摘要： 本文設計了一種面向工業(yè)控制場合的基于MPEG4的視頻壓縮編碼卡。支持4路模擬視頻圖像的采集與A/D轉換后，編碼卡與主機之間依據(jù)PCI2.2標準，以PCI接口與主機實現(xiàn)通信。文中詳細介紹了該編碼卡的總體設計方案，系統(tǒng)采用最新的MPEG4壓縮方式進行編碼，為整個數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)和視頻網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)提供了最優(yōu)化的硬件設計。
關鍵詞: PCI 采集 編碼 MPEG-4 工業(yè)控制
1 前言
隨著通信網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，人們的觀念也緊跟著時代的步伐，把自己融入了網(wǎng)絡時代。例如查看信息，監(jiān)控，交流等無不使用網(wǎng)絡。雖說網(wǎng)絡給我們帶來了很大的信息流，但隨著人們生活節(jié)奏的加快，對傳輸率的要求越來越高，特別是實時傳輸?shù)臅r候。通過用MPEG4視音頻編解碼技術，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)播送技術解決了這方面的問題，使得數(shù)字視頻廣播圖像分辨率達192×144×25FPS（PAL）/384×288×25FPS(PAL)，圖像和屏幕發(fā)送通過衛(wèi)星信道，平均碼流量小于384K；文字消息數(shù)據(jù)、外交互通過Web走公網(wǎng)，平均碼流量小于56K，實現(xiàn)了點對點、多點即時播送和同步互動，深得廣大用戶的好評。為企業(yè)、政府機構、組織、和網(wǎng)絡醫(yī)院、網(wǎng)絡學校提供一種高效、直觀、貼切、實用的工具，同時可實現(xiàn)個人可視化交流。
數(shù)字視頻信號同模擬視頻信號相比，有不可比擬的優(yōu)勢。視頻信號的數(shù)字編碼壓縮是有代價的，壓縮成本的高低，決定系統(tǒng)的成本。只有在單片視頻編碼芯片出現(xiàn)后，數(shù)字視頻監(jiān)控才進入實用化階段。為了滿足數(shù)字視頻監(jiān)控應用需求的多樣性要求，采用SOC技術的視頻處理器（VIDEO PROCESSOR，有的也叫DSP）將在數(shù)字視頻監(jiān)控產(chǎn)品中占據(jù)主流。在監(jiān)控應用中，視頻圖象數(shù)字化是實時編碼壓縮的，這完全不同于VCD和DVD節(jié)目的制作（VCD和DVD節(jié)目的制作可以花費數(shù)十倍、甚至數(shù)百倍的時間進行編碼壓縮）。由于MPEG4的巨大優(yōu)點為利用圖像測控和圖像處理實施安全檢查和安全防范提供了新的技術途徑。數(shù)字視頻監(jiān)控錄像系統(tǒng)的特點：重放圖像質量好，永不失真；視頻文件檢索方便，便于檢查管理、遠程傳輸或進一步的圖像處理，提高了圖像資料的可用率；多畫面處理功能，錄像功能及控制功能集成一體，設備量少，可靠性強，便于維護。
2 系統(tǒng)的總體框架
Vweb公司的Vweb2010支持PCI接口卡的形式，系統(tǒng)的程序保存在母板的硬盤或者內(nèi)存中，通過母板與系統(tǒng)的交互把程序加載到系統(tǒng)中運行。這種方式有很大的靈活性，而且利于和其它系統(tǒng)配合使用。本文設計的編碼卡是在Windows系統(tǒng)下經(jīng)過WDM驅動，以 PCI接口卡形式存在的，其軟硬件的框圖如圖一所示。
圖 一 系統(tǒng)框圖
編碼卡是插在PCI插槽上，基于Windows系統(tǒng)下對視頻信號進行處理的。整個系統(tǒng)通過PCI總線與母板相聯(lián)系，在應用中母板為整個編碼卡提供程序存儲空間，負責程序的加載和一些初始化工作。當初始化和程序的加載結束后，母板與編碼卡的關系也就是MPEG4數(shù)據(jù)的存儲和傳輸，與應用程序的通信等等，編碼板卡能夠單獨的完成所要做的多媒體數(shù)據(jù)處理工作。而在更多的情況下，母板始終通過PCI總線與編碼卡保持聯(lián)系，這樣可以協(xié)調母板與編碼卡的工作，同時也利于母板與編碼卡交換數(shù)據(jù)。
Vweb2010芯片提供了多媒體接口模塊，在此設計中運用到的有PCI接口、視頻輸入單元、音頻輸入單元。其中，PCI接口通過PCI橋與母板上的PCI相連接；其它單元與編碼板卡上的A/D模塊相連，圍繞這些接口單元，我們就可以設計出編碼卡各個模塊之間的構成框架。
