HWB-DVR數字視頻錄像機設計

摘    要：本文介紹了HWB-DVR數字視頻錄像機的整體設計思想，描述了其軟硬件的構成，對其中嵌入式CPU和編/解碼IC的工作原理做了詳細說(shuō)明。
關(guān)鍵詞：數字錄像機(DVR)；MPEG-2；MPEG-4；PS；TS

概述
HWB-DVR數字視頻錄像機是基于MPEG-1、MPEG-2/DVB、MPEG-4標準的家庭應用多媒體處理和存儲平臺，可以對模擬和數字電視信號進(jìn)行MPEG-1、MPEG-2或MPEG-4格式的編碼錄像和回放，是集機頂盒與錄像機于一體的數字化家用電器。本文就硬件和軟件兩方面說(shuō)明其設計思路。

硬件設計
由圖1可以看出DVR系統主要由兩大功能部分組成：編/解碼部分和CPU部分。
編/解碼部分的功能是將輸入的模擬音/視頻信號轉換成MPEG-1、MPEG-2或MPEG-4格式的數據流，可以將數據流進(jìn)行存儲，也可以再將其轉換成模擬音/視頻信號輸出。
編/解碼部分的核心芯片是HT2010。它是音/視頻系統數字信號編/解碼器，支持MPEG-1，MPEG-2和MPEG-4三種格式的編/解碼，并且可以在編/解碼的過(guò)程中進(jìn)行三種格式之間的轉換。HT2010具有編碼和解碼雙重功能，對數據流的編碼和解碼過(guò)程可以同時(shí)進(jìn)行。HT2010可以將數據流編/解碼成MPEG格式的TS流或PS流。
視頻信號的處理過(guò)程如圖2所示。
編/解碼部分的輸入視頻信號可以是以下兩種形式：
?復合電視信號(CVBS)
?分離電視信號(S-Video)
輸出為CVBS信號，系統可以擴展S-Video輸入/輸出。
輸入的模擬視頻信號通過(guò)視頻ADC，將模擬的視頻信號解碼成ITU-656格式的視頻數據流，該視頻數據流經(jīng)過(guò)HT2010芯片編碼后可以轉換成MPEG-1、MPEG-2或MPEG-4格式的數據流，將這種格式的數據流輸入到硬盤(pán)中存儲起來(lái)，就完成了DVR的存儲功能。硬盤(pán)存儲的編碼后的MPEG數據流經(jīng)過(guò)HT2010解碼后，輸出ITU-656格式的視頻數據流到視頻DAC，經(jīng)轉換后輸出CVBS信號和S-Video信號。通過(guò)DVR的視頻輸出端子將電視信號連接到電視機上，就完成了DVR的播放功能。如果同時(shí)進(jìn)行以上兩個(gè)過(guò)程，就完成了DVR的同時(shí)錄播功能。
音頻信號的處理過(guò)程與視頻處理過(guò)程類(lèi)似：輸入的音頻信號經(jīng)過(guò)音頻ADC轉換成數字的音頻信號，再經(jīng)過(guò)HT2010編碼成MPEG格式。MPEG格式的音頻信號經(jīng)過(guò)音頻DAC轉換成模擬音頻輸出。DVR支持音/視頻同步采集、處理。
HT2010提供了標準PCI接口，可以通過(guò)PCI總線(xiàn)與 CPU進(jìn)行數據交換。主控制芯片采用嵌入式x86 CPU，它集成了32位PCI總線(xiàn)控制器、支持多種類(lèi)型的外部存儲器接口、2個(gè)USB1.1控制器、10/100Mbps自適應以太網(wǎng)控制器、串口通信控制器，以及直接訪(fǎng)問(wèn)存儲控制器、時(shí)鐘發(fā)生器、電源管理器、中斷控制器和通用I/O端口等大量外圍模塊。CPU通過(guò)I2C接口與系統的其它芯片進(jìn)行數據傳送，發(fā)送命令。
通過(guò)HT2010編/解碼后的數據流通過(guò)PCI總線(xiàn)與CPU進(jìn)行數據交換，可以將數據通過(guò)CPU送到硬盤(pán)中存儲起來(lái)。通過(guò)CPU提供的外圍接口，DVR可以與多種設備進(jìn)行連接，用戶(hù)可以通過(guò)USB接口、串行接口等外部接口來(lái)獲得硬盤(pán)中存儲的節目信息。用戶(hù)還可以通過(guò)外部接口與攝像機連接，這樣攝像機錄制的節目就通過(guò)DVR存儲起來(lái)，也可以通過(guò)DVR進(jìn)行播放。用戶(hù)還可以通過(guò)通用I/O端口與計算機連接，還可以通過(guò)以太網(wǎng)接口與Internet網(wǎng)絡(luò )連接，實(shí)現遠程控制。在本DVR系統中預留了這些接口用于將來(lái)系統擴展。

