基于Hi2011的DVB-C機(jī)頂盒設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.引言

數(shù)字電視機(jī)頂盒(Set Top Box, STB)是擴(kuò)展電視機(jī)功能的一種新型家用電器,分為衛(wèi)星數(shù)字電視機(jī)頂盒(DVB-S)、地面數(shù)字電視機(jī)頂盒(DVB-T)和有線數(shù)字電視機(jī)頂盒(DVB-C)三種。目前國內(nèi)的DVB-C機(jī)頂盒普遍采用外國廠商提供的流媒體處理器和與其捆綁銷售的操作系統(tǒng)及在此系統(tǒng)上的開發(fā)工具,國內(nèi)廠商將很難做到自主開發(fā),必須高度依賴國外廠商的技術(shù)支持。本文采用國產(chǎn)的流媒體處理器―Hi2011和開源的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II進(jìn)行了DVB-C數(shù)字電視機(jī)頂盒的設(shè)計(jì)和研究。

2.硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

STB硬件方面的主要單元可分為接收廣播信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字傳輸串流的前端芯片，即調(diào)諧器和調(diào)變/解調(diào)變器；后端芯片包括電視解碼器/編碼器、MPEG-2 Transport、MPEG-2 MP@ML或HL解碼器、微處理器、繪圖芯片、音頻處理器、音頻DAC、視頻DAC；以及DRAM/SDRAM、Flash等存儲、電源元件及其他標(biāo)準(zhǔn)離散元件。有的STB高端產(chǎn)品還會整合安全芯片、調(diào)制解調(diào)器（modem）或家庭網(wǎng)絡(luò)芯片，以及可錄像的硬盤（HDD）。STB對數(shù)字電視信號的處理過程為：電視射頻信號經(jīng)Tuner（高頻頭）調(diào)諧，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出36MHz 的中頻數(shù)字信號送入OFDM解調(diào)模塊進(jìn)行解調(diào)之后，變成TS流后經(jīng)信道解碼得到MPEG-2 TS流，經(jīng)解復(fù)用模塊（集成解擾模塊）選出一路MPEG-2音視頻流和對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)信源解碼后得到所選節(jié)目的數(shù)字信息。然后將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出給模擬電視。

Hi2011處理器是北京海爾集成電路有限公司研發(fā)的一款流媒體處理器,該處理器具有的特點(diǎn)是：采用QFP160封裝；低功耗、高集成度和低成本的系統(tǒng)方案；0.18μm工藝,工作頻率可達(dá)108MHz；三個脈寬調(diào)制輸出。同時(shí),該處理器集成了完全兼容51的CPU,工作時(shí)鐘13.5MHz至27MHz,四個時(shí)鐘的指令周期,完全兼容標(biāo)準(zhǔn)的8051指令；集成了DSP,可以實(shí)現(xiàn)16位乘/累加操作的協(xié)處理器,提高8051的運(yùn)算性能。在該處理器上,還集成了MPEG解碼器、視頻播放、OSD和音頻播放等硬件模塊。

本系統(tǒng)硬件以Hi2011芯片為核心,配備一定的外圍設(shè)備和接口,構(gòu)成DVB-C數(shù)據(jù)機(jī)頂盒的硬件部分。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 以Hi2011芯片為核心的DVB-C的主板結(jié)構(gòu)圖

3.軟件體系設(shè)計(jì)

DVB-C軟件體系采用分層結(jié)構(gòu),首先對系統(tǒng)的軟件進(jìn)行分層,然后進(jìn)行模塊化的層次劃分。

3.1 軟件層次結(jié)構(gòu)

按照機(jī)頂盒軟件系統(tǒng)中不同軟件功能和作用,將軟件系統(tǒng)按層次進(jìn)行劃分,可分為操作系統(tǒng)層、驅(qū)動層、中間層和應(yīng)用層,如圖2所示。

圖2 軟件層次結(jié)構(gòu)圖

其中操作系統(tǒng)層主要包括操作系統(tǒng)內(nèi)核、硬件平臺抽象和操作系統(tǒng)抽象；硬件平臺抽象又叫硬件抽象層,主要是將CPU的相關(guān)操作和功能部分進(jìn)行封裝,以提供給上層調(diào)用,從而避免直接與硬件直接相關(guān)性,同時(shí)為系統(tǒng)軟件的移植、操作系統(tǒng)的更換等帶來極大的方便；操作系統(tǒng)抽象主要是將與操作系統(tǒng)直接相關(guān)的操作進(jìn)行抽象化、模塊化,以提供給應(yīng)用程序簡單方便的接口,同時(shí)使軟件系統(tǒng)具有良好的可移植性。

