基于ARM9和DSP處理器實現(xiàn)嵌入式硬盤錄像機的設計

數(shù)字硬盤錄像機，英文名稱為Digital Video Recorder，簡稱DVR，它是視頻監(jiān)控系統(tǒng)中重要的設備，用于替代早期的長延時錄像機或者磁帶錄像機。目前硬盤錄像機從硬件架構(gòu)上分主要分為工控式硬盤錄像機（或者工控硬盤錄像機或者PC式硬盤錄像機）、嵌入式硬盤錄像機，從壓縮算法來分有小波壓縮、MJPEG、MPEG4、H.264等。目前工控式硬盤錄像機和嵌入式硬盤錄像機所占市場比重差不多，由于嵌入式硬盤錄像機的穩(wěn)定性及易維護性，選擇嵌入式硬盤錄像機的用戶會越來越多，市場前景非常大?；谶@種應用背景，本文提出了嵌入式硬盤錄像機的設計思路和實現(xiàn)方案。

系統(tǒng)總體方案

1 技術(shù)指標

本系統(tǒng)的主要技術(shù)指標如下。

● 視頻輸入：16路復合視頻輸入PAL/NTSC。

● 視頻輸出：2路復合視頻輸出PAL/NTSC（BNC接口，1.0VP-P， 75Ω）。

● 音頻輸出：16路音頻輸入20～100mV10kΩ（RCA）。

● 音頻輸出：2路音頻輸出，20～100mV，1kΩ（RCA）。

● 系統(tǒng)資源：同時多路錄像、同時錄像回放、同時網(wǎng)絡操作。

● 圖像壓縮：增強型H.264，視頻和音頻信號壓縮后生成復合的H.264碼流，碼流回放時視頻和音頻保持同步。也可設置單一視頻流。

● 音頻壓縮：G.729

2 設計方案

根據(jù)系統(tǒng)要求的技術(shù)指標，本文設計的16路嵌入式DVR系統(tǒng)硬件部分采用了主從式雙CPU架構(gòu)模式。主CPU選用了ARM9處理器，具體型號為三星半導體的S3C2510A，從CPU選用DSP處理器，具體型號為美國德州儀器（TI）的多媒體處理芯片TMS320DM648。主從CPU之間通過PCI總線進行通信。

整個系統(tǒng)的工作流程設計為：系統(tǒng)上電或復位后，主CPU S3C2510A從Flash加載程序，完成對芯片的初始化和外圍硬件的配置，之后從CPU TMS320DM648便開始進行圖像采集。從CPU通過I2C口對系統(tǒng)中的視頻解碼芯片進行控制，將從攝像頭采集到的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號，送入DM648的視頻通道（VP端口）；同步采集到的模擬音頻信號經(jīng)過音頻編解碼器模／數(shù)轉(zhuǎn)換后，送入DM648的音頻通道（McASP端口）。DM648將接收到的數(shù)字視頻信號和數(shù)字音頻信號數(shù)據(jù)分別進行壓縮，再把壓縮視頻流和壓縮音頻流進行同步復合，產(chǎn)生H.264視頻復合流，再通過PCI總線上傳給主CPU，主CPU將從PCI接口收到的數(shù)據(jù)以文件的格式存儲到本地硬盤，供日后調(diào)用；同步將復合數(shù)據(jù)流傳送給圖像預覽芯片進行顯示。整個DVR系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

系統(tǒng)原理設計

1 S3C2510A ARM9處理器簡介

S3C2510A是三星半導體生產(chǎn)的16/32位的RISC微控制器，屬于ARM9處理器系列，是針對基于以太網(wǎng)系統(tǒng)的低成本、高性能的微控制器解決方案。

2 TMS320DM648數(shù)字信號處理器簡介

TMS320DM648是TI公司于2007年推出的一款高性能的32位定點DSP，主要面向數(shù)字媒體應用，屬于C6000系列DSP。

DM648保留了C64X原有的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，工作頻率由內(nèi)部倍頻器設置，可以達到720MHz、800MHz或900MHz，相應的時鐘周期為1.39ns、1.25ns或1.11ns，每秒可執(zhí)行指令數(shù)5760、6400和7200MIPS。此外DM648片上帶有5個雙通道（A、B兩通道）數(shù)字視頻口（VP口），可同時處理多路數(shù)字視頻流，片上帶有多通道串行音頻接口，可同時處理10路立體聲輸入/輸出音頻信號。

核心模塊原理設計

整個數(shù)字硬盤錄像機根據(jù)功能可以劃分以下幾大核心模塊：

①主控制模塊；

②視音頻采集、壓縮模塊；

③視音頻預覽、回放模塊；

④其他模塊（電源、存儲器擴展、網(wǎng)絡傳輸、邏輯控制等）；

本文詳細介紹主控制模塊和視頻處理模塊的設計。

1 主控制模塊

本模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)的控制，對整個系統(tǒng)任務的運行進行分配與調(diào)度。S3C2510A本身內(nèi)置PCI控制器，5個PCI接口可分別和2個音/視頻壓縮模塊，1個圖像預覽，回放模塊，2個數(shù)據(jù)存儲模塊連接；再加上已有的串口，USB接口，網(wǎng)絡接口，I/O等組成整個系統(tǒng)的控制模塊。設計思路如圖3所示。

