淺談嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的設(shè)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(shè)備，是為構(gòu)建高可靠性的多媒體數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)而設(shè)計開發(fā)的，數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)是指通過軟硬件將監(jiān)控頭采集到的圖像處理成數(shù)字信號，傳送到電腦進行處理。對于數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)各部分功能的不同，我們將整個數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)劃分為七層——表現(xiàn)層、控制層、處理層、傳輸層、執(zhí)行層、支撐層、采集層。當(dāng)然，由于設(shè)備集成化越來越高，對于部分系統(tǒng)而言，某些設(shè)備可能會同時以多個層的身份存在于系統(tǒng)中。控制層是整個安防監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它是系統(tǒng)科技水平的最明確體現(xiàn)。通常我們的控制方式有兩種——模擬控制和數(shù)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(gòu)成，適用于小型局部安防監(jiān)控系統(tǒng)，這種控制方式成本較低，故障率較小。但對于中大型安防監(jiān)控系統(tǒng)而言，這種方式就顯得操作復(fù)雜且無任何價格優(yōu)勢了，這時我們更為明智的選擇應(yīng)該是數(shù)字控制。

　　1 系統(tǒng)組成與工作原理

　　網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器系統(tǒng)又叫數(shù)字視頻編碼器，是一種壓縮、處理音視頻數(shù)據(jù)的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)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(tǒng)軟件管理等構(gòu)成，主要是提供視頻壓縮或解壓功能，完成圖象數(shù)據(jù)的采集或復(fù)原等，目前比較流行的基于 MPEG-4或H.264的圖像數(shù)據(jù)壓縮通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)以及音頻數(shù)據(jù)的處理。網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器在目前視頻領(lǐng)域中的應(yīng)用主要是利用網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器構(gòu)建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)?；诰W(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的多通道數(shù)字傳播技術(shù)具有傳統(tǒng)的基于磁帶錄像機的模擬輸出系統(tǒng)無可比擬的諸多優(yōu)勢，網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器采用開放式軟硬件平臺和標(biāo)準(zhǔn)或通用接口協(xié)議，系統(tǒng)擴展能力較強，能夠與未來全數(shù)字、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化、多通道資源共享等體系相銜接。

　　 圖1 系統(tǒng)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，它是一個內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)的視頻壓縮編碼，具有畫面縮放、顏色數(shù)據(jù)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，無需其它附加電路。MPC860T對AT2042的控制和訪問可通過AT2042的狀態(tài)寄存器和命令寄存器以及四個輸入輸出隊列：發(fā)送/接收隊列，復(fù)用/解復(fù)用隊列。AT2042與CPU的通信機制如圖2所示

　　AT2042與CPU的通信實現(xiàn)情況如下：CPU通過命令寄存器來控制內(nèi)置微控制器ARM946E的操作狀態(tài)；通過狀態(tài)寄存器來檢查 AT2042內(nèi)部各個FIFO的操作狀態(tài)；通過接收隊列給AT2042發(fā)送各種配置參數(shù)，以及所有內(nèi)置微控制器ARM946E所需要的相關(guān)參數(shù)；通過復(fù)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(tǒng)設(shè)計

　　MPC860T是Motorola公司的高性能的32位PowerPC嵌入式處理器，有三個主要的功能模塊：嵌入式的PowerPC內(nèi)核、RISC通信處理模塊（CPM）和系統(tǒng)接口單元（SIU）。MPC860有兩個CPU：PowerPC和32位RISC。PowerPC執(zhí)行高層代碼，RISC處理實際通信的低層功能，2個處理機互相配合工作。這種雙處理器構(gòu)架，分擔(dān)了主CPU的工作量，提高了處理效率，同時降低了芯片功耗，特別適合于各種通信及控制領(lǐng)域的嵌入式應(yīng)用。MPC860T最小系統(tǒng)如圖3所示。

　　3.1.1 電源

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

　　3.1.2 時鐘電路

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

　　3.1.3 復(fù)位模塊

　　MPC860T包括上電復(fù)位、外部硬復(fù)位、內(nèi)部硬復(fù)位、JTAG 復(fù)位、外部軟復(fù)位和內(nèi)部軟復(fù)位。復(fù)位電路采用MAX811T來實現(xiàn)。上電和人工按鍵均可產(chǎn)生復(fù)位信號，其中/RESET端口接MPC860T的 /PORESET，由/RESET產(chǎn)生復(fù)位信號復(fù)位處理器。由SN74LVTH125芯片組成的電路提供/HRESET和/SRESET復(fù)位功能。手動按下按鍵連接芯片/OE控制三態(tài)門的輸出使能時，低電平輸出到/HRESET或/SRESET，MPC860T響應(yīng)復(fù)位動作。正常狀態(tài)下，輸出呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。