在硬件平臺和軟件結(jié)構(gòu)基本構(gòu)建好以后,就選擇適合高效的多任務(wù)系統(tǒng)環(huán)境的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),而μC/OS-II采用基于優(yōu)先級的多任務(wù)搶占式調(diào)度策略；內(nèi)核短小,實(shí)時(shí)性好,能進(jìn)行快速的上下文切換(小于5µs),效率高；內(nèi)存要求低鑒于這些特點(diǎn),在本系統(tǒng)中,選擇嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)為μC/OS-II,作為該機(jī)頂盒的操作系統(tǒng),并將其移植于Hi2011系統(tǒng)上,同時(shí)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)抽象層,封裝操作系統(tǒng)與用戶相關(guān)的操作。

3.2 操作系統(tǒng)

在硬件平臺和軟件結(jié)構(gòu)基本構(gòu)建好以后，就選擇適合該系統(tǒng)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。在選擇嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（real－time operation system，RTOS）時(shí)，應(yīng)該具有以下特征的RTOS：基于優(yōu)先級的多任務(wù)搶占式調(diào)度策略；內(nèi)核短小，實(shí)時(shí)性好，能進(jìn)行快速的上下文切換（小于5µs），效率高；開放源代碼，并且支持一系列的處理器芯片；低的內(nèi)存要求；具有可裁剪、可移植性。

因?yàn)檫@樣的RTOS是高效率的操作系統(tǒng)，能夠?yàn)镈VB-C提供高效的多任務(wù)環(huán)境，包括任務(wù)調(diào)度管理、時(shí)鐘管理、內(nèi)存管理、中斷處理、通過信號量實(shí)現(xiàn)同步和互斥、以及通過消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)消息通信等等。比如μC/OS-II、μCLinux、Vxworks、OS20等操作系統(tǒng)，都具有上述特征。

在本系統(tǒng)中，選擇嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)為μC/OS-II，作為該機(jī)頂盒的操作系統(tǒng)，并將其移植于Hi2011系統(tǒng)上，同時(shí)設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)抽象層，封裝操作系統(tǒng)與用戶相關(guān)的操作。

3.3 軟件模塊和任務(wù)的劃分

根據(jù)DVB-C硬件模塊的一致性可知,其軟件模塊主要包括初始化啟動模塊、端口處理模塊、解復(fù)用模塊、解擾模塊、節(jié)目存貯模塊、Flash 模塊、音視頻操作模塊、用戶界面控制模塊、頻道轉(zhuǎn)換控制、系統(tǒng)升級模塊、EPG模塊、中文字體模塊和SDRAM模塊等。

依據(jù)DVB-C要實(shí)現(xiàn)的功能和模塊劃分,將系統(tǒng)的任務(wù)劃分為10個主要的任務(wù),并為每個任務(wù)分配不同的優(yōu)先級。每個任務(wù)都完成相應(yīng)的功能,并將任務(wù)的調(diào)度交于操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。其中系統(tǒng)的初始化啟動模塊和設(shè)備驅(qū)動模塊在主函數(shù)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)其對應(yīng)的功能。具體劃分如下：Task2完成處理遠(yuǎn)程電源管理、清屏、主菜單鍵和傳遞按鍵給鍵值處理模塊等功能；Task3完成系統(tǒng)的音視頻處理；Task4完成頻道更新；Task5處理頻道節(jié)目的編輯和刷新等；Task6調(diào)度開機(jī)LoGo；Task7處理機(jī)頂盒各種顯示任務(wù)；Task8調(diào)度游戲和日歷等；Task9處理各種表單,如節(jié)目單和解復(fù)用單等；Task10處理處理OSD和PMT。而Task1啟動其他任務(wù)和開機(jī)Logo。

3.4 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

基于DVB－C的數(shù)字機(jī)頂盒的數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，主要構(gòu)建本地臨時(shí)數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理兩個方面。其中本地臨時(shí)數(shù)據(jù)庫包括：節(jié)目表ProgramList、附加節(jié)目表TransponderList和節(jié)目數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，ProgramList和TransponderList的構(gòu)建在搜臺時(shí)完成，當(dāng)用戶作頻道管理時(shí)，需要作相應(yīng)的更新并寫Flash即可。

數(shù)據(jù)庫管理主要是為管理和訪問各數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫管理分為頻點(diǎn)數(shù)據(jù)庫管理、節(jié)目數(shù)據(jù)庫管理和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理三個方面。頻點(diǎn)數(shù)據(jù)庫管理主要是完成對頻點(diǎn)數(shù)據(jù)的管理，包括頻點(diǎn)信息單元和數(shù)據(jù)塊頭、鏈表兩個方面。節(jié)目數(shù)據(jù)庫管理主要管理節(jié)目信息單元和數(shù)據(jù)塊頭、鏈表，由于節(jié)目數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)量十分龐大，因此，在定義節(jié)目數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)時(shí)，不能將節(jié)目信息置于一個結(jié)構(gòu)中，以免超出編譯器的64KB的界線。

