基于MPC8250的數(shù)字硬盤錄像機設(shè)計

引 言
    短短幾年的發(fā)展，數(shù)字硬盤錄像機(DVR)依托其強大的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化功能，已逐步取代了傳統(tǒng)模擬錄像設(shè)備的主導(dǎo)地位，成為監(jiān)控市場的主流。其應(yīng)用已經(jīng)從最初的金融領(lǐng)域發(fā)展到交通、樓宇、公安、監(jiān)獄、廣場、小區(qū)、機房、環(huán)境、考場等各種應(yīng)用場所，只要是想對圖像和聲音進行監(jiān)控的場所就會應(yīng)用到DVR系統(tǒng)。
    目前，數(shù)字硬盤錄像機的產(chǎn)品技術(shù)趨勢主要有兩種：
一種是基于PC機Windows平臺的插卡式數(shù)字硬盤錄像機；另一種是基于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的數(shù)字硬盤錄像機。嵌入式DVR因其高可靠性、穩(wěn)定性、防病毒侵擾等諸多特點，越來越受到市場的青睞，是目前發(fā)展的主要趨勢。
    嵌入式DVR產(chǎn)品主要有兩種設(shè)計方案：一是DSP方案(如Philips音視頻處理IC加上Trimedia DSFP)；一種是ASIC方案(如基于Vweb2010 MPEG-IV IC或INTTIME IC等圖像處理IC芯片進行開發(fā))。ASIC方案的編碼質(zhì)量和處理性能依賴IC開發(fā)商，目前市場上的IC不支持4CIF(704×576)的MPEG4編碼。
    DSP方案設(shè)計的主流市場主要采用Philips的Trime-dia DSP，但其處理能力比較弱，無法實現(xiàn)MPEG-4的4CIF高清晰編碼。本系統(tǒng)采用EQUATOR BSP-15 DSP方案，設(shè)計具有高清晰度的高端嵌入式數(shù)字硬盤錄像機。

1 系統(tǒng)設(shè)計
    數(shù)字硬盤錄像機的主要任務(wù)是：將模擬的音視頻信號通過A/D轉(zhuǎn)換成沒有被壓縮的圖像數(shù)字信號，再通過DSP或具有圖像處理功能的ASIC芯片進行圖像數(shù)據(jù)的壓縮編碼，將壓縮編碼的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)存儲在硬盤等大容量存儲設(shè)備中，或通過網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控遠程圖像。使用者可簡單、便捷地通過網(wǎng)絡(luò)或遙控器OSD菜單方式，對存儲的錄像數(shù)據(jù)進行檢索、回放和備份等。
1.1 硬件總體設(shè)計
1.1.1 MPC08250簡介
    嵌入式系統(tǒng)選擇處理器時主要需要考慮以下幾個方面：處理器的性能；處理器所支持的開發(fā)工具和所支持的操作系統(tǒng)；過去開發(fā)的經(jīng)驗以及處理器的成本；代碼兼容性和算法復(fù)雜性等。在該系統(tǒng)中，選擇了摩托羅拉的MPC8250做為系統(tǒng)的主控處理器。
MPC8250是Motorla公司在嵌入式MPC860基礎(chǔ)之上推出的MPC82XX系列微處理器中的一種。MPC8250基于PowerQUICC結(jié)構(gòu)，主要由PowerPC內(nèi)核、系統(tǒng)接口單元SIU和通信處理單元CPM構(gòu)成。它支持60x總線，其數(shù)據(jù)線為64位，地址線為32位；支持PCI/LOCAL總
線，其數(shù)據(jù)線為32位，地址線為32位。內(nèi)核工作時鐘最高為300 MHz，CPU工作時鐘最高為200 MHz。MPC8250內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1.2 BSP-15簡介
    Equator Technologies推出的MAP-BSP-15是面向音視頻媒體應(yīng)用的高性能DSP芯片。最新的MAP-BSP-15 400 MHz處理能力可達40GOPS(針對視頻編碼)。該系列芯片的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特別適用于音視頻編解碼等應(yīng)用，同時其豐富的音視頻信號接口可方便用戶進行系統(tǒng)設(shè)計。
