基于MPC82xx處理器和專用編解碼芯片的DVR設(shè)計

近幾年來，DVR在安防監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)的模擬錄像技術(shù)已經(jīng)逐漸被數(shù)字錄像技術(shù)取代，后者可以達(dá)到更好的圖像質(zhì)量和提供更大的存儲容量。目前DVR已廣泛應(yīng)用到金融、文博、酒店、交通、商業(yè)、醫(yī)院、工廠、學(xué)校、樓宇、小區(qū)物業(yè)管理等各個領(lǐng)域。從發(fā)展趨勢來看，多媒體監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷擴(kuò)展。 


目前，已經(jīng)有一些公司推出了基于X86的DVR，但是功耗、成本、體積、穩(wěn)定性方面還是有所欠缺。華恒科技目前提供基于PowerPC的嵌入式Linux開發(fā)平臺可以滿足這方面應(yīng)用，本文所闡述的便是以PowerPC處理器和專用音視頻編解碼芯片為核心開發(fā)的嵌入式DVR產(chǎn)品設(shè)計。該設(shè)計利用嵌入式PowerPC CPU實現(xiàn)系統(tǒng)控制、存儲、傳輸?shù)龋约袄脤Ｓ眯酒瑢崿F(xiàn)MPEG-1、-2、-4的音視頻編解碼，適合于中高端DVR的開發(fā)。 


嵌入式操作系統(tǒng) 


嵌入式操作系統(tǒng)是PowerPC CPU重要的軟件基礎(chǔ)。和Windows不一樣，Linux在市場上有多種發(fā)行版本，所有發(fā)行版本都包含相同的Linux內(nèi)核、基本工具和應(yīng)用，不同的發(fā)行版本主要是在附加的工具鏈、應(yīng)用、配置以及各種內(nèi)核補(bǔ)丁上有所不同。嵌入式Linux主要是在實時性增強(qiáng)、內(nèi)核精簡和裁減、支持多種CPU結(jié)構(gòu)(如PowerPC CPU)等方面做了改進(jìn)和提高。尤其因為Linux對于網(wǎng)絡(luò)的良好支持，很多服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備現(xiàn)在都基于Linux操作系統(tǒng)來開發(fā)。 


目前在PowerPC處理器上運(yùn)行的ppcLinux操作系統(tǒng)是帶MMU的Linux操作系統(tǒng)，專門針對PowerPC處理器作了裁減和優(yōu)化。我們使用的是官方發(fā)布的開源免費(fèi)的版本，開發(fā)商無需考慮授權(quán)及付費(fèi)方面的問題。 


基于ppcLinux開發(fā)，軟件可以基于C語言編寫，同時也支持C++、Java等，使用針對PowerPC的GNU GCC編譯工具編譯，和在普通Linux操作系統(tǒng)上開發(fā)非常接近。并且在普通Linux操作系統(tǒng)上開發(fā)的軟件也大多能夠方便地移植過來。在開發(fā)外設(shè)接口驅(qū)動方面，ppcLinux支持內(nèi)核加載以及動態(tài)insmod加載的方式，為開發(fā)者擴(kuò)展接口、外設(shè)功能提供了極大的便利。 


嵌入式處理器 


MPC82xx是Freescale Power QUICC II系列的32位嵌入式處理器。該系列處理器面向網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、存儲設(shè)備及電信產(chǎn)品中需要SoC集成與PCI連接的系統(tǒng)的應(yīng)用需求，提供了一種基于PowerPC架構(gòu)的性價比較高的方案。其主要應(yīng)用包括：DVR系統(tǒng)；路由器/交換機(jī)；嵌入式計算；網(wǎng)絡(luò)存儲；遠(yuǎn)程集線器；RAID系統(tǒng)的磁盤控制系統(tǒng)；LAN到WAN網(wǎng)橋/路由器；xDSL系統(tǒng)等。 