系統(tǒng)啟動時，MPEG4壓縮芯片讀取啟動電路的啟動碼，激活相應的下載程序從相應的端口下載運行微碼，同時其他芯片通過I2C總線完成初始化，系統(tǒng)啟動MPEG4編解碼進程。模擬視頻通過SAA7114H的A/D轉換后，實時視頻流從VPO口送入MPEG4壓縮芯片的編碼部分的VPO口，同時模擬音頻通過PCM1801U的A/D轉換后，實時的音頻流從MPEG4壓縮芯片的I2S輸入。MPEG4壓縮芯片通過PCI接口與橋芯片相連接，編碼壓縮后的數(shù)據(jù)經(jīng)過橋芯片的橋接再傳輸?shù)絇CI總線上，提供給遠程傳輸或本地存貯。
3 MPEG4編碼模塊在硬件中的設計
PCI編碼卡從功能上分為三大模塊。首先是前端A/D轉換模塊，由視音頻處理兩大塊組成，本文采用SAA7114H視頻A/D芯片提供模擬視頻到數(shù)字視頻（ITU-R.BT.656格式）的轉換，采用PCM1801U實現(xiàn)音頻的A/D采樣，通過I2C與MPEG4編解碼芯片相連。接著是MPEG4編碼壓縮模塊。由MPEG4編解碼芯片及其外圍電路組成，主要完成實時視音頻數(shù)據(jù)的壓縮功能。最后就是橋芯片驅動模塊，采用零反應時間PCI-PCI橋接產(chǎn)品HB1，它支持PCI2.2規(guī)范，支持32-bit 33MHz的PCI操作。通過該芯片，就可以實現(xiàn)橋接的功能，實現(xiàn)多芯片組支持。
3.1 視音頻處理模塊
在視頻A/D轉換模塊中，采用的是PHILIPS公司的SAA7114H，這是一塊視頻A/D采樣芯片，它主要有如下功能和特點：
該芯片有六個輸入端，它可以同時支持六個CVBS（復合視頻信號）、或者是兩個Y/C（亮度和色度分離信號，一般是指S端子）信號和兩個CVBS信號、或者是一個Y/C信號和四個CVBS信號。用戶均可編程控制、選擇輸入通道以及每一路信號的靜態(tài)增益和自動增益。它里面有內(nèi)嵌兩套模擬圖像抗混疊濾波器(anti-aliasing filter)和兩套A/D轉換電路； 對50Hz和60Hz場頻以及PAL制式和NTSC制式圖像自動檢測，支持所有制式的電視信號輸入； I2C總線接口速率最高可達400kb/s。
在此系統(tǒng)中，SAA7114H支持ITU-R.BT.656格式，用ITU-R.BT.656標準在數(shù)據(jù)中嵌入行、場同步信息來提供行、場信息。同時為了硬件實現(xiàn)方便，固定使用一個復合視頻（CVBS）輸入端口（AI24，Pin10管腿），當然，這些都需要I2C總線來配置。I2C總線控制引腳的接法是由Vweb2010的U14和Y17相連，其中U14連接時鐘線，Y17連接數(shù)據(jù)線。SAA7114H支持節(jié)電方式，工作時功率小于0.5W，需要3.3V供電，I/O口耐壓為5V，這一電源由PCI總線上提供。防止輸入過壓過流采用的方法是在輸入端口上并上了一個復合肖特基二極管。模擬電源和數(shù)字電源、模擬地和數(shù)字的連接方法是用磁珠相連接。SAA7114H內(nèi)部有多個寄存器用于設定其工作狀態(tài)，外部提供了兩根I2C總線引腳SDA（32腳）和SCL（31腳）用于訪問內(nèi)部寄存器。所有的這些寄存器都是通過Vweb2010進行讀寫，在操作時，SAA7114H的引腳LLC，LLC2，XTOUT，RTS0，RTS1和RTCO要設置在三態(tài)狀態(tài)，亮度和色度由梳狀濾波器自適應調整。
3.2 MPEG-4編碼壓縮模塊
MPEG-4編碼模塊采用專用芯片Vweb2010，Vweb2010芯片是Vweb公司出品的專為多媒體信號處理而設計的專用視頻壓縮芯片（Video ASIC）。這一芯片的特點是將MPEG1、MPEG2、MPEG4和H.263這些標準的壓縮算法固化在其中，因此實現(xiàn)方案具有開發(fā)成本低、開發(fā)周期短、運算速度快等優(yōu)點。它可以同時進行一路編碼和一路解碼，它的音頻編碼器接收雙通道的I2C標準數(shù)字音頻信號，并采用MPEG1，MPEG2，MP3，AAC和AC-3等標準進行壓縮編碼。解碼器接收MPEG格式的BIT流，解碼輸出標準的ITU-R.BT.656標準的數(shù)字視頻。音頻解碼輸出I2S，S/P-DIF或IEC-61937標準音頻信號。它包括了一塊嵌入式RISC/DSP處理器、一塊編碼器模塊、一塊解碼器模塊、一塊系統(tǒng)模塊。其結構圖如圖二。
