GPCM （general purpose chip select machine）和UPM（User programmable machines）兩種方式，可提供與SRAM，EPROM，F(xiàn)LASH，DRAM，SDRAM等設(shè)備的無(wú)縫連接。GPCM提供與 EPROM，SRAM，F(xiàn)lash以及其他的外設(shè)的無(wú)縫連接，UPM則常常用于SDRAM以及猝發(fā)式SRAM的控制與連接。Flash存儲(chǔ)器是一種電可擦除、可重寫(xiě)的存儲(chǔ)設(shè)備。Bootrom Flash采用512Kbyte的SST39VF040。Bootrom主要作用是引導(dǎo)及初始化CPU，以及引導(dǎo)單板程序。BSP在嵌入式系統(tǒng)和 Windows系統(tǒng)中的不同其實(shí)運(yùn)行與PC機(jī)上的windows或linux系統(tǒng)也是有BSP的。只是PC機(jī)均采用統(tǒng)一的X86體系架構(gòu)，這樣一定操作系統(tǒng)的BSP相對(duì)x86架構(gòu)是單一確定的，不需要做任何修改就可以很容易支持OS在x86上正常運(yùn)行，所以在PC機(jī)上談?wù)揃SP這個(gè)概念也沒(méi)什么意義了。而對(duì)嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)情況則完全不同，目前市場(chǎng)上多種結(jié)構(gòu)的嵌入式CPU（RISC）并存（PPC，ARM，MIPS…），為了性能的需要，外圍設(shè)備也會(huì)有不同的選擇和定義。一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)針對(duì)不同的CPU，會(huì)有不同的BSP，即使同一種CPU，由于外設(shè)的一點(diǎn)差別（如外部擴(kuò)展DRAM的大小，類(lèi)型改變），BSP相應(yīng)的部分也不一樣。

　　考慮存儲(chǔ)容量、功耗等因素，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器多選高速動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SDRAM。Micron公司生產(chǎn)的 MT48LC4M16A2作為SDRAM芯片，組織形式為1M X 4 bank X 16位，總?cè)萘繛?4Mbit，采用3.3V供電，支持的最高頻率為133MHz。由于其數(shù)據(jù)總線為16位，因此系統(tǒng)選用兩片并聯(lián)構(gòu)成32位。SDRAM 與MPC860T的連接框圖如圖4所示。

　　圖4 SDRAM與MPC860T的連接框圖

　　SDRAM的CLK信號(hào)由MPC860T的輸出時(shí)鐘CLKOUT驅(qū)動(dòng)，/WE、/RAS和/CAS信號(hào)分別由UPMA的GPLA1～GPLA3產(chǎn)生。 SDRAM的A10引腳要復(fù)用于SDRAM的刷新控制，因而必須與GPLAO相連（由于不方便連線圖中未畫(huà)出），因?yàn)镸PC860T的GPLAO可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)與地址信號(hào)的復(fù)用。MT48LC4M16A2內(nèi)部有12條行地址和8條列地址，行地址為高位地址，列地址為低位地址，而外部?jī)H有12條地址信號(hào)A0～A11。這就需要對(duì)UPM對(duì)地址進(jìn)行復(fù)用。MPC860T支持內(nèi)部地址復(fù)用，可以通過(guò)UPM的RAM字中的AMX位進(jìn)行配置，同時(shí)將OR寄存器中的SAM位同時(shí)進(jìn)行配置。

　　3.2 網(wǎng)絡(luò)接口

　　經(jīng)壓縮的視頻流由MPC860T封裝成IP包后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口送入Internet。采用MPC860T的FEC（Fast Ethernet Controller）加上物理層芯片以及脈沖變壓器構(gòu)造一個(gè)10/100M以太網(wǎng)接口，由此實(shí)現(xiàn)上述功能。

　　4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)包括：VxWorks操作系統(tǒng)的內(nèi)核生成和VxWorks下驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。VxWorks是美國(guó)Wind River System公司推出的嵌入式實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)環(huán)境，它是專(zhuān)門(mén)為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的可裁減、高性能的操作系統(tǒng)。為了發(fā)揮VxWorks的功能并設(shè)計(jì)出可靠、高效的嵌入式系統(tǒng)，還用到Tornado集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。TornadoII就是Wind River公司推出的為了開(kāi)發(fā)VxWorks應(yīng)用系統(tǒng)提供的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供一種有效的方式開(kāi)發(fā)嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用程序，同時(shí)對(duì)目標(biāo)機(jī)系統(tǒng)的影響做到最小。

　　圖5 軟件結(jié)構(gòu)框圖

　　本系統(tǒng)中軟件的架構(gòu)如圖5所示，主要包括：1）硬件底層驅(qū)動(dòng)程序，包括BSP的開(kāi)發(fā)、操作系統(tǒng)的裁剪和移植、文件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用等。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是直接控制設(shè)備操作的程序，也是設(shè)備上層的一個(gè)軟件接口，功能是對(duì)I/O進(jìn)行操作。只要系統(tǒng)訪問(wèn)設(shè)備就會(huì)調(diào)用驅(qū)動(dòng)，從這一點(diǎn)可以看出，驅(qū)動(dòng)程序不能自動(dòng)執(zhí)行，只能被系統(tǒng)或應(yīng)用程序調(diào)用。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常包含六個(gè)主要功能：對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化、打開(kāi)設(shè)備操作、關(guān)閉設(shè)備操作、從設(shè)備上接收數(shù)據(jù)并提交給系統(tǒng)、把數(shù)據(jù)從主機(jī)上發(fā)送給設(shè)備和對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制操作。2）應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，它包括以下三個(gè)模塊：TVP5150的數(shù)據(jù)采集、視頻編碼、數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)功能。其中 TVP5150的數(shù)據(jù)采集模塊包括對(duì)TVP5150初始化，工作參數(shù)和反饋狀態(tài)信息的設(shè)置等。視頻解碼模塊除了完成對(duì)AT2042的驅(qū)動(dòng)，還為上層應(yīng)用提供配置管理接口。網(wǎng)絡(luò)功能模塊包括音視頻編碼數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能等子模塊。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是采用MCU+CODEC的硬件結(jié)構(gòu)，較其他的采用DSP單芯片的系統(tǒng)，具有系統(tǒng)集成度高，體積小、功耗低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。并且，作為MCU的MPC860T內(nèi)部集成有FEC，使硬件設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。同時(shí)， VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)的采用使系統(tǒng)具有很好的實(shí)時(shí)性。