嵌入式網(wǎng)絡視頻服務器的設計

嵌入式網(wǎng)絡視頻服務器是一種提供網(wǎng)絡視頻傳輸和共享的嵌入式設備，是為構(gòu)建高可靠性的多媒體數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)而設計開發(fā)的，廣泛應用于分布式的安全監(jiān)控、交通監(jiān)控和工業(yè)監(jiān)控以及家庭監(jiān)控、視頻會議、可視電話等眾多領(lǐng)域。每個網(wǎng)絡視頻服務器都有自己的IP地址和網(wǎng)絡接口，可隨時隨地直接接入網(wǎng)絡，獨立工作，無需專用軟件、專人管理，必將成為未來數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
1   系統(tǒng)組成與工作原理                    
網(wǎng)絡視頻服務器系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。網(wǎng)絡傳輸模塊以MPC860T嵌入式處理器為核心處理器，完成網(wǎng)絡傳輸和視頻信號的實時控制功能，并采用嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks作為系統(tǒng)的軟件平臺。視頻編碼模塊主要由視頻采集芯片和視頻壓縮芯片構(gòu)成，完成信號的采集、A/D變換及壓縮。CODEC選用韓國Pentamicro公司的專用音視頻壓縮芯片AT2042。TI公司的視頻解碼器TVP5150為視頻采集芯片。系統(tǒng)初始化之后，PAL格式的模擬視頻信號由TVP5150轉(zhuǎn)換為ITU-R 656標準的數(shù)字視頻信號，再通過數(shù)據(jù)總線進入AT2042。AT2042對數(shù)字圖像信號以MPEG-4標準進行壓縮編碼，最后MPC860T將壓縮編碼后的數(shù)據(jù)流封裝成IP包，通過10/100Mbps以太網(wǎng)接口送入Internet。
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圖1  系統(tǒng)框圖                    圖2  AT2042與CPU的通信機制
2  視頻編碼模塊
視頻編碼模塊的核心是Pentamicro公司生產(chǎn)的AT2042，它是一個內(nèi)置微控制器ARM946E的雙通道音視頻編解碼芯片，可支持MPEG-4/2/1和JPEG標準的視頻壓縮編碼，具有畫面縮放、顏色數(shù)據(jù)格式變換、噪聲抑制濾波等功能。AT2042能直接與IBM、Motorola、ARM、Xscale和Axis等多種CPU接口，無需其它附加電路。MPC860T對AT2042的控制和訪問可通過AT2042的狀態(tài)寄存器和命令寄存器以及四個輸入輸出隊列：發(fā)送/接收隊列,復用/解復用隊列。AT2042與CPU的通信機制如圖2所示
AT2042與CPU的通信實現(xiàn)情況如下：CPU通過命令寄存器來控制內(nèi)置微控制器ARM946E的操作狀態(tài)；通過狀態(tài)寄存器來檢查AT2042內(nèi)部各個FIFO的操作狀態(tài)；通過接收隊列給AT2042發(fā)送各種配置參數(shù)，以及所有內(nèi)置微控制器ARM946E所需要的相關(guān)參數(shù)；通過復用隊列將壓縮編碼后的比特流讀出；通過解復用隊列將需解碼的比特流寫入AT2042；AT2042通過發(fā)送隊列向CPU發(fā)送自己的各種內(nèi)部狀態(tài)信息及數(shù)據(jù)[1]。
3網(wǎng)絡傳輸模塊
3.1  MPC860T最小系統(tǒng)設計
MPC860T是Motorola公司的高性能的32位PowerPC嵌入式處理器,有三個主要的功能模塊：嵌入式的PowerPC內(nèi)核、RISC通信處理模塊(CPM)和系統(tǒng)接口單元(SIU)。MPC860有兩個CPU：PowerPC和32位RISC。PowerPC執(zhí)行高層代碼，RISC處理實際通信的低層功能，2個處理機互相配合工作。這種雙處理器構(gòu)架，分擔了主CPU的工作量，提高了處理效率，同時降低了芯片功耗，特別適合于各種通信及控制領(lǐng)域的嵌入式應用。MPC860T最小系統(tǒng)如圖3所示，包括MPC860T、時鐘電路、復位電路、SDRAM、FLASH、RS232口和BDM口等部分。
