摘? 要: 設計了一種嵌入式的MPEG-2圖像壓縮" title="圖像壓縮">圖像壓縮編碼系統。該系統在遠端將攝錄的圖像實時地硬件壓縮編碼" title="壓縮編碼">壓縮編碼,然后通過MPC860T通信處理器構成的網絡平臺將編碼后的碼流通過以太網傳送給視頻服務器,視頻服務器將網絡上接收到的圖像進行實時回放、存儲。圖像壓縮使用Fujitsu的單片MPEG-2壓縮編碼芯片。該系統安裝方便,網絡配置簡單靈活,具有較廣闊的市場前景。

　　關鍵詞: MPEG-2? PowerPC? 傳輸流

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　　圖像實時監控設備有模擬和數字兩類。數字監控設備由于便于壓縮、存儲、傳輸,在近年來逐漸替代了模擬監控設備。數字監控設備的核心技術在于圖像壓縮編碼設備,目前成熟的實時數字圖像編碼器基本上基于MPEG-1壓縮標準,且大多數為PCI接口。就MPEG-1而言,當初專家組制定時規定的原始圖像分辨率較低,NTSC:352×240,PAL:253×288,解碼后其質量與VHS相當,在很多場合已經不能滿足系統的需要。MPEG-2壓縮標準規定的圖像分辨率相對高得多,NTSC:704×480,PAL:704×576。對于基于PCI接口的壓縮板卡而言,實施的復雜性是顯而易見的,必須借助計算機才能實現其功能,這種應用有時會受制于現場環境,而且對系統的成本和可靠性也大為不利。隨著技術的日益發展,一方面,很多公司推出了基于MPEG-2壓縮標準的單片Codec,如IBM、C-Cube、iCompression、Fujitsu;另一方面,隨著嵌入式微處理器和OS的發展,嵌入式系統也具有了強大的處理功能,如網絡通信、圖像處理等。在這種背景下設計了以下的嵌入式圖像壓縮系統。

1 系統框架

　　系統主體框圖如圖1,主要分兩部分:一部分以Fujitsu的MB86390芯片為主實現圖像實時壓縮編碼。該部分輸入模擬視頻、音頻,經過視頻A/D" title="A/D">A/D芯片SAA7113、音頻A/D芯片PCM1800數字化后送至MB86390實現MPEG-2壓縮,輸出TS傳輸流" title="傳輸流">傳輸流,并且提供串行通信總線與MPC860T完成通信。另一部分是以MPC860T為主的通信電路設計,主要實現與MB86390輸出的TS傳輸流的接口,完成TS傳輸流在快速以太網上的傳送,與視頻服務器的通信,提供通信口實現與MB86390芯片通信和對云臺的控制。

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2 圖像壓縮部分設計

2.1 MB86390編碼器的介紹

　　該芯片框圖如圖2。該芯片內嵌32bitRISC處理器,主要完成實時壓縮編碼,在片內實現Mpeg2 MP@ML級視頻編碼,遵循ISO/IEC13818-2標準,最大編碼速率達15Mbps;實現Mpeg Layer 1/2音頻編碼,遵循ISO/IEC 11172-3標準,最大編碼速率達448kbps;同時遵循ISO/IEC13818-1標準實現系統數據復用,能輸出PES、PS、TS流可選,并能根據系統所提供的帶寬輸出最大速率20Mbps。數字化后視頻輸入數據為8位,可以為D1格式或者Y/C復用輸入格式。音頻的取樣率支持32kHz、44.1kHz和48kHz可選。碼流輸出通過8位并口,可同步或者異步握手輸出,或通過DMA方式傳送至SDRAM。該芯片還提供了豐富的API接口,可以對許多參數進行設置,如視頻輸入格式、音頻采樣率、編碼后的各種PID、平均碼率等。

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2.2 電路設計

　　該部分電路主要完成 MB86390與視音頻A/D的連接。MB86390基本上能與大多數芯片直接聯接。在本設計中,選用SAA7113作為視頻A/D。由于MB86390為其提供I2C總線接口,而且其初始化等操作能通過MB86390完成,相應的連線也比較方便;對于MB86390與音頻A/D接口可以通過主從兩種方式實現,即由MB86390提供數據與左右聲道接口時鐘,或者由音頻A/D來提供。但是必須注意系統編碼的時鐘必須與接口數據時鐘同步,在這里使用TI公司的PLL1705鎖相環實現時鐘同步。圖3給出了這部分信號連接的電路。

