數(shù)字視頻壓縮的大容量記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體和數(shù)據(jù)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字視頻的應(yīng)用越來越廣，如視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議和移動(dòng)電視等。數(shù)字視頻數(shù)據(jù)量巨大，不利于傳輸和存儲(chǔ)，使其應(yīng)用受到很大限制。為解決視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸問題，唯一的途徑就是對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。常見的視頻壓縮方法有MPEG系列和H.26x系列?？紤]到壓縮技術(shù)的成熟度、成本和主要用途，采用MPEG-1作為壓縮標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出基于ARM處理器的嵌入式數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議等多種應(yīng)用場(chǎng)合，同時(shí)還可安裝在飛行器上，用于實(shí)時(shí)記錄飛行器的飛行及訓(xùn)練過程中的各種信息。

　　目前，市場(chǎng)上有大量的基于PCI總線的MPEG-1視頻壓縮卡和PC機(jī)構(gòu)架的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器。與之相比，我們?cè)O(shè)計(jì)的視頻記錄系統(tǒng)具有成本低、體積小和功耗低等優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)工作原理

　　視頻壓縮記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)著眼于控制器的嵌入化和整體的便攜性。本系統(tǒng)主要由3部分組成，即壓縮部分、控制部分和存儲(chǔ)部分。視頻記錄系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其中壓縮部分由MPEG1音視頻壓縮電路組成，主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的音視頻信號(hào)解碼、數(shù)字化和壓縮編碼，產(chǎn)生MPEG1程序流和傳輸流；控制部分由ARM最小系統(tǒng)組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)流管理和IDE接口控制；存儲(chǔ)部分由大容量硬盤或CF存儲(chǔ)卡組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)長(zhǎng)時(shí)間記錄。

　　系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，ARM處理器對(duì)整個(gè)壓縮系統(tǒng)進(jìn)行初始化，首先通過HOST接口對(duì)SZ1510內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，并使用SZ1510的串行接口模擬I2C總線對(duì)視頻解碼器SAA7113H進(jìn)行初始化。當(dāng)設(shè)置好MPEG-1的壓縮格式及數(shù)據(jù)速率后，系統(tǒng)開始正常工作，音視頻信號(hào)經(jīng)AK4550音頻處理芯片和SAA7113視頻處理芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸出8位的PCM格式數(shù)字音頻信號(hào)和4∶2∶0的YCbCr數(shù)字視頻信號(hào)，傳入SZ1510音視頻壓縮采集芯片進(jìn)行處理，將數(shù)字音視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合MPEG-1格式的混合影視文件，最后MPEG1數(shù)據(jù)流在ARM處理器的控制下通過IDE接口寫入硬盤或CF卡。在工作時(shí)，ARM還將不斷監(jiān)視相關(guān)信號(hào)，并在圖像中加入相應(yīng)的標(biāo)志，直到接收到關(guān)機(jī)信號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)結(jié)束壓縮工作。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　由于MPEG-1壓縮算法需要很大的運(yùn)算量，用軟件實(shí)時(shí)完成比較困難，所以在本系統(tǒng)中主要依靠專用芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻信號(hào)的高效壓縮。目前，常用的MPEG-1壓縮芯片有VW2010、W99200F、WIS 7007SB等。本設(shè)計(jì)采用的是Zapex公司的SZ1510 MPEG-1 A/V編碼芯片，自身完成音視頻的同步編碼，16位HOST接口易于與多種微處理器連接。另外，該芯片還可以直接控制視頻解碼芯片SAA7113H、音頻解碼芯片AK4550VT和SDRAM（KM416S1020CT-G10）。CPU采用Philips公司的ARM7TDMIS內(nèi)核微控制器LPC2214，通過其I/O端口控制IDE接口硬盤或CF卡的數(shù)據(jù)讀取和存儲(chǔ)。

圖1 數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 MPEG-1壓縮電路設(shè)計(jì)

　　SZ1510是一個(gè) MPEG-1和運(yùn)動(dòng)JPEG圖像編碼器。其內(nèi)置的視頻壓縮核經(jīng)過優(yōu)化，適合高效、實(shí)時(shí)的MPEG1數(shù)字圖像壓縮，具有功能多、功耗低、溫度范圍寬等特點(diǎn)；同時(shí)整合了TI公司的TMS320C54X高性能DSP內(nèi)核，可依據(jù)MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)音視頻同步編碼。

