基于W90N740的MEPG-2數(shù)字視頻編碼機(jī)

摘要：目前MPEG-2 over IP產(chǎn)品因其圖像質(zhì)量高，并采用以太網(wǎng)傳輸技術(shù)而在軌道交通、高速公路監(jiān)控領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。本文介紹了一種基于W90N740微處理器的MPEG-2編碼機(jī)，并從硬件和軟件兩個方面闡述了如何實現(xiàn)視頻圖像的傳輸和控制。 
關(guān)鍵詞：MPEG-2  W90N740  FPGA  uClinux

    隨著微電子技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，MPEG-2產(chǎn)品正逐步從傳統(tǒng)的模擬傳輸，向采用IP/ATM傳輸發(fā)展。MPEG-2 over IP是采用以太網(wǎng)傳輸技術(shù)，將MPEG-2視頻傳輸流（TS流）通過以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸?shù)漠a(chǎn)品。

    如何更好將MPEG-2和以太網(wǎng)傳輸控制實現(xiàn)有機(jī)地結(jié)合起來，是研究實現(xiàn)MPEG-2 over IP的重點。本文圍繞著這個重點而展開。

1．系統(tǒng)工作原理
    典型的MPEG-2 over IP結(jié)構(gòu)如下圖1所示。MPEG-2 over IP主要包括MPEG-2編碼模塊和通信控制模塊。MPEG-2編碼模塊實現(xiàn)對模擬視音頻的PMEG-2壓縮編碼；通信控制模塊實現(xiàn)對MPEG-2編碼模塊的控制、MPEG-2 TS流的采集和在以太網(wǎng)上的傳輸。 

2．編碼機(jī)系統(tǒng)的實現(xiàn)
    根據(jù)典型的MPEG-2 over IP產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，將編碼機(jī)硬件體系設(shè)計分為MPEG-2編碼模塊和通信控制模塊兩個部分。

2.1．MPEG-2編碼模塊
2.1.1．MPEG-2編碼模塊的構(gòu)成
    MPEG-2編碼模塊采用日本富士通公司的MPEG-2編碼處理芯片MB86391、SAA7114視頻處理芯片、SC5340音頻處理芯片和Atmel公司的AVR 8位微處理器Atmega16等構(gòu)成。其原理圖如下圖2所示。


2.1.2．MB86391介紹
    MB86391的內(nèi)部框圖如圖3所示。它是在單一芯片中集合了音頻/視頻編碼。編碼使用富士通開發(fā)的高性能MPEG-2壓縮運(yùn)算法則。集合了內(nèi)部DPSRClite CPU處理的硬件和軟件。

    支持ISO/IEC 11172(MPEG-1)、ISO/IEC 13818(MPEG-2) 標(biāo)準(zhǔn)和MPEG-1音頻層-1/2編碼功能( ISO/IEC11172-3)。

    支持NTSC和PAL制式的視頻格式。視頻編碼最大輸出碼率可達(dá)20Mbps。視頻輸入接口采用8位并行接口，音頻采用串行接口。支持并行或者串行的主機(jī)接口。在串行主機(jī)接口模式下，其配置和執(zhí)行MPEG-2算法的firmware（固件）可通過串行主機(jī)接口下載。

2.1.3．MPEG-2編碼模塊的工作原理
    模擬視頻和音頻通過SAA7114視頻處理芯片、SC5340音頻處理芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和處理，輸出給MPEG-2編碼芯片MB86391，MB86391芯片按MPEG-2視頻格式將數(shù)字視音頻作壓縮編碼處理，最后從MB86391的流輸出接口輸出。

    ATMEL公司的AVR 8位處理器ATmega16為編碼模塊的CPU，它通過串行總線來控制MB86391和為其下載firmware（MB86391的微碼，用于執(zhí)行編碼算法等）；ATmega16通過I2C總線與SAA7114和SC5340相連接，完成對前端視音頻的控制調(diào)節(jié)。

    同時ATmega16也肩負(fù)著MPEG-2編碼模塊與通信控制模塊的通信控制任務(wù)，它通過SPI總線與通信控制模塊連接。

    ATmega16在編碼模塊中主要為通信控制模塊和MB86391、SAA7114以及SC5340提供通信控制的橋梁。

2.2．通信控制模塊
    通信控制模塊是MPEG-2編碼機(jī)功能的核心。它主要實現(xiàn)對MPEG-2編碼模塊的控制和傳輸MPEG-2視頻數(shù)據(jù)流到以太網(wǎng)上的功能。通信控制模塊由Winbond公司的32位ARMTDMI核的微處理器W90N740、Lattice公司的FPGA  LFXP3C-5T組成。其原理圖如圖4所示。