　　3.1.4 存儲系統(tǒng)設(shè)計

　　MPC860T的存儲控制器最多可以控制8個存儲體或外圍設(shè)備，支持GPCM （general purpose chip select machine）和UPM（User programmable machines）兩種方式，可提供與SRAM，EPROM，F(xiàn)LASH，DRAM，SDRAM等設(shè)備的無縫連接。GPCM提供與 EPROM，SRAM，F(xiàn)lash以及其他的外設(shè)的無縫連接，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、可重寫的存儲設(shè)備。Bootrom Flash采用512Kbyte的SST39VF040。Bootrom主要作用是引導(dǎo)及初始化CPU，以及引導(dǎo)單板程序。BSP在嵌入式系統(tǒng)和 Windows系統(tǒng)中的不同其實運行與PC機上的windows或linux系統(tǒng)也是有BSP的。只是PC機均采用統(tǒng)一的X86體系架構(gòu)，這樣一定操作系統(tǒng)的BSP相對x86架構(gòu)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這個概念也沒什么意義了。而對嵌入式系統(tǒng)來說情況則完全不同，目前市場上多種結(jié)構(gòu)的嵌入式CPU（RISC）并存（PPC，ARM，MIPS…），為了性能的需要，外圍設(shè)備也會有不同的選擇和定義。一個嵌入式操作系統(tǒng)針對不同的CPU，會有不同的BSP，即使同一種CPU，由于外設(shè)的一點差別（如外部擴展DRAM的大小，類型改變），BSP相應(yīng)的部分也不一樣。

　　考慮存儲容量、功耗等因素，數(shù)據(jù)存儲器多選高速動態(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?cè)萘繛?4Mbit，采用3.3V供電，支持的最高頻率為133MHz。由于其數(shù)據(jù)總線為16位，因此系統(tǒng)選用兩片并聯(lián)構(gòu)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的輸出時鐘CLKOUT驅(qū)動，/WE、/RAS和/CAS信號分別由UPMA的GPLA1～GPLA3產(chǎn)生。 SDRAM的A10引腳要復(fù)用于SDRAM的刷新控制，因而必須與GPLAO相連（由于不方便連線圖中未畫出），因為MPC860T的GPLAO可以通過編程實現(xiàn)控制信號與地址信號的復(fù)用。MT48LC4M16A2內(nèi)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，而外部僅有12條地址信號A0～A11。這就需要對UPM對地址進行復(fù)用。MPC860T支持內(nèi)部地址復(fù)用，可以通過UPM的RAM字中的AMX位進行配置，同時將OR寄存器中的SAM位同時進行配置。

　　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(gòu)造一個10/100M以太網(wǎng)接口，由此實現(xiàn)上述功能。

　　4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計包括：VxWorks操作系統(tǒng)的內(nèi)核生成和VxWorks下驅(qū)動程序與應(yīng)用程序的開發(fā)。VxWorks是美國Wind River System公司推出的嵌入式實時開發(fā)環(huán)境，它是專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的可裁減、高性能的操作系統(tǒng)。為了發(fā)揮VxWorks的功能并設(shè)計出可靠、高效的嵌入式系統(tǒng)，還用到Tornado集成開發(fā)環(huán)境。TornadoII就是Wind River公司推出的為了開發(fā)VxWorks應(yīng)用系統(tǒng)提供的集成開發(fā)環(huán)境，提供一種有效的方式開發(fā)嵌入式實時應(yīng)用程序，同時對目標(biāo)機系統(tǒng)的影響做到最小。

　　圖5 軟件結(jié)構(gòu)框圖

　　本系統(tǒng)中軟件的架構(gòu)如圖5所示，主要包括：1）硬件底層驅(qū)動程序，包括BSP的開發(fā)、操作系統(tǒng)的裁剪和移植、文件系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用等。設(shè)備驅(qū)動程序是直接控制設(shè)備操作的程序，也是設(shè)備上層的一個軟件接口，功能是對I/O進行操作。只要系統(tǒng)訪問設(shè)備就會調(diào)用驅(qū)動，從這一點可以看出，驅(qū)動程序不能自動執(zhí)行，只能被系統(tǒng)或應(yīng)用程序調(diào)用。設(shè)備驅(qū)動程序通常包含六個主要功能：對設(shè)備進行初始化、打開設(shè)備操作、關(guān)閉設(shè)備操作、從設(shè)備上接收數(shù)據(jù)并提交給系統(tǒng)、把數(shù)據(jù)從主機上發(fā)送給設(shè)備和對設(shè)備進行控制操作。2）應(yīng)用程序的設(shè)計，它包括以下三個模塊：TVP5150的數(shù)據(jù)采集、視頻編碼、數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)功能。其中 TVP5150的數(shù)據(jù)采集模塊包括對TVP5150初始化，工作參數(shù)和反饋狀態(tài)信息的設(shè)置等。視頻解碼模塊除了完成對AT2042的驅(qū)動，還為上層應(yīng)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(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能等子模塊。

　　結(jié)束語

　　本文作者創(chuàng)新點是采用MCU+CODEC的硬件結(jié)構(gòu)，較其他的采用DSP單芯片的系統(tǒng)，具有系統(tǒng)集成度高，體積小、功耗低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。并且，作為MCU的MPC860T內(nèi)部集成有FEC，使硬件設(shè)計更簡單。同時， VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)的采用使系統(tǒng)具有很好的實時性。