|
視頻信息在現代信息化戰爭發(fā)揮日益重要的作用，在視頻監控、偵察、機載或車(chē)載視頻記錄等方面都得到了越來(lái)越廣泛應用，這種形勢對數字視頻監控記錄設備的研制提出了新的要求：大批量的應用要求降低監控記錄設備成本，多樣的應用環(huán)境、分散、孤立的監控點(diǎn)要求監控記錄設備盡可能一體化、小型化、獨立、便攜、低功耗、供電方便、性能可靠。針對這些新問(wèn)題和新要求，筆者設計實(shí)現了一種基于嵌入式系統和MPEG-4編碼標準的數字錄像機，系統集成度高、體積小、功耗低、獨立、便攜，適合大量的各類(lèi)視頻監控和記錄應用。 1 系統總體設計及原理 本系統選擇嵌入式微處理器加專(zhuān)用壓縮編碼芯片的方案，系統電路主體框圖如圖1所示，主要由視音頻解碼芯片、視音頻壓縮編碼芯片、核心微處理器控制模塊、電源模塊以及各種外部接口等組成。系統采用單一5V電源供電，正常啟動(dòng)后，視頻、音頻解碼芯片SAA7114和PCM1800分別對對輸入的模擬視頻、音頻信號進(jìn)行解碼，并分別送入壓縮編碼芯片IME6400進(jìn)行壓縮生成MPEG-4復合流，控制芯片S3C2410從ime6400的HOST接口接收數據并以文件的形式存儲至硬盤(pán)，并完成系統的總體控制。 2 硬件設計 2.1 視頻音頻解碼及壓縮編碼部分設計 視頻A/D芯片選用Philips公司的SAA7114，該芯片支持多種輸入模式，具有抗混疊濾波、自動(dòng)增益變換、亮度、對比度調整等功能。通過(guò)設定SAA7114的內部的配置寄存器93H[6]為1使能其HOST端口，實(shí)現與IME6400的無(wú)縫連接。音頻A/D芯片采用BURR-BROWN公司的PCM1800，它對模擬音頻進(jìn)行高信噪比20bit數字采樣，生成PCM數字音頻流。 壓縮編碼采用INTIME公司的MPEG-4編碼芯片IME6400。該芯片是一款高性能的單片多通道MPEG-4數字壓縮編碼芯片，它支持多種編碼模式和比特率控制，并提供了豐富的外圍硬件接口。其外部HOST接口有四種模式，由MODE引腳來(lái)決定，本系統選用異步模式：MODE[1:0] pin = 11。在此模式下，IME6400對輸入的視頻音頻流進(jìn)行壓縮和復合，產(chǎn)生MPEG-4的系統流，然后經(jīng)過(guò)輸出端口大小為1K的FIFO緩沖進(jìn)行數據的輸出，當FIFO滿(mǎn)，其GPIO0腳就產(chǎn)生一個(gè)下降沿的中斷通知主機讀取FIFO中的數據，主機通過(guò)512次（16bit主機）讀IME6400 HOST端口的EncodedStream寄存器完成數據的讀取，外部主機通過(guò)寫(xiě)一個(gè)不同的值到USER4寄存器來(lái)通知IME6400數據傳輸已完成。 2.2 控制、接口及存儲部分設計 系統控制模塊選用三星的S3C2410微處理器,這是一個(gè)采用ARM920T內核，高性能、低功耗、低成本的32位微處理器。為了提高設計和應用的靈活性，硬件設計上采用核心板加底板的模塊化設計方法，在核心板上集成了基于S3C2410的最小系統，通過(guò)底板來(lái)擴展外部功能。在核心板上主要配置了64MB的NANDFlash 和64MB的SDRAM及提供RTC時(shí)鐘和工作時(shí)鐘的晶體，并將其豐富的外設接口資源引出。在底板上擴展出USB主機接口、以太網(wǎng)口、UART接口、IDE接口等，以實(shí)現與外部設備間的數據傳輸和通信。 S3C2410并不帶有IDE控制模塊，接口電路需另行設計，圖2是IDE接口電路示意圖。電路利用S3C2410的第5個(gè)BANK的片選信號nGCS4和地址信號ADD4和ADD5相或后形成IDE接口的兩個(gè)片選信號nIDE_CS0、nIDE_CS1，S3C2410的讀寫(xiě)信號nOE、nWE 則直接用于IDE接口讀寫(xiě)信號nIOR、nIOW。該方法將IDE接口映射到了S3C2410的第5個(gè)Memory Bank中, S3C2410將IDE設備視為普通的存儲器,以相同的方式訪(fǎng)問(wèn)，這大大降低了系統軟件開(kāi)發(fā)的復雜度。 采用類(lèi)似IDE接口的方式將IME6400的HOST接口映射到處理器的第6個(gè)Memory Bank中。系統存儲部分采用體積小、抗震性好、溫度范圍寬的電子硬盤(pán)作為存儲器。 3 軟件設計 由于Linux系統具有穩定、高效、易定制、易裁減、開(kāi)放源碼等優(yōu)點(diǎn)，本系統選用嵌入式Linux作為操作系統，在此系統下實(shí)現IME6400驅動(dòng)程序設計和相關(guān)應用程序設計。 