基于Hi2011的DVB-C機頂盒設計與實現(xiàn)
關鍵字：Hi2011;DVB-C; 數(shù)字電視機頂盒;軟件體系結構
1.引言
數(shù)字電視機頂盒(Set Top Box, STB)是擴展電視機功能的一種新型家用電器,分為衛(wèi)星數(shù)字電視機頂盒(DVB-S)、地面數(shù)字電視機頂盒(DVB-T)和有線數(shù)字電視機頂盒(DVB-C)三種。目前國內的DVB-C機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支持。本文采用國產的流媒體處理器―Hi2011和開源的嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II進行了DVB-C數(shù)字電視機頂盒的設計和研究。
2.硬件架構設計
STB硬件方面的主要單元可分為接收廣播信號，并將其轉換為數(shù)字傳輸串流的前端芯片，即調諧器和調變/解調變器；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、電源元件及其他標準離散元件。有的STB高端產品還會整合安全芯片、調制解調器（modem）或家庭網絡芯片，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Tuner（高頻頭）調諧，進行模數(shù)轉換，輸出36MHz 的中頻數(shù)字信號送入OFDM解調模塊進行解調之后，變成TS流后經信道解碼得到MPEG-2 TS流，經解復用模塊（集成解擾模塊）選出一路MPEG-2音視頻流和對應的數(shù)據信息，經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108MHz；三個脈寬調制輸出。同時,該處理器集成了完全兼容51的CPU,工作時鐘13.5MHz至27MHz,四個時鐘的指令周期,完全兼容標準的8051指令；集成了DSP,可以實現(xiàn)16位乘/累加操作的協(xié)處理器,提高8051的運算性能。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,配備一定的外圍設備和接口,構成DVB-C數(shù)據機頂盒的硬件部分。其硬件結構如圖1所示。
圖1 以Hi2011芯片為核心的DVB-C的主板結構圖
3.軟件體系設計
DVB-C軟件體系采用分層結構,首先對系統(tǒng)的軟件進行分層,然后進行模塊化的層次劃分。
3.1 軟件層次結構
按照機頂盒軟件系統(tǒng)中不同軟件功能和作用,將軟件系統(tǒng)按層次進行劃分,可分為操作系統(tǒng)層、驅動層、中間層和應用層,如圖2所示。
圖2 軟件層次結構圖
其中操作系統(tǒng)層主要包括操作系統(tǒng)內核、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的相關操作和功能部分進行封裝,以提供給上層調用,從而避免直接與硬件直接相關性,同時為系統(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)直接相關的操作進行抽象化、模塊化,以提供給應用程序簡單方便的接口,同時使軟件系統(tǒng)具有良好的可移植性。
在硬件平臺和軟件結構基本構建好以后,就選擇適合高效的多任務系統(tǒng)環(huán)境的嵌入式實時操作系統(tǒng),而μC/OS-II采用基于優(yōu)先級的多任務搶占式調度策略；內核短小,實時性好,能進行快速的上下文切換(小于5µs),效率高；內存要求低鑒于這些特點,在本系統(tǒng)中,選擇嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)為μC/OS-II,作為該機頂盒的操作系統(tǒng),并將其移植于Hi2011系統(tǒng)上,同時設計操作系統(tǒng)抽象層,封裝操作系統(tǒng)與用戶相關的操作。
3.2 操作系統(tǒng)
在硬件平臺和軟件結構基本構建好以后，就選擇適合該系統(tǒng)的嵌入式實時操作系統(tǒng)。在選擇嵌入式實時操作系統(tǒng)（real－time operation system，RTOS）時，應該具有以下特征的RTOS：基于優(yōu)先級的多任務搶占式調度策略；內核短小，實時性好，能進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；低的內存要求；具有可裁剪、可移植性。
因為這樣的RTOS是高效率的操作系統(tǒng)，能夠為DVB-C提供高效的多任務環(huán)境，包括任務調度管理、時鐘管理、內存管理、中斷處理、通過信號量實現(xiàn)同步和互斥、以及通過消息隊列實現(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，選擇嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)為μC/OS-II，作為該機頂盒的操作系統(tǒng)，并將其移植于Hi2011系統(tǒng)上，同時設計操作系統(tǒng)抽象層，封裝操作系統(tǒng)與用戶相關的操作。
3.3 軟件模塊和任務的劃分
