基于A(yíng)DSP-BF561的多媒體調度終端

摘要：現代調度指揮系統正在企業(yè)逐步普及，如何利用原有調度設備和網(wǎng)絡(luò )平滑升級是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題，使用多媒體調度終端是一個(gè)較好的解決方案。介紹了整機硬件電路組成和工作原理，給出了軟件層次架構，說(shuō)明了采用的關(guān)鍵技術(shù)。本終端無(wú)須改變現有網(wǎng)絡(luò )結構和增添額外設備，即可高效率、高質(zhì)量的傳送調度指揮信號。

關(guān)鍵詞：調度系統;多媒體通信;視頻編解碼

調度指揮是安全生產(chǎn)管理中不可缺少的環(huán)節，傳統調度指揮是基于語(yǔ)音信號傳送，而現代調度指揮必須是基于多媒體信號傳送。為配合完成現代調度指揮，適應安全生產(chǎn)管理形勢發(fā)展的新要求，需開(kāi)發(fā)研制新一代多媒體調度指揮系統和終端。

多媒體調度指揮系統是指在保留傳統調度機調度功能的基礎上，實(shí)現語(yǔ)音指揮、數據傳送、視頻會(huì )議、視頻監控等多媒體方式的操作功能。無(wú)論在功能方面還是在擴容性方面，均具有傳統調度系統無(wú)法比擬的先進(jìn)性，整個(gè)系統未來(lái)還可以向下一代通信網(wǎng)絡(luò )(NGN)進(jìn)行平滑過(guò)渡，最終實(shí)現融合調度指揮系統。

1 調度技術(shù)發(fā)展現狀

傳統調度方式是基于PSTN話(huà)音網(wǎng)，以TDM電路交換為主，只能提供64k業(yè)務(wù)，并且業(yè)務(wù)和控制都由數字程控交換機完成。目前，這種傳統調度方式還在各個(gè)行業(yè)的調度領(lǐng)域中廣泛應用。但是，隨著(zhù)行業(yè)信息化程度的不斷提高，用戶(hù)對業(yè)務(wù)的需求已不再局限于基本的語(yǔ)音和低速的數據業(yè)務(wù)，用戶(hù)希望可以通過(guò)各種終端，在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間都能夠實(shí)現高速接入方式，享受個(gè)性化、多媒體、綜合性的業(yè)務(wù)服務(wù)。因此，各行各業(yè)均已開(kāi)始對傳統PSTN調度設備進(jìn)行更新改造。少部分對信息化需求較為迫切的企業(yè)，已經(jīng)開(kāi)始將PSTN設備全部更換，直接采用基于IP網(wǎng)絡(luò )的融合調度方式;但大部分資金尚不充裕的企業(yè)，則采用逐步替代策略，即適當增加新技術(shù)設備，同時(shí)利用原有網(wǎng)絡(luò )與設備，實(shí)現多媒體調度方式。

多媒體調度方式不但支持傳統的電話(huà)呼叫和會(huì )議等語(yǔ)音通信方式，還可以通過(guò)系統向終端發(fā)布指令消息，并能夠通過(guò)攝像頭、電子眼等各種專(zhuān)用終端實(shí)現視頻和圖片的采集，同時(shí)實(shí)現數據的上傳和下載，解決了以往調度過(guò)程中的“只聞其聲，未見(jiàn)其人”的問(wèn)題，使調度指揮員能夠實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)現場(chǎng)的第一手資料，并可以根據現場(chǎng)視頻、采樣數據等進(jìn)行準確的判斷并做出決策。此外，通過(guò)多媒體調度方式，用戶(hù)還可以將各種業(yè)務(wù)運營(yíng)軟件系統與多媒體調度指揮系統對接，實(shí)現數據自動(dòng)處理，并能夠根據預案自動(dòng)進(jìn)行調度信息發(fā)布。多媒體調度指揮系統還可以根據需要，通過(guò)數據采集器連接各種傳感器、控制器等設備，實(shí)現指揮控制的自動(dòng)化。

由于多媒體調度是基于IP網(wǎng)絡(luò )，這就具備了與各種通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行融合的條件。因此，多媒體調度系統可逐步實(shí)現與IP、PSTN、GSM、3G、WiFi、模擬集群，數字集群等多種通信網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫融合，保證用戶(hù)在復雜環(huán)境下的通信通暢。實(shí)現融合調度通信，除了需要具備較強的技術(shù)實(shí)力之外，多種通信設備和產(chǎn)品之間的融合也較為重要。因此，對供應商的產(chǎn)品提出了更高要求。由于整體方案的復雜性，而且供應商需要

