摘? 要: 設(shè)計(jì)了一種嵌入式的MPEG-2圖像壓縮" title="圖像壓縮">圖像壓縮編碼系統(tǒng)。該系統(tǒng)在遠(yuǎn)端將攝錄的圖像實(shí)時(shí)地硬件壓縮編碼" title="壓縮編碼">壓縮編碼,然后通過MPC860T通信處理器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)將編碼后的碼流通過以太網(wǎng)傳送給視頻服務(wù)器,視頻服務(wù)器將網(wǎng)絡(luò)上接收到的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)回放、存儲(chǔ)。圖像壓縮使用Fujitsu的單片MPEG-2壓縮編碼芯片。該系統(tǒng)安裝方便,網(wǎng)絡(luò)配置簡單靈活,具有較廣闊的市場前景。

　　關(guān)鍵詞: MPEG-2? PowerPC? 傳輸流

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　　圖像實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備有模擬和數(shù)字兩類。數(shù)字監(jiān)控設(shè)備由于便于壓縮、存儲(chǔ)、傳輸,在近年來逐漸替代了模擬監(jiān)控設(shè)備。數(shù)字監(jiān)控設(shè)備的核心技術(shù)在于圖像壓縮編碼設(shè)備,目前成熟的實(shí)時(shí)數(shù)字圖像編碼器基本上基于MPEG-1壓縮標(biāo)準(zhǔn),且大多數(shù)為PCI接口。就MPEG-1而言,當(dāng)初專家組制定時(shí)規(guī)定的原始圖像分辨率較低,NTSC:352×240,PAL:253×288,解碼后其質(zhì)量與VHS相當(dāng),在很多場合已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)的需要。MPEG-2壓縮標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的圖像分辨率相對(duì)高得多,NTSC:704×480,PAL:704×576。對(duì)于基于PCI接口的壓縮板卡而言,實(shí)施的復(fù)雜性是顯而易見的,必須借助計(jì)算機(jī)才能實(shí)現(xiàn)其功能,這種應(yīng)用有時(shí)會(huì)受制于現(xiàn)場環(huán)境,而且對(duì)系統(tǒng)的成本和可靠性也大為不利。隨著技術(shù)的日益發(fā)展,一方面,很多公司推出了基于MPEG-2壓縮標(biāo)準(zhǔn)的單片Codec,如IBM、C-Cube、iCompression、Fujitsu;另一方面,隨著嵌入式微處理器和OS的發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)也具有了強(qiáng)大的處理功能,如網(wǎng)絡(luò)通信、圖像處理等。在這種背景下設(shè)計(jì)了以下的嵌入式圖像壓縮系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)框架

　　系統(tǒng)主體框圖如圖1,主要分兩部分:一部分以Fujitsu的MB86390芯片為主實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)壓縮編碼。該部分輸入模擬視頻、音頻,經(jīng)過視頻A/D" title="A/D">A/D芯片SAA7113、音頻A/D芯片PCM1800數(shù)字化后送至MB86390實(shí)現(xiàn)MPEG-2壓縮,輸出TS傳輸流" title="傳輸流">傳輸流,并且提供串行通信總線與MPC860T完成通信。另一部分是以MPC860T為主的通信電路設(shè)計(jì),主要實(shí)現(xiàn)與MB86390輸出的TS傳輸流的接口,完成TS傳輸流在快速以太網(wǎng)上的傳送,與視頻服務(wù)器的通信,提供通信口實(shí)現(xiàn)與MB86390芯片通信和對(duì)云臺(tái)的控制。

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2 圖像壓縮部分設(shè)計(jì)