    MAP-BSP-15主要包含一個超長指令字處理器內(nèi)核(The VLIW core)、一個可編程位流協(xié)處理器(TheVLx)、視頻濾波協(xié)處理器、顯示刷新控制器和豐富的數(shù)字I/O接口等。MAP～CA支持各種用軟件實現(xiàn)的視頻、圖像以及信號的壓縮和解壓縮，這種軟件實現(xiàn)的算法相對硬件實現(xiàn)有很大的優(yōu)越性，升級非常方便。
1.1.3 硬件總體設(shè)計思想
    系統(tǒng)需要實現(xiàn)8路的音視頻同步錄像，BSP-15具有同時處理2路音視頻信號的性能，因而需要4片BSP一15做音視頻編碼，同
時，需要1片BSP-15做音視頻解碼器，BSP一15與MPC8250之間采用PCI通信交換數(shù)據(jù)。因此，整個系統(tǒng)電路設(shè)計非常復(fù)雜。根據(jù)機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，既可以滿足2U設(shè)備的機架式安裝，又可以臺式安裝，因此，將系統(tǒng)分成兩層板的兩板設(shè)計，CPU主控板和編解碼板。CPU主控板與編解碼板之間采用歐式插座連接器連接。
    CPU主控板主要包括MPC8250及其外圍電路，包括SDRAM、BOOT ROM、Flash、網(wǎng)絡(luò) 處理接口電路和硬盤接口電路等，其基本原理圖如圖2所示。

    編解碼板主要包括5片BSP一15及其外圍電路，如SDRAM、音視頻A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A 轉(zhuǎn)換電路以及畫面分割電路等，其基本原理圖如圖3所示。
1.2 軟件總體設(shè)計
    DVR的主要功能是實現(xiàn)多路視音頻數(shù)據(jù)的獨立壓縮編碼，將編碼的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)存儲在硬盤，存儲的圖像數(shù)據(jù)在任何時候可以采用遙控器、面板等命令方式或通過以太網(wǎng)的通信方式，快捷、方便的檢索、備份、回放硬盤數(shù)據(jù)。同時，它還具有動態(tài)偵
測、定時報警等條件錄像功能，并且當(dāng)硬盤使用完時，具有將最老的數(shù)據(jù)循環(huán)覆蓋的功能。
    經(jīng)過系統(tǒng)功能需求和數(shù)據(jù)流的分析后，將系統(tǒng)分解為系統(tǒng)管理子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、PCI通信管理子系統(tǒng)、錄像數(shù)據(jù)存儲、檢索子系統(tǒng)和0SD菜單子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)由一個或多個任務(wù)進行管理。
    系統(tǒng)管理子系統(tǒng)主要實現(xiàn)系統(tǒng)的錄像啟動、停止等控制以及調(diào)度算法的實現(xiàn)；系統(tǒng)總體資源的分配與調(diào)度；與其他子系統(tǒng)之間的控制與數(shù)據(jù)交換的同步。
    通信子系統(tǒng)包括的內(nèi)容比較多，有基于TCP/IP的以太網(wǎng)通信，基于串口的RS232或：RS485通信。該子系統(tǒng)主要包括以下幾個模塊：RS232的面板通信模塊、RS485 的云鏡等控制模塊、網(wǎng)絡(luò)客戶端通信模塊和UDP組播或單播通信模塊。
    PCI通信管理子系統(tǒng)主要負責(zé)與BSP一15的PCI通信，其內(nèi)容包括數(shù)據(jù)的交換和信令的交換與控制。
    錄像數(shù)據(jù)的存儲、檢索子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中樞，在此詳細介紹其基本設(shè)計思想。該子系統(tǒng)負責(zé)將來自 BSP-15編碼圖像數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)定義的數(shù)據(jù)存儲算法進行存儲，并處理遠程PC客戶端、本地遙控器或面板操作請求的數(shù)據(jù)檢索、備份、回放命令，將檢索到的錄像記錄文件列表、錄像數(shù)據(jù)文件給其他處理子系統(tǒng)。主要完成以下功能：
