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基於x86 CPU和專用編解碼器的低成本DVR設計方案

上網時間: 2004年08月01日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:DVR  音視訊  編解碼晶片  VW2010  SNX601 

針對消費性及中、高階視訊監控應用,本文闡述了一種DVR設計硬體實現方案及與主要軟體的介面。該設計利用嵌入式x86CPU實現系統控制以及利用專用晶片實現了MPEG1、MPEG2、MPEG4的音視訊編解碼,適合於中低階DVR的開發。

傳統的類比錄影技術與數位錄影技術相較,使用視訊磁帶錄製方式的類比系統影像品質更差,而且反覆使用會進一步降低其影像品質,而且它的儲存容量也更小。目前,雖然有幾家公司推出了數位視訊錄影機(DVR),但是主要針對高階用戶,市場售價過高很難形成突破,而DVR產品的真正成熟也需5年左右的時間。本文介紹的DVR設計方案以VW2010SNX601為核心,具有系統結構簡單、成本低廉、介面豐富等特點,並能加速系統的開發。

該嵌入式解決方案在消費性產品及中、高階視訊監控領域具有較廣闊的應用前景。

系統的組成

該系統硬體設計如圖1所示。系統中虛線框部份為可替換或精簡的部份。該DVR系統硬體的核心是:VW2010 MPEG編解碼ASIC晶片及SNX 601嵌入式x86 CPU。

其中,VW2010是即時MPEG1、MPEG2和MPEG4音視訊系統編解碼晶片(同時壓縮、解壓或編碼、解碼),完全相容ISO/IEC-11172-2、ISO/IEC-13818-2、ISO/IEC-14496-2和ITU-T H.263(基線)。視訊編碼部份接收未壓縮的ITU-R.BT.656數位視訊訊號。它將輸入和壓縮的視訊轉換為MPEG-1、-2、-4或H.263格式。音訊編碼部份接收雙通道分離的I2S數位音訊格式數據並具有輸入濾波功能。它可將每路音訊轉換為MPEG-1、MPEG-2、MP3、AAC或AC-3音訊格式。VW2010為網路應用輸出傳輸流或為儲存應用輸出節目流。視訊解碼部份接收MPEG串流並輸出ITU-R.BT.656數位視訊。音訊解碼器接收MPEG-1、MPEG-2、MP3、AAC或AC-3串流並輸出I2S、S/P-DIF或IEC-61937壓縮音訊。VW2010是該DVR系統中完成音視訊編解碼的主晶片。

SNX 601是一款x86架構的嵌入式CPU。它具有介面豐富、功耗低、速度快等優點。SNX601採用Pentium+相容的CPU核心。它具有64位元SDRAM控制器、PCI2.2相容主從控制器、USB主機控制器(OCHI)、10/100乙太網路MAC和Ultra DMA66 IDE控制器等,充分滿足DVR系統對VW2010以及周邊介面電路控制的要求。SNX601通過PCI匯流排對VW2010進行初始化、控制及壓縮音視訊數據的交互。

對於音視訊訊號的編解碼過程,系統的工作原理為:類比音視訊訊號通過相應的音視訊A/D轉換器轉換為未經壓縮的數位音視訊訊號並輸入到VW2010中。VW2010根據系統的配置將該音視訊訊號壓縮編碼為MPEG-1、-2或-4格式的音視訊數據。主CPU SNX601通過PCI匯流排將壓縮編碼後的音視訊數據以文件的形式存入IDE介面的硬碟或CDROW-R/W中(需作業系統的支援)。同時,在VW2010內部可將編碼後的音視訊數據直接解碼輸出到相應的D/A轉換器中,完成對用戶的即時播放。對於保存的MPEG格式的文件不但能透過VW2010完成相應的解碼播放,還可以透過主CPU的乙太網路介面、USB介面等完成對文件的外部交換。