MPC8250是PowerQUICC II系列目前最先進(jìn)的為電信和網(wǎng)絡(luò)市場而設(shè)計的集成通信微處理器。與MPC860相似，MPC8250也有兩個主要的組成部分：嵌入的PowerPC內(nèi)核和通信處理模塊(CPM)。由于CPM分擔(dān)了嵌入式PowerPC核的外圍工作任務(wù)，這種雙處理器體系結(jié)構(gòu)功耗要低于傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的處理器。CPM同時支持3個快速的串行通信控制器(FCC)、1個多通道控制器(MCC)、4個串行通信控制器(SCC)、2個串行管理控制器(SMC)、1個串行外圍接口(SPI)和一個I2C接口。 


MPC8250 1.5W的低功耗，-40°C至105°C的工作溫度范圍，是該款多功能和高性能芯片的另外兩個良好特性。華恒將該款芯片同華恒嵌入式Linux v3.0操作系統(tǒng)整合的HHPPC8250-3FEC-PCI-R1型開發(fā)套件為用戶在網(wǎng)絡(luò)和通信產(chǎn)品的開發(fā)方面提供巨大的開發(fā)潛力，并幫助客戶縮短開發(fā)周期，加速產(chǎn)品的上市。

目前華恒科技推出的基于MPC8250的開發(fā)平臺：可以支持標(biāo)準(zhǔn)PCI接口PCI-IDE陣列卡、視頻卡、USB接口卡、WLAN無線網(wǎng)卡、MiniPCI接口的WLAN無線網(wǎng)卡等等，開發(fā)商可以基于基本開發(fā)平臺自由擴(kuò)展、集成各種不同的應(yīng)用。該系列處理器中可供選擇的還有MPC8241/8245、MPC8260等。 

編解碼芯片選擇 


原始的視頻數(shù)據(jù)量很大，需要占用非常高的帶寬。如果需要進(jìn)行長時間的錄像、存儲，必須在保證在一定圖像質(zhì)量的前提下通過壓縮技術(shù)盡量降低視頻資料的碼率，減少需要存儲的數(shù)據(jù)量，以滿足更長時間的存儲要求和減少成本，同時也可以更好的滿足網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的要求。目前在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、視頻點播等產(chǎn)品應(yīng)用中，MPEG-4格式的視頻壓縮算法較為流行，其碼率一般在數(shù)百Kbps到1Mbps左右。 


視頻壓縮算法的效率決定了監(jiān)控產(chǎn)品的圖像質(zhì)量和應(yīng)用前景。要實現(xiàn)成熟的編解碼算法，需要投入大量的研發(fā)資源，而采用相應(yīng)的編解碼ASIC芯片則可以避免軟件算法方面的投入。 


VW2010是實時MPEG-1、-2和-4音視頻系統(tǒng)編解碼芯片(同時壓縮、解壓或編碼、解碼)，完全兼容ISO/IEC-11172-2、ISO/IEC-13818-2、ISO/IEC-14496-2和ITU-T H.263(基線)。視頻編碼部分接收未壓縮的ITU-R.BT.656數(shù)字視頻信號。它將輸入和壓縮的視頻轉(zhuǎn)換為MPEG-1、-2、-4或H.263格式。 


其音頻編碼部分接收雙通道分立的I2S數(shù)字音頻格式數(shù)據(jù)并具有輸入濾波功能，它可將每路音頻轉(zhuǎn)換為MPEG-1、MPEG-2、MP3、AAC或AC-3音頻格式。VW2010為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用輸出傳輸流或為存儲應(yīng)用輸出節(jié)目流。視頻解碼部分接收MPEG位流并輸出ITU-R.BT.656數(shù)字視頻。音頻解碼器接收MPEG-1、MPEG-2、MP3、AAC或AC-3位流并輸出I2S、S/P-DIF或IEC-61937壓縮音頻。VW2010是該DVR系統(tǒng)中完成音視頻編解碼的主芯片。 


