基于MPC8250的數(shù)字硬盤(pán)錄像機(jī)設(shè)計(jì)

引 言
    短短幾年的發(fā)展，數(shù)字硬盤(pán)錄像機(jī)(DVR)依托其強(qiáng)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(chǎng)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(chǎng)、小區(qū)、機(jī)房、環(huán)境、考場(chǎng)等各種應(yīng)用場(chǎng)所，只要是想對(duì)圖像和聲音進(jìn)行監(jiān)控的場(chǎng)所就會(huì)應(yīng)用到DVR系統(tǒng)。
    目前，數(shù)字硬盤(pán)錄像機(jī)的產(chǎn)品技術(shù)趨勢(shì)主要有兩種：
一種是基于PC機(jī)Windows平臺(tái)的插卡式數(shù)字硬盤(pán)錄像機(jī)；另一種是基于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的數(shù)字硬盤(pán)錄像機(jī)。嵌入式DVR因其高可靠性、穩(wěn)定性、防病毒侵?jǐn)_等諸多特點(diǎn)，越來(lái)越受到市場(chǎng)的青睞，是目前發(fā)展的主要趨勢(shì)。
    嵌入式DVR產(chǎn)品主要有兩種設(shè)計(jì)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(jìn)行開(kāi)發(fā))。ASIC方案的編碼質(zhì)量和處理性能依賴IC開(kāi)發(fā)商，目前市場(chǎng)上的IC不支持4CIF(704×576)的MPEG4編碼。
    DSP方案設(shè)計(jì)的主流市場(chǎng)主要采用Philips的Trime-dia DSP，但其處理能力比較弱，無(wú)法實(shí)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(jì)具有高清晰度的高端嵌入式數(shù)字硬盤(pán)錄像機(jī)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    數(shù)字硬盤(pán)錄像機(jī)的主要任務(wù)是：將模擬的音視頻信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成沒(méi)有被壓縮的圖像數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)DSP或具有圖像處理功能的ASIC芯片進(jìn)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(chǔ)在硬盤(pán)等大容量存儲(chǔ)設(shè)備中，或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控遠(yuǎn)程圖像。使用者可簡(jiǎn)單、便捷地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或遙控器OSD菜單方式，對(duì)存儲(chǔ)的錄像數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索、回放和備份等。
1.1 硬件總體設(shè)計(jì)
1.1.1 MPC08250簡(jiǎn)介
    嵌入式系統(tǒng)選擇處理器時(shí)主要需要考慮以下幾個(gè)方面：處理器的性能；處理器所支持的開(kāi)發(fā)工具和所支持的操作系統(tǒng)；過(guò)去開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)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(shí)鐘最高為300 MHz，CPU工作時(shí)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(jiǎn)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(dá)40GOPS(針對(duì)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(shí)其豐富的音視頻信號(hào)接口可方便用戶進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
    MAP-BSP-15主要包含一個(gè)超長(zhǎng)指令字處理器內(nèi)核(The VLIW core)、一個(gè)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(shí)現(xiàn)的視頻、圖像以及信號(hào)的壓縮和解壓縮，這種軟件實(shí)現(xiàn)的算法相對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)有很大的優(yōu)越性，升級(jí)非常方便。
1.1.3 硬件總體設(shè)計(jì)思想
    系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)8路的音視頻同步錄像，BSP-15具有同時(shí)處理2路音視頻信號(hào)的性能，因而需要4片BSP一15做音視頻編碼，同
時(shí)，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(gè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。根據(jù)機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，既可以滿足2U設(shè)備的機(jī)架式安裝，又可以臺(tái)式安裝，因此，將系統(tǒng)分成兩層板的兩板設(shè)計(jì)，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(pán)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(huà)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(jì)
    DVR的主要功能是實(shí)現(xiàn)多路視音頻數(shù)據(jù)的獨(dú)立壓縮編碼，將編碼的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤(pán)，存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)在任何時(shí)候可以采用遙控器、面板等命令方式或通過(guò)以太網(wǎng)的通信方式，快捷、方便的檢索、備份、回放硬盤(pán)數(shù)據(jù)。同時(shí)，它還具有動(dòng)態(tài)偵
