基于MPC5200的音視頻采集系統(tǒng)

摘要：本文介紹了基于MPC5200的嵌入式音視頻采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。在硬件方面重點(diǎn)介紹了以MPC5200為主處理器的基本特點(diǎn)和系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，在軟件方面重點(diǎn)介紹了驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

引言
    視頻監(jiān)控系統(tǒng)是安全防范系統(tǒng)的重要組成部分。在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上，主要應(yīng)用的是數(shù)字信號(hào)控制的模擬和數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)。前者技術(shù)經(jīng)歷了基于微處理器的視頻切換控制加PC的多媒體管理類型和基于PC實(shí)現(xiàn)對(duì)矩陣主機(jī)的切換、控制和對(duì)系統(tǒng)的多媒體管理兩個(gè)階段；后者技術(shù)經(jīng)歷數(shù)字監(jiān)控錄像系統(tǒng)和嵌入式視頻Web服務(wù)器方式兩個(gè)階段。目前，視頻監(jiān)控系統(tǒng)正處在數(shù)控模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)混合應(yīng)用，并將逐漸向數(shù)字系統(tǒng)過(guò)渡的階段。今后，視頻監(jiān)控發(fā)展的兩個(gè)特點(diǎn)就是數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。

基于MPC5200的音視頻采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

MPC5200簡(jiǎn)介
   MPC5200集成了高性能的 603e G2_LE核和帶有DMA單元的輸入/輸出子系統(tǒng)，因此，MPC5200可以獨(dú)立于603e G2_LE 核響應(yīng)外部中斷,并且提供底層外設(shè)管理、協(xié)議處理、外部數(shù)據(jù)移動(dòng)的功能。

   MPC5200支持雙外圍總線結(jié)構(gòu)，包括：SDRAM 總線；多功能LocalPlus總線。

   嵌入式603e G2_LE核: 該內(nèi)核是PowerPC 超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)，MPC5200有16KB的指令緩存、16KB的數(shù)據(jù)緩存、浮點(diǎn)單元、數(shù)據(jù)緩沖內(nèi)存管理單元、指令緩沖內(nèi)存管理單元、Critical中斷、MMU額外帶有16個(gè)寄存器和1KB的頁(yè)面管理。

   Bestcomm 輸入/輸出子系統(tǒng):包括可編程串行控制器、10/100M以太網(wǎng)控制器、通用串行總線、I2C 接口、串行外圍接口、MSCAN接口。

   系統(tǒng)接口單元 (SIU) ：集成了最常見(jiàn)的系統(tǒng)接口和信號(hào)，即片選信號(hào)、中斷控制器、計(jì)數(shù)器、常用輸入/輸出口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

   SDRAM 控制器和LocalPlus總線：MPC5200有一個(gè)高速的SDRAM控制器，該控制器支持單數(shù)據(jù)速率、雙數(shù)據(jù)速率的SDRAM器件, 工作頻率最大可到132MHz，32位數(shù)據(jù)線。LocalPlus總線用來(lái)連接BOOT ROM、SRAM、Flash、外圍器件、ATA和PCI設(shè)備，有兩種操作模式：非復(fù)用數(shù)據(jù)接入模式和復(fù)用數(shù)據(jù)接入模式。

總體設(shè)計(jì)
   基于MPC5200的音視頻采集處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了4路音頻和視頻的采集復(fù)合、MPEG-4壓縮、硬盤的本地存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)主要包括音視頻采集復(fù)合壓縮、MPC5200的基本系統(tǒng)、硬盤存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)接口。系統(tǒng)通過(guò)音視頻采集復(fù)合壓縮模塊完成4路音頻和視頻的MPEG-4壓縮，壓縮后的MPEG-4數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)提供的ATA接口完成本地硬盤存儲(chǔ)，利用系統(tǒng)提供的以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

   基于MPC5200的音視頻采集處理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。除MPC5200外，各模塊設(shè)計(jì)說(shuō)明如下：

