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淺談嵌入式網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器的設計

洪莉　周德新　查燕 2009/06/18

　　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，廣泛應用于分布式的安全監控、交通監控和工業(yè)監控以及家庭監控、視頻會(huì )議、可視電話(huà)等眾多領(lǐng)域。每個(gè)網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器都有自己的IP地址和網(wǎng)絡(luò )接口，可隨時(shí)隨地直接接入網(wǎng)絡(luò )，獨立工作，無(wú)需專(zhuān)用軟件、專(zhuān)人管理，必將成為未來(lái)數字化監控系統的發(fā)展趨勢。

1.系統組成與工作原理

　　網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器系統的組成框圖如圖1所示。網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊以MPC860T嵌入式處理器為核心處理器，完成網(wǎng)絡(luò )傳輸和視頻信號的實(shí)時(shí)控制功能，并采用嵌入式操作系統VxWorks作為系統的軟件平臺。視頻編碼模塊主要由視頻采集芯片和視頻壓縮芯片構成，完成信號的采集、A/D變換及壓縮。CODEC選用韓國Pentamicro公司的專(zhuān)用音視頻壓縮芯片AT2042。TI公司的視頻解碼器TVP5150為視頻采集芯片。系統初始化之后，PAL格式的模擬視頻信號由TVP5150轉換為ITU-R 656標準的數字視頻信號，再通過(guò)數據總線(xiàn)進(jìn)入AT2042。AT2042對數字圖像信號以MPEG-4標準進(jìn)行壓縮編碼，最后MPC860T將壓縮編碼后的數據流封裝成IP包，通過(guò)10/100Mbps以太網(wǎng)接口送入Internet。

　　　　　　　　　　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；通過(guò)解復用隊列將需解碼的比特流寫(xiě)入AT2042；AT2042通過(guò)發(fā)送隊列向CPU發(fā)送自己的各種內部狀態(tài)信息及數據。

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，包括MPC860T、時(shí)鐘電路、復位電路、SDRAM、FLASH、RS232口和BDM口等部分。


　　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。采用外接電源適配器完成AC 220V到DC 5V的轉換，DC 5V到 DC 3.3V的轉換由高度集成的TI電源模塊TPS75233來(lái)完成。

　　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。系統啟動(dòng)初始化完成進(jìn)入穩定的工作狀態(tài)時(shí)，通過(guò)配置PLPRCR使得倍頻因子MF＝10，即MPC860T的正常工作頻率是50MHz。

　　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)。硬件復位字電路使用一片SN74LVC16244A來(lái)實(shí)現。

　　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（Board Support Package）就是燒寫(xiě)在Bootrom里的。MPC860T復位之后自動(dòng)使/CS0有效，故Bootrom的片選信號為/CS0。程序Flash主要是存放網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、應用程序、配置監控程序。采用4Mbyte的程序Flash，片選信號為/CS1。

　　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。相關(guān)寄存器配置為：BR2＝Ox0000081，說(shuō)明：32位寬，無(wú)奇偶校驗，無(wú)寫(xiě)保護，選擇UPMA，基地址00000000；OR2＝OxFF000A00，說(shuō)明：16Mbyte容量，地址復用。

　　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。FEC提供一個(gè)標準的MII接口，MPC860T主要完成MII接口層以上的功能，而MII以下的物理層主要通過(guò)專(zhuān)用的物理層芯片實(shí)現。

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。

5.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。相信網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器在當今網(wǎng)絡(luò )時(shí)代將有廣闊的應用前景。

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