VW2010不但可以產(chǎn)生MPEG-2格式的數(shù)據(jù)碼流，而且可以產(chǎn)生MPEG-4格式的數(shù)據(jù)碼流。它對壓縮數(shù)據(jù)的碼率可在128Kbps到6Mbps之間可調(diào)，以適應(yīng)各種用戶的需要。低碼率的文件適合網(wǎng)絡(luò)傳播并節(jié)省存儲空間，而高碼率的文件具有最佳的聲、視覺播放效果。而且，VW2010可以單獨(dú)編碼音頻數(shù)據(jù)并能實現(xiàn)MP3的功能特性。 


下面列出一些目前在DVR產(chǎn)品中應(yīng)用較為廣泛的音視頻編解碼芯片方案： 

ASIC：IME6400、Vweb2010、Wis7007； 

DSP：Blackfin 532加多媒體PCI Bridge SAA7146、PNX1302加畫面分割芯片AQ424； 

高端：PNX1501、DM642。 


應(yīng)用系統(tǒng)組成及特點 


該系統(tǒng)的核心芯片只有兩片(VW2010及MPC8250)，并能通過標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線完成交互控制。嵌入式CPU MPC8250集成度高，不但節(jié)省了傳統(tǒng)的PCI橋芯片、以太網(wǎng)MAC，還減少了外圍電路設(shè)計的難度和工作量。VW2010外圍的A/D、D/A等芯片可以通過MPC8250的串行I2C接口，方便地完成相應(yīng)的初始化和制式轉(zhuǎn)換。整個系統(tǒng)對電源種類要求很低，減少了對電源部分的設(shè)計壓力和成本。由于采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，并且處理器本身的指令與普通x86的處理器不同，不易被黑客及病毒攻擊，保證了整個系統(tǒng)的安全性能。該系統(tǒng)架構(gòu)如圖1。 


視頻信號先經(jīng)過視頻接收電路進(jìn)行前端處理(包括阻抗匹配、限幅和鉗位)，然后通過視頻解碼電路產(chǎn)生符合VW2010視頻接口標(biāo)準(zhǔn)的ITU656信號。視頻解碼電路的核心是一個視頻解碼芯片，該解碼芯片用于對CVBS信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和編碼，以產(chǎn)生ITU656標(biāo)準(zhǔn)的并行數(shù)字電視信號。高檔的視頻解碼器還支持圖像尺寸縮放(scaling)和幀提取(decimating)功能，如飛利浦的SAA7114、SAA7115以及Rockwell公司的BT829A等。由于VW2010的視頻輸入為ITU656/D1格式，所以只需要選擇具有基本A/D轉(zhuǎn)換和編碼功能的視頻輸入處理芯片如SAA7113即可。 


在模擬音頻信號經(jīng)過模擬音頻接收電路進(jìn)行前端處理后，便可通過音頻ADC電路產(chǎn)生符合VW2010音頻接口標(biāo)準(zhǔn)的I2S信號。 


VW2010是壓縮卡的核心處理芯片，該芯片除可完成音、視頻信號的編碼外，還可提供對解碼器和ADC的控制(通過I2S總線)，其編碼產(chǎn)生的MPEG流可通過芯片內(nèi)部集成的PCI接口輸出。VW2010的解壓操作是壓縮操作的逆過程，基本原理類似。 


在VW2010根據(jù)系統(tǒng)的配置將該音視頻信號壓縮編碼為MPEG-1、-2或-4格式的音視頻數(shù)據(jù)后，主CPU MPC8250通過PCI總線將壓縮編碼后的音視頻數(shù)據(jù)以文件的形式存入IDE接口的硬盤或CDROM-R/W中(需操作系統(tǒng)的支持)。同時，在VW2010內(nèi)部可將編碼后的音視頻數(shù)據(jù)直接解碼輸出到相應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換器中，完成對用戶的實時播放。 


硬件設(shè)計注意事項 


采用嵌入式的處理器，相對來說在電路設(shè)計方面要簡單很多，華恒科技目前提供基于MPC8250的開發(fā)平臺及參考設(shè)計，而VW2010目前有成熟的PCI編解碼卡。采用現(xiàn)成的嵌入式Linux開發(fā)平臺和音視頻編解碼卡，用戶前期僅需在外圍接口板進(jìn)行簡單的擴(kuò)展，即可快速推出產(chǎn)品樣機(jī)，減少前期開發(fā)的周期和成本。在完成前期工程樣機(jī)及相關(guān)軟件開發(fā)后，開發(fā)者可以進(jìn)一步將整個系統(tǒng)重新整合，重新設(shè)計硬件電路板。 