根據行業(yè)客戶(hù)的實(shí)際需求進(jìn)行定制研發(fā)，包括軟件系統的對接等方面。因此，目前真正意義上具備融合調度通信能力的企事業(yè)單位還較少。

多媒體調度指揮系統中使用的關(guān)鍵設備主要是多媒體調度終端，它采用先進(jìn)的數字信號處理器技術(shù)，包括視頻的編碼、解碼以及圖像顯示、語(yǔ)音傳輸等全部實(shí)行數字化處理。傳統調度方式中，用戶(hù)桌面一般要放置兩個(gè)終端設備，一個(gè)是電話(huà)機，用于連接語(yǔ)音調度指揮系統;另一個(gè)是視頻監控電腦，用于連接視頻監控系統。本文提出的多媒體調度終端可以取代這兩個(gè)設備，利用現有電話(huà)線(xiàn)和網(wǎng)線(xiàn)，實(shí)時(shí)傳送語(yǔ)音信號、數據信號和視頻信號，能夠高效、高質(zhì)量地完成安全生產(chǎn)應急管理的調度指揮。

2 硬件電路組成

多媒體調度終端的整機電路分為采集單元、顯示單元、語(yǔ)音單元、網(wǎng)絡(luò )單元和電源單元五部分，如圖1所示。采集單元用于音視頻信號的采集、數字化壓縮編碼，包括攝像頭、視頻采集板和數字圖像編碼板等電路和器件;顯示單元用于視頻信號的還原和顯示，包括LCD顯示屏、顯示板、數字圖像解碼板等電路和器件;語(yǔ)音單元用于雙向和多方通話(huà)，包括語(yǔ)音板、咪頭、揚聲器、手柄、鍵盤(pán)等話(huà)機電路和器件;網(wǎng)絡(luò )單元包含1個(gè)以太網(wǎng)交換機，以及1個(gè)外部網(wǎng)口和2個(gè)內部網(wǎng)口，工作在全雙工方式，能同時(shí)連通多對端口，使每一對相互通信的端口都能象獨占通信媒體那樣無(wú)沖突地傳輸數據;電源單元用于向各單元電路分配電源，包括電源分配、電源控制等電路。

語(yǔ)音信息經(jīng)語(yǔ)音單元抽樣、量化、編碼后，通過(guò)電話(huà)線(xiàn)傳送到數字程控交換機，同時(shí)送到數字圖像編碼板?，F場(chǎng)視頻信息由攝像頭采集，與語(yǔ)音信息一同經(jīng)數字化壓縮編碼后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口以IP包形式傳送到調度中心的視頻服務(wù)器。在反方向，來(lái)自視頻服務(wù)器的IP包經(jīng)網(wǎng)絡(luò )接口送至數字圖像解碼板進(jìn)行解壓縮，變成模擬視頻信號后，再送到LCD顯示屏進(jìn)行圖像顯示。由此可以實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)視頻通話(huà)、點(diǎn)對點(diǎn)監控、多組多點(diǎn)視頻會(huì )議等功能。

在多媒體調度系統中，語(yǔ)音信號與視頻信號是分離的，走不同的通道。語(yǔ)音信號走電話(huà)線(xiàn)，進(jìn)入調度指揮系統的電話(huà)交換主機，在電話(huà)交換主機內進(jìn)行語(yǔ)音交換和多方會(huì )議的混音;視頻和數據信號走IP網(wǎng)絡(luò )，在多媒體調度系統的視頻服務(wù)器中進(jìn)行數據交換。另外，在多媒體調度終端內，語(yǔ)音和視頻信號是同時(shí)壓縮和編碼的，編碼后的數據在視頻服務(wù)器內可進(jìn)行錄音錄像。這種方式是多媒體調度系統和本終端的重要特點(diǎn)，它既保證了多媒體調度系統內語(yǔ)音的質(zhì)量和連續性，又保證了視頻流和傳感器數據的大數據傳輸。

3 軟件層次架構

本終端電路參照H.323框架性標準，采用IP、TCP/UDP、RTP、RTCP、H.264等協(xié)議族。

網(wǎng)絡(luò )層采用IP協(xié)議，負責兩個(gè)終端之間的數據傳輸，由于采用無(wú)連接的數據包，網(wǎng)絡(luò )將根據IP地址把數據送到對方，但不保證傳輸的準確性。

