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引 言 短短幾年的發(fā)展，數字硬盤(pán)錄像機(DVR)依托其強大的數字化、網(wǎng)絡(luò )化功能，已逐步取代了傳統模擬錄像設備的主導地位，成為監控市場(chǎng)的主流。其應用已經(jīng)從最初的金融領(lǐng)域發(fā)展到交通、樓宇、公安、監獄、廣場(chǎng)、小區、機房、環(huán)境、考場(chǎng)等各種應用場(chǎng)所，只要是想對圖像和聲音進(jìn)行監控的場(chǎng)所就會(huì )應用到DVR系統。 目前，數字硬盤(pán)錄像機的產(chǎn)品技術(shù)趨勢主要有兩種： 一種是基于PC機Windows平臺的插卡式數字硬盤(pán)錄像機； 另一種是基于嵌入式系統技術(shù)的數字硬盤(pán)錄像機。嵌入式DVR因其高可靠性、穩定性、防病毒侵擾等諸多特點(diǎn)，越來(lái)越受到市場(chǎng)的青睞，是目前發(fā)展的主要趨勢。 嵌入式DVR產(chǎn)品主要有兩種設計方案：一是DSP方案(如Philips音視頻處理IC加上Trimedia DSFP)；一種是ASIC方案(如基于Vweb2010 MPEG-IV IC或INTTIME IC等圖像處理IC芯片進(jìn)行開(kāi)發(fā))。ASIC方案的編碼質(zhì)量和處理性能依賴(lài)IC開(kāi)發(fā)商，目前市場(chǎng)上的IC不支持4CIF(704×576)的MPEG4編碼。 DSP方案設計的主流市場(chǎng)主要采用Philip s的Trime-dia DSP，但其處理能力比較弱，無(wú)法實(shí)現MPEG-4的4CIF高清晰編碼。本系統采用EQUATOR BSP-15 DSP方案，設計具有高清晰度的高端嵌入式數字硬盤(pán)錄像機。 1 系統設計 數字硬盤(pán)錄像機的主要任務(wù)是：將模擬的音視頻信號通過(guò)A/D轉換成沒(méi)有被壓縮的圖像數字信號，再通過(guò)DSP或具有圖像處理功能的ASIC芯片進(jìn)行圖像數據的壓縮編碼，將壓縮編碼的數字圖像數據存儲在硬盤(pán)等大容量存儲設備中，或通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)監控遠程圖像。使用者可簡(jiǎn)單、便捷地通過(guò)網(wǎng)絡(luò )或遙控器OSD菜單方式，對存儲的錄像數據進(jìn)行檢索、回放和備份等。 1.1 硬件總體設計 1.1.1 MPC08250簡(jiǎn)介 嵌入式系統選擇處理器時(shí)主要需要考慮以下幾個(gè)方面：處理器的性能；處理器所支持的開(kāi)發(fā)工具和所支持的操作系統；過(guò)去開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗以及處理器的成本；代碼兼容性和算法復雜性等。在該系統中，選擇了摩托羅拉的MPC8250做為系統的主控處理器。 MPC8250是Motorla公司在嵌入式MPC860基礎之上推出的MPC82XX系列微處理器中的一種。MPC8250基于PowerQUICC結構，主要由PowerPC內核、系統接口單元SIU和通信處理單元CPM構成。它支持60x總線(xiàn)，其數據線(xiàn)為64位，地址線(xiàn)為32位；支持PCI/LOCAL總線(xiàn)，其數據線(xiàn)為32位，地址線(xiàn)為32位。內核工作時(shí)鐘最高為300 MHz，CPU工作時(shí)鐘最高為200 MHz。MPC8250內部結構圖如圖1所示。 1.1.2 BSP-15簡(jiǎn)介 Equator Technologies推出的MAP-BSP-15是面向音視頻媒體應用的高性能DSP芯片。