淺談嵌入式網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器的設計

　　嵌入式網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器是一種提供網(wǎng)絡(luò )視頻傳輸和共享的嵌入式設備，是為構建高可靠性的多媒體數字監控系統而設計開(kāi)發(fā)的，數字監控系統是指通過(guò)軟硬件將監控頭采集到的圖像處理成數字信號，傳送到電腦進(jìn)行處理。對于數字監控系統，根據系統各部分功能的不同，我們將整個(gè)數字監控系統劃分為七層——表現層、控制層、處理層、傳輸層、執行層、支撐層、采集層。當然，由于設備集成化越來(lái)越高，對于部分系統而言，某些設備可能會(huì )同時(shí)以多個(gè)層的身份存在于系統中?？刂茖邮钦麄€(gè)安防監控系統的核心，它是系統科技水平的最明確體現。通常我們的控制方式有兩種——模擬控制和數字控制。模擬控制是早期的控制方式，其控制臺通常由控制器或者模擬控制矩陣構成，適用于小型局部安防監控系統，這種控制方式成本較低，故障率較小。但對于中大型安防監控系統而言，這種方式就顯得操作復雜且無(wú)任何價(jià)格優(yōu)勢了，這時(shí)我們更為明智的選擇應該是數字控制。

　　1 系統組成與工作原理

　　網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器系統又叫數字視頻編碼器，是一種壓縮、處理音視頻數據的專(zhuān)業(yè)網(wǎng)絡(luò )傳輸設備，由音視頻壓縮編解碼器芯片、輸入輸出通道、網(wǎng)絡(luò )接口、音視頻接口、RS485串行接口控制、協(xié)議接口控制、系統軟件管理等構成，主要是提供視頻壓縮或解壓功能，完成圖象數據的采集或復原等，目前比較流行的基于 MPEG-4或H.264的圖像數據壓縮通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò )傳輸數據以及音頻數據的處理。網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器在目前視頻領(lǐng)域中的應用主要是利用網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器構建遠程監控系統?；诰W(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器的多通道數字傳播技術(shù)具有傳統的基于磁帶錄像機的模擬輸出系統無(wú)可比擬的諸多優(yōu)勢，網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器采用開(kāi)放式軟硬件平臺和標準或通用接口協(xié)議，系統擴展能力較強，能夠與未來(lái)全數字、網(wǎng)絡(luò )化、系統化、多通道資源共享等體系相銜接。

　　 圖1 系統框圖 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(gè)內置微控制器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(huà)面縮放、顏色數據格式變換、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(wú)需其它附加電路。MPC860T對AT2042的控制和訪(fǎng)問(wèn)可通過(guò)AT2042的狀態(tài)寄存器和命令寄存器以及四個(gè)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(shí)現情況如下：CPU通過(guò)命令寄存器來(lái)控制內置微控制器ARM946E的操作狀態(tài)；通過(guò)狀態(tài)寄存器來(lái)檢查 AT2042內部各個(gè)FIFO的操作狀態(tài)；通過(guò)接收隊列給AT2042發(fā)送各種配置參數，以及所有內置微控制器ARM946E所需要的相關(guān)參數；通過(guò)復用隊列將壓縮編碼后的比特流讀出。

　　3網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊

　　3.1 MPC860T最小系統設計

　　MPC860T是Motorola公司的高性能的32位PowerPC嵌入式處理器，有三個(gè)主要的功能模塊：嵌入式的PowerPC內核、RISC通信處理模塊（CPM）和系統接口單元（SIU）。MPC860有兩個(gè)CPU：PowerPC和32位RISC。PowerPC執行高層代碼，RISC處理實(shí)際通信的低層功能，2個(gè)處理機互相配合工作。這種雙處理器構架，分擔了主CPU的工作量，提高了處理效率，同時(shí)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最小系統如圖3所示。

　　3.1.1 電源

　　電源作為一個(gè)系統的能量提供者，在整個(gè)系統設計中成為必不可少且至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節。MPC860T的工作電壓為3.3V，需提供一個(gè)3.3V/1A的直流穩壓電源給CPU及外圍電路。

　　3.1.2 時(shí)鐘電路

　　MPC860時(shí)鐘系統為所有片上或片外設備提供不同的時(shí)鐘。MPC86OT一共有兩個(gè)參考時(shí)鐘源，一個(gè)是其工作頻率的晶振，連接EXTCLK腳，一個(gè)是 32KHz的晶體，連接EXTAL和XTAL腳。設計中，兩個(gè)外部時(shí)鐘源都用到了。EXTCLK外接一個(gè)5MHz的晶體振蕩器作為SPLL的參考時(shí)鐘源，在EXTAL和XTAL之間接一個(gè)32.768KHz的晶體作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘的參考時(shí)鐘源。

　　3.1.3 復位模塊

　　MPC860T包括上電復位、外部硬復位、內部硬復位、JTAG 復位、外部軟復位和內部軟復位。復位電路采用MAX811T來(lái)實(shí)現。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(dòng)按下按鍵連接芯片/OE控制三態(tài)門(mén)的輸出使能時(shí)，低電平輸出到/HRESET或/SRESET，MPC860T響應復位動(dòng)作。正常狀態(tài)下，輸出呈現高阻狀態(tài)。