VW2010編解碼部份的周邊電路較簡單,只需連接進行編解碼數據緩衝的SDRAM晶片及相應的音視訊A/D、D/A晶片。

系統的BIOS、作業系統及應用程式全部儲存於4MB的快閃記憶體晶片中,系統的作業系統及應用程式的均可在系統SDRAM中執行。

DVR的人機介面可透過前面板的按鍵和紅外線遙控來實現。整體前面板與主CPU則透過UART介面實現資料傳輸。如果需對該系統擴展PC介面的功能,只需在SNX601的X-Bus上連接SuperIO晶片。由於VW2010及SNX601對電源的種類要求較少,系統電源部份可以透過少量LDO完成。

系統硬體特點

該系統硬體的特點是系統結構簡單、交互性能強、數據壓縮格式有多種選擇。該系統的核心晶片只有兩片,並能透過標準的PCI匯流排完成交互控制。利用嵌入式CPU的豐富介面不但節省了傳統的IDE控制介面晶片、乙太網路MAC及USB介面晶片,還減少了電路尺寸及佈線工作量。VW2010周邊的A/D、D/A等晶片可以通過SNX601的串列I2C介面,方便地完成相應的初始化和制式轉換。整個系統對電源種類要求很低,減少了對電源部份的設計壓力和成本。SNX601的兩個IDE介面相較在一個IDE介面上挂接多個IDE設備來說提高了速度。壓縮完成的文件不但可以透過乙太網路介面進行網路傳播,還可以通過目前流行的USB行動硬碟完成數據的交流。

VW2010不但可以產生MPEG-2格式的數據碼流,而且可以產生MPEG4格式的數據碼流。它可以對壓縮數據的碼率可在128Kbps到6Mbps之間可調,以適應各種用戶的需要。低碼率的文件適合網路傳播並節省儲存空間,而高碼率的文件具有最佳的音視覺播放效果。而且,VW2010可以單獨編碼音訊數據並能實現MP3的功能特性。

硬體電路設計

由於電路的複雜性,且採用了高速數位電路,加上對電磁相容(EMC)的設計要求,設計硬體電路時需考慮以下幾點:


1.對於4MB的快閃記憶體晶片尋址,需要通過CPLD作窗口存取邏輯實現;


2.對於處理PCI及SDRAM等控制介面的時脈線時,要盡量使各線的長度及阻抗匹配,並要求對電路中的高速時脈線進行覆銅屏蔽;


3.採用六層電路板,可以降低迴路噪音,提高電路的穩定性;


4.對於視訊的A/D晶片而言,應盡量做到類比地與數位地隔離。避免數位電路對類比電路產生干擾,提高採樣的精密度;


5.對於高速的數據匯流排應盡量添加排阻,以達到阻抗匹配的目的。並應盡量減少走線長度,減少電路中電流的迴路面積;


6.對於SNX601 CPU而言不但在晶片下方的電路板頂層要覆銅,而且在晶片下方的電路板底層也要覆銅,且用過孔連接,以利於CPU的散熱並可避免添加風扇。如圖2所示。

7.對於USB等介面電路需添加相應的保護電路,以免外部噪音干擾。

系統軟體介面

該DVR系統硬體主要與以下幾部份的軟體需進行介面:


1.系統BIOS,主要負責SNX601 CPU的初始化,以及系統硬體的自檢和對作業系統軟中斷的支援。


2.作業系統,可以選用支援x86 CPU的作業系統。以Linux作業系統最為經濟,效果也不錯。作業系統要有支援VW2010的驅動程式,並能對各部份週邊設備進行識別與響應。


3.對於應用程式而言,主要對於遙控部份電路通訊協定要支援。可以利用標準的或自定義的遙控編解碼格式。


4.VW2010初試化微碼,VW2010內部的處理單元為MIPS結構的處理器,所以需要相應的微碼(MIPS程式)進行初始化。對於不同的MPEG編解碼方式及碼率可調的情況需要下載不同的微碼。SNX601可以通過PCI匯流排將微碼由外部記憶體下載進VW2010。對於不需調整的編解碼方式,可以將相應的微碼燒錄到ROM中。VW2010支援特殊的ROM上電讀取的方式,將微碼自動的讀取到晶片中完成VW2010的初始化過程。

作者:房汝明


硬體研發工程師


北京華通為爾廣視科技有限公司




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