小型機(jī)載數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

航空機(jī)載視頻數(shù)據(jù)是反應(yīng)飛行狀況的重要數(shù)據(jù)，在飛行員的日常訓(xùn)練中發(fā)揮著十分重要的作用，傳統(tǒng)的記錄機(jī)載視頻數(shù)據(jù)的方法是采用磁帶機(jī)記錄，磁帶機(jī)存在體積大、檢索不便、圖像清晰度低、成本高等缺點(diǎn)，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展和半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，研制小型化的機(jī)載數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)成為可能，數(shù)字化視頻記錄系統(tǒng)將攝像頭獲得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)壓縮記錄在大容量的存儲(chǔ)器上，并能有效消除噪聲，加快拷貝和復(fù)制速度，快速回放和查找，同時(shí)還可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與工作原理

本系統(tǒng)的主要目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化，為此采用硬件壓縮，核心芯片采用zepax公司的sz1510高性能壓縮編碼芯片。sz1510可工作于mjpeg、mpeg-1編碼以及vcd格式的視頻編碼等多種模式，mjpeg編碼圖像質(zhì)量很好，但碼率很高，需大容量的磁盤(pán)存儲(chǔ)器，由于磁盤(pán)存儲(chǔ)器對(duì)工作環(huán)境要求較高，在機(jī)載環(huán)境下若采用磁盤(pán)存儲(chǔ)器則必須增加相應(yīng)的減震、恒溫等防護(hù)設(shè)備，從而導(dǎo)致體積大大增加，而mpeg-1編碼壓縮比高，碼率相對(duì)較低，且圖像質(zhì)量滿足實(shí)際需要和系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，因此本系統(tǒng)選用mpeg-1編碼方案，同時(shí)，通過(guò)采用大容量的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，大大減少了系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的抗震性、可靠性，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化。

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，硬件電路主要包括視頻音頻解碼單元、壓縮編碼單元、譯碼邏輯及接口單元、控制單元、存儲(chǔ)單元5個(gè)部分。

系統(tǒng)上電后，som2386初始化音視頻編碼模塊，系統(tǒng)正常啟動(dòng)后，saa7113對(duì)輸入的復(fù)合視頻信號(hào)進(jìn)行解碼，生成ccir-601數(shù)字視頻流，ak4550采集輸入的模擬音頻信號(hào)，生成pcm數(shù)字音頻流，分別送入壓縮編碼芯片sz1510，壓縮成mpeg-1系統(tǒng)流后，在som2386控制下以文件形式存儲(chǔ)到電子硬盤(pán)。

2 硬件設(shè)計(jì)

為提高系統(tǒng)的可維護(hù)性及降低維修成本，本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)分為3個(gè)模塊:

a）視頻音頻解碼及壓縮編碼模塊：包括saa7113、mk2703、ak4550、sz1510、sdram；

b）邏輯連接、轉(zhuǎn)換及接口模塊：包括epm7128、max232、rs232接口、ide接口、控制、狀態(tài)信號(hào)接口；

c）控制及存儲(chǔ)模塊：包括som2386和電子硬盤(pán)。

各模塊分別做成相對(duì)獨(dú)立的電路板，模塊間用接插件相連，若系統(tǒng)中某個(gè)模塊出現(xiàn)故障，只需更換該模塊，不必更換整個(gè)系統(tǒng)，有利于節(jié)約時(shí)間和降低成本。

2.1 視頻音頻解碼及壓縮解碼部分設(shè)計(jì)

視頻解碼器采用philips公司的saa7113，是一種可編程視頻處理芯片，通過(guò)簡(jiǎn)單的i2c總線可對(duì)其實(shí)現(xiàn)編程控制，具有4路視頻輸入、抗混疊濾波、自動(dòng)鉗位和增益控制、多制式解碼以及亮度、對(duì)比度和飽和度控制等功能，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的方便，它對(duì)輸入的pal制式復(fù)合視頻信號(hào)進(jìn)行采樣，解碼后生成8bit/象素的ccir-601數(shù)字視頻流（顏色空間為ycbcr，取樣為4：2：2），送到視頻壓縮芯片sz1510的數(shù)字視頻輸入接口，它的輸入時(shí)鐘由24.576mhz的有源晶振提供，為sz1510提供場(chǎng)同步信號(hào)vs和行同步信號(hào)hs，同時(shí)，27mhz的像素時(shí)鐘分為兩路：一路直接輸出至sz1510，作為其內(nèi)部的數(shù)字視頻的采樣時(shí)鐘；另一路通過(guò)鎖相環(huán)時(shí)鐘芯片mk2703降為48khz時(shí)鐘amclm，作為音頻編解碼芯片ak4550的系統(tǒng)時(shí)鐘，以實(shí)現(xiàn)視頻和音頻的準(zhǔn)確同步，sz1510利用其gpio接口模擬的i2c總線對(duì)saa7113進(jìn)行初始化。