　　3.1.4 存儲系統設計

　　MPC860T的存儲控制器最多可以控制8個(gè)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，FLASH，DRAM，SDRAM等設備的無(wú)縫連接。GPCM提供與 EPROM，SRAM，Flash以及其他的外設的無(wú)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(xiě)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在嵌入式系統和 Windows系統中的不同其實(shí)運行與PC機上的windows或linux系統也是有BSP的。只是PC機均采用統一的X86體系架構，這樣一定操作系統的BSP相對x86架構是單一確定的，不需要做任何修改就可以很容易支持OS在x86上正常運行，所以在PC機上談?wù)揃SP這個(gè)概念也沒(méi)什么意義了。而對嵌入式系統來(lái)說(shuō)情況則完全不同，目前市場(chǎng)上多種結構的嵌入式CPU（RISC）并存（PPC，ARM，MIPS…），為了性能的需要，外圍設備也會(huì )有不同的選擇和定義。一個(gè)嵌入式操作系統針對不同的CPU，會(huì )有不同的BSP，即使同一種CPU，由于外設的一點(diǎn)差別（如外部擴展DRAM的大小，類(lèi)型改變），BSP相應的部分也不一樣。

　　考慮存儲容量、功耗等因素，數據存儲器多選高速動(dòng)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，總容量為64Mbit，采用3.3V供電，支持的最高頻率為133MHz。由于其數據總線(xiàn)為16位，因此系統選用兩片并聯(lián)構成32位。SDRAM 與MPC860T的連接框圖如圖4所示。

　　圖4 SDRAM與MPC860T的連接框圖

　　SDRAM的CLK信號由MPC860T的輸出時(shí)鐘CLKOUT驅動(dòng)，/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(xiàn)圖中未畫(huà)出），因為MPC860T的GPLAO可以通過(guò)編程實(shí)現控制信號與地址信號的復用。MT48LC4M16A2內部有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?jì)H有12條地址信號A0～A11。這就需要對UPM對地址進(jìn)行復用。MPC860T支持內部地址復用，可以通過(guò)UPM的RAM字中的AMX位進(jìn)行配置，同時(shí)將OR寄存器中的SAM位同時(shí)進(jìn)行配置。

　　3.2 網(wǎng)絡(luò )接口

　　經(jīng)壓縮的視頻流由MPC860T封裝成IP包后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )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造一個(gè)10/100M以太網(wǎng)接口，由此實(shí)現上述功能。

　　4 系統的軟件設計

　　軟件設計包括：VxWorks操作系統的內核生成和VxWorks下驅動(dòng)程序與應用程序的開(kāi)發(fā)。VxWorks是美國Wind River System公司推出的嵌入式實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)環(huán)境，它是專(zhuān)門(mén)為嵌入式系統設計開(kāi)發(fā)的可裁減、高性能的操作系統。為了發(fā)揮VxWorks的功能并設計出可靠、高效的嵌入式系統，還用到Tornado集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。TornadoII就是Wind River公司推出的為了開(kāi)發(fā)VxWorks應用系統提供的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供一種有效的方式開(kāi)發(fā)嵌入式實(shí)時(shí)應用程序，同時(shí)對目標機系統的影響做到最小。

　　圖5 軟件結構框圖

　　本系統中軟件的架構如圖5所示，主要包括：1）硬件底層驅動(dòng)程序，包括BSP的開(kāi)發(fā)、操作系統的裁剪和移植、文件系統的開(kāi)發(fā)和應用等。設備驅動(dòng)程序是直接控制設備操作的程序，也是設備上層的一個(gè)軟件接口，功能是對I/O進(jìn)行操作。只要系統訪(fǎng)問(wèn)設備就會(huì )調用驅動(dòng)，從這一點(diǎn)可以看出，驅動(dòng)程序不能自動(dòng)執行，只能被系統或應用程序調用。設備驅動(dòng)程序通常包含六個(gè)主要功能：對設備進(jìn)行初始化、打開(kāi)設備操作、關(guān)閉設備操作、從設備上接收數據并提交給系統、把數據從主機上發(fā)送給設備和對設備進(jìn)行控制操作。2）應用程序的設計，它包括以下三個(gè)模塊：TVP5150的數據采集、視頻編碼、數據的網(wǎng)絡(luò )功能。其中 TVP5150的數據采集模塊包括對TVP5150初始化，工作參數和反饋狀態(tài)信息的設置等。視頻解碼模塊除了完成對AT2042的驅動(dòng)，還為上層應用提供配置管理接口。網(wǎng)絡(luò )功能模塊包括音視頻編碼數據的網(wǎng)絡(luò )傳輸和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)功能等子模塊。

　　結束語(yǔ)

　　本文作者創(chuàng )新點(diǎn)是采用MCU+CODEC的硬件結構，較其他的采用DSP單芯片的系統，具有系統集成度高，體積小、功耗低、性能穩定等優(yōu)點(diǎn)。并且，作為MCU的MPC860T內部集成有FEC，使硬件設計更簡(jiǎn)單。同時(shí)， VxWorks嵌入式操作系統的采用使系統具有很好的實(shí)時(shí)性。