摘要：目前MPEG-2overIP產品因其圖像質量高，并采用以太網傳輸技術而在軌道交通、高速公路監控領域中得到廣泛的應用。本文介紹了一種基于W90N740微處理器的MPEG-2編碼機，并從硬件和軟件兩個方面闡述了如何實現視頻圖像的傳輸和控制。
關鍵詞：MPEG-2W90N740FPGAuClinux

隨著微電子技術和以太網技術的發展，MPEG-2產品正逐步從傳統的模擬傳輸，向采用IP/ATM傳輸發展。MPEG-2overIP是采用以太網傳輸技術，將MPEG-2視頻傳輸流（TS流）通過以太網進行傳輸的產品。

如何更好將MPEG-2和以太網傳輸控制實現有機地結合起來，是研究實現MPEG-2overIP的重點。本文圍繞著這個重點而展開。

1．系統工作原理
典型的MPEG-2overIP結構如下圖1所示。MPEG-2overIP主要包括MPEG-2編碼模塊和通信控制模塊。MPEG-2編碼模塊實現對模擬視音頻的PMEG-2壓縮編碼；通信控制模塊實現對MPEG-2編碼模塊的控制、MPEG-2TS流的采集和在以太網上的傳輸。

2．編碼機系統的實現
根據典型的MPEG-2overIP產品結構，將編碼機硬件體系設計分為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AVR8位微處理器Atmega16等構成。其原理圖如下圖2所示。


2.1.2．MB86391介紹
MB86391的內部框圖如圖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的高性能MPEG-2壓縮運算法則。集合了內部DPSRCliteCPU處理的硬件和軟件。

支持ISO/IEC11172(MPEG-1)、ISO/IEC13818(MPEG-2)標準和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接口。在串行主機接口模式下，其配置和執行MPEG-2算法的firmware（固件）可通過串行主機接口下載。

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音頻處理芯片進行模數轉換和處理，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AVR8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節。

同時ATmega16也肩負著MPEG-2編碼模塊與通信控制模塊的通信控制任務，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編碼機功能的核心。它主要實現對MPEG-2編碼模塊的控制和傳輸MPEG-2視頻數據流到以太網上的功能。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FPGALFXP3C-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，內部功能框圖如圖5所示。

該處理主要針對路由器網絡產品而設計，采用ARM7TDMI核，最高工作頻率可達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個獨立可編程的外部中斷源、2個24位的定時計數器和一個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。

內置的兩個以太網MAC控制器，每個MAC都有支持IEEE802.3以太網協以引擎和含有DMA控制器和收／發FIFO，支持媒質獨立接口MII（MediaInde-pendentInterface）精簡媒質獨立接口RMII（ReducedMII）。以太網MAC也支持長幀（長度大于1518字節）和短幀（長度小于64字節）兩種幀結構。

EBI控制器支持訪問片外SDRAM、RAM/SRAM、ROM/FLASH和I/O設備。提供支持達32M字節的ROM空間、2個最大為32M字節的SDRAM和4個32M的I/O設備空間。

4個可編程的外部中斷源，可獨立配置電平觸發或者邊沿觸發方式。

W90N740的特點非常適合于在MPEG-2overIP產品中擔當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控制的復位引腳，在通信控制模塊復位的情況下，讓編碼模塊也能復位。

2.2.3．TS流的采集
在編碼機系統中，TS流的采集是一個重點。設計時使用FPGA設計異步FIFO將MB86391的輸出數據流和W90N740的EBI總線連接起來，實現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的圖像數據流接口相連。MB86391工作在27M同步并行模式。其輸出壓縮編碼數據流的時序如圖7所示：BCLK為同步數據時鐘，頻率是圖像數據流的碼率的1/8；STEN是圖像數據流數據有效指示；TSPSSUNC是圖像數據流同步指示，當一個TS流包（188字節）的第一個字節是0x47時，它為高電平；STDATA是圖像數據流的數據。它們分別與圖6的TSclk、TSvaild、TSsync、TSD[7..0]相連，8位并行的TS流進過“8bitto32bit”部分轉換輸入到32位寬度的異步FIFO進行緩存。

圖6的右端是通信控制模塊獲取TS流的部分，它占用W90N740的EBII/O設備接口bank0資源。EBII/O設備接口bank0配置在32位寬度，以提高W90N740的采集數據的能力。當FIFO中的數據緩存到設定的臨界值后，FIFO的flag信號將變為高電平。通過FIFO的flag信號產生送給W90N740的中斷申請nIRQ0，通知W90N740圖像數據準備好了。

W90N740的EBII/O總線時序如圖8所示。利用W90N740的系統時鐘MCLK作為異步FIFO的讀時鐘rdclk；通過片選信號nECS0和讀選通信號nOE來產生異步FIFO的讀允許rden。

同時，圖6中“控制部分”除了根據W90N740的EBII/O設備時序產生FIFO的讀時序外，它還用W90N740的EBII/O設備接口和TSvaild信號來產生FIFO的復位，reset信號。

采用異步FIFO采集MPEG-2TS流的設計，降低了圖像數據采集占用CPU的時間。為提高整個編碼機的性新能起到非常大的作用。

2.3．編碼機的軟件結構
2.3.1．存儲器分配
大多數的嵌入式系統，采用Flash或者ROM等存儲器來存儲系統的軟件，為了提高系統的運行速度，一般將程序軟件放入SDRAM、SRAM或者RAM等快速存儲器中運行。

在我們設計編碼機的也采用上面的方式來存儲和運行程序代碼。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．軟件設計
Linux操作系統是源代碼開放的多任務操作系統，它具有完善的TCP/IP協議棧，支持多任務，成為軟件設計的主選對象。

uClinux是針對沒有MMU（內存管理單元）的微處理器而設計的Linux操作系統。它繼承了Linux的絕大多功能，支持進程、線程，TCP/IP協議棧功能強大。因此，軟件設計選用uClinux操作系統。

在uClinux操作系統下，將軟件分為驅動和上層應用兩個部分來設計。驅動負責提供上層應用程序訪問底層硬件的接口。應用軟件完成編碼機的功能。

在uClinux中進程和線程都是并行運行的，設計時軟件按功能劃分為模塊，設計為進城或者線程。考慮到進程占用內存資源漸多，而線程占用內存資源少，因此、系統軟件結構如圖9所示應用軟件采用進程和線程來設計。應用軟件功能模塊如圖9所示。

圖9：編碼機軟件結構

劃分進程和線程是軟件設計的一個關鍵。分析Linux進程和線程的特點，結合編碼機需要用軟件實現的功能，將初始化工作（如MPEG-2編碼模塊的初始化、以太網參數初始化）、條件工作功能（如編碼機參數配置、遠程升級）設計為輔助進程，這些進程的運行的時間短，只有在系統復位初始化或者條件控制下才運行，并且會退出運行。

主進程將是一個永遠運行的進程，在這個進程中將實現編碼的主要功能，如圖像數據流在網絡的傳輸、遠程控制、用于與其它設備通信的RS-485/RS-232低速數據傳輸、編碼機的狀態監測等。這些功能之間相互有著聯系，如遠程控制可以查詢編碼機的狀態，而編碼機的狀態隨時由編碼機的監測更新。因此，將這些功能用線程來實現，在主進程中用全局變量來實現各個功能之間的聯系。

編碼機的核心功能――TS流傳輸線程和遠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
結語
通過實際設計表明，在MPEG-2overIP編碼機設計中，采用W90N740作為CPU和uClinux操作系統，使得設計簡單，靈活，已于維護。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
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