基于MPC850的四路MPEG-4視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘   要：本文介紹了基于PowerPC內(nèi)核的嵌入式通信控制器芯片MPC850和MPEG-4數(shù)字視頻壓縮芯片IME6400，并利用這些芯片設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的MPEG-4數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；MPC850；IME6400；硬件開發(fā)平臺(tái)

概述
    本文采用MPEG-4編碼芯片IME6400實(shí)現(xiàn)了嵌入式MPEG-4音視頻編碼，并應(yīng)用于實(shí)際的監(jiān)控系統(tǒng)。該方案克服了傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不足，既可以用于本地存儲(chǔ)，還可以通過光纖網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

MPEG-4視頻壓縮模塊設(shè)計(jì)
    MPEG-4視頻壓縮模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。下面對(duì)設(shè)計(jì)框圖進(jìn)行詳細(xì)說明：
1. 四片BT829B完成PAL制式的視頻A/D采樣，四片PCM1801分別完成音頻A/D采樣。
2. IME6400從BT829B接收CCIR-601接口的視頻數(shù)據(jù)，從PCM1801接收I2S的A/D采樣數(shù)據(jù)，并對(duì)每路音視頻信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立的MPEG-4壓縮編碼。
3. CPU的片選信號(hào)控制打開哪一個(gè)數(shù)據(jù)通道。
4. IME6400的HOST接口地址、數(shù)據(jù)總線經(jīng)驅(qū)動(dòng)后和MPC850相連；
5. 音頻的I2S時(shí)鐘由晶體電路產(chǎn)生。
6. 四輸入與門7421確保當(dāng)四個(gè)片選有一個(gè)有效時(shí)就打開數(shù)據(jù)通道。

IME6400的設(shè)計(jì)
    IME6400的VIDEO接口支持CCIR-601 16bit接口，最大水平、垂直方向可達(dá)2048個(gè)象素。本系統(tǒng)中視頻A/D采樣由BT829B來完成，VIDEO接口時(shí)鐘由BT829B的CLKX1提供。音頻A/D采樣由PCM1801完成。這是一個(gè)5V供電，可支持多速率16位A/D編碼的音頻采樣芯片。模擬音視頻信號(hào)的數(shù)據(jù)采樣率可以編程設(shè)置。

    IME6400的外部HOST接口用來傳輸編碼后的數(shù)據(jù)流，有四種模式。它們由一個(gè)MODE引腳來決定。本設(shè)計(jì)選用的模式為：Synchronous Burst Type1，MODE[1:0] pin = 2’b 01。

    HOST接口的時(shí)鐘可以由MCLK或者FRD提供。由USEOCK的值來決定。本設(shè)計(jì)中，USEOCK=1，F(xiàn)RD被用作內(nèi)部的時(shí)鐘源。這個(gè)27MHz的時(shí)鐘源由主控板提供。

    如果用內(nèi)部引導(dǎo)的ROM，IME6400就不需要外部的ROM，但在外部引導(dǎo)模式，它需要一個(gè)ROM接口。外部的ROM最大可達(dá)4M。本設(shè)計(jì)EXTBOOT用跳線控制用外部或是內(nèi)部的ROM引導(dǎo)。本設(shè)計(jì)外部ROM選用28C256，為256K、5V供電。MCLK的27MHz時(shí)鐘由主控板提供。

    IME6400的I2C接口只支持主模式，不支持從模式。如果用27MHz作為主時(shí)鐘，IME6400支持從41Hz到1.6875MHz的接口速率。

    為了壓縮視頻和音頻數(shù)據(jù)并且存儲(chǔ)編碼流，需要用外部的SDRAM。大小與要壓縮的圖像大小和模式有關(guān)。本設(shè)計(jì)選用的SDRAM為2MX32。IME6400可以訪問的外部SDRAM最大可以到2Gbits。目前設(shè)計(jì)選用的大小為11行8列地址。

    SDRAM的時(shí)鐘是的MCLK時(shí)鐘三倍或者四倍，由DIV34的值決定。本設(shè)計(jì)中，MCLK時(shí)鐘是27MHz，選三倍MCLK時(shí)鐘，所以SDRAM時(shí)鐘為81MHz。

MPC850通信接口的設(shè)計(jì)
    MPC850(以下簡(jiǎn)稱850)通信控制器芯片基于PowerPC內(nèi)核，以RISC的體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，集成了32位微處理器和多種外設(shè)接口，具有強(qiáng)大的通信和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理能力。

