基于PCI的視頻編碼卡的設計與實(shí)現

　　1 前言

　　隨著(zhù)通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展，人們的觀(guān)念也緊跟著(zhù)時(shí)代的步伐，把自己融入了網(wǎng)絡(luò )時(shí)代。例如查看信息，監控，交流等無(wú)不使用網(wǎng)絡(luò )。雖說(shuō)網(wǎng)絡(luò )給我們帶來(lái)了很大的信息流，但隨著(zhù)人們生活節奏的加快，對傳輸率的要求越來(lái)越高，特別是實(shí)時(shí)傳輸的時(shí)候。通過(guò)用MPEG4視音頻編解碼技術(shù)，衛星互聯(lián)網(wǎng)播送技術(shù)解決了這方面的問(wèn)題，使得數字視頻廣播圖像分辨率達192×144×25FPS(PAL)/384×288×25FPS(PAL)，圖像和屏幕發(fā)送通過(guò)衛星信道，平均碼流量小于384K;文字消息數據、外交互通過(guò)Web走公網(wǎng)，平均碼流量小于56K，實(shí)現了點(diǎn)對點(diǎn)、多點(diǎn)即時(shí)播送和同步互動(dòng)，深得廣大用戶(hù)的好評。為企業(yè)、政府機構、組織、和網(wǎng)絡(luò )醫院、網(wǎng)絡(luò )學(xué)校提供一種高效、直觀(guān)、貼切、實(shí)用的工具，同時(shí)可實(shí)現個(gè)人可視化交流。

　　數字視頻信號同模擬視頻信號相比，有不可比擬的優(yōu)勢。視頻信號的數字編碼壓縮是有代價(jià)的，壓縮成本的高低，決定系統的成本。只有在單片視頻編碼芯片出現后，數字視頻監控才進(jìn)入實(shí)用化階段。為了滿(mǎn)足數字視頻監控應用需求的多樣性要求，采用SOC技術(shù)的視頻處理器(VIDEO PROCESSOR，有的也叫DSP)將在數字視頻監控產(chǎn)品中占據主流。在監控應用中，視頻圖象數字化是實(shí)時(shí)編碼壓縮的，這完全不同于VCD和DVD節目的制作(VCD和DVD節目的制作可以花費數十倍、甚至數百倍的時(shí)間進(jìn)行編碼壓縮)。由于MPEG4的巨大優(yōu)點(diǎn)為利用圖像測控和圖像處理實(shí)施安全檢查和安全防范提供了新的技術(shù)途徑。數字視頻監控錄像系統的特點(diǎn)：重放圖像質(zhì)量好，永不失真;視頻文件檢索方便，便于檢查管理、遠程傳輸或進(jìn)一步的圖像處理，提高了圖像資料的可用率;多畫(huà)面處理功能，錄像功能及控制功能集成一體，設備量少，可靠性強，便于維護。

　　2 系統的總體框架

　　Vweb公司的Vweb2010支持PCI接口卡的形式，系統的程序保存在母板的硬盤(pán)或者內存中，通過(guò)母板與系統的交互把程序加載到系統中運行。這種方式有很大的靈活性，而且利于和其它系統配合使用。本文設計的編碼卡是在Windows系統下經(jīng)過(guò)WDM驅動(dòng)，以 PCI接口卡形式存在的，其軟硬件的框圖如圖一所示。

　　圖 一 系統框圖

　　編碼卡是插在PCI插槽上，基于Windows系統下對視頻信號進(jìn)行處理的。整個(gè)系統通過(guò)PCI總線(xiàn)與母板相聯(lián)系，在應用中母板為整個(gè)編碼卡提供程序存儲空間，負責程序的加載和一些初始化工作。當初始化和程序的加載結束后，母板與編碼卡的關(guān)系也就是MPEG4數據的存儲和傳輸，與應用程序的通信等等，編碼板卡能夠單獨的完成所要做的多媒體數據處理工作。而在更多的情況下，母板始終通過(guò)PCI總線(xiàn)與編碼卡保持聯(lián)系，這樣可以協(xié)調母板與編碼卡的工作，同時(shí)也利于母板與編碼卡交換數據。

　　Vweb2010芯片提供了多媒體接口模塊，在此設計中運用到的有PCI接口、視頻輸入單元、音頻輸入單元。其中，PCI接口通過(guò)PCI橋與母板上的PCI相連接;其它單元與編碼板卡上的A/D模塊相連，圍繞這些接口單元，我們就可以設計出編碼卡各個(gè)模塊之間的構成框架。