（1） 時(shí)鐘同步電路設(shè)置
　　SZ1510是一個(gè)復(fù)雜的視頻壓縮小系統(tǒng)，要完成音視頻的同步，MPEG-1視頻的壓縮以及系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)流的復(fù)合、調(diào)度；時(shí)鐘關(guān)系較為復(fù)雜，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。時(shí)鐘配置可分為主時(shí)鐘、音視頻時(shí)鐘、視頻壓縮核時(shí)鐘、DSP核時(shí)鐘以及擴(kuò)展的I2S接口時(shí)鐘幾部分。其功能和關(guān)系為：
　　◆ 主時(shí)鐘。SZ1510的主時(shí)鐘為穩(wěn)定的27 MHz(CLK)。該時(shí)鐘在芯片內(nèi)部被PLL1倍頻為81 MHz，驅(qū)動(dòng)SZ1510的視頻壓縮核及SDRAM。PLL2連到DSP內(nèi)核，通過軟件配置使其工作在94.5 MHz，用于音頻壓縮和系統(tǒng)數(shù)據(jù)流復(fù)合。
　　◆ 音視頻時(shí)鐘。視頻時(shí)鐘來自視頻解碼器，典型值為27 MHz。音頻時(shí)鐘由視頻時(shí)鐘分頻產(chǎn)生。
　　◆ I2S接口時(shí)鐘。本系統(tǒng)中在音視頻同步設(shè)計(jì)中使用I2S接口的從模式，由SZ1510產(chǎn)生串行時(shí)鐘和幀同步信號(hào)。

（2） 主機(jī)（HOST）端口設(shè)置
　　SZ1510作為從設(shè)備，受主機(jī)控制，其HOST接口是SZ1510的控制和數(shù)據(jù)交換接口。SZ1510可以選擇復(fù)用或不復(fù)用的Intel和Motorola總線類型；不復(fù)用總線，又可以分為8位和16位。具體的主機(jī)端口由HCONFIG[1∶0]引腳和SysConfig[3]寄存器配置。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過跳線把HCONFIG0拉低，HCONFIG1拉高，使其工作在Intel 8051類型的非復(fù)用的16位數(shù)據(jù)總線模式下。

2.2 LPC2214微處理器電路設(shè)計(jì)

　　LPC2214是一款基于32位ARM7TDMI-S，支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的CPU；帶有16 KB片內(nèi)SRAM、256 KB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器、128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)，使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率60 MHz下運(yùn)行。芯片內(nèi)部集成了多種串行接口。LPC2214與SZ1510的接口和控制關(guān)系如圖2所示。在設(shè)計(jì)中，需要注意的是保持SZ1510讀寫時(shí)序與內(nèi)部時(shí)鐘的同步。通過CS3選通SZ1510實(shí)現(xiàn)控制字和數(shù)據(jù)的交換。

圖2 LPC2214與SZ1510的接口關(guān)系

2.3 IDE接口設(shè)計(jì)

　　由于LPC2214芯片不具備IDE接口，因此在本系統(tǒng)中使用通用I/O 口，模擬產(chǎn)生ATA 設(shè)備的讀寫時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對(duì)IDE硬盤的可靠讀寫操作。圖3為L(zhǎng)PC2214與IDE硬盤連接圖。其中，P2.16～P2.31作為數(shù)據(jù)線，P1.16～P1.20作為地址和選通信號(hào)，P0.17和P0.20為設(shè)備的復(fù)位和狀態(tài)請(qǐng)求信號(hào)，用P0.21和P0.19實(shí)現(xiàn)讀寫控制。

圖3 LPC2214與IDE硬盤連接圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件由主程序和若干個(gè)子程序組成，工作流程如圖4所示。主要的子模塊有：SZ1510 的設(shè)置與控制、IDE接口驅(qū)動(dòng)和文件系統(tǒng)的管理。

圖4 系統(tǒng)工作流程

3.1 SZ1510的設(shè)置與控制

　　SZ1510共有128個(gè)寄存器，每個(gè)寄存器都有一個(gè)索引號(hào)。當(dāng)SZ1510工作在非復(fù)用總線模式下時(shí)，外界對(duì)寄存器的訪問都是通過IOAR和IODR來完成的。訪問時(shí)首先將這個(gè)寄存器的索引號(hào)寫入IOAR，然后將要寫的數(shù)據(jù)寫入IODR。