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3.1.1  電源
電源作為一個系統(tǒng)的能量提供者，在整個系統(tǒng)設計中成為必不可少且至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。MPC860T的工作電壓為3.3V，需提供一個3.3V/1A的直流穩(wěn)壓電源給CPU及外圍電路。采用外接電源適配器完成AC 220V到DC 5V的轉(zhuǎn)換，DC 5V到 DC 3.3V的轉(zhuǎn)換由高度集成的TI電源模塊TPS75233來完成。
3.1.2  時鐘電路
MPC860時鐘系統(tǒng)為所有片上或片外設備提供不同的時鐘。MPC86OT一共有兩個參考時鐘源，一個是其工作頻率的晶振，連接EXTCLK腳，一個是32KHz的晶體，連接EXTAL和XTAL腳。設計中，兩個外部時鐘源都用到了。EXTCLK外接一個5MHz的晶體振蕩器作為SPLL的參考時鐘源，在EXTAL和XTAL之間接一個32.768KHz的晶體作為實時時鐘的參考時鐘源。系統(tǒng)啟動初始化完成進入穩(wěn)定的工作狀態(tài)時，通過配置PLPRCR使得倍頻因子MF＝10，即MPC860T的正常工作頻率是50MHz。
3.1.3  復位模塊
MPC860T包括上電復位、外部硬復位、內(nèi)部硬復位、JTAG 復位、外部軟復位和內(nèi)部軟復位。復位電路采用MAX811T來實現(xiàn)。上電和人工按鍵均可產(chǎn)生復位信號，其中/RESET端口接MPC860T的/PORESET，由/RESET產(chǎn)生復位信號復位處理器。由SN74LVTH125芯片組成的電路提供/HRESET和/SRESET復位功能。手動按下按鍵連接芯片/OE控制三態(tài)門的輸出使能時，低電平輸出到/HRESET或/SRESET，MPC860T響應復位動作。正常狀態(tài)下，輸出呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。硬件復位字電路使用一片SN74LVC16244A來實現(xiàn)。
3.1.4  存儲系統(tǒng)設計
MPC860T的存儲控制器最多可以控制8個存儲體或外圍設備，支持GPCM (general purpose chip select machine)和UPM(User programmable machines)兩種方式，可提供與SRAM，EPROM，F(xiàn)LASH，DRAM，SDRAM等設備的無縫連接。GPCM提供與EPROM，SRAM，F(xiàn)LASH以及其他的外設的無縫連接，UPM則常常用于SDRAM以及猝發(fā)式SRAM的控制與連接。Flash存儲器是一種電可擦除、可重寫的存儲設備。Bootrom Flash采用512Kbyte的SST39VF040。Bootrom主要作用是引導及初始化CPU，以及引導單板程序。BSP（Board Support Package）就是燒寫在Bootrom里的。MPC860T復位之后自動使/CS0有效，故Bootrom的片選信號為/CS0。程序Flash主要是存放網(wǎng)絡協(xié)議、應用程序、配置監(jiān)控程序。采用4Mbyte的程序Flash，片選信號為/CS1。
考慮存儲容量、功耗等因素，數(shù)據(jù)存儲器多選高速動態(tài)隨機存儲器SDRAM。Micron公司生產(chǎn)的MT48LC4M16A2作為SDRAM芯片，組織形式為1M X 4 bank X 16位，總?cè)萘繛?4Mbit，采用3.3V供電，支持的最高頻率為133MHz。由于其數(shù)據(jù)總線為16位，因此系統(tǒng)選用兩片并聯(lián)構(gòu)成32位。SDRAM與MPC860T的連接框圖如圖4所示。
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圖4  SDRAM與MPC860T的連接框圖