　　系統啟動(dòng)時(shí)，MPEG4壓縮芯片讀取啟動(dòng)電路的啟動(dòng)碼，激活相應的下載程序從相應的端口下載運行微碼，同時(shí)其他芯片通過(guò)I2C總線(xiàn)完成初始化，系統啟動(dòng)MPEG4編解碼進(jìn)程。模擬視頻通過(guò)SAA7114H的A/D轉換后，實(shí)時(shí)視頻流從VPO口送入MPEG4壓縮芯片的編碼部分的VPO口，同時(shí)模擬音頻通過(guò)PCM1801U的A/D轉換后，實(shí)時(shí)的音頻流從MPEG4壓縮芯片的I2S輸入。MPEG4壓縮芯片通過(guò)PCI接口與橋芯片相連接，編碼壓縮后的數據經(jīng)過(guò)橋芯片的橋接再傳輸到PCI總線(xiàn)上，提供給遠程傳輸或本地存貯。

　　3 MPEG4編碼模塊在硬件中的設計

　　PCI編碼卡從功能上分為三大模塊。首先是前端A/D轉換模塊，由視音頻處理兩大塊組成，本文采用SAA7114H視頻A/D芯片提供模擬視頻到數字視頻(ITU-R.BT.656格式)的轉換，采用PCM1801U實(shí)現音頻的A/D采樣，通過(guò)I2C與MPEG4編解碼芯片相連。接著(zhù)是MPEG4編碼壓縮模塊。由MPEG4編解碼芯片及其外圍電路組成，主要完成實(shí)時(shí)視音頻數據的壓縮功能。最后就是橋芯片驅動(dòng)模塊，采用零反應時(shí)間PCI-PCI橋接產(chǎn)品HB1，它支持PCI2.2規范，支持32-bit 33MHz的PCI操作。通過(guò)該芯片，就可以實(shí)現橋接的功能，實(shí)現多芯片組支持。

　　3.1 視音頻處理模塊

　　在視頻A/D轉換模塊中，采用的是PHILIPS公司的SAA7114H，這是一塊視頻A/D采樣芯片，它主要有如下功能和特點(diǎn)：

　　該芯片有六個(gè)輸入端，它可以同時(shí)支持六個(gè)CVBS(復合視頻信號)、或者是兩個(gè)Y/C(亮度和色度分離信號，一般是指S端子)信號和兩個(gè)CVBS信號、或者是一個(gè)Y/C信號和四個(gè)CVBS信號。用戶(hù)均可編程控制、選擇輸入通道以及每一路信號的靜態(tài)增益和自動(dòng)增益。它里面有內嵌兩套模擬圖像抗混疊濾波器(anti-aliasing filter)和兩套A/D轉換電路; 對50Hz和60Hz場(chǎng)頻以及PAL制式和NTSC制式圖像自動(dòng)檢測，支持所有制式的電視信號輸入; I2C總線(xiàn)接口速率最高可達400kb/s。

　　在此系統中，SAA7114H支持ITU-R.BT.656格式，用ITU-R.BT.656標準在數據中嵌入行、場(chǎng)同步信息來(lái)提供行、場(chǎng)信息。同時(shí)為了硬件實(shí)現方便，固定使用一個(gè)復合視頻(CVBS)輸入端口(AI24，Pin10管腿)，當然，這些都需要I2C總線(xiàn)來(lái)配置。I2C總線(xiàn)控制引腳的接法是由Vweb2010的U14和Y17相連，其中U14連接時(shí)鐘線(xiàn)，Y17連接數據線(xiàn)。SAA7114H支持節電方式，工作時(shí)功率小于0.5W，需要3.3V供電，I/O口耐壓為5V，這一電源由PCI總線(xiàn)上提供。防止輸入過(guò)壓過(guò)流采用的方法是在輸入端口上并上了一個(gè)復合肖特基二極管。模擬電源和數字電源、模擬地和數字的連接方法是用磁珠相連接。SAA7114H內部有多個(gè)寄存器用于設定其工作狀態(tài)，外部提供了兩根I2C總線(xiàn)引腳SDA(32腳)和SCL(31腳)用于訪(fǎng)問(wèn)內部寄存器。所有的這些寄存器都是通過(guò)Vweb2010進(jìn)行讀寫(xiě)，在操作時(shí)，SAA7114H的引腳LLC，LLC2，XTOUT，RTS0，RTS1和RTCO要設置在三態(tài)狀態(tài)，亮度和色度由梳狀濾波器自適應調整。

　　3.2 MPEG-4編碼壓縮模塊

　　MPEG-4編碼模塊采用專(zhuān)用芯片Vweb2010，Vweb2010芯片是Vweb公司出品的專(zhuān)為多媒體信號處理而設計的專(zhuān)用視頻壓縮芯片(Video ASIC)。這一芯片的特點(diǎn)是將MPEG1、MPEG2、MPEG4和H.263這些標準的壓縮算法固化在其中，因此實(shí)現方案具有開(kāi)發(fā)成本低、開(kāi)發(fā)周期短、運算速度快等優(yōu)點(diǎn)。它可以同時(shí)進(jìn)行一路編碼和一路解碼，它的音頻編碼器接收雙通道的I2C標準數字音頻信號，并采用MPEG1，MPEG2，MP3，AAC和AC-3等標準進(jìn)行壓縮編碼。解碼器接收MPEG格式的BIT流，解碼輸出標準的ITU-R.BT.656標準的數字視頻。音頻解碼輸出I2S，S/P-DIF或IEC-61937標準音頻信號。它包括了一塊嵌入式RISC/DSP處理器、一塊編碼器模塊、一塊解碼器模塊、一塊系統模塊。其結構圖如圖二。