最新的MAP-BSP-15 400 MHz處理能力可達40GOPS(針對視頻編碼)。該系列芯片的系統結構特別適用于音視頻編解碼等應用，同時(shí)其豐富的音視頻信號接口可方便用戶(hù)進(jìn)行系統設計。 MAP-BSP-15主要包含一個(gè)超長(cháng)指令字處理器內核(The VLIW core)、一個(gè)可編程位流協(xié)處理器(TheVLx)、視頻濾波協(xié)處理器、顯示刷新控制器和豐富的數字I/O接口等。MAP～CA支持各種用軟件實(shí)現的視頻、圖像以及信號的壓縮和解壓縮，這種軟件實(shí)現的算法相對硬件實(shí)現有很大的優(yōu)越性，升級非常方便。 1.1.3 硬件總體設計思想 系統需要實(shí)現8路的音視頻同步錄像，BSP-15具有同時(shí)處理2路音視頻信號的性能，因而需要4片BSP一15做音視頻編碼，同時(shí)，需要1片BSP-15做音視頻解碼器，BSP一15與MPC8250之間采用PCI通信交換數據。因此，整個(gè)系統電路設計非常復雜。根據機箱結構設計要求，既可以滿(mǎn)足2U設備的機架式安裝，又可以臺式安裝，因此，將系統分成兩層板的兩板設計，CPU主控板和編解碼板。CPU主控板與編解碼板之間采用歐式插座連接器連接。 CPU主控板主要包括MPC8250及其外圍電路，包括SDRAM、BOOT ROM、Flash、網(wǎng)絡(luò ) 處理接口電路和硬盤(pán)接口電路等，其基本原理圖如圖2所示。 編解碼板主要包括5片BSP一15及其外圍電路，如SDRAM、音視頻A/D轉換電路、D/A 轉換電路以及畫(huà)面分割電路等，其基本原理圖如圖3所示。 1.2 軟件總體設計 DVR的主要功能是實(shí)現多路視音頻數據的獨立壓縮編碼，將編碼的數字圖像數據存儲在硬盤(pán)，存儲的圖像數據在任何時(shí)候可以采用遙控器、面板等命令方式或通過(guò)以太網(wǎng)的通信方式，快捷、方便的檢索、備份、回放硬盤(pán)數據。同時(shí)，它還具有動(dòng)態(tài)偵測、定時(shí)報警等條件錄像功能，并且當硬盤(pán)使用完時(shí)，具有將最老的數據循環(huán)覆蓋的功能。 經(jīng)過(guò)系統功能需求和數據流的分析后，將系統分解為系統管理子系統、通信子系統、PCI通信管理子系統、錄像數據存儲、檢索子系統和0SD菜單子系統，每個(gè)子系統由一個(gè)或多個(gè)任務(wù)進(jìn)行管理。 系統管理子系統主要實(shí)現系統的錄像啟動(dòng)、停止等控制以及調度算法的實(shí)現；系統總體資源的分配與調度；與其他子系統之間的控制與數據交換的同步。 通信子系統包括的內容比較多，有基于TCP/IP的以太網(wǎng)通信，基于串口的RS232或：RS485通信。該子系統主要包括以下幾個(gè)模塊：RS232的面板通信模塊、RS485 的云鏡等控制模塊、網(wǎng)絡(luò )客戶(hù)端通信模塊和UDP組播或單播通信模塊。 PCI通信管理子系統主要負責與BSP一15的PCI通信，其內容包括數據的交換和信令的交換與控制。 錄像數據的存儲、檢索子系統是整個(gè)系統的數據中樞，在此詳細介紹其基本設計思想。該子系統負責將來(lái)自 BSP-15編碼圖像數據按照系統定義的數據存儲算法進(jìn)行存儲，并處理遠程PC 客戶(hù)端、本地遙控器或面板操作請求的數據檢索、備份、回放命令，將檢索到的錄像記錄文件列表、錄像數據文件給其他處理子系統。 主要完成以下功能： ◆圖像數據的IDE存儲； ◆錄像記錄文件列表的檢索； ◆錄像數據文件的IDE檢索； ◆IDE硬盤(pán)的管理，包括硬盤(pán)的切換、硬盤(pán)的啟動(dòng)、硬盤(pán)讀寫(xiě)操作的控制等。 