SDRAM的CLK信號由MPC860T的輸出時鐘CLKOUT驅(qū)動，/WE、/RAS和/CAS信號分別由UPMA的GPLA1～GPLA3產(chǎn)生。SDRAM的A10引腳要復用于SDRAM的刷新控制，因而必須與GPLAO相連（由于不方便連線圖中未畫出），因為MPC860T的GPLAO可以通過編程實現(xiàn)控制信號與地址信號的復用。MT48LC4M16A2內(nèi)部有12條行地址和8條列地址，行地址為高位地址，列地址為低位地址，而外部僅有12條地址信號A0～A11。這就需要對UPM對地址進行復用。MPC860T支持內(nèi)部地址復用，可以通過UPM的RAM字中的AMX位進行配置，同時將OR寄存器中的SAM位同時進行配置。相關(guān)寄存器配置為：BR2＝Ox0000081，說明：32位寬，無奇偶校驗，無寫保護，選擇UPMA，基地址00000000；OR2＝OxFF000A00，說明：16Mbyte容量，地址復用。
3.2  網(wǎng)絡接口
經(jīng)壓縮的視頻流由MPC860T封裝成IP包后，通過網(wǎng)絡接口送入Internet。采用MPC860T的FEC（Fast Ethernet Controller）加上物理層芯片以及脈沖變壓器構(gòu)造一個10/100M以太網(wǎng)接口，由此實現(xiàn)上述功能。FEC提供一個標準的MII接口，MPC860T主要完成MII接口層以上的功能，而MII以下的物理層主要通過專用的物理層芯片實現(xiàn)[2][6]。[!--empirenews.page--]
4 系統(tǒng)的軟件設計
軟件設計包括：VxWorks操作系統(tǒng)的內(nèi)核生成和VxWorks下驅(qū)動程序與應用程序的開發(fā)。VxWorks是美國Wind River System公司推出的嵌入式實時開發(fā)環(huán)境，它是專門為嵌入式系統(tǒng)設計開發(fā)的可裁減、高性能的操作系統(tǒng)。為了發(fā)揮VxWorks的功能并設計出可靠、高效的嵌入式系統(tǒng)，還用到Tornado集成開發(fā)環(huán)境。TornadoII就是Wind River公司推出的為了開發(fā)VxWorks應用系統(tǒng)提供的集成開發(fā)環(huán)境，提供一種有效的方式開發(fā)嵌入式實時應用程序，同時對目標機系統(tǒng)的影響做到最小[5]。
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圖5  軟件結(jié)構(gòu)框圖
本系統(tǒng)中軟件的架構(gòu)如圖5所示，主要包括：1）硬件底層驅(qū)動程序，包括BSP的開發(fā)、操作系統(tǒng)的裁剪和移植、文件系統(tǒng)的開發(fā)和應用等。設備驅(qū)動程序是直接控制設備操作的程序，也是設備上層的一個軟件接口，功能是對I/O進行操作。只要系統(tǒng)訪問設備就會調(diào)用驅(qū)動，從這一點可以看出，驅(qū)動程序不能自動執(zhí)行，只能被系統(tǒng)或應用程序調(diào)用。設備驅(qū)動程序通常包含六個主要功能：對設備進行初始化、打開設備操作、關(guān)閉設備操作、從設備上接收數(shù)據(jù)并提交給系統(tǒng)、把數(shù)據(jù)從主機上發(fā)送給設備和對設備進行控制操作。2）應用程序的設計，它包括以下三個模塊：TVP5150的數(shù)據(jù)采集、視頻編碼、數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡功能。其中TVP5150的數(shù)據(jù)采集模塊包括對TVP5150初始化，工作參數(shù)和反饋狀態(tài)信息的設置等。視頻解碼模塊除了完成對AT2042的驅(qū)動，還為上層應用提供配置管理接口。網(wǎng)絡功能模塊包括音視頻編碼數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸和網(wǎng)絡服務功能等子模塊[5]。
結(jié)束語
本文作者創(chuàng)新點是采用MCU+CODEC的硬件結(jié)構(gòu)，較其他的采用DSP單芯片的系統(tǒng)，具有系統(tǒng)集成度高，體積小、功耗低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。并且，作為MCU的MPC860T內(nèi)部集成有FEC，使硬件設計更簡單。同時， VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)的采用使系統(tǒng)具有很好的實時性。相信網(wǎng)絡視頻服務器在當今網(wǎng)絡時代將有廣闊的應用前景。