　　SZ1510設(shè)置與控制過程如下：
　?、?向中斷使能寄存器寫入0x40，以使能Ready中斷；
　?、?等待SZ1510的Ready中斷；
　?、?等到Ready中斷后，向SZ1510的0x1E寄存器寫入0x0A，設(shè)置它內(nèi)部的DSP時(shí)鐘為94.5 MHz；
　　④ 向0x013寄存器寫入0x55，對(duì)SZ1510進(jìn)行軟復(fù)位；
　?、?向中斷使能寄存器0x0C寫入0x40，以使能Ready中斷；
　?、?等候RDY中斷；
　?、?待Ready中斷后對(duì)SAA7113進(jìn)行初始化；
　?、?對(duì)SZ1510進(jìn)行軟復(fù)位，即向0x0B寄存器寫入0x55，同時(shí)向0x0C寄存器寫入0x40；
　?、?等待Ready中斷，等到后向SZ1510的內(nèi)部DSP裝載二進(jìn)制代碼；
　?、?進(jìn)行SZ1510內(nèi)部視頻壓縮核的二進(jìn)制代碼裝載，具體裝載步驟如下：

　　◆ 向0x08寄存器寫0x04，發(fā)送開始命令；
　　◆ 等待Ready中斷，清除Ready中斷；
　　◆ 向Data in寄存器0x01寫256個(gè)字節(jié)；
　　◆ 等待End of Data中斷，然后清除中斷；
　　◆ 查程序空間的代碼是否裝載完畢，如沒有，則繼續(xù)裝載。

3.2 IDE接口驅(qū)動(dòng)

　　本系統(tǒng)采用LPC2214的通用可編程I/O口模擬ATA設(shè)備的讀寫時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬盤的讀寫。這里給出模擬寫ATA 設(shè)備寄存器的步驟（讀ATA設(shè)備寄存器的步驟類似）：

　?、?關(guān)系統(tǒng)中斷，預(yù)防在寫寄存器操作中產(chǎn)生中斷；
　　② 設(shè)置GPIO 模擬ATA 接口數(shù)據(jù)的引腳為輸出狀態(tài)，準(zhǔn)備輸出數(shù)據(jù)到設(shè)備數(shù)據(jù)線；
　?、?設(shè)置ATA 設(shè)備寄存器的相應(yīng)地址；
　?、?設(shè)置GPIO 模擬ATA 接口數(shù)據(jù)的引腳電平為要寫到設(shè)備的值；
　?、?使寫ATA 設(shè)備寄存器信號(hào)為低電平；
　?、?使寫ATA 設(shè)備寄存器信號(hào)為高電平；
　?、?取消ATA 設(shè)備寄存器地址的選擇；
　　⑧ 設(shè)置GPIO 模擬ATA 接口的數(shù)據(jù)總線引腳為輸入狀態(tài)，釋放總線；
　　⑨ 開系統(tǒng)中斷。

3.3 文件系統(tǒng)管理

　　本設(shè)計(jì)中采用的是面向嵌入式系統(tǒng)的小型文件系統(tǒng)ZLG/FS [1]，主要用于將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為標(biāo)準(zhǔn)的文件格式和對(duì)整個(gè)文件系統(tǒng)的管理。同時(shí)，為了便于音視頻的檢索和查詢，以及防止非法斷電造成大量未保存數(shù)據(jù)的丟失，在系統(tǒng)中設(shè)置了每間隔一定的時(shí)間（30 min）將壓縮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在以系統(tǒng)時(shí)間命名的新文件里。

4 結(jié)論

　　經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)長(zhǎng)時(shí)間記錄外部的音視頻信號(hào)，記錄的壓縮數(shù)據(jù)流符合MPEG-1圖像壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)中，采用的壓縮視頻流速率為1.5 Mbps，1小時(shí)的視頻數(shù)據(jù)量為(1.5 Mbps/8)×3 600=675 MB，對(duì)于一個(gè)40 GB的硬盤，系統(tǒng)連續(xù)記錄時(shí)間接近60小時(shí)。系統(tǒng)體積小、功耗低，便于移動(dòng)環(huán)境下對(duì)音視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)長(zhǎng)時(shí)間壓縮記錄。

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