測(cè)、定時(shí)報(bào)警等條件錄像功能，并且當(dāng)硬盤(pán)使用完時(shí)，具有將最老的數(shù)據(jù)循環(huán)覆蓋的功能。
    經(jīng)過(guò)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(chǔ)、檢索子系統(tǒng)和0SD菜單子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)由一個(gè)或多個(gè)任務(wù)進(jìn)行管理。
    系統(tǒng)管理子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的錄像啟動(dòng)、停止等控制以及調(diào)度算法的實(shí)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(gè)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(fù)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(chǔ)、檢索子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中樞，在此詳細(xì)介紹其基本設(shè)計(jì)思想。該子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將來(lái)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(chǔ)算法進(jìn)行存儲(chǔ)，并處理遠(yuǎn)程PC客戶端、本地遙控器或面板操作請(qǐng)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(chǔ)；
    ◆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(pán)的管理，包括硬盤(pán)的切換、硬盤(pán)的啟動(dòng)、硬盤(pán)讀寫(xiě)操作的控制等。
    該子系統(tǒng)包括以下幾個(gè)處理模塊：寫(xiě)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(xiě)圖像數(shù)據(jù)處理
    將BSP一15送來(lái)的圖像編碼數(shù)據(jù)按照定義的格式與規(guī)范寫(xiě)入硬盤(pán)，并且在設(shè)計(jì)中為了減少頻繁讀寫(xiě)對(duì)硬盤(pán)使用壽命的影響，盡量減少頻繁的硬盤(pán)尋道操作。在圖像數(shù)據(jù)的寫(xiě)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(pán)的切換控制，在沒(méi)有數(shù)據(jù)的回放或備份情況下，一般只有一個(gè)硬盤(pán)處于IDLE工作狀態(tài)，而其他盤(pán)處于STANDBY的待命狀態(tài)。在STANDBY狀態(tài)下，硬盤(pán)的電機(jī)是停轉(zhuǎn)的，而從 STANDBY狀態(tài)到IDLE狀態(tài)的切換時(shí)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(pán)啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而造成的數(shù)據(jù)溢出，當(dāng)IDE硬盤(pán)即將寫(xiě)滿時(shí)，預(yù)先將下一個(gè)將要寫(xiě)的盤(pán)啟動(dòng)起來(lái)，由STANDBY狀態(tài)切換到IDLE狀態(tài)，而IDE 硬盤(pán)寫(xiě)滿后，由IDLE狀態(tài)切換到STANDBY狀態(tài)，這樣既降低系統(tǒng)運(yùn)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(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)客戶端請(qǐng)求，從硬盤(pán)中讀出圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)命令的來(lái)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(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的備份和回放。并進(jìn)行回放時(shí)的數(shù)據(jù)流量控制(如快放時(shí)硬盤(pán)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(duì)外聯(lián)絡(luò)的窗口，負(fù)責(zé)接收來(lái)自其他子系統(tǒng)的請(qǐng)求，將來(lái)自網(wǎng)絡(luò)或本地OSD 菜單的錄像數(shù)據(jù)檢索請(qǐng)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(jì)算是否滿足數(shù)據(jù)請(qǐng)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(gè)硬盤(pán)的哪個(gè)位置上，并且將結(jié)果分發(fā)給相應(yīng)的讀處理模塊進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)讀處理，實(shí)現(xiàn)錄像數(shù)據(jù)備份或回放。同時(shí)，該處理模塊還負(fù)責(zé)IDE中的圖像數(shù)據(jù)與索引列表文件的一致性維護(hù)。
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(qiáng)大。筆者通過(guò)具體實(shí)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(kāi)發(fā)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，為產(chǎn)品的系列化打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)測(cè)試試驗(yàn)，該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠；在性能方面，能同時(shí)支持8路的圖像監(jiān)控、4路的網(wǎng)絡(luò)用戶實(shí)時(shí)回放和本地用戶的4路同時(shí)解碼回放，通過(guò)了公安部安防產(chǎn)品的型試檢驗(yàn)，產(chǎn)品已經(jīng)成功推出上市。