                圖4：通信控制模塊框圖

2.2.1．W90N740的特點
    W90N740是臺灣華邦電子公司的一款基于ARM7TDMI核的32位微處理器，內(nèi)部功能框圖如圖5所示。

    該處理主要針對路由器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品而設(shè)計，采用ARM7TDMI核，最高工作頻率可達(dá)80MHz。提供2個10/100M的以太MAC（媒體訪問控制器）、EBI（外部總線接口）總線、4個獨(dú)立可編程的外部中斷源、2個24位的定時計數(shù)器和一個24位的看門狗定時器，以及21個可編程通用I/O和一個UART接口。

    內(nèi)置的兩個以太網(wǎng)MAC控制器，每個MAC都有支持IEEE802.3以太網(wǎng)協(xié)以引擎和含有DMA控制器和收／發(fā)FIFO，支持媒質(zhì)獨(dú)立接口MII（Media Inde-pendent Interface）精簡媒質(zhì)獨(dú)立接口RMII（Reduced MII）。以太網(wǎng)MAC也支持長幀（長度大于1518字節(jié)）和短幀（長度小于64字節(jié)）兩種幀結(jié)構(gòu)。

    EBI控制器支持訪問片外SDRAM、RAM/SRAM、ROM/FLASH和I/O設(shè)備。提供支持達(dá)32M字節(jié)的ROM空間、2個最大為32M字節(jié)的SDRAM和4個32M的I/O設(shè)備空間。

    4個可編程的外部中斷源，可獨(dú)立配置電平觸發(fā)或者邊沿觸發(fā)方式。

    W90N740的特點非常適合于在MPEG-2 over IP產(chǎn)品中擔(dān)當(dāng)通信控制模塊的處理器。

2.2.2．MPEG-2編碼模塊的通信/控制
    MPEG-2編碼模塊和通信控制模塊的通信/控制設(shè)計為SPI接口。MPEG-2編碼模塊為從SPI，通信控制模塊為主SPI。W90N740本身沒有SPI總線接口。設(shè)計時，采用W90N740的通用I/O來模擬一個SPI的主控制器。

    同時，為了保證MPEG-2編碼模塊和通信控制模塊的同步，通行控制模塊為編碼模塊提供一個由W90N740的通用I/O控制的復(fù)位引腳，在通信控制模塊復(fù)位的情況下，讓編碼模塊也能復(fù)位。

2.2.3．TS流的采集
    在編碼機(jī)系統(tǒng)中，TS流的采集是一個重點。設(shè)計時使用FPGA設(shè)計異步FIFO將MB86391的輸出數(shù)據(jù)流和W90N740的EBI總線連接起來，實現(xiàn)TS流的采集。
其FPGA中的TS流采集部分如圖6所示。

    圖6的左端是異步FIOF的輸入控制部分。它與MPEG-2編碼模塊的MB86391的圖像數(shù)據(jù)流接口相連。MB86391工作在27M同步并行模式。其輸出壓縮編碼數(shù)據(jù)流的時序如圖7所示：BCLK為同步數(shù)據(jù)時鐘，頻率是圖像數(shù)據(jù)流的碼率的1/8；STEN是圖像數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)有效指示；TSPSSUNC是圖像數(shù)據(jù)流同步指示，當(dāng)一個TS流包（188字節(jié)）的第一個字節(jié)是0x47時，它為高電平；STDATA是圖像數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)。它們分別與圖6的TS clk、TS vaild、TS sync、TS D[7..0]相連，8位并行的TS流進(jìn)過“8bit to 32bit”部分轉(zhuǎn)換輸入到32位寬度的異步FIFO進(jìn)行緩存。

    圖6的右端是通信控制模塊獲取TS流的部分，它占用W90N740的EBI I/O設(shè)備接口bank0資源。EBI I/O設(shè)備接口bank0配置在32位寬度，以提高W90N740的采集數(shù)據(jù)的能力。當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)緩存到設(shè)定的臨界值后，F(xiàn)IFO的flag信號將變?yōu)楦唠娖健Ｍㄟ^FIFO的flag信號產(chǎn)生送給W90N740的中斷申請nIRQ0，通知W90N740圖像數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了。

    W90N740的EBI I/O總線時序如圖8所示。利用W90N740的系統(tǒng)時鐘MCLK作為異步FIFO的讀時鐘rd clk；通過片選信號nECS0和讀選通信號nOE來產(chǎn)生異步FIFO的讀允許rd en。

    同時，圖6中“控制部分”除了根據(jù)W90N740的EBI I/O設(shè)備時序產(chǎn)生FIFO的讀時序外，它還用W90N740的EBI I/O設(shè)備接口和TS vaild信號來產(chǎn)生FIFO的復(fù)位，reset信號。 