2.1 MB86390編碼器的介紹

　　該芯片框圖如圖2。該芯片內(nèi)嵌32bitRISC處理器,主要完成實(shí)時(shí)壓縮編碼,在片內(nèi)實(shí)現(xiàn)Mpeg2 MP@ML級(jí)視頻編碼,遵循ISO/IEC13818-2標(biāo)準(zhǔn),最大編碼速率達(dá)15Mbps;實(shí)現(xiàn)Mpeg Layer 1/2音頻編碼,遵循ISO/IEC 11172-3標(biāo)準(zhǔn),最大編碼速率達(dá)448kbps;同時(shí)遵循ISO/IEC13818-1標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)復(fù)用,能輸出PES、PS、TS流可選,并能根據(jù)系統(tǒng)所提供的帶寬輸出最大速率20Mbps。數(shù)字化后視頻輸入數(shù)據(jù)為8位,可以為D1格式或者Y/C復(fù)用輸入格式。音頻的取樣率支持32kHz、44.1kHz和48kHz可選。碼流輸出通過8位并口,可同步或者異步握手輸出,或通過DMA方式傳送至SDRAM。該芯片還提供了豐富的API接口,可以對(duì)許多參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,如視頻輸入格式、音頻采樣率、編碼后的各種PID、平均碼率等。

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2.2 電路設(shè)計(jì)

　　該部分電路主要完成 MB86390與視音頻A/D的連接。MB86390基本上能與大多數(shù)芯片直接聯(lián)接。在本設(shè)計(jì)中,選用SAA7113作為視頻A/D。由于MB86390為其提供I2C總線接口,而且其初始化等操作能通過MB86390完成,相應(yīng)的連線也比較方便;對(duì)于MB86390與音頻A/D接口可以通過主從兩種方式實(shí)現(xiàn),即由MB86390提供數(shù)據(jù)與左右聲道接口時(shí)鐘,或者由音頻A/D來提供。但是必須注意系統(tǒng)編碼的時(shí)鐘必須與接口數(shù)據(jù)時(shí)鐘同步,在這里使用TI公司的PLL1705鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。圖3給出了這部分信號(hào)連接的電路。

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3 接口通信部分設(shè)計(jì)

3.1 MPC860T網(wǎng)絡(luò)通信處理器介紹

　　MPC860是Motorola公司繼MC68360后推出的新一代通信處理器,內(nèi)部包括三部分:PowerPC core模塊、系統(tǒng)接口單元模塊(SIU)、通信處理模塊" title="處理模塊">處理模塊(CPM)。PowerPC是主處理單元,包括Cache和內(nèi)存管理單元,在40MHz時(shí)鐘下能達(dá)到52MIPS的處理能力。系統(tǒng)接口單元主要完成內(nèi)部總線與外部總線的接口,也提供一些其它功能,如總線檢測、軟件看門狗、多個(gè)定時(shí)器、PCMCIA接口等。通信處理模塊是該芯片的核心,其內(nèi)部還嵌入了一個(gè)RISC。因而MPC860從某種意義上說,是一種雙處理器結(jié)構(gòu)。該模塊集成了4個(gè)串行通信控制器(SCC)、2個(gè)串行管理單元(SMC)、一個(gè)串行外設(shè)單元(SPI)、一個(gè)I²C總線接口單元。

　　串行通信控制器(SCC)根據(jù)型號(hào)不同集成多種功能,如以太網(wǎng)控制器、HDLC控制器等;它還能實(shí)現(xiàn)多通道HDLC控制器,例如:提供T1/E1接口,對(duì)在T1/E1中的每個(gè)時(shí)隙分別實(shí)現(xiàn)HDLC通信,如交換機(jī)中的7號(hào)信令處理。串行管理單元(SMC)的功能相對(duì)弱一些,一般用來實(shí)現(xiàn)UART。串行外設(shè)單元(SPI)用來實(shí)現(xiàn)與SPI總線通信。I2C總線接口支持主從模式,與具有I²C總線的器件單元進(jìn)行通信。通信處理模塊(CPM)中還含有4個(gè)獨(dú)立的波特率發(fā)生器,可以被連接到串行通信控制器(SCC)和串行管理單元。除了這些處理通信協(xié)議的功能外,通信處理模塊(CPM)還具有多個(gè)獨(dú)立的DMA通道,進(jìn)一步提高CPM的處理效率。