在IP上層的傳輸控制協(xié)議TCP能保證數據可靠傳送，發(fā)現誤碼就重新發(fā)送，因此，對誤碼率要求高的數據傳送可以采用TCP協(xié)議，但在實(shí)時(shí)性要求較高的應用場(chǎng)合，則不適用;此時(shí)，應使用用戶(hù)數據報協(xié)議UDP。UDP采取了無(wú)連接傳輸方式，它的協(xié)議簡(jiǎn)單，可以用于音視頻的實(shí)時(shí)信息流。因為較少的等待時(shí)間對實(shí)時(shí)信息傳輸而言，比誤碼糾正更為重要，因此，傳輸時(shí)如果有誤碼，則把該包丟掉，對實(shí)時(shí)音視頻而言，丟掉少量帶有錯誤的信息包并不影響視聽(tīng)的效果;另外，每個(gè)UDP包均加上一個(gè)包含時(shí)標和序號的報頭，在接收端配以適當的緩沖，那么它就可以利用時(shí)標和序號信息“復原、再生”數據包，記錄失序包，同步語(yǔ)音、圖像和數據，從而改善接收端連續重放效果。

實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP在UTP的上層，相當于會(huì )話(huà)層，提供同步和排序服務(wù)，對網(wǎng)絡(luò )的帶寬、時(shí)延、差錯有一定的自適應性，其數據包頭中包含一些控制信息，以保證實(shí)時(shí)的數據傳送。

RTP上面的實(shí)時(shí)控制協(xié)議RTCP主要用于監視帶寬和延時(shí)，它定期將包含服務(wù)質(zhì)量信息的控制信息包分發(fā)給所有通信節點(diǎn)。一旦所傳送的多媒體信息流的帶寬發(fā)生變化，接收端立即通知發(fā)送端，改變識別碼和編碼參數。

視頻信息的編解碼采用H.264標準。H.264是一種高性能的視頻編解碼技術(shù)，其編碼算法具有非常高的編碼效率，在相同圖像質(zhì)量條件下，能夠比H.263/MPEG-2節約50%左右的碼率，并且能夠在低碼率情況下提供連續、流暢的高質(zhì)量圖像;此外，網(wǎng)絡(luò )適應性強，可在不同網(wǎng)絡(luò )上傳輸。H.264的編解碼流程主要包括5個(gè)部分：幀間和幀內預測、變換和反變換、量化和反量化、環(huán)路濾波、熵編碼。

4 關(guān)鍵技術(shù)

多媒體調度終端中采用的關(guān)鍵技術(shù)主要體現在數字圖像編碼板和解碼板上。數字圖像編碼板的電路原理如圖2所示，其中包括數字信號處理器、視頻解碼器、音頻解碼器、以太網(wǎng)控制器、網(wǎng)絡(luò )隔離變壓器、FLASH存儲器、DRAM存儲器、開(kāi)關(guān)型穩壓電源等;數字圖像解碼板的電路原理基本同圖2所示，只是其中沒(méi)有音頻解碼器，而且視頻解碼器替換為視頻編碼器(SAA7121)。下面重點(diǎn)介紹數字圖像編碼板電路。

4.1 數字信號處理器

數字圖像編碼板電路中的核心器件是數字信號處理器，即DSP。這里選用Blaekfin產(chǎn)品家族中的ADSP BF561處理器作為DSP，該器件內部包括兩個(gè)獨立的處理器核，每個(gè)處理器核包含有2個(gè)16位MAC，2個(gè)40位ALU，4個(gè)8位視頻ALU，以及1個(gè)40位移位器。

ADSP BF561的雙核處理器相互獨立，因此，設計時(shí)可以根據應用分配兩個(gè)處理器內核的任務(wù)，而且兩個(gè)內核在執行指令上是相同的。兩個(gè)處理器內核可以分別用于運行嵌入式操作系統和信號處理。

ADSP BF561把存儲器視為一個(gè)統一的4GB地址空間，使用32位地址。所有資源，包括內部存儲器、外部存儲器和I/O控制寄存器，都占據公共地址空間的各自獨立的部分。此地址空間的各部分存儲器按分級結構排列，以提供高的性能價(jià)格比。內部存儲器分為L(cháng)1和L2兩部分，通過(guò)外部總線(xiàn)接口單元(EBIU)，外部存儲器可以由FLASH、DRAM和SRAM進(jìn)行擴展，可以訪(fǎng)問(wèn)多達768MB的物理存儲器。存儲器的DMA控制器提供高帶寬的數據傳輸能力，能夠在內部L1/L2和外部存儲器空間之間完成代碼或數據的塊傳輸。

ADSP BF561接口方便、功能強大，并具有易于控制的兩個(gè)視頻輸入/輸出口，可支持ITU—R656視頻數據格式，同時(shí)包含有可方便使用的DMA控制器和UART接口，以及數量眾多的GPIO。