    采用異步FIFO采集MPEG-2 TS流的設(shè)計，降低了圖像數(shù)據(jù)采集占用CPU的時間。為提高整個編碼機(jī)的性新能起到非常大的作用。

2.3．編碼機(jī)的軟件結(jié)構(gòu)
2.3.1．存儲器分配
    大多數(shù)的嵌入式系統(tǒng)，采用Flash或者ROM等存儲器來存儲系統(tǒng)的軟件，為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，一般將程序軟件放入SDRAM、SRAM或者RAM等快速存儲器中運(yùn)行。

    在我們設(shè)計編碼機(jī)的也采用上面的方式來存儲和運(yùn)行程序代碼。為了降低對ROM存儲器的容量要求，將程序代碼采用壓縮方式都放置在16Mbit的FLAS中。其分配使用如表1所示。

2.3.2．軟件設(shè)計
    Linux操作系統(tǒng)是源代碼開放的多任務(wù)操作系統(tǒng)，它具有完善的TCP/IP協(xié)議棧，支持多任務(wù)，成為軟件設(shè)計的主選對象。

    uClinux是針對沒有MMU（內(nèi)存管理單元）的微處理器而設(shè)計的Linux操作系統(tǒng)。它繼承了Linux的絕大多功能，支持進(jìn)程、線程，TCP/IP協(xié)議棧功能強(qiáng)大。因此，軟件設(shè)計選用uClinux操作系統(tǒng)。

    在uClinux操作系統(tǒng)下，將軟件分為驅(qū)動和上層應(yīng)用兩個部分來設(shè)計。驅(qū)動負(fù)責(zé)提供上層應(yīng)用程序訪問底層硬件的接口。應(yīng)用軟件完成編碼機(jī)的功能。

    在uClinux中進(jìn)程和線程都是并行運(yùn)行的，設(shè)計時軟件按功能劃分為模塊，設(shè)計為進(jìn)城或者線程?？紤]到進(jìn)程占用內(nèi)存資源漸多，而線程占用內(nèi)存資源少，因此、系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖9所示應(yīng)用軟件采用進(jìn)程和線程來設(shè)計。應(yīng)用軟件功能模塊如圖9所示。

                  圖9：編碼機(jī)軟件結(jié)構(gòu)   

    劃分進(jìn)程和線程是軟件設(shè)計的一個關(guān)鍵。分析Linux進(jìn)程和線程的特點，結(jié)合編碼機(jī)需要用軟件實現(xiàn)的功能，將初始化工作（如MPEG-2編碼模塊的初始化、以太網(wǎng)參數(shù)初始化）、條件工作功能（如編碼機(jī)參數(shù)配置、遠(yuǎn)程升級）設(shè)計為輔助進(jìn)程，這些進(jìn)程的運(yùn)行的時間短，只有在系統(tǒng)復(fù)位初始化或者條件控制下才運(yùn)行，并且會退出運(yùn)行。

    主進(jìn)程將是一個永遠(yuǎn)運(yùn)行的進(jìn)程，在這個進(jìn)程中將實現(xiàn)編碼的主要功能，如圖像數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)的傳輸、遠(yuǎn)程控制、用于與其它設(shè)備通信的RS-485/RS-232低速數(shù)據(jù)傳輸、編碼機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測等。這些功能之間相互有著聯(lián)系，如遠(yuǎn)程控制可以查詢編碼機(jī)的狀態(tài)，而編碼機(jī)的狀態(tài)隨時由編碼機(jī)的監(jiān)測更新。因此，將這些功能用線程來實現(xiàn)，在主進(jìn)程中用全局變量來實現(xiàn)各個功能之間的聯(lián)系。

    編碼機(jī)的核心功能——TS流傳輸線程和遠(yuǎn)程控制命令處理線程的流程如下圖10所示。

                       圖10：部分線程流程
結(jié)  語
    通過實際設(shè)計表明，在MPEG-2 over IP編碼機(jī)設(shè)計中，采用W90N740作為CPU和uClinux操作系統(tǒng)，使得設(shè)計簡單，靈活，已于維護(hù)。實際效果明顯，能實時傳輸10路4M碼率的MPEG-2圖像給不同的目的IP。

參考文獻(xiàn)
1．    Winbond electronics Corp.  W90N740CD/W90N740CDG data sheet.
2．    日本富士通.  MPEG2 1chip Audio/Video Encoder MB86391 Product Specification.
3．    馬忠梅、徐英慧.  ARM嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ)（第2版）.   北京航空航天大學(xué)出版社.
4．    余兆明、李曉飛.  MPEG標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用.  北京郵電大學(xué)出版社.
5．    張輝.  GNU/Linux編程指南（第二版）.  清華大學(xué)出版社.
6．    詹俊鵠、于衛(wèi)譯.  實戰(zhàn)Linux Socket 編程.  西安電子科技大學(xué)出版社