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3 接口通信部分設計

3.1 MPC860T網絡通信處理器介紹

　　MPC860是Motorola公司繼MC68360后推出的新一代通信處理器,內部包括三部分:PowerPC core模塊、系統接口單元模塊(SIU)、通信處理模塊" title="處理模塊">處理模塊(CPM)。PowerPC是主處理單元,包括Cache和內存管理單元,在40MHz時鐘下能達到52MIPS的處理能力。系統接口單元主要完成內部總線與外部總線的接口,也提供一些其它功能,如總線檢測、軟件看門狗、多個定時器、PCMCIA接口等。通信處理模塊是該芯片的核心,其內部還嵌入了一個RISC。因而MPC860從某種意義上說,是一種雙處理器結構。該模塊集成了4個串行通信控制器(SCC)、2個串行管理單元(SMC)、一個串行外設單元(SPI)、一個I²C總線接口單元。

　　串行通信控制器(SCC)根據型號不同集成多種功能,如以太網控制器、HDLC控制器等;它還能實現多通道HDLC控制器,例如:提供T1/E1接口,對在T1/E1中的每個時隙分別實現HDLC通信,如交換機中的7號信令處理。串行管理單元(SMC)的功能相對弱一些,一般用來實現UART。串行外設單元(SPI)用來實現與SPI總線通信。I2C總線接口支持主從模式,與具有I²C總線的器件單元進行通信。通信處理模塊(CPM)中還含有4個獨立的波特率發生器,可以被連接到串行通信控制器(SCC)和串行管理單元。除了這些處理通信協議的功能外,通信處理模塊(CPM)還具有多個獨立的DMA通道,進一步提高CPM的處理效率。

3.2 電路設計

　　本MPC860T系統中選用了256KB的EPROM、128MB的SDRAM,與以太網的接口器件選用Level one公司的LXT971A。該電路比較常見,引腳處理比較固定,故本文不再贅述。這里著重討論MPC860T與MB86390之間的電路設計。在本設計中,需要MB86390芯片8位并口輸出TS流。MB86390的8位并行輸出口具有兩種功能:當XERROR腳為高時,并行口輸出正常的壓縮碼流,其異步接口時序如圖4;當XERROR腳為低時,并行口上輸出的是MB86390的錯誤報告。這樣使電路設計相對復雜些。本設計方法是當XERROR變低時,使其對MPC860T產生中斷,同時將STDATA口連接到MPC860T上空余的通用I/O腳上,根據中斷后讀其不同的值來實現軟件相應的操作;當XERROR腳為高時,使用FIFO實現與MB86390之間的數據接口,在本設計中,選用IDT公司idt72v02,512×9bit異步FIFO。在FIFO的寫入端,根據STEN和STDATA及FIFO的時序圖,可以直接連接;在FIFO的讀出端,使用中斷操作,即當FIFO中數據達到半滿時,給MPC860T一個中斷,然后MPC860T連續讀取FIFO中的一段數據。該部分的主要接口電路如圖5。

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4 應用

　　本系統用途廣,最常見的應用是用于需要高質量圖像的網絡監控,如小區安防、海關、銀行等。用戶不必再象基于PCI的系統那樣,增添一個監控處就要放置一臺計算機,或者加長模擬視頻傳輸電纜,只要將本設備接入以太網絡就可以了,而且網絡上的任何一臺計算機可以監測到圖像,如圖6所示。如接入ATM網絡,寬帶SDH支持,用戶在遠端還可以通過網絡監測。這樣當發生緊急情況時,遠端報警中心可以實時地觀察到高質量圖像。

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　　顯然,隨著嵌入式技術和圖像壓縮技術的發展、通信技術的進步,可以預見,將會有更多的圖像壓縮芯片和更高處理能力的嵌入式處理器出現,開發嵌入式的網絡圖像通信產品將會是一種必然趨勢。本設計產品集成度高,圖像質量比較好,具有較高的實用價值和較廣闊的市場前景。

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參考文獻

1 MPEG2 1-chip Audio/Video Encoder MB86390 product Specification. Fujitsu Co.Ltd, 1999

2 MB86390 Parameter Specification.? Fujitsu Co.Ltd 2000

3 MPC860 User Manual. Motorola Co.Ltd 1998

4 SAA7113H 9-bit Video input processor.? Philips Co.Ltd,? 1999

5 Interfacing the LXT971A/972A to the Motorola MPC860T Fast Ethernet Controller. Intel Co.Ltd, 2001