Linux 將設備當作文件處理，編寫(xiě)linux驅動(dòng)程序的最主要工作就是file_operations結構中各入口點(diǎn)的實(shí)現，即對應于open()、release()、read()、write()、ioctrl()等系統調用子函數的編寫(xiě)。同時(shí)本系統的設備驅動(dòng)程序采用靈活性較好的動(dòng)態(tài)加載方式，驅動(dòng)程序還應包括模塊初始化函數和模塊注銷(xiāo)函數。下面介紹幾個(gè)主要函數及其功能： 模塊初始化函數在驅動(dòng)程序被加載的時(shí)候被調用，主要完成以下功能： 申請掛載總線(xiàn)上的視頻編碼芯片的實(shí)際物理地址空間并且將它映射到虛擬地址空間： request_region(BASE_ADDR,0x100,"IME6400") vbase = ioremap_nocache(BASE_ADDR,0x100) 注冊設備并獲取主設備號： ret=register_chrdev(IME6400_MAJOR,"ime6400",&ime6400_fops) 設置并且申請中斷及注冊中斷處理函數： set_external_irq(IRQ_EINT19, EXT_FALLING_EDGE, GPIO_PULLUP_DIS) request_irq(IRQ_EINT19, &ime 6400_irq, SA_INTERRUPT,"ime6400", NULL) 注冊設備文件系統： ime6400_devfs_dir= devfs_register(NULL,"ime6400",DEVFS_FL_DEFAULT,IME6400_MAJOR,0, S_IFCHR |S_IRUSR |S_IWUSR |S_IRGRP |S_IWGRP,&ime6400_fops, NULL) l OPEN函數遞增模塊使用計數，防止沒(méi)有釋放設備就把模塊卸載了。 l READ函數阻塞等待數據緩沖區滿(mǎn)，然后把數據從內核空間復制到用戶(hù)空間。 l IOCTRL函數實(shí)現從用戶(hù)空間向內核空間傳遞參數，用于設置IME6400工作模式。 l 中斷處理函數讀取IME6400輸出的MPEG-4碼流數據存入內核緩沖區，并通知IME6400數據讀取完畢。Linux將中斷處理函數分為兩部分：頂半部（top half）是實(shí)際響應中斷的例程，底半部（bottom half）是一個(gè)被頂半部調用在稍后安全的時(shí)間內運行的例程。Linux采用Tasklet機制實(shí)現底半部處理，通過(guò)宏DECLARE_TASKLET可以聲明Tasklet： static DECLARE_TASKLET(ime_tasklet,do_tasklet,NULL)，其中do_tasklet函數實(shí)際處理中斷，從IME6400讀取數據至內核緩沖區。通過(guò)函數tasklet_schedule()可以調度一個(gè)Tasklet運行：tasklet_schedule(&ime_tasklet) 。 本系統應用程序主要實(shí)現從驅動(dòng)層接收MPEG-4碼流數據并存儲至硬盤(pán)，主要采用多線(xiàn)程編程的方式，主程序創(chuàng )建了讀和寫(xiě)線(xiàn)程兩個(gè)線(xiàn)程：首先，用戶(hù)程序讀線(xiàn)程調用read()，此時(shí)編碼尚未開(kāi)始，驅動(dòng)進(jìn)行ime6400_read()無(wú)數據可讀，進(jìn)入睡眠態(tài)，用戶(hù)進(jìn)程被阻塞。此后中斷到來(lái)，中斷處理程序從IME6400讀取數據存入內核緩沖區，若緩沖區滿(mǎn)則喚醒睡眠的ime6400_read()，并往IME6400的USER4寄存器寫(xiě)入一個(gè)新值，通知IME6400數據已讀取完畢，啟動(dòng)新一輪的編碼。ime6400_read()被喚醒后，將內核緩沖區數據拷貝到用戶(hù)緩沖區，然后返回并等待用戶(hù)進(jìn)程的下一次調用。ime6400_read()返回后，用戶(hù)空間讀到編碼數據退出阻塞狀態(tài)，然后讀線(xiàn)程以信號量通知寫(xiě)線(xiàn)程，由寫(xiě)線(xiàn)程完成將緩沖區數據存儲至硬盤(pán)。 4 結束語(yǔ) 系統目前已完成了初步調試，可實(shí)時(shí)壓縮存儲最大分辨率為720x576全幀率的4:2:2的彩色視頻，采用2G的電子硬盤(pán)，在720x576分辨率下可記錄2小時(shí)以上，且圖像質(zhì)量較好。同時(shí)系統還具有較好的靈活性，可以通過(guò)設置視頻圖像分辨率大小、量化系數、幀率等參數，來(lái)達到對圖像大小、圖像質(zhì)量及碼率等方面的不同要求，以滿(mǎn)足不同場(chǎng)合應用的需要。 |