圖1 基于MPC5200的音視頻采集處理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

   5V變換邏輯并為USB和以太網(wǎng)分配引腳： 由于本設(shè)計(jì)中ATA、CAN接口是5V，MPC5200是3.3V，所以需要在連接的時(shí)候加入5V轉(zhuǎn)換器件74LVXC3245。在USB和以太網(wǎng)的引腳分配上，考慮到系統(tǒng)功能的可擴(kuò)展性，外接SN74CBTLV3384開(kāi)關(guān)芯片，使這些引腳可以作為普通的輸入/輸出口。

   音視頻采集復(fù)合壓縮：4路SAA7114完成視頻采集,每路視頻為8位數(shù)據(jù)，通過(guò)2片MC4558和1片IDT821024完成4路音頻采集。4路視頻、4路音頻通過(guò)1片型號(hào)為XC2S200-PQ208的FPGA轉(zhuǎn)化為IME6400所需要的1路16位視頻數(shù)據(jù)、1路音頻數(shù)據(jù)。IME6400是一款支持MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的芯片。FPGA和IME6400都需要和32MB的SDRAM（型號(hào)為K4S643232C）相接，完成音視頻數(shù)據(jù)的緩沖和保存。IME6400和MPC5200之間的連接采用同步突發(fā)模式一，IME6400作為MPC5200的外部設(shè)備被統(tǒng)一編址。本設(shè)計(jì)將A[1：5]連接到IME6400的地址線Ha[0：4]，用74LVXC3245將A[6：21]轉(zhuǎn)化為IME6400的數(shù)據(jù)線Hd[0：15]。

   硬盤存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)接口 ：MPC5200自身帶有ATA控制器，本設(shè)計(jì)的ATA接口是5V的，LocalPlus總線的CS₄、CS₅分別對(duì)應(yīng)ATA的CS₀、CS₁，采用74LVXC3245把A[0：15]轉(zhuǎn)化為ATA的數(shù)據(jù)信號(hào)線ATA_5V_DD[0:15],把A[16:18]轉(zhuǎn)化為ATA的地址信號(hào)線ATA_5V_DA[0:2]。MPC5200自身帶有以太網(wǎng)控制器，通過(guò)連接LXT971，提供RJ45以太網(wǎng)接口。

   MPC5200的基本系統(tǒng)是由24位地址/8位數(shù)據(jù)的8MB AM29LV0652D Flash（利用74LVT04、74LVT32產(chǎn)生的片選和讀寫(xiě)邏輯可以將Flash擴(kuò)展成16MB、13位地址/32位數(shù)據(jù)的64MB MT48LC16M16A2、PSC1口通過(guò)MAX3233E實(shí)現(xiàn)RS-232功能。

   擴(kuò)展豐富的接口：MPC5200帶有PCI控制器，提供33MHz、32位、3.3V的PCI 連接器，這樣就可以在系統(tǒng)中連接成熟的、基于PCI接口的3.3V或者3.3V/5V兼容的視頻采集卡。MPC5200帶有USB控制器，通過(guò)外接電源管理芯片MIC2025和USB收發(fā)芯片ISP1107DH擴(kuò)展USB接口，這樣可以方便用戶提取和保存監(jiān)控系統(tǒng)中的重要數(shù)據(jù)。 MPC5200帶有CAN控制器，通過(guò)外接TJA1050T可以提供CAN接口，這樣可以方便地把系統(tǒng)連入基于CAN總線的系統(tǒng)中，MPC5200系統(tǒng)的PSC3可以作為普通的輸入/輸出口，這樣可以方便地接入外部開(kāi)關(guān)量，本系統(tǒng)包括兩個(gè)開(kāi)關(guān)輸入量和兩個(gè)開(kāi)關(guān)輸出量；MPC5200通過(guò)I2C接口連接256B的E²PROM（PCF8582C），在E²PROM中保存串口波特率、IP地址、MAC地址等信息。

圖2    軟件總體框圖

   本系統(tǒng)中音頻采集時(shí)鐘是2.048MHz、視頻采集時(shí)鐘是24.576MHz、FPGA和IME6400的時(shí)鐘是27MHz、MPC5200的時(shí)鐘是33MHz ，內(nèi)核頻率264MHz ,RTC的時(shí)鐘是32.768KHz、以太網(wǎng)LXT971的時(shí)鐘是25MHz。

基于MPC5200的音視頻采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
   系統(tǒng)軟件的框圖如圖2所示。包括PPCBoot、內(nèi)核初始化、系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)和捕捉函數(shù)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)和文件系統(tǒng)。

驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
   系統(tǒng)調(diào)用：當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用發(fā)生時(shí)，將參數(shù)放在堆棧上，然后調(diào)用一個(gè)陷阱處理程序。操作系統(tǒng)也會(huì)從堆棧上取得參數(shù)，并調(diào)用陷阱處理程序，然后根據(jù)所帶的參數(shù)完成相關(guān)工作。

   外圍設(shè)備硬件處理函數(shù)的調(diào)用：用于外圍設(shè)備的程序被放在設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊中。對(duì)內(nèi)核而言，對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的調(diào)用只能通過(guò)一些接口函數(shù)進(jìn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，就是要建立用戶程序和這些程序之間的通信。

   Linux操作系統(tǒng)中采用文件系統(tǒng)來(lái)完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊和用戶應(yīng)用程序之間的通信。設(shè)備驅(qū)動(dòng)看起來(lái)更象一個(gè)普通的文件，用戶可以對(duì)它進(jìn)行打開(kāi)、關(guān)閉、讀取和寫(xiě)入操作。操作系統(tǒng)就會(huì)分析這類操作的對(duì)象，并將它們映射到相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)代碼中。|

文件的操作
super_block{
super_operations;/*指針結(jié)構(gòu)*/
inode_operations;/*文件節(jié)點(diǎn)操作*/
file_operations;/*文件操作*/
}
自己編寫(xiě)的驅(qū)動(dòng)程序在VFS中注冊(cè)自己的file_operations結(jié)構(gòu)。
硬件驅(qū)動(dòng)程序分為字符設(shè)備模塊、塊設(shè)備模塊和網(wǎng)絡(luò)接口模塊。
下面以IME6400為例說(shuō)明驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)：IME6400驅(qū)動(dòng)程序是被作為字符設(shè)備模塊對(duì)待的。使用方法如下：
Insmod IME6400.o
Fd=open(“/dev/IME6400”, O_RDWR);
….;/*利用IME6400*/
close(fd)
rmmod IME6400
IME6400的驅(qū)動(dòng)程序提供下面一些功能: IME6400_open、IME6400_read、IME6400_ioctl、IME6400_release、IME6400_init、IME6400_exit、IME6400_interrupt、IME6400_reset、IME6400_download、IME6400_boot、queue_init、queue_empty、get_queue_len、update_queue、queue_to_user、Write32、Read32。每個(gè)功能都有相關(guān)的函數(shù)對(duì)應(yīng)解析實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
   首先通過(guò)Dserver進(jìn)程從IME6400中讀取媒體數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)滿一幀的時(shí)候，把數(shù)據(jù)放在隊(duì)列上，然后執(zhí)行Dsend進(jìn)程，通過(guò)Cserver進(jìn)程接收和處理來(lái)自PC viewer的請(qǐng)求，確定是否完成硬盤存儲(chǔ)或網(wǎng)絡(luò)傳輸。具體流程參見(jiàn)圖3。

圖3 應(yīng)用程序執(zhí)行流程

系統(tǒng)應(yīng)用
   系統(tǒng)產(chǎn)生的圖像采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行傳輸，這使它特別適合跨網(wǎng)段、有路由器的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控環(huán)境使用。通過(guò)客戶端軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和觀看，并對(duì)攝像頭和云臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。這也可以通過(guò)Internet Explorer下載專用插件來(lái)實(shí)現(xiàn),增強(qiáng)了系統(tǒng)的通用性。系統(tǒng)采用MPEG-4編碼極大地提高了編碼效率，使在相同的硬盤容量條件下，保存更長(zhǎng)的記錄時(shí)間。通過(guò)該軟件可靈活方便地對(duì)歷史錄像進(jìn)行檢索回放和多畫(huà)面輪巡操作。軟件還提供了其它一些靈活的管理和配置功能。
   
結(jié)語(yǔ)
   本文介紹了基于MPC5200的嵌入式音視頻采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，從硬件和軟件兩方面進(jìn)行了介紹，在硬件方面重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和MPC5200作為主處理器的基本特點(diǎn)，在軟件方面重點(diǎn)介紹了驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。