2 視音頻采集/壓縮模塊

視音頻信號處理的流程如下：模擬視頻信號先經(jīng)視頻解碼器TVP5154A轉(zhuǎn)換成8位YUV數(shù)字視頻信號Y［7:0］，再送至DM648的視頻輸入接口。模擬音頻信號經(jīng)音頻AD轉(zhuǎn)換器PCM1801轉(zhuǎn)換為I2S格式的音頻數(shù)據(jù)，進入多媒體壓縮芯片的音頻輸入接口，DM648將原始的視頻和音頻數(shù)據(jù)分別進行壓縮，再把壓縮視頻流和壓縮音頻流進行同步復合，產(chǎn)生H.264視頻復合流。一片DM648可以同時產(chǎn)生8個視/音頻通道的H.264復合數(shù)據(jù)流。DM648把每個視/音頻通道的復合視頻數(shù)據(jù)在片外DDRAM的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中排列成固定長度的數(shù)據(jù)包。當緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)量超過一定的閾值，它就通過PCI中斷向主CPU發(fā)出請求，當中斷被響應時，主CPU從包緩沖區(qū)內(nèi)將數(shù)據(jù)取走。

DM648具有5個視頻端口，支持多種分辨率和標準，如CCIR601、ITU-BT.656、BT.1120等，每個端口為20bit位寬，可以被靈活的配置為一個20/16bit或兩個10/8bit通道。同時，每個端口都可配置為視頻輸入或視頻輸出。

TVP5154A具有4個通道，每個通道均為具有可編程多態(tài)換算器（polymorphic scaler）的獨立解碼器，可通過嵌入式同步模塊將NTSC、PAL或SECAM視頻信號轉(zhuǎn)換成8位ITU-R BT.656格式，或使用分立同步模塊使輸出格式為8位4:2：2。

模擬攝像頭進行視頻數(shù)據(jù)采集，TVP5154A將采集到的模擬數(shù)據(jù)進行數(shù)字化，然后送給DM648的視頻端口進行壓縮處理。4片TI公司生產(chǎn)的TVP5154A，與2個DM648的連接可組成16路的視頻采集，壓縮模塊如圖4所示（只給出了8路的連接圖）。

圖4中，TVP5154A的CH1_OUT，CH2_OUT，CH3_OUT，CH4_OUT口與1片DM648的VP0，VP1口直接連接，組成1個8路的視頻采集，壓縮模塊，用于數(shù)據(jù)的傳輸。DM648通過I2C總線對TVP5154A內(nèi)部寄存器進行讀寫，達到控制該芯片的目的。

音頻輸入采集模塊由8個PCMl801U型音頻采集電路及其外圍電路組成，主要功能是對由拾音器采集輸入的模擬音頻信號進行采樣，然后將其轉(zhuǎn)換為DSP可以處理的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)格式。PCMl801U是采用5V工作電壓的雙聲道16位音頻模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器，包括1個單端-差分模擬前端、1個5階△一∑調(diào)制器（64倍重復取樣）、1個內(nèi)部高通數(shù)字均分濾波器。

DM648有專門的McASP，與4個PCMl801U連接，實現(xiàn)音頻的輸入采集功能。用PCMl801U的左、右2個16位音頻聲道獲取4路音頻通道的數(shù)字化數(shù)據(jù)，音頻采集的數(shù)據(jù)格式為每路單聲道、44.1kHz采樣率，每個采樣數(shù)據(jù)用8位量化。采集輸出的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)通過McASP傳給DSP的輸入緩沖區(qū)單元，當設定用于存放音頻采樣數(shù)據(jù)的緩存器已滿時產(chǎn)生DMA中斷，并在DMA中斷服務程序中根據(jù)實際設定情況處理音頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過實時編碼壓縮后的音頻數(shù)據(jù)存儲到外部SDRAM中。

PCB設計

本系統(tǒng)的主頻高達166MHz，屬于高頻系統(tǒng)，所以在進行PCB的設計時，必須進行抗高頻干擾的設計與處理。DM648作為高性能數(shù)字媒體處理器不僅內(nèi)部具有很高的運行頻率，而且與外部的DDRAM的總線速度也達到266MHz或333MHz，如果外部的DDRAM由于布線原因達不到設計的希望速度，會降低系統(tǒng)的性能。此外由于100MHz以上的信號總線，存在信號完整性問題。為了保證信號的完整，在設計的時候采用了如下方法：

（1）對DDRAM的時鐘線，盡量走短線，而且到兩個DDRAM的長度盡量做到相等；

（2）FLASH等其他外設不要直接與數(shù)據(jù)和地址總線連接，而是通過緩沖芯片（如SN74LVT16245B）連接；

（3）高速總線上串入了小阻值電阻，阻值大小通過Protel軟件仿真得到，同時對線路進行了阻抗限制。

此外，由于DM648內(nèi)部有PLL，對PLL外部所接器件，讓它們盡可能的靠近芯片，而且只放在了線路板的一面上。對于JTAG的連線長度不超過6英寸，如果超過6英寸長的加了驅(qū)動。本系統(tǒng)中既有模擬部分又有數(shù)字部分，所以在設計的時候，特別注意了模擬電源和數(shù)字電源的設計，盡量減少數(shù)字信號對模擬信號的干擾，否則對采集的視頻信號會有雪花、條紋，音頻信號產(chǎn)生噪聲等。對視頻、音頻芯片采用了單獨的電源芯片供電，模擬地和數(shù)字地通過單點或采用磁珠相連。

以上的抗高頻干擾方法的采用，使得整個系統(tǒng)在調(diào)試的過程中能夠順利的進行。