　　通過(guò)芯片的視頻編碼輸入接口(VPO口)接收SAA7114H輸出的8位ITU-R.BT.656視頻流送，芯片的時(shí)鐘接口與外部時(shí)鐘信號(27MHz)相連接，其中內部時(shí)鐘引腳(PLL_amclk_enc)和視頻時(shí)鐘管腳相連，保證了音頻和視頻同步。標準的I2S音頻信號從PCM1801輸入到Vweb2010的相應音頻接口，經(jīng)過(guò)音頻編碼單元編碼，送到輸出單元模塊。SDRAM是Vweb2010程序的運行空間，Vweb2010芯片最大可以支持128Mbytes的SDRAM。因為Vweb2010提供SDRAM接口，直接接上SDRAM即可。在此系統中使用了一片2M*32的SDRAM芯片，共為64Mbytes。

　　3.3 PCI橋接模塊

　　MPEG4壓縮芯片的編碼數據通過(guò)橋芯片的驅動(dòng)與仲裁，完成橋接任務(wù)，能讓四片帶有PCI接口的MPEG4壓縮芯片與PCI總線(xiàn)相互通信，支持PCI2.2規范，支持32-bit 33MHz的PCI操作。PCI接口板有符合PCI規范V2.2版33MHz 32bit PCI總線(xiàn);包括地址、數據復用AD[0:31];控制信號:PCICLK;REQ#; C/BE[0:3]; IRDY#; DEVSEL#; LOCK#; PERR#; SERR#; STOP#; TRDY#; FRAME#; IDSEL; GNT#; RST#。

　　圖 二 Vweb2010的結構框圖

　　4 PCB設計注意事項

　　在PCB設計中，布線(xiàn)是完成產(chǎn)品設計的重要步驟，可以說(shuō)前面的準備工作都是為它而做的，在整個(gè)PCB中，以布線(xiàn)的設計過(guò)程限定最高，技巧最細、工作量最大。PCB布線(xiàn)有單面布線(xiàn)、 雙面布線(xiàn)及多層布線(xiàn)。布線(xiàn)的方式也有兩種：自動(dòng)布線(xiàn)及交互式布線(xiàn)，在自動(dòng)布線(xiàn)之前， 可以用交互式預先對要求比較嚴格的線(xiàn)進(jìn)行布線(xiàn)，輸入與輸出端的邊線(xiàn)應避免相鄰平行， 以免產(chǎn)生反射干擾。必要時(shí)應加地線(xiàn)隔離，兩相鄰層的布線(xiàn)要互相垂直，平行容易產(chǎn)生寄生耦合。

　　自動(dòng)布線(xiàn)的布通率，依賴(lài)于良好的布局，布線(xiàn)規則可以預先設定， 包括走線(xiàn)的彎曲次數、導通孔的數目、步進(jìn)的數目等。一般先進(jìn)行探索式布線(xiàn)，快速地把短線(xiàn)連通， 然后進(jìn)行迷宮式布線(xiàn)，先把要布的連線(xiàn)進(jìn)行全局的布線(xiàn)路徑優(yōu)化，它可以根據需要斷開(kāi)已布的線(xiàn)。 并試著(zhù)重新再布線(xiàn)，以改進(jìn)總體效果。

　　此外，數字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強，對信號線(xiàn)來(lái)說(shuō)，高頻的信號線(xiàn)盡可能遠離敏感的模擬電路器件，對地線(xiàn)來(lái)說(shuō)，整個(gè)PCB對外界只有一個(gè)結點(diǎn)，所以必須在PCB內部進(jìn)行處理數、模共地的問(wèn)題，而在板子內部數字地和模擬地實(shí)際上是分開(kāi)的，它們之間互不相連，只是在PCB與外界連接的接口處(如插頭等)。數字地與模擬地有一點(diǎn)短接，請注意，只有一個(gè)連接點(diǎn)。也有在PCB上不共地的，這由系統設計來(lái)決定。

　　5 總結

　　本文的創(chuàng )新點(diǎn)是在Windows的視頻采集處理系統，采用MPEG4進(jìn)行圖像壓縮編碼，在本地進(jìn)行數字化處理并打包向網(wǎng)絡(luò )發(fā)送，使得數字視頻采集系統的所有功能都集成在這一塊小小的板卡上，使用非常方便。經(jīng)測試，板卡的各項性能都達到了預先設計的要求，工作穩定，實(shí)用性高，基本上都能夠滿(mǎn)足客戶(hù)的要求，在商業(yè)上具有一定的競爭能力。