機載數字視頻記錄系統的軟、硬件設計

關(guān)鍵詞：SZ1510；視頻記錄；PC104；新型飛機

機載視頻記錄系統在飛行員的日常訓練中發(fā)揮著(zhù)十分重要的作用。該系統可以實(shí)時(shí)記錄飛行器的飛行及訓練過(guò)程中的各種信息，能夠直觀(guān)、真實(shí)的反映飛行員在空中的飛行和操作情況。通過(guò)地面回放設備的回放，飛行員可以準確地把握自身的不足并及時(shí)改進(jìn)，從而提高訓練水平。但由于視頻信號數據量大，技術(shù)要求高，國產(chǎn)飛機大多沒(méi)有信息監視和記錄系統。為了提高我軍戰機的作戰性能?研制一種信息監視和記錄系統迫在眉睫。

隨著(zhù)大規模集成電路的發(fā)展，采用數字圖像壓縮技術(shù)實(shí)現高壓縮比、高質(zhì)量的圖像數字壓縮記錄系統已成為可能。數字化的記錄方法可以將視頻數據經(jīng)過(guò)壓縮記錄在大容量的存儲器上，并能有效消除噪聲、增加記錄時(shí)間、加快拷貝和復制速度，快速回放和查找，同時(shí)還可以快速地通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳送?；谝陨显?，筆者為某新型飛機研制了高性能的適于航空機載環(huán)境的數字式彩色視頻記錄系統。本記錄系統的核心芯片選用以色列Ｚｅｐａｘ公司的ＳＺ１５１０ ＭＰＥＧ－１編碼芯片。

１ 工作原理

圖１所示是本記錄系統的結構組成示意圖。整個(gè)系統由三大部分組成，即壓縮控制部分、存儲部分和電源部分三大模塊。其中壓縮部分由一路ＭＰＥＧ－１音視頻壓縮電路和控制單元ＰＣ－１０４組成，主要功能是實(shí)現對輸入音視頻信號的數字壓縮。存儲部分由大容量硬盤(pán)組成，用于完成對壓縮數據的長(cháng)時(shí)間記錄。電源部分負責對各模塊電路提供電源。

在系統啟動(dòng)時(shí)，主控計算機首先對壓縮卡進(jìn)行初始化，當設置好ＭＰＥＧ－１壓縮格式及數據速率后，壓縮卡開(kāi)始工作，并在主控計算機的控制下將壓縮后的圖像數據寫(xiě)入硬盤(pán)。在工作過(guò)程中，主控計算機還將不斷監視相關(guān)信號，并在圖像中加入相應的標志，直到接收到關(guān)機信號，系統自動(dòng)結束壓縮卡的工作，并關(guān)閉主機。

２ 系統硬件設計

整個(gè)系統的核心是以色列Ｚｅｐａｘ公司的ＳＺ１５１０ ＭＰＥＧ－１編碼芯片，它由ＰＣ１０４控制，另外，該系統還包括ＰＣＩ橋芯片ＰＬＸ９０３０以及視頻解碼芯片ＳＡＡ７１１３等。

２．１ ＳＺ１５１０芯片簡(jiǎn)介

Ｚｅｐａｘ公司的ＳＺ１５１０ＩＣ內部采用可編程的專(zhuān)業(yè)硬件體系結構，它可以高效使用存儲器，并能合理進(jìn)行資源分配。內核采用ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｃ５４Ｘ高性能ＤＳＰ來(lái)完成ＭＰＥＧ１音頻編碼、解碼以及ＣＤ格式的音／視頻流的組合，同時(shí)進(jìn)行一般的系統控制。

該芯片具有功能多、功耗小、溫度范圍寬等特點(diǎn)，其組成電路如圖２所示。它主要由運動(dòng)估計與補償單元、ＤＣＴ與反ＤＣＴ變換單元、可變長(cháng)編碼單元、控制單元、ＳＤＲＡＭ接口單元、通用總線(xiàn)接口單元組成。內部的壓縮處理完全采用流水線(xiàn)結構，開(kāi)機后只需簡(jiǎn)單的初始化即可獨立工作，同時(shí)自動(dòng)送出壓縮好的數據。外部電路的時(shí)鐘為２７ＭＨｚ，工作電壓為３．３Ｖ。

系統中的視頻壓縮有三種比特率可供選擇，其中恒定比特率需要填充冗余，最大比特率不需要填充冗余，而可變比特率的壓縮質(zhì)量比較恒定，但比特率可變。音頻壓縮部分支持３２４４．１及４８ｋＨｚ取樣率以及音頻ＰＣＭ、實(shí)時(shí)ＭＰＥＧ１２層音頻編碼等。

２．２ ＰＣ１０４計算機簡(jiǎn)介

考慮到控制單元的體積、可靠性和控制能力，可選用嵌入式計算機ＰＣ１０４作為主控單元。根據視頻壓縮的特點(diǎn)，推薦選擇安普公司的ＡｍｐｒｏＰ５Ｅ／２６６產(chǎn)品，該產(chǎn)品溫度特性好、功能強大、可靠性高、軟硬件移植方便且易于調試。

３ 軟件設計

ＳＺ１５１０共有１２８個(gè)寄存器，每個(gè)寄存器都有一個(gè)索引號。外界對這些寄存器的訪(fǎng)問(wèn)都是通過(guò)ＩＯＡＲ?Ｉ／Ｏ Ａｄｒｅｓｓ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ?和ＩＯＤＲ（Ｉ／Ｏ Ｄａｔａ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）來(lái)完成的。訪(fǎng)問(wèn)時(shí)首先將這個(gè)寄存器的索引號寫(xiě)入ＩＯＡＲ?然后將要寫(xiě)的數據寫(xiě)入ＩＯＤＲ，這樣，ＳＺ１５１０即可自動(dòng)把數據送到某個(gè)寄存器。