系統軟件設計
軟件總體設計
DVR系統軟件依據模塊化、功能化、可擴展性原則設計，整體使用的4層體系結構如圖3所示。各模塊和硬件的關(guān)系如圖4所示。
PCI驅動(dòng)程序
核心CPU和編/解碼IC之間使用PCI總線(xiàn)通信，PCI驅動(dòng)程序實(shí)現編/解碼IC與操作系統內核的數據通信及控制。PCI驅動(dòng)程序設計的優(yōu)化關(guān)系到系統運行的可靠程度。PCI驅動(dòng)程序以模塊方式設計，便于加載與調試。PCI驅動(dòng)程序的設計分為兩個(gè)過(guò)程：1. 模塊加載過(guò)程。操作系統通過(guò)運行insmod命令加載驅動(dòng)程序，驅動(dòng)程序通過(guò)一系列過(guò)程完成對設備的初始化和系統資源分配。應用程序調用分配的資源控制設備正常工作。2. 設備卸載過(guò)程。操作系統通過(guò)調用rmmod命令卸載驅動(dòng)程序。驅動(dòng)程序釋放系統資源，解除系統對硬件的控制。工作流程如圖5所示。
PCI驅動(dòng)程序中主要實(shí)現以下內容：
static int card_open(struct inode *, struct file *);
static int card_close(struct inode *, struct file *);
static int card_ioctl(struct inode *, struct file *, u_int, u_long);
static void card_isr(int, void *, struct pt_regs *);
其中，card_open實(shí)現打開(kāi)PCI設備，增加訪(fǎng)問(wèn)計數，為讀寫(xiě)設備做準備工作。Card_close實(shí)現關(guān)閉設備的功能，釋放訪(fǎng)問(wèn)計數，并將設備狀態(tài)標志標記為關(guān)閉狀態(tài)。Card_ioctl實(shí)現對PCI設備的基本控制，主要包括讀設備、寫(xiě)設備、設置設備工作參數等。Card_isr實(shí)現PCI設備的中斷處理，數據發(fā)送完成或數據接收就緒時(shí)都將引發(fā)中斷并調用該函數。因為中斷的調用速度很快，該函數的調用效率要求很高。
數據在用戶(hù)空間與內核空間中的傳遞采用iobuffer機制，使用map_user_kiobuf將用戶(hù)空間內存映射到內核空間，實(shí)現數據在用戶(hù)空間與內核空間中的共享訪(fǎng)問(wèn)，這一方法避免了數據在用戶(hù)空間與內核空間中的復制，從而提高了系統運行的速度。

結語(yǔ)
基于本方案設計的《數字視頻錄像機》項目已通過(guò)了國家廣播電影電視總局科技司組織的技術(shù)鑒定。
由于HWB-DVR數字視頻錄像機控制方便、存儲容量可以很大、工作穩定可靠，因此數字錄像機的應用相當廣泛。
首先，數字錄像機可以全面替代傳統模擬錄像機的功能，在傳統的電視節目制作中，對模擬節目進(jìn)行錄制、存儲，并可以方便快速地進(jìn)行節目搜索；另外還可以接收數字電視系統傳送的數字電視節目，根據需要進(jìn)行節目錄制，并且可以根據對節目質(zhì)量要求的不同采用不同的數字壓縮方式。數字錄像機既可用于廣播級電視前端，也可以為廣大消費者所用。
在民用監控項目，如閉路電視設備中，數字錄像機可以作為中心監視設備，存儲各攝像頭傳來(lái)的圖象進(jìn)行編碼，并根據需要將信號傳送到遠端控制中心。
另外，數字錄像機可以作為VCD、DVD的節目制作工具，數字錄像機帶上刻錄接口設備可以分別制作VCD、DVD光盤(pán)節目?！?/p>

參考文獻
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