音頻解碼器采用ak4550，它對(duì)模擬音頻進(jìn)行高信噪比16bit數(shù)字采樣，生成pcm數(shù)字音頻流。

壓縮編碼由芯片sz1510和視頻幀緩存sdram（1m×16bit）組成，sz1510是一款高性能的mjpeg、mpeg-1編碼芯片，支持多種工作模式和比特率模式，內(nèi)部主要由視頻編碼核、tms320c54x高性能dsp核、接口電路、dma控制器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路等組成，視頻編碼核的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

sz1510對(duì)輸入其內(nèi)部的視頻流首先經(jīng)過(guò)視頻預(yù)處理、自動(dòng)裁減、 場(chǎng)景切換檢測(cè)，轉(zhuǎn)換為cif格式的視頻幀，然后，經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)估計(jì)、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，離散余弦變換/反離散余弦變換和可變長(zhǎng)編碼等處理，生成mpeg-1視頻基本流并存儲(chǔ)于sdram中，同時(shí)，dsp核完成mpeg-1音頻編碼以及mpeg-1格式的音/視頻的組合，生成mpeg-1格式的系統(tǒng)流，然后經(jīng)過(guò)輸出端口大小為256b的fifo緩沖進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸出，正常工作時(shí)，當(dāng)fifo滿時(shí)就產(chǎn)生一個(gè)frdy（fifo讀）中斷通知主機(jī)讀取fifo中的數(shù)據(jù)，主機(jī)通過(guò)z56次讀data_out寄存器完成數(shù)據(jù)的讀取，當(dāng)sz1510發(fā)出一個(gè)eod（數(shù)據(jù)結(jié)束）中斷時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。

2.2 接口邏輯、控制及存儲(chǔ)部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的各種接口邏輯、地址譯碼等由epm7128實(shí)現(xiàn)，其主要功能有sz1510配置寄存器的地址譯碼，控制、狀態(tài)信號(hào)寄存器的地址譯碼，產(chǎn)生硬件復(fù)位信號(hào)，實(shí)現(xiàn)sz1510與控制模塊som2386的接口，其中，sz1510配置寄存器和控制、狀態(tài)信號(hào)寄存器是作為i/o端口與som2386相連的，控制、狀態(tài)信號(hào)主要用于向外部輸出自檢信號(hào)以及接收來(lái)自外部的記錄開(kāi)關(guān)控制信號(hào)等。

系統(tǒng)的控制由som2386完成，som2386是一款高性能、尺寸緊湊的嵌入式控制模塊，他板載嵌入式高性能16位處理器，rdc161，該處理器內(nèi)部為32位risc架構(gòu)，并與80c186處理器兼容，其指令與其他x86微處理器兼容，模塊在單一閃存芯片上集成了系統(tǒng)bios和1.44mb閃存，支持標(biāo)準(zhǔn)ide接口和兩個(gè)串口。som2386與壓縮編碼芯片sz1510的host接口相連，通過(guò)host接口對(duì)sz1510進(jìn)行控制和配置。正常工作時(shí)把從host接口輸出的mpeg-1格式的系統(tǒng)流以文件形式送入存儲(chǔ)單元，系統(tǒng)的ide接口從som2386直接引出，為給dom（電子硬盤(pán)）提供電源，ide接口的pin20與+5v電源相連，其余引腳信號(hào)定義與ide標(biāo)準(zhǔn)相同，som2386模塊的串口1通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片max232提供rs-232的調(diào)試接口。

存儲(chǔ)單元采用dom，它由控制單元和存儲(chǔ)單元組成，是用固態(tài)電子器件存儲(chǔ)芯片陣列而制成的硬盤(pán)，其接口規(guī)范和定義以及使用方法上與普遍硬盤(pán)完成完全相同，其突出優(yōu)點(diǎn)是體積小、抗震性好、工作溫度范圍寬，并且只需單一的5v電源供電，適合于機(jī)載環(huán)境。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 sz1510的寄存器配置和二進(jìn)制代碼下載

外部主機(jī)通過(guò)host接口與sz1510內(nèi)部的兩個(gè)寄存器ioar（i/o地址寄存器）、iodr（i/o數(shù)據(jù)寄存器）來(lái)實(shí)現(xiàn)sz1510的控制和配置。主機(jī)在配置sz1510內(nèi)部某一寄存器時(shí)，首先把這個(gè)寄存器的地址寫(xiě)入ioar，然后把配置的數(shù)據(jù)寫(xiě)入iodr，這樣sz1510會(huì)自動(dòng)把配置的數(shù)據(jù)送到指定地址的寄存器，例如，初始化時(shí)主機(jī)寫(xiě)數(shù)據(jù)0x44到寄存器0x11，必須通過(guò)以下過(guò)程實(shí)現(xiàn)：