ADSP BF561提供可直接與并行A/D和D/A轉換器、視頻編碼器和解碼器以及其它通用外設連接的并行接口(PPI)。PPI包括1個(gè)專(zhuān)用時(shí)鐘引腳、多達3個(gè)幀同步引腳和多達16個(gè)數據引腳。在ITU—R656視頻數據格式下，PPI提供8或10位視頻數據的半雙工、雙向傳輸。

ADSP BF561除了包含滿(mǎn)足典型系統的外設接口外，還包含用于各種音頻、視頻和調制解調編解碼功能的高速串行和并行端口。ADSPBF561提供的用于高端消費類(lèi)音頻產(chǎn)品的串口(SPORT)具有兩個(gè)發(fā)送和接收通道，以支持I2S數據格式。本電路中利用SPORT實(shí)現DSP與語(yǔ)音板的通信。

4.2 視頻解碼器

在數字圖像編碼板電路中，從視頻采集板傳送過(guò)來(lái)的模擬視頻信號需轉換成為符合ITU—R656標準的數字信號(即A/D解碼)，才可方便地利用DSP來(lái)進(jìn)行數字信號壓縮處理。本電路采用美國TI公司的超低功耗TVP5150芯片來(lái)對模擬視頻信號進(jìn)行A/D轉換。

TVP5150是一顆使用簡(jiǎn)易、超低功耗、封裝極小的數字視頻解碼器。使用單一14.31818MHz時(shí)鐘就可以實(shí)現PAL/NTSC/SECAM等多種制式的解碼，可以接收兩路復合視頻信號(CVBS)或一路S—Video信號。通過(guò)單片機I2C總線(xiàn)設置內部寄存器，調整圖像參數(如色調、對比度、亮度、飽和度和銳度等)，選擇信號AIP1A和AIP1B輸入到內部;AGC電路使得芯片可以支持最高1.5 Vp—p的信號電壓，并使輸入信號達到ADC的最大量程，9位的ADC按內部PLL時(shí)鐘輸出像素數據;轉換后的數字信號經(jīng)過(guò)梳狀濾波器進(jìn)行Y、C分離，再進(jìn)一步分離成U、V信號，最終經(jīng)過(guò)格式轉換輸出符合ITU—R656標準的、內嵌同步信號的8位數字視頻信號。

4.3 音頻解碼器

音頻解碼器AIC23B主要完成模擬信號采集、濾波、A/D轉換等功能。AIC23B是美國TI公司推出的一款高性能的立體聲音頻編解碼芯片，支持MIC和LINE IN兩種輸入方式，且對輸入和輸出都具有可編程增益調節。AIC23B采用先進(jìn)的Sigma—delta過(guò)采樣技術(shù)，可在8K到96K頻率范圍內提供16 bit、20 bit、24 bit和32 bit的采樣，內部ADC和DAC的輸比出信噪比分別可以達到90 dB和100 dB。

AIC23B具有11個(gè)可編程控制的寄存器，通過(guò)不同的設置，可以改變芯片的工作狀態(tài)。AIC23B與DSP的接口有兩個(gè)：一個(gè)是控制口，用來(lái)設置芯片的工作狀態(tài);另一個(gè)是數據口，用來(lái)傳輸A/D轉換后的數據以及等待D/A轉換的數據?？刂平涌诰哂袃煞N工作方式，分別為3線(xiàn)制的SPI方式和2線(xiàn)制的I2C方式，由MODE引腳進(jìn)行選擇：當MODE=0時(shí)選擇I2C工作方式，當MODE=1時(shí)選擇SPI工作方式，本電路采用I2C方式。AIC2 3B的數據接口有4種工作方式，分別為左對齊模式、右對齊模式、J2S模式和DSP模式，本電路采用DSP模式。

5 結束語(yǔ)

本終端基于現有的語(yǔ)音調度交換網(wǎng)絡(luò )設計，無(wú)須改變現有網(wǎng)絡(luò )結構，語(yǔ)音信號保持在現有的電路交換網(wǎng)絡(luò )上，在保證不損失現有調度功能的同時(shí)，通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)附加提供清晰流暢的視頻圖像。視頻調度功能內置于本終端，無(wú)須外掛額外的設備就可以完成點(diǎn)對點(diǎn)的視頻通信。帶寬要求低，采用H.264視頻編解碼技術(shù)，針對視頻傳輸同步進(jìn)行優(yōu)化，確保了在各種帶寬環(huán)境下給用戶(hù)提供高清晰、全動(dòng)態(tài)、全實(shí)時(shí)的圖像。本終端已實(shí)際應用于一些大型冶金企業(yè)。