該子系統包括以下幾個(gè)處理模塊：寫(xiě)圖像數據處理模塊、讀圖像數據處理模塊和數據檢索處理模塊。 (1)寫(xiě)圖像數據處理 將BSP一15送來(lái)的圖像編碼數據按照定義的格式與規范寫(xiě)入硬盤(pán)，并且在設計中為了減少頻繁讀寫(xiě)對硬盤(pán)使用壽命的影響，盡量減少頻繁的硬盤(pán)尋道操作。在圖像數據的寫(xiě)處理中，為了錄像數據快速定位和快速檢索，系統中需要建立必須的數據塊索引映射關(guān)系。硬盤(pán)的切換控制，在沒(méi)有數據的回放或備份情況下，一般只有一個(gè)硬盤(pán)處于IDLE工作狀態(tài)，而其他盤(pán)處于STANDBY的待命狀態(tài)。在STANDBY狀態(tài)下，硬盤(pán)的電機是停轉的，而從 STANDBY狀態(tài)到IDLE狀態(tài)的切換時(shí)間一般需要7～8 s。 為了避免圖像編碼數據因等待硬盤(pán)啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(cháng)而造成的數據溢出，當IDE硬盤(pán)即將寫(xiě)滿(mǎn)時(shí)，預先將下一個(gè)將要寫(xiě)的盤(pán)啟動(dòng)起來(lái)，由STANDBY狀態(tài)切換到IDLE狀態(tài)，而IDE 硬盤(pán)寫(xiě)滿(mǎn)后，由IDLE狀態(tài)切換到STANDBY狀態(tài)，這樣既降低系統運行的功耗，又提高了IDE的使用壽命。 (2)讀圖像數據處理 根據0SD的面板操作或遠程網(wǎng)絡(luò )客戶(hù)端請求，從硬盤(pán)中讀出圖像數據，根據命令的來(lái)源將檢索的結果數據送給BSP一15編解碼子系統以實(shí)現本地回放的功能，或將檢索的數據送通信子系統發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )介質(zhì)實(shí)現遠程網(wǎng)絡(luò )的備份和回放。并進(jìn)行回放時(shí)的數據流量控制(如快放時(shí)硬盤(pán)需要取數據快些)，避免數據的欠載或溢出。 (3)數據檢索處理 檢索處理模塊相當于本子系統的對外聯(lián)絡(luò )的窗口，負責接收來(lái)自其他子系統的請求，將來(lái)自網(wǎng)絡(luò )或本地OSD 菜單的錄像數據檢索請求預處理后，根據系統內的數據檢索處理算法，快速計算是否滿(mǎn)足數據請求的要求。若有符合要求的數據索引，快速定位數據在哪個(gè)硬盤(pán)的哪個(gè)位置上，并且將結果分發(fā)給相應的讀處理模塊進(jìn)行進(jìn)一步的數據讀處理，實(shí)現錄像數據備份或回放。同時(shí)，該處理模塊還負責IDE中的圖像數據與索引列表文件的一致性維護。 2 小 結 MPC8250和BSP一15均是高性能的微處理器，其處理功能非常強大。筆者通過(guò)具體實(shí)踐掌握了MPC8250和 BSP一15的各種功能和處理性能，并總結出一些開(kāi)發(fā)過(guò)程中的經(jīng)驗和教訓，為產(chǎn)品的系列化打下了堅實(shí)的技術(shù)基礎。經(jīng)過(guò)測試試驗，該系統穩定、可靠；在性能方面，能同時(shí)支持8路的圖像監控、4路的網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)實(shí)時(shí)回放和本地用戶(hù)的4路同時(shí)解碼回放，通過(guò)了公安部安防產(chǎn)品的型試檢驗，產(chǎn)品已經(jīng)成功推出上市。 |