通過芯片的視頻編碼輸入接口（VPO口）接收SAA7114H輸出的8位ITU-R.BT.656視頻流送，芯片的時鐘接口與外部時鐘信號（27MHz）相連接，其中內(nèi)部時鐘引腳（PLL_amclk_enc）和視頻時鐘管腳相連，保證了音頻和視頻同步。標準的I2S音頻信號從PCM1801輸入到Vweb2010的相應音頻接口，經(jīng)過音頻編碼單元編碼，送到輸出單元模塊。SDRAM是Vweb2010程序的運行空間，Vweb2010芯片最大可以支持128Mbytes的SDRAM。因為Vweb2010提供SDRAM接口，直接接上SDRAM即可。在此系統(tǒng)中使用了一片2M*32的SDRAM芯片，共為64Mbytes。
3.3 PCI橋接模塊
MPEG4壓縮芯片的編碼數(shù)據(jù)通過橋芯片的驅動與仲裁，完成橋接任務，能讓四片帶有PCI接口的MPEG4壓縮芯片與PCI總線相互通信，支持PCI2.2規(guī)范，支持32-bit 33MHz的PCI操作。PCI接口板有符合PCI規(guī)范V2.2版33MHz 32bit PCI總線；包括地址、數(shù)據(jù)復用AD[0:31]；控制信號:PCICLK;REQ#; C/BE[0:3]; IRDY#; DEVSEL#; LOCK#; PERR#; SERR#; STOP#; TRDY#; FRAME#; IDSEL; GNT#; RST#。
圖 二 Vweb2010的結構框圖
4 PCB設計注意事項
在PCB設計中，布線是完成產(chǎn)品設計的重要步驟，可以說前面的準備工作都是為它而做的，在整個PCB中，以布線的設計過程限定最高，技巧最細、工作量最大。PCB布線有單面布線、 雙面布線及多層布線。布線的方式也有兩種：自動布線及交互式布線，在自動布線之前， 可以用交互式預先對要求比較嚴格的線進行布線，輸入與輸出端的邊線應避免相鄰平行， 以免產(chǎn)生反射干擾。必要時應加地線隔離，兩相鄰層的布線要互相垂直，平行容易產(chǎn)生寄生耦合。
自動布線的布通率，依賴于良好的布局，布線規(guī)則可以預先設定， 包括走線的彎曲次數(shù)、導通孔的數(shù)目、步進的數(shù)目等。一般先進行探索式布線，快速地把短線連通， 然后進行迷宮式布線，先把要布的連線進行全局的布線路徑優(yōu)化，它可以根據(jù)需要斷開已布的線。 并試著重新再布線，以改進總體效果。
此外，數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強，對信號線來說，高頻的信號線盡可能遠離敏感的模擬電路器件，對地線來說，整個PCB對外界只有一個結點，所以必須在PCB內(nèi)部進行處理數(shù)、模共地的問題，而在板子內(nèi)部數(shù)字地和模擬地實際上是分開的，它們之間互不相連，只是在PCB與外界連接的接口處（如插頭等）。數(shù)字地與模擬地有一點短接，請注意，只有一個連接點。也有在PCB上不共地的，這由系統(tǒng)設計來決定。
5 總結
本文的創(chuàng)新點是在Windows的視頻采集處理系統(tǒng)，采用MPEG4進行圖像壓縮編碼，在本地進行數(shù)字化處理并打包向網(wǎng)絡發(fā)送，使得數(shù)字視頻采集系統(tǒng)的所有功能都集成在這一塊小小的板卡上，使用非常方便。經(jīng)測試，板卡的各項性能都達到了預先設計的要求，工作穩(wěn)定，實用性高，基本上都能夠滿足客戶的要求，在商業(yè)上具有一定的競爭能力。
參考文獻：
1 R. Talluri, "Error-Resilient Video Coding in the ISO MPEG4 Standard", IEEE Communications Magazine, Vol. 36 No. 6, June 1998, pp. 112-119.
2 Y. Pourmohammadi, K. Asrar Haghighi, A. Kaheel, H.M. Alnuweiri, S.T. Vuong; On the Design of a QoS-aware MPEG4 Multimedia Server , IST2001
3 A. M. Mohamed, H. M. Alnuweiri, MPEG4 Broadcast: A Client/Server Framework for Multi-Service Streaming Using Push Channels, MMSP2001.
4 黃嵐 徐志龍等，基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集接口設計，北京，《微機算計信息》，2006.No.3-1,p144
下載文檔