a）寫(xiě)傳輸：haddr=0，data=0x11；

b）寫(xiě)傳輸： haddr=1，data=0x44；

sz1510內(nèi)部有一段程序存儲(chǔ)空間，用來(lái)裝載內(nèi)核的二進(jìn)制代碼，這段空間以塊為單位，每快的存儲(chǔ)空間大小為256b，dsp核的代碼存儲(chǔ)空間為0x280-0x2bf，視頻編碼核的代碼存儲(chǔ)空間為0x0000-0x0004和0x000c，二進(jìn)制代碼裝載的具體過(guò)程如下：

a）向0x2e寄存器寫(xiě)1x01，表明外部sdram為1m×16bit；

b）向0x0c寄存器寫(xiě)0x03，使能frdy和eod中斷；

c）向0x11寄存器寫(xiě)0x18，選擇內(nèi)部存儲(chǔ)器寫(xiě)模式；

d）向0x10寄存器寫(xiě)0x20，設(shè)定輸出fifo大小為256b；

e）對(duì)每塊存儲(chǔ)空間裝載二進(jìn)制代碼，具有如下：向0x08寄存器寫(xiě)0x04，發(fā)送開(kāi)始命令，等待frdy中斷，清除frdy中斷，向0x01寄存器（data_in）寫(xiě)256b，等待eod中斷，清除eod中斷。

3.2 i2c外設(shè)配置

saa7113的配置是由sz1510通過(guò)其i2c總線來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于sz1510內(nèi)部存儲(chǔ)空間容量的限制，使得加載的sz1510內(nèi)核程序代碼會(huì)覆蓋i2c外設(shè)的配置程序代碼，因此，任何i2c外設(shè)的配置必須在sz11510內(nèi)核程序代碼的下載和配置前完成，主機(jī)通過(guò)使用sz1510內(nèi)部host端口寄存器0x42-0x4f（每個(gè)8bit寬）與sz1510中的i2c服務(wù)例程交互，并通過(guò)i2c總線配置任何一個(gè)連接到sz1510上的外部器件，所有的命令代碼都必須寫(xiě)入sz1510地址為0x08處的命令寄存器，sz1510通過(guò)地址為0x0d的寄存器寫(xiě)入代碼為0x80的中斷來(lái)通知主機(jī)。i2c寫(xiě)過(guò)程如下：

a）向0x08寄存器寫(xiě)“初始化i2c”命令代碼0xc2；

b）輸入數(shù)據(jù)至sz1510并向0x08寄存器寫(xiě)“i2c寫(xiě)”命令代碼0x0c；

c）數(shù)據(jù)輸入完成后，sz1510向0x0d寄存器寫(xiě)中斷命令代碼0x80，通知主機(jī)。

通過(guò)sz1510的i2c總線配置saa7113的時(shí)序流程如圖3所示。

3.3 系統(tǒng)的軟件調(diào)試及工作流程

通過(guò)從som2386模塊上串口1引出的rs-232接口可以很方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件調(diào)試，由于cpu芯片rdc1610指令與其他x86微處理器兼容，且模塊bios中集成了虛擬顯示/鍵盤(pán)技術(shù)，調(diào)試時(shí)在pc機(jī)上運(yùn)行虛擬顯示軟件pcvid3v0.exe，即可獲得和本地pc的dos環(huán)境完全相仿的效果，可直接運(yùn)行dos下的所有命令，調(diào)試是可以通過(guò)debug命令直接訪問(wèn)sz1510的寄存器和控制、狀態(tài)端口寄存器等。

系統(tǒng)的所有軟件程序做成一個(gè)批處理文件，存儲(chǔ)與控制模塊som2386上虛擬軟盤(pán)的一指定目錄中，系統(tǒng)上電后自動(dòng)運(yùn)行此目錄下的程序，控制系統(tǒng)的工作。系統(tǒng)上電后，整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于空中背景比較單一，設(shè)定系統(tǒng)工作于vbr模式，能降低碼率，并保持圖像質(zhì)量的穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可行，若采用2gb的電子硬盤(pán)，記錄時(shí)間可達(dá)8h左右，隨著半導(dǎo)體存儲(chǔ)器容量的不斷增長(zhǎng)，系統(tǒng)的記錄時(shí)間還將進(jìn)一步延長(zhǎng)，同時(shí)，將來(lái)還可以通過(guò)修改軟件，設(shè)定sz1510工作于mjpeg編碼模式，進(jìn)一步提高記錄視頻的圖像質(zhì)量，因此，系統(tǒng)具有較大的升級(jí)潛力，本結(jié)構(gòu)緊湊、體積小（尺寸僅為90mm×60mm×25mm）、重量輕、使用方便，已在某型飛機(jī)上投入使用，并且運(yùn)行穩(wěn)定可靠，取得較好的效果。