3.5 搜臺模塊

搜臺十分重要,不僅要找出頻道列表,還要解析出一定程度的各頻道的相關(guān)信息。搜臺算法分為手動搜臺和自動搜臺算法。因?yàn)樽詣铀雅_是通過手動搜臺對頻率的for循環(huán)來實(shí)現(xiàn)的,所以研究手動搜臺。在搜臺之前,首先搜索各種節(jié)目信息表,因此搜索各種表時(shí)的順序十分重要,這將影響到搜索節(jié)目的時(shí)間和效率。在搜臺時(shí),有以下幾種搜索表：PAT：提供PMT的pid,所以要先于PMT的搜索；PMT：提供每個節(jié)目(service_id)的包括音視頻pid等信息；SDT：提供節(jié)目的屬性信息,包括節(jié)目名字、節(jié)目運(yùn)行狀態(tài)等屬性,在PAT之后搜索；NIT：提供網(wǎng)絡(luò)的信息,包括網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識號和網(wǎng)絡(luò)名稱,保存在頻點(diǎn)數(shù)據(jù)庫中；NIT還提供此網(wǎng)絡(luò)下其他頻點(diǎn)的參數(shù)信息,根據(jù)這個可以增加頻點(diǎn)數(shù)據(jù)庫。

采用搜索算法思想為：首先調(diào)用驅(qū)動層封裝好的相應(yīng)API,設(shè)定Tuner頻點(diǎn)、符號率等參數(shù),根據(jù)數(shù)據(jù)更新的方式?jīng)Q定是否要清除ProgramList和TransponderList,然后搜索解析PAT表,PAT表解析完后對Program逐個解析PMT表和SDT表,所有的Program都完成后,解析NIT表獲得網(wǎng)絡(luò)信息,更新TransponderList,最后成功返回。其算法流程如圖3所示。

圖3 搜臺算法流程圖

3.6 系統(tǒng)主函數(shù)實(shí)現(xiàn)

μC/OS-II操作系統(tǒng)是使用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫的，因此，整個系統(tǒng)軟件中，又且僅有一個main()函數(shù)。在本系統(tǒng)中，也只有一個main()函數(shù)。在實(shí)現(xiàn)main()時(shí)，必須考慮系統(tǒng)的效率。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了Task1來開啟其他任務(wù)的方式，來減少主函數(shù)的代碼，提高主函數(shù)的運(yùn)行效率。其代碼如下：

main()

{…

OSInit();//操作系統(tǒng)初始化

sys_init();//系統(tǒng)初始化

System_mail_Set = OSMboxCreate(0);//系統(tǒng)消息初始化

sysflag = OSFlagCreate(0x81, &err_main);//系統(tǒng)標(biāo)志初始化

OSTaskCreate(task1, (void *) &Task1_Stk [TASK1_STK_SIZE - 1], TASK1_PRIO);//任務(wù)調(diào)度開始

OSStart();//操作系統(tǒng)開始

…}

4. 系統(tǒng)調(diào)試

本系統(tǒng)的調(diào)試按照嵌入式系統(tǒng)基本原理和DVB-C的基本特點(diǎn),將調(diào)試分為主板調(diào)試、系統(tǒng)軟硬件調(diào)試和系統(tǒng)軟硬件驗(yàn)證等。

硬件方面,主要是驗(yàn)證硬件電路與設(shè)計(jì)電路的一致性和電路的各個輸入/輸出口的電流、電壓特性,另外就是測試硬件的抗干擾能力和穩(wěn)定可靠性。在調(diào)試時(shí),采用外加干擾源的方式,測試控制器的抗干擾能力。

軟件方面,主要是驗(yàn)證軟件的正確性。將軟件下載到DVB-C的Flash中,并連接有線電視信號到DVB-C,再連接到模擬電視機(jī)上,然后觀看通過遙控器測試驗(yàn)證軟件的正確性。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：

本文提出了DVB-C機(jī)頂盒軟件層次結(jié)構(gòu)和軟件模塊層次結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)有效地提高了系統(tǒng)軟件開發(fā)效率。通過基于Hi2011的DVB-C數(shù)字電視機(jī)頂盒研發(fā)項(xiàng)目的應(yīng)用設(shè)計(jì),研究實(shí)踐表明,本文從系統(tǒng)的軟件層次和結(jié)構(gòu)、搜臺算法和數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的實(shí)現(xiàn)等方面給出了較優(yōu)的解決方案。

本項(xiàng)目應(yīng)用后已累計(jì)有21萬元的經(jīng)濟(jì)效益。

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