3.2 電路設(shè)計(jì)

　　本MPC860T系統(tǒng)中選用了256KB的EPROM、128MB的SDRAM,與以太網(wǎng)的接口器件選用Level one公司的LXT971A。該電路比較常見,引腳處理比較固定,故本文不再贅述。這里著重討論MPC860T與MB86390之間的電路設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中,需要MB86390芯片8位并口輸出TS流。MB86390的8位并行輸出口具有兩種功能:當(dāng)XERROR腳為高時(shí),并行口輸出正常的壓縮碼流,其異步接口時(shí)序如圖4;當(dāng)XERROR腳為低時(shí),并行口上輸出的是MB86390的錯(cuò)誤報(bào)告。這樣使電路設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜些。本設(shè)計(jì)方法是當(dāng)XERROR變低時(shí),使其對(duì)MPC860T產(chǎn)生中斷,同時(shí)將STDATA口連接到MPC860T上空余的通用I/O腳上,根據(jù)中斷后讀其不同的值來實(shí)現(xiàn)軟件相應(yīng)的操作;當(dāng)XERROR腳為高時(shí),使用FIFO實(shí)現(xiàn)與MB86390之間的數(shù)據(jù)接口,在本設(shè)計(jì)中,選用IDT公司idt72v02,512×9bit異步FIFO。在FIFO的寫入端,根據(jù)STEN和STDATA及FIFO的時(shí)序圖,可以直接連接;在FIFO的讀出端,使用中斷操作,即當(dāng)FIFO中數(shù)據(jù)達(dá)到半滿時(shí),給MPC860T一個(gè)中斷,然后MPC860T連續(xù)讀取FIFO中的一段數(shù)據(jù)。該部分的主要接口電路如圖5。

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4 應(yīng)用

　　本系統(tǒng)用途廣,最常見的應(yīng)用是用于需要高質(zhì)量圖像的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控,如小區(qū)安防、海關(guān)、銀行等。用戶不必再象基于PCI的系統(tǒng)那樣,增添一個(gè)監(jiān)控處就要放置一臺(tái)計(jì)算機(jī),或者加長模擬視頻傳輸電纜,只要將本設(shè)備接入以太網(wǎng)絡(luò)就可以了,而且網(wǎng)絡(luò)上的任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以監(jiān)測到圖像,如圖6所示。如接入ATM網(wǎng)絡(luò),寬帶SDH支持,用戶在遠(yuǎn)端還可以通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測。這樣當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí),遠(yuǎn)端報(bào)警中心可以實(shí)時(shí)地觀察到高質(zhì)量圖像。

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　　顯然,隨著嵌入式技術(shù)和圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展、通信技術(shù)的進(jìn)步,可以預(yù)見,將會(huì)有更多的圖像壓縮芯片和更高處理能力的嵌入式處理器出現(xiàn),開發(fā)嵌入式的網(wǎng)絡(luò)圖像通信產(chǎn)品將會(huì)是一種必然趨勢。本設(shè)計(jì)產(chǎn)品集成度高,圖像質(zhì)量比較好,具有較高的實(shí)用價(jià)值和較廣闊的市場前景。

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參考文獻(xiàn)

1 MPEG2 1-chip Audio/Video Encoder MB86390 product Specification. Fujitsu Co.Ltd, 1999

2 MB86390 Parameter Specification.? Fujitsu Co.Ltd 2000

3 MPC860 User Manual. Motorola Co.Ltd 1998

4 SAA7113H 9-bit Video input processor.? Philips Co.Ltd,? 1999

5 Interfacing the LXT971A/972A to the Motorola MPC860T Fast Ethernet Controller. Intel Co.Ltd, 2001