    ◆圖像數(shù)據(jù)的IDE存儲；
    ◆錄像記錄文件列表的檢索；
    ◆錄像數(shù)據(jù)文件的IDE檢索；
    ◆IDE硬盤的管理，包括硬盤的切換、硬盤的啟動、硬盤讀寫操作的控制等。
    該子系統(tǒng)包括以下幾個處理模塊：寫圖像數(shù)據(jù)處理模塊、讀圖像數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)檢索處理模塊。
(1)寫圖像數(shù)據(jù)處理
    將BSP一15送來的圖像編碼數(shù)據(jù)按照定義的格式與規(guī)范寫入硬盤，并且在設(shè)計中為了減少頻繁讀寫對硬盤使用壽命的影響，盡量減少頻繁的硬盤尋道操作。在圖像數(shù)據(jù)的寫處理中，為了錄像數(shù)據(jù)快速定位和快速檢索，系統(tǒng)中需要建立必須的數(shù)據(jù)塊索引映射關(guān)系。硬盤的切換控制，在沒有數(shù)據(jù)的回放或備份情況下，一般只有一個硬盤處于IDLE工作狀態(tài)，而其他盤處于STANDBY的待命狀態(tài)。在STANDBY狀態(tài)下，硬盤的電機是停轉(zhuǎn)的，而從 STANDBY狀態(tài)到IDLE狀態(tài)的切換時間一般需要7～8 s。 為了避免圖像編碼數(shù)據(jù)因等待硬盤啟動時間過長而造成的數(shù)據(jù)溢出，當(dāng)IDE硬盤即將寫滿時，預(yù)先將下一個將要寫的盤啟動起來，由STANDBY狀態(tài)切換到IDLE狀態(tài)，而IDE 硬盤寫滿后，由IDLE狀態(tài)切換到STANDBY狀態(tài)，這樣既降低系統(tǒng)運行的功耗，又提高了IDE的使用壽命。
(2)讀圖像數(shù)據(jù)處理
    根據(jù)0SD的面板操作或遠程網(wǎng)絡(luò)客戶端請求，從硬盤中讀出圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)命令的來源將檢索的結(jié)果數(shù)據(jù)送給BSP一15編解碼子系統(tǒng)以實現(xiàn)本地回放的功能，或?qū)z索的數(shù)據(jù)送通信子系統(tǒng)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)的備份和回放。并進行回放時的數(shù)據(jù)流量控制(如快放時硬盤需要取數(shù)據(jù)快些)，避免數(shù)據(jù)的欠載或溢出。
(3)數(shù)據(jù)檢索處理
    檢索處理模塊相當(dāng)于本子系統(tǒng)的對外聯(lián)絡(luò)的窗口，負責(zé)接收來自其他子系統(tǒng)的請求，將來自網(wǎng)絡(luò)或本地OSD 菜單的錄像數(shù)據(jù)檢索請求預(yù)處理后，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)檢索處理算法，快速計算是否滿足數(shù)據(jù)請求的要求。若有符合要求的數(shù)據(jù)索引，快速定位數(shù)據(jù)在哪個硬盤的哪個位置上，并且將結(jié)果分發(fā)給相應(yīng)的讀處理模塊進行進一步的數(shù)據(jù)讀處理，實現(xiàn)錄像數(shù)據(jù)備份或回放。同時，該處理模塊還負責(zé)IDE中的圖像數(shù)據(jù)與索引列表文件的一致性維護。
2 小 結(jié)
    MPC8250和BSP一15均是高性能的微處理器，其處理功能非常強大。筆者通過具體實踐掌握了MPC8250和 BSP一15的各種功能和處理性能，并總結(jié)出一些開發(fā)過程中的經(jīng)驗和教訓(xùn)，為產(chǎn)品的系列化打下了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。經(jīng)過測試試驗，該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠；在性能方面，能同時支持8路的圖像監(jiān)控、4路的網(wǎng)絡(luò)用戶實時回放和本地用戶的4路同時解碼回放，通過了公安部安防產(chǎn)品的型試檢驗，產(chǎn)品已經(jīng)成功推出上市。