根據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DVB-C要實現(xiàn)的功能和模塊劃分,將系統(tǒng)的任務劃分為10個主要的任務,并為每個任務分配不同的優(yōu)先級。每個任務都完成相應的功能,并將任務的調度交于操作系統(tǒng)實現(xiàn)。其中系統(tǒng)的初始化啟動模塊和設備驅動模塊在主函數(shù)中調用相應的函數(shù)來實現(xiàn)其對應的功能。具體劃分如下：Task2完成處理遠程電源管理、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調度開機LoGo；Task7處理機頂盒各種顯示任務；Task8調度游戲和日歷等；Task9處理各種表單,如節(jié)目單和解復用單等；Task10處理處理OSD和PMT。而Task1啟動其他任務和開機Logo。
3.4 數(shù)據庫構建
基于DVB－C的數(shù)字機頂盒的數(shù)據庫構建，主要構建本地臨時數(shù)據庫和數(shù)據庫管理兩個方面。其中本地臨時數(shù)據庫包括：節(jié)目表ProgramList、附加節(jié)目表TransponderList和節(jié)目數(shù)據結構，ProgramList和TransponderList的構建在搜臺時完成，當用戶作頻道管理時，需要作相應的更新并寫Flash即可。
數(shù)據庫管理主要是為管理和訪問各數(shù)據庫里的數(shù)據，數(shù)據庫管理分為頻點數(shù)據庫管理、節(jié)目數(shù)據庫管理和系統(tǒng)數(shù)據庫管理三個方面。頻點數(shù)據庫管理主要是完成對頻點數(shù)據的管理，包括頻點信息單元和數(shù)據塊頭、鏈表兩個方面。節(jié)目數(shù)據庫管理主要管理節(jié)目信息單元和數(shù)據塊頭、鏈表，由于節(jié)目數(shù)據庫的數(shù)據量十分龐大，因此，在定義節(jié)目數(shù)據庫的結構時，不能將節(jié)目信息置于一個結構中，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信息。搜臺算法分為手動搜臺和自動搜臺算法。因為自動搜臺是通過手動搜臺對頻率的for循環(huán)來實現(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,因此搜索各種表時的順序十分重要,這將影響到搜索節(jié)目的時間和效率。在搜臺時,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)目運行狀態(tài)等屬性,在PAT之后搜索；NIT：提供網絡的信息,包括網絡標識號和網絡名稱,保存在頻點數(shù)據庫中；NIT還提供此網絡下其他頻點的參數(shù)信息,根據這個可以增加頻點數(shù)據庫。
采用搜索算法思想為：首先調用驅動層封裝好的相應API,設定Tuner頻點、符號率等參數(shù),根據數(shù)據更新的方式決定是否要清除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表獲得網絡信息,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)實現(xiàn)
μC/OS-II操作系統(tǒng)是使用標準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)。在實現(xiàn)main()時，必須考慮系統(tǒng)的效率。在本系統(tǒng)設計中，采用了Task1來開啟其他任務的方式，來減少主函數(shù)的代碼，提高主函數(shù)的運行效率。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)標志初始化
OSTaskCreate(task1, (void *) &Task1_Stk [TASK1_STK_SIZE - 1], TASK1_PRIO);//任務調度開始
OSStart();//操作系統(tǒng)開始
…}
4. 系統(tǒng)調試
本系統(tǒng)的調試按照嵌入式系統(tǒng)基本原理和DVB-C的基本特點,將調試分為主板調試、系統(tǒng)軟硬件調試和系統(tǒng)軟硬件驗證等。
硬件方面,主要是驗證硬件電路與設計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。在調試時,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上,然后觀看通過遙控器測試驗證軟件的正確性。
本文創(chuàng)新點：
本文提出了DVB-C機頂盒軟件層次結構和軟件模塊層次結構,這些結構有效地提高了系統(tǒng)軟件開發(fā)效率。通過基于Hi2011的DVB-C數(shù)字電視機頂盒研發(fā)項目的應用設計,研究實踐表明,本文從系統(tǒng)的軟件層次和結構、搜臺算法和數(shù)據庫構建的實現(xiàn)等方面給出了較優(yōu)的解決方案。
本項目應用后已累計有21萬元的經濟效益。
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