作者：空軍工程大學(xué) 陳國慶 張登福 寇明延

引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體和數(shù)據(jù)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字視頻的應(yīng)用越來越廣，如視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議和移動(dòng)電視等。數(shù)字視頻數(shù)據(jù)量巨大，不利于傳輸和存儲(chǔ)，使其應(yīng)用受到很大限制。為解決視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸問題，唯一的途徑就是對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。常見的視頻壓縮方法有MPEG系列和H.26x系列�？紤]到壓縮技術(shù)的成熟度、成本和主要用途，采用MPEG-1作為壓縮標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出基于ARM處理器的嵌入式數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議等多種應(yīng)用場(chǎng)合，同時(shí)還可安裝在飛行器上，用于實(shí)時(shí)記錄飛行器的飛行及訓(xùn)練過程中的各種信息。

目前，市場(chǎng)上有大量的基于PCI總線的MPEG-1視頻壓縮卡和PC機(jī)構(gòu)架的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器。與之相比，我們?cè)O(shè)計(jì)的視頻記錄系統(tǒng)具有成本低、體積小和功耗低等優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)工作原理

視頻壓縮記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)著眼于控制器的嵌入化和整體的便攜性。本系統(tǒng)主要由3部分組成，即壓縮部分、控制部分和存儲(chǔ)部分。視頻記錄系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其中壓縮部分由MPEG1音視頻壓縮電路組成，主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的音視頻信號(hào)解碼、數(shù)字化和壓縮編碼，產(chǎn)生MPEG1程序流和傳輸流；控制部分由ARM最小系統(tǒng)組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)流管理和IDE接口控制；存儲(chǔ)部分由大容量硬盤或CF存儲(chǔ)卡組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)長時(shí)間記錄。

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，ARM處理器對(duì)整個(gè)壓縮系統(tǒng)進(jìn)行初始化，首先通過HOST接口對(duì)SZ1510內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，并使用SZ1510的串行接口模擬I2C總線對(duì)視頻解碼器SAA7113H進(jìn)行初始化。當(dāng)設(shè)置好MPEG-1的壓縮格式及數(shù)據(jù)速率后，系統(tǒng)開始正常工作，音視頻信號(hào)經(jīng)AK4550音頻處理芯片和SAA7113視頻處理芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸出8位的PCM格式數(shù)字音頻信號(hào)和4∶2∶0的YCbCr數(shù)字視頻信號(hào)，傳入SZ1510音視頻壓縮采集芯片進(jìn)行處理，將數(shù)字音視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合MPEG-1格式的混合影視文件，最后MPEG1數(shù)據(jù)流在ARM處理器的控制下通過IDE接口寫入硬盤或CF卡。在工作時(shí)，ARM還將不斷監(jiān)視相關(guān)信號(hào)，并在圖像中加入相應(yīng)的標(biāo)志，直到接收到關(guān)機(jī)信號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)結(jié)束壓縮工作。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

由于MPEG-1壓縮算法需要很大的運(yùn)算量，用軟件實(shí)時(shí)完成比較困難，所以在本系統(tǒng)中主要依靠專用芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻信號(hào)的高效壓縮。目前，常用的MPEG-1壓縮芯片有VW2010、W99200F、WIS 7007SB等。本設(shè)計(jì)采用的是Zapex公司的SZ1510 MPEG-1 A/V編碼芯片，自身完成音視頻的同步編碼，16位HOST接口易于與多種微處理器連接。另外，該芯片還可以直接控制視頻解碼芯片SAA7113H、音頻解碼芯片AK4550VT和SDRAM（KM416S1020CT-G10）。CPU采用Philips公司的ARM7TDMIS內(nèi)核微控制器LPC2214，通過其I/O端口控制IDE接口硬盤或CF卡的數(shù)據(jù)讀取和存儲(chǔ)。

圖1 數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 MPEG-1壓縮電路設(shè)計(jì)

SZ1510是一個(gè) MPEG-1和運(yùn)動(dòng)JPEG圖像編碼器。其內(nèi)置的視頻壓縮核經(jīng)過優(yōu)化，適合高效、實(shí)時(shí)的MPEG1數(shù)字圖像壓縮，具有功能多、功耗低、溫度范圍寬等特點(diǎn)；同時(shí)整合了TI公司的TMS320C54X高性能DSP內(nèi)核，可依據(jù)MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)音視頻同步編碼。

（1） 時(shí)鐘同步電路設(shè)置

SZ1510是一個(gè)復(fù)雜的視頻壓縮小系統(tǒng)，要完成音視頻的同步，MPEG-1視頻的壓縮以及系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)流的復(fù)合、調(diào)度；時(shí)鐘關(guān)系較為復(fù)雜，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。時(shí)鐘配置可分為主時(shí)鐘、音視頻時(shí)鐘、視頻壓縮核時(shí)鐘、DSP核時(shí)鐘以及擴(kuò)展的I2S接口時(shí)鐘幾部分。其功能和關(guān)系為：

◆ 主時(shí)鐘。SZ1510的主時(shí)鐘為穩(wěn)定的27 MHz(CLK)。該時(shí)鐘在芯片內(nèi)部被PLL1倍頻為81 MHz，驅(qū)動(dòng)SZ1510的視頻壓縮核及SDRAM。PLL2連到DSP內(nèi)核，通過軟件配置使其工作在94.5 MHz，用于音頻壓縮和系統(tǒng)數(shù)據(jù)流復(fù)合。
◆ 音視頻時(shí)鐘。視頻時(shí)鐘來自視頻解碼器，典型值為27 MHz。音頻時(shí)鐘由視頻時(shí)鐘分頻產(chǎn)生。
◆ I2S接口時(shí)鐘。本系統(tǒng)中在音視頻同步設(shè)計(jì)中使用I2S接口的從模式，由SZ1510產(chǎn)生串行時(shí)鐘和幀同步信號(hào)。

（2） 主機(jī)（HOST）端口設(shè)置

SZ1510作為從設(shè)備，受主機(jī)控制，其HOST接口是SZ1510的控制和數(shù)據(jù)交換接口。SZ1510可以選擇復(fù)用或不復(fù)用的Intel和Motorola總線類型；不復(fù)用總線，又可以分為8位和16位。具體的主機(jī)端口由HCONFIG[1∶0]引腳和SysConfig[3]寄存器配置。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過跳線把HCONFIG0拉低，HCONFIG1拉高，使其工作在Intel 8051類型的非復(fù)用的16位數(shù)據(jù)總線模式下。

2.2 LPC2214微處理器電路設(shè)計(jì)

LPC2214是一款基于32位ARM7TDMI-S，支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的CPU；帶有16 KB片內(nèi)SRAM、256 KB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器、128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)，使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率60 MHz下運(yùn)行。