電子設計應用2004年第9期

摘要：本文結合實際開發經驗，系統闡述了基于PHILIPS公司TRIMEDIA平臺開發多通道數字監控DVR的硬件系統設計及關鍵技術，并對開發過程中難點問題的處理提出了一些建議。
關鍵詞：嵌入式系統；DVR TRIMEDIA；MPEG-4；代碼優化；運動估計；網絡協議棧

概述
隨著數字化時代的到來，在安防監控領域，集成了多媒體技術、數字圖像處理及遠程網絡傳輸等最新技術的數字監控系統正在逐步取代傳統的模擬監控系統。采用最新的嵌入式系統設計技術和MPEG-4壓縮編碼技術的嵌入式DVR產品正在逐漸引起業內的廣泛關注。
本文介紹的針對市場客戶需求，利用PHILIPS公司TRIMEDIA技術平臺成功開發的基于MPEG-4編解碼技術的長虹“銳眼王”系列嵌入式數字硬盤錄象機，在國內居于行業領先水平，取得了較好的社會及經濟效益。

圖1  硬件的系統結構圖

硬件系統設計(以4路機為例)
如圖1所示，系統主要由以下幾個模塊組成：視音頻編碼器、主處理器、硬盤控制器、網絡控制器、PCI橋、PCI總線仲裁器、系統存儲器、外圍控制器和其他系統模塊。
視音頻編碼器
該模塊主要由視頻解碼器、音頻CODEC和DSP處理器組成。其中視頻解碼器將模擬視頻轉化為數字視頻，音頻CODEC將模擬音頻轉化為數字音頻，并通過專用接口傳輸給DSP處理器進行編碼。DSP編碼后的數據通過PCI總線傳輸給主處理器，用于本地存儲和網絡傳輸。
主處理器
主處理器完成的工作包括：
從PCI總線上獲得編碼視頻、音頻數據；
將編碼后的視頻、音頻數據進行網絡傳輸；
將編碼后的視頻、音頻數據進行本地存儲；
實現視頻預覽及音頻監聽；
接收外圍控制器的命令，并將相關操作通知相關設備；
從硬盤中讀出存儲的數據，并進行本地播放及與播放相關的各項操作；
在系統啟動時，給其他DSP處理器加載程序代碼；
運行嵌入式操作系統，進行系統管理和進程調度。
硬盤控制器
該控制器負責從PCI總線上獲得數據流，并將數據流以特定的格式存儲到硬盤中。
網絡控制器
該控制器負責從PCI總線上獲得數據流，并將數據流以特定的格式實現網絡傳輸。
PCI橋
負責PCI橋編碼器之間的總線仲裁以及硬盤控制器和網絡控制器之間的總線仲裁。
PCI總線仲裁器
負責兩個PCI橋和主DSP之間的總線仲裁，使主DSP獲得相應較高的優先級，進行有效的非PCI總線操作，以便和外圍控制器之間進行有效數據傳輸。
系統存儲器
系統存儲器由系統啟動代碼存儲器、子系統啟動代碼存儲器、程序存儲器和雙端口RAM組成。其中系統啟動代碼存儲器存儲主處理器的BootLoader代碼，主處理器的程序代碼存儲在程序存儲器中。雙端口RAM負責外圍控制器和主處理器之間的數據交換。子系統啟動代碼存儲器存儲4路編碼處理器的啟動代碼。編碼處理器的主代碼由主處理器在運行時進行加載，程序可以放于程序存儲器中，也可放于硬盤中。
外圍控制器
主要負責外圍的一些操作控制，例如按鍵輸入、遙控器輸入、報警器輸入和輸出等。
其他系統模塊
包括電源管理等其他系統設備。
項目開發過程中的難點及
關鍵技術
高速數字電路設計
TRIMEDIA方案中處理器主頻往往超過100MHz，對信號完整性及EMC性能構成極大挑戰。電路板設計應按4~6層板考慮。在元器件布局及布線過程中嚴格遵守高速電路設計原則，確保系統功能的實現以及整機性能指標達到檢測標準。
CODEC設計實現
評價嵌入式DVR最重要的指標是CODEC實現的質量，直接體現在同等碼率條件下，音視頻編解碼算法及代碼執行的效率。設計優良的CODEC應具有如下特征：
?高性能的運動估計
MPEG-4編碼的運算量主要集中在運動估計部分，運動估計的好壞直接影響編碼的質量和效率。運動估計可采用多種算法：一是基于碼率失真模型的運動估計；二是碼率受限的模式選擇；三是基于時域和空域相關的自適應預測；四是大搜索范圍預測；五是無限制的運動估計。算法在保證較高的計算效率基礎上，估計的精度應接近全局運動估計。
?高精度的DCT/IDCT變換
在Trimedia定點處理器上，實現的DCT/IDCT變換算法在保證高的計算效率基礎上，也要保證運算精度符合IEEE  1180-1900標準。
?支持差錯掩蓋和自動恢復功能，即使在較差的傳輸信道上，也能有較好的圖像重建質量。