由于電路的復(fù)雜性，且采用了高速數(shù)字電路，加上對電磁兼容(EMC)的設(shè)計要求，設(shè)計硬件電路時需考慮以下幾點： 


1．對于處理PCI及SDRAM等控制接口的時鐘線時，要盡量使各線的長度及阻抗匹配，并要求對電路中的高速時鐘線進(jìn)行覆銅屏蔽； 


2．采用六層電路板，可以降低回路噪聲，提高電路的穩(wěn)定性； 


3．對于視頻的A/D芯片而言，應(yīng)盡量做到模擬地與數(shù)字地隔離。避免數(shù)字電路對模擬電路產(chǎn)生干擾，提高采樣的精度； 


4．對于高速的數(shù)據(jù)總線應(yīng)盡量添加排阻，以達(dá)到阻抗匹配的目的。并應(yīng)盡量減少走線長度，減小電路中電流的環(huán)路面積。 


系統(tǒng)軟件開發(fā) 


編解碼的工作已經(jīng)可以實現(xiàn)，實際音視頻碼流的采集、存儲、傳輸必須要操作系統(tǒng)來控制和完成，首先需要實現(xiàn)的是VW2010在Linux下的設(shè)備驅(qū)動程序。Linux系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，具體使用和開發(fā)這里不再贅述。目前VW2010已經(jīng)在PC平臺上有較為廣泛的應(yīng)用，相應(yīng)的廠商已經(jīng)可以提供基于Windows、Linux操作系統(tǒng)成熟的驅(qū)動支持。 


目前流行的板卡主要有這樣一些功能：水印、中文OSD疊加、時間戳疊加、Logo疊加、Mosaic遮蔽、單幀捕獲、強(qiáng)制關(guān)鍵幀輸出、動態(tài)改變壓縮幀率參數(shù)、動態(tài)調(diào)節(jié)視頻參數(shù)、動態(tài)改變幀結(jié)構(gòu)、動態(tài)檢測、雙碼流、板載加密區(qū)。一般回放庫支持文件方式播放和實時流播放，變速播放、回放抓圖、回放亮度對比度調(diào)節(jié)、動態(tài)丟幀。網(wǎng)絡(luò)庫支持UDP/TCP傳送，支持多播(MultiCast)和雙向通訊。采用現(xiàn)成的編解碼卡，無論基于PC或是嵌入式平臺上開發(fā)都需要考慮相關(guān)軟件開發(fā)工具包(SDK)的穩(wěn)定性、易用性、兼容性、功能的完整性和技術(shù)服務(wù)水平。 


除了考慮板卡的這些基本功能之外，還需要考慮的一點是板卡生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品序列是否齊全，板卡SDK是否兼容，從而保護(hù)軟件開發(fā)投入。比如說，由于國家DVR標(biāo)準(zhǔn)沒有限制壓縮標(biāo)準(zhǔn)，DVR系統(tǒng)不存在互連互通的需求，各個廠家之間的碼流格式并不兼容，因此如果有網(wǎng)絡(luò)集中監(jiān)控上電視墻的需求，一定需要壓縮板卡供應(yīng)商提供硬解碼卡，否則就很難實現(xiàn)。 


采用現(xiàn)成的編解碼卡，降低了開發(fā)DVR產(chǎn)品的門檻，但往往可能受到上游廠商技術(shù)、供貨、價格等方面的限制。在積累足夠的技術(shù)經(jīng)驗時可以考慮自主開發(fā)，如果開發(fā)商選用其他編解碼芯片，可以先調(diào)研一下相應(yīng)的芯片是否應(yīng)用成熟廣泛，相關(guān)的生產(chǎn)廠商、代理商、第三方是否可以提供足夠的支持。