嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的設(shè)計(jì)

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(jì)開發(fā)的，廣泛應(yīng)用于分布式的安全監(jiān)控、交通監(jiān)控和工業(yè)監(jiān)控以及家庭監(jiān)控、視頻會(huì)議、可視電話等眾多領(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(dú)立工作，無需專用軟件、專人管理，必將成為未來數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。
1   系統(tǒng)組成與工作原理                    
網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器系統(tǒng)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(hào)的實(shí)時(shí)控制功能，并采用嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks作為系統(tǒng)的軟件平臺(tái)。視頻編碼模塊主要由視頻采集芯片和視頻壓縮芯片構(gòu)成，完成信號(hào)的采集、A/D變換及壓縮。CODEC選用韓國(guó)Pentamicro公司的專用音視頻壓縮芯片AT2042。TI公司的視頻解碼器TVP5150為視頻采集芯片。系統(tǒng)初始化之后，PAL格式的模擬視頻信號(hào)由TVP5150轉(zhuǎn)換為ITU-R 656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號(hào)，再通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)入AT2042。AT2042對(duì)數(shù)字圖像信號(hào)以MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮編碼，最后MPC860T將壓縮編碼后的數(shù)據(jù)流封裝成IP包，通過10/100Mbps以太網(wǎng)接口送入Internet。
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圖1  系統(tǒng)框圖                    圖2  AT2042與CPU的通信機(jī)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(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(duì)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(gè)輸入輸出隊(duì)列：發(fā)送/接收隊(duì)列,復(fù)用/解復(fù)用隊(duì)列。AT2042與CPU的通信機(jī)制如圖2所示
AT2042與CPU的通信實(shí)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(gè)FIFO的操作狀態(tài)；通過接收隊(duì)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(duì)列將壓縮編碼后的比特流讀出；通過解復(fù)用隊(duì)列將需解碼的比特流寫入AT2042；AT2042通過發(fā)送隊(duì)列向CPU發(fā)送自己的各種內(nèi)部狀態(tài)信息及數(shù)據(jù)[1]。
3網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊
3.1  MPC860T最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(nèi)核、RISC通信處理模塊(CPM)和系統(tǒng)接口單元(SIU)。MPC860有兩個(gè)CPU：PowerPC和32位RISC。PowerPC執(zhí)行高層代碼，RISC處理實(shí)際通信的低層功能，2個(gè)處理機(jī)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(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(yīng)用。MPC860T最小系統(tǒng)如圖3所示，包括MPC860T、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、SDRAM、FLASH、RS232口和BDM口等部分。
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3.1.1  電源
電源作為一個(gè)系統(tǒng)的能量提供者，在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中成為必不可少且至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。MPC860T的工作電壓為3.3V，需提供一個(gè)3.3V/1A的直流穩(wěn)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(zhuǎn)換，DC 5V到 DC 3.3V的轉(zhuǎn)換由高度集成的TI電源模塊TPS75233來完成。
3.1.2  時(shí)鐘電路
MPC860時(shí)鐘系統(tǒng)為所有片上或片外設(shè)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(shè)計(jì)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(tǒng)啟動(dòng)初始化完成進(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài)時(shí)，通過配置PLPRCR使得倍頻因子MF＝10，即MPC860T的正常工作頻率是50MHz。
3.1.3  復(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(shí)現(xiàn)。上電和人工按鍵均可產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，其中/RESET端口接MPC860T的/PORESET，由/RESET產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)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(dòng)按下按鍵連接芯片/OE控制三態(tài)門的輸出使能時(shí)，低電平輸出到/HRESET或/SRESET，MPC860T響應(yīng)復(fù)位動(dòng)作。正常狀態(tài)下，輸出呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。硬件復(fù)位字電路使用一片SN74LVC16244A來實(shí)現(xiàn)。
3.1.4  存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
MPC860T的存儲(chǔ)控制器最多可以控制8個(gè)存儲(chǔ)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(chǔ)器是一種電可擦除、可重寫的存儲(chǔ)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（Board Support Package）就是燒寫在Bootrom里的。MPC860T復(fù)位之后自動(dòng)使/CS0有效，故Bootrom的片選信號(hào)為/CS0。程序Flash主要是存放網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、應(yīng)用程序、配置監(jiān)控程序。采用4Mbyte的程序Flash，片選信號(hào)為/CS1。
考慮存儲(chǔ)容量、功耗等因素，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器多選高速動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)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。
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圖4  SDRAM與MPC860T的連接框圖
SDRAM的CLK信號(hào)由MPC860T的輸出時(shí)鐘CLKOUT驅(qū)動(dòng)，/WE、/RAS和/CAS信號(hào)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?yàn)镸PC860T的GPLAO可以通過編程實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)與地址信號(hào)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?jī)H有12條地址信號(hào)A0～A11。這就需要對(duì)UPM對(duì)地址進(jìn)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(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，說明：32位寬，無奇偶校驗(yàn)，無寫保護(hù)，選擇UPMA，基地址00000000；OR2＝OxFF000A00，說明：16Mbyte容量，地址復(fù)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(gè)10/100M以太網(wǎng)接口，由此實(shí)現(xiàn)上述功能。FEC提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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專用的物理層芯片實(shí)現(xiàn)[2][6]。[!--empirenews.page--]
4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)包括：VxWorks操作系統(tǒng)的內(nèi)核生成和VxWorks下驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序的開發(fā)。VxWorks是美國(guó)Wind River System公司推出的嵌入式實(shí)時(shí)開發(fā)環(huán)境，它是專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)時(shí)應(yīng)用程序，同時(shí)對(duì)目標(biāo)機(jī)系統(tǒng)的影響做到最小[5]。
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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(dòng)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(dòng)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(gè)軟件接口，功能是對(duì)I/O進(jìn)行操作。只要系統(tǒng)訪問設(shè)備就會(huì)調(diào)用驅(qū)動(dòng)，從這一點(diǎn)可以看出，驅(qū)動(dòng)程序不能自動(dòng)執(zhí)行，只能被系統(tǒng)或應(yīng)用程序調(diào)用。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常包含六個(gè)主要功能：對(duì)設(shè)備進(jìn)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(jī)上發(fā)送給設(shè)備和對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制操作。2）應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，它包括以下三個(gè)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(duì)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(duì)AT2042的驅(qū)動(dòng)，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[5]。
結(jié)束語
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)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(diǎn)。并且，作為MCU的MPC860T內(nèi)部集成有FEC，使硬件設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。同時(shí)， VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)的采用使系統(tǒng)具有很好的實(shí)時(shí)性。相信網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)時(shí)代將有廣闊的應(yīng)用前景。