?支持多種GOP結構，可設定M，N，以支持IBBP，IBP，IP，I等多種GOB結構。
ブС值耐枷穹直媛飾猀CIF-D1，在垂直和水平方向上能以步長的倍數遞增。
?自適應的幀場DCT變換，支持幀場運動估計。自適應Inter/Intra選擇。
?精確和靈活的碼率控制，支持VBR，CBR和Hybrid 等多種碼率控制方法。
?碼流完全兼容ISO/IEC-14496-2，MPEG4 ASP@LEVEL3規范。
?解碼器根據編碼器引入的噪聲類型，自動選擇自適應的濾波器，具有多重去噪的能力。
?具有良好的可移植性。
基于TRIMEDIA平臺的CODEC既可自行開發，也可購買成熟的第三方軟件庫。
BSP設計與調試
首先是最小系統的調試。由于最小系統的調試手段有限，建議使用與DEMO板相同或相近的硬件結構，這樣只需對DEMO板BSP相關的文件進行修改，以適應于自己的目標板。另外，這一階段可能有許多硬件問題尚未完全解決，會很難定位各種故障。除非有硬件調試器的支持，否則不建議在最小系統中使用過多未曾用過的硬件芯片。
接下來是外圍設備驅動程序的調試。可以分為兩步來進行：首先通過一些簡單的配置及測試程序進行硬件調試，這一階段盡可能排除各種硬件故障。接著就是調試驅動程序本身，由于通常各種外設驅動程序都會與操作系統交互信息，而且隨著信息量的增大，使得驅動程序的運行頻率會變得非常高。因此，設計驅動程序時，一定要注意程序的穩定性及效率，它將直接影響到整個系統的性能及穩定性。大部分通用設備的驅動程序都可以由兩部分來實現，一部分是與CPU相關的代碼，這部分主要是一些配置參數，以及一些代碼功能，這些程序很少。另一部分就是與CPU不相關的驅動程序代碼，它實現了與OS的絕大部分接口。
BSP的調試方法有如下幾種：硬件仿真器調試、純軟件方法調試、軟件調試器調試。
網絡協議棧的實現
網絡遠程監控的效果與網絡協議棧的性能直接相關，目前使用得最多的就是TCP/IP協議棧。在TriMedia軟件架構中，可以將網絡驅動設計成pSOS網絡部件pNA+訪問網絡接口。這樣設計的優點是：上層軟件可以使用pSOS系統的pNA+軟件部件豐富的系統調用函數，這些函數不但可以操作網絡接口，而且可以操作套節字(Socket)進行高級TCP/IP網絡編程，而不需用軟件來實現TCP/IP協議棧。盡管如此，但往往實際效果最好的當屬專用商用網絡協議棧，如FUSION公司提供的產品。
一般而言，網絡接口底層的通信協議由專用芯片硬件實現，而上層的通信協議才需軟件編程實現。TRIMEDIA方案中網絡接口的實現可在PCI總線或同步串行口(SSI)掛上不同的專用網絡接口芯片，接入不同的通信網絡環境中。
當然，如果設計成本許可，也可直接使用自帶網絡協議棧的網絡接口控制芯片(如RABBIT公司的產品)，減小開發工作量。
文件系統的實現
在嵌入式DVR設計中，文件系統的實現非常復雜，技術含量相當高。與通常PC機使用的文件系統不同的是，嵌入式DVR中通常采用音視頻交叉存儲文件格式，為有效解決大量文件索引占用CPU資源過多、斷電損傷、TIME-SHIFTING等問題，需要建立特別的AV文件系統，在不增加冗余的同時仍能快速索引定位。該文件系統實現效率高低將直接影響到整機性能及可靠性。其中純音頻的保存、快速定位、音視頻同步問題值得重點關注。由于該問題足可構成專題論述，本文不作深入討論。
網絡客戶端軟件的實現
目前幾乎所有的嵌入式DVR均提供網絡客戶端軟件以進行遠程網絡監控。主要分為內嵌于通用  WEB瀏覽器以及專用軟件兩種類型。開發難點集中在遠端DVR設備的地址自動解析識別、針對不同網絡帶寬情況下的碼率/幀率自適應調整、多通道監控中心設備系統資源占用率等方面。

結語
我們在引進和消化Trimedia多媒體處理技術的基礎上，成功開發了長虹“銳眼王”系列嵌入式數字硬盤錄象機。該機型結構緊湊、功能完善、性能可靠，音視頻效果優異，系統升級方便。其中方便易用的下拉式菜單界面及日志記錄功能屬國內首創。目前業內的主流還是基于CIF分辨率的記錄，今后高分辨率(D1)記錄以及采用H.264技術的DVR產品的市場需求將逐漸增加，給算法優化及處理器能力的提升提出了新的課題，這將是我們下一步關注的重點。■

參考文獻
1 Philips Corporation.  PNX1300 chip databooks. 2002