    本系統(tǒng)利用850強(qiáng)大的通信能力，配合適當(dāng)?shù)慕涌谛酒?，?shí)現(xiàn)了兩個(gè)光口和兩個(gè)以太網(wǎng)口，并且用FPGA實(shí)現(xiàn)了外掛最多四個(gè)硬盤的能力，如圖3所示。在這個(gè)模塊的設(shè)計(jì)中，主要有以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

850產(chǎn)生IP178A的復(fù)位
    IP178A的復(fù)位信號(hào)由850控制，用引腳850-PD[8]。初始化時(shí)需要復(fù)位，復(fù)位時(shí)間必須大于1ms；如果需要改變IP178A的配置，做完配置后，也需要復(fù)位，同樣復(fù)位時(shí)間必須大于1ms。

850改變IP178A配置的控制
    改變IP178A的配置通過燒寫93C46后重新復(fù)位IP178A完成。93C46的前面有2個(gè)CD4053，用來選擇是IP178A還是850對(duì)93C46進(jìn)行讀寫操作，選擇信號(hào)由850的850-PD[3](下拉)控制。平時(shí)850-PD[3]輸出高阻或低電平，此時(shí)93C46由IP178A控制。改變IP178A的配置前，在850-PD[3]上輸出高電平，此時(shí)93C46由850控制，做完讀寫操作后，850控制850-PD[3]輸出高阻或低電平，93C46交還給IP178A控制。對(duì)IP178A進(jìn)行復(fù)位后，新配置即生效。

850對(duì)93C46進(jìn)行重配置
    讀寫由可編程引腳850-PD[4：7]實(shí)現(xiàn)。850-PD[4：7]分別對(duì)應(yīng)PD[4]<->EESK、PD[5]<->EEDI、PD[6]<->EECS和PD[7]<->EEDO。
850對(duì)IME6400的操作

    讀取壓縮數(shù)據(jù)時(shí)用突發(fā)方式，4個(gè)NFULL[3：0]信號(hào)直接輸入到850的4個(gè)IRQ[3：0]；4個(gè)IME 6400的4個(gè)READY[3：0]信號(hào)先進(jìn)FPGA，由FPGA產(chǎn)生READY信號(hào)給850的TA，可以方便地控制時(shí)序。IME6400對(duì)于FIRMWARE的下載有2種方式，通過引腳P236 (EXTBOOT)上跳線開關(guān)可以選擇，高電平H選擇從外部28C256啟動(dòng)，低電平L 選擇從850啟動(dòng)。

850與IP178A的連接
    850的以太網(wǎng)口經(jīng)LXT905接以太網(wǎng)交換芯片IP178A的PORT2、兩個(gè)電口(port3、port4)和兩個(gè)光口(port6、port7)。850通過燒寫93C46后重新復(fù)位IP178A來改變IP178A的配置。

系統(tǒng)測(cè)試及優(yōu)點(diǎn)
    該系統(tǒng)樣機(jī)已經(jīng)參加了多次安防產(chǎn)品的競(jìng)標(biāo)，和同類產(chǎn)品相比，該系統(tǒng)具有更突出的優(yōu)點(diǎn)。

    應(yīng)用硬件芯片做MPEG-4壓縮和嵌入式系統(tǒng)使監(jiān)控系統(tǒng)性能大大提高，表現(xiàn)在：
1. 錄像和預(yù)覽同樣清晰，圖像格式均可以實(shí)現(xiàn)D1，全動(dòng)態(tài)碼率最大控制在200Mb/小時(shí)。
2. 壓縮速度更快，實(shí)時(shí)流播放時(shí)，無滯后延遲。因?yàn)槭怯布嚎s，所以速度較軟件壓縮和用DSP方式的系統(tǒng)更快，更符合當(dāng)前監(jiān)控市場(chǎng)的要求。
3. 壓縮數(shù)據(jù)的讀取通過采用突發(fā)方式，提高了讀取速度，為嵌入式CPU的采用提供了條件。并且使網(wǎng)絡(luò)傳輸更流暢、更穩(wěn)定。

結(jié)語
    本文通過對(duì)MPC850和IME6400芯片的分析介紹，針對(duì)商業(yè)用途，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種嵌入式MPEG-4視頻監(jiān)控系統(tǒng)。本方案適用于光纖、以太網(wǎng)等多種信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻監(jiān)控。

參考文獻(xiàn)
1 Y. Pourmohammadi, K. Asrar Haghighi, A. Kaheel, H.M. Alnuweiri, S.T. Vuong; On the Design of a QoS-aware MPEG-4 Multimedia Server , IST2001.
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