主機訪(fǎng)問(wèn)ＳＺ１５１０是通過(guò)ＰＬＸ９０３０進(jìn)行的。對ＰＬＸ９０３０中寄存器的訪(fǎng)問(wèn)通常是按內存方式進(jìn)行的，其方法是常規段加偏移方式。不過(guò)，它的寄存器訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)寬度有的是１６ｂｉｔｓ（如０ｘ４ｃ），有的是３２ｂｉｔｓ（如０ｘ５０），具體可參考有關(guān)文獻（５）。

３．１ 硬件初始化

對系統硬件的初始化主要是初始化ＰＬＸ９０３０和ＳＺ１５１０。ＰＬＸ９０３０的初始化比較簡(jiǎn)單，一是使能中斷，向寄存器０ｘ４ｃ中寫(xiě)入０ｘ００４１，二是對ＰＬＸ９０３０的Ｌｏｃａｌ ｂｕｓ進(jìn)行軟復位，即先將寄存器０ｘ５０的第３０位置１，再將其置０。

ＳＺ１５１０的初始化過(guò)程如下：

（１）向中斷使能寄存器寫(xiě)入０ｘ４０，以使能Ｒｅａｄｙ中斷；

（２）等待ＳＺ１５１０的Ｒｅａｄｙ中斷；

（３）等到Ｒｅａｄｙ中斷后，向ＳＺ１５１０的０ｘ１Ｅ寄存器寫(xiě)入０ｘ０Ａ，設置它內部的ＤＳＰ時(shí)鐘為９４．５ＭＨｚ；

（４）向０ｘ０１３寄存器寫(xiě)入０ｘ５５，對ＳＺ１５１０進(jìn)行軟復位；

（５） 向中斷使能寄存器０ｘ０Ｃ寫(xiě)入０ｘ４０?使能Ｒｅａｄｙ中斷；

（６） 等候ＲＤＹ中斷；

（７） 待Ｒｅａｄｙ中斷后對ＳＡＡ７１１３進(jìn)行初始化；

（８） 對ＳＺ１５１０進(jìn)行軟復位，即向０ｘ０Ｂ寄存器寫(xiě)入０ｘ５５，同時(shí)向０ｘ０Ｃ寄存器寫(xiě)入０ｘ４０；

（９） 等待Ｒｅａｄｙ中斷，等到后向ＳＺ１５１０的內部ＤＳＰ裝載二進(jìn)制代碼；

（１０）進(jìn)行ＳＺ１５１０內部視頻壓縮核的二進(jìn)制代碼裝載。

３．２ ＳＺ１５１０二進(jìn)制代碼的裝載

ＳＺ１５１０ 內部有一段程序空間，可用來(lái)裝載二進(jìn)制代碼。這段空間以塊（Ｂｌａｎｋ）為單位，每塊的大小是２５６字節。

用于視頻編碼核的二進(jìn)制代碼的裝載空間為０ｘ０００～０ｘ００４和０ｘ００ｃ等六個(gè)塊，共１．５ｋ字節代碼。具體裝載的步驟如下：

（１） 向０ｘ２Ｅ寄存器寫(xiě)０ｘ０１，表示外部的ＳＤＲＡＭ是１Ｍ１６ｂｉｔｓ；

（２） 向０ｘ０Ｃ寄存器寫(xiě)０ｘ０３，使能ＦＩＦＯ Ｒｅａｄｙ 和 Ｅｎｄ ｏｆ Ｄａｔａ中斷；

（３） 向０ｘ１１寄存器寫(xiě)０ｘ１，設定工作模式為內部?jì)却鎸?xiě)模式；

（４）向０ｘ１０寫(xiě)０ｘ２０，設定ＳＺ１５１０?下轉第１０頁(yè)?（上接第６頁(yè)）輸出數據的ＦＩＦＯ大小為２５６字節；

（５）對每塊程序空間進(jìn)行二進(jìn)制代碼裝載，具體過(guò)程如下：

●向０ｘ０８寄存器寫(xiě)０ｘ０４，發(fā)送開(kāi)始命令；

●等待Ｒｅａｄｙ中斷，清除Ｒｅａｄｙ中斷；

●向Ｄａｔａ ｉｎ寄存器０ｘ０１寫(xiě)２５６個(gè)字節；

●等待Ｅｎｄ ｏｆ Ｄａｔａ中斷，然后清除中斷；

（６）查程序空間的代碼是否裝載完畢，如沒(méi)有，回到（５）繼續裝載。

３．３ ＳＺ１５１０視頻數據的獲取

ＳＺ１５１０內部有一個(gè)２５６字節的ＦＩＦＯ。一旦該ＦＩＦＯ滿(mǎn)，即產(chǎn)生一個(gè)ＦＩＦＯ Ｒｅａｄｙ中斷，以通知主機讀?。疲桑疲现械臄祿?，然后通過(guò)２５６次讀Ｄａｔａ ｏｕｔ寄存器來(lái)完成數據傳輸。

４　注意事項

ＳＺ１５１０芯片的ＰＬＬ ＰＣＢ設計要求如下?

（１）應用設計ＥＭＩ濾波裝置以減少ＶＤＤＡ的電源噪聲。

（２）ＬＰＦ到ＳＺ１５１０的整體電路管腳長(cháng)度應當小于０．５英寸。

（３）設計ＰＣＢ時(shí)，外部ＬＰＦ應盡量接近封裝腳。

（４）ＶＤＤＡ和ＶＳＳＡ端應接０．１μＦ的旁路電容以減少噪音。