基于MPC823微處理器和Linux實(shí)現(xiàn)視頻網(wǎng)絡(luò)接入終端的設(shè)計(jì)

1 引 言

世界已經(jīng)進(jìn)入了Internet時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)接入Internet已成為網(wǎng)絡(luò)接入重要的基礎(chǔ)信息設(shè)施。嵌入式的網(wǎng)絡(luò)接人設(shè)備系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)的控制系統(tǒng)中、交通監(jiān)控系統(tǒng)、銀行證券操作與安全監(jiān)控、智能儀器、安防系統(tǒng)、智能家電和信息家電等領(lǐng)域，我們將嵌入式設(shè)備與視頻的結(jié)合稱為嵌入式的視頻接入設(shè)備。本文介紹了視頻網(wǎng)絡(luò)接入終端的開發(fā)方法。

視頻網(wǎng)絡(luò)接人終端可將經(jīng)H．261或MPEGl編碼器壓縮后的視頻信號(hào)直接以多播的方式送上局域網(wǎng)（10M／100M以太網(wǎng)）。每臺(tái)視頻網(wǎng)絡(luò)接人設(shè)備都具有獨(dú)立的IP地址，可單獨(dú)作為視頻服務(wù)器向局域網(wǎng)上多播視頻數(shù)據(jù)，客戶端可通過加入不同的多播組接收來自不同的視頻網(wǎng)絡(luò)接人設(shè)備的視頻數(shù)據(jù)。特權(quán)用戶可通過網(wǎng)絡(luò)控制各視頻網(wǎng)絡(luò)接人設(shè)備以及其下掛的視頻切換箱、云臺(tái)控制器并最終控制云臺(tái)的動(dòng)作。

2 嵌入式視頻網(wǎng)絡(luò)接入終端的系統(tǒng)硬件部分

2．1 嵌入式視頻網(wǎng)絡(luò)接入終端硬件基本要求

為完成該設(shè)計(jì)目標(biāo)，該硬件平臺(tái)應(yīng)具有以下功能特點(diǎn)：

（1）處理器處理能力較強(qiáng)、接口豐富。由于TCP／IP的協(xié)議將占用大量的系統(tǒng)資源，各種通信協(xié)議對(duì)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器、運(yùn)算器的速度要求比較高。

（2）處理器結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)支持虛擬存儲(chǔ)器，以便于移植操作系統(tǒng)。

（3）必須提供以太網(wǎng)接口，視頻信號(hào)輸入接口（該部分可參考現(xiàn)有的圖像卡）以及控制接口。為實(shí)現(xiàn)多播，必須有網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大的操作系統(tǒng)。

（4）必須提供控制接口，可對(duì)云臺(tái)控制器等設(shè)備進(jìn)行控制。

根據(jù)以上要求，處理器選用Motorola的PowerPC823。他內(nèi)部集成了微處理器和常用外圍組件，提供了更高的性價(jià)比。

2．2 MPC823的功能詳述

MPC823微處理器是一個(gè)MPC821內(nèi)核多用途的通用芯片，他內(nèi)部集成了微處理器和常用外圍組件，可用于各種控制領(lǐng)域。MPC823集成了嵌入式PowerPC核和一個(gè)為通信使用的專門的RISC的通信處理器模塊（CPM），由于CPM分擔(dān)了嵌入式PowerPC核的外圍工作任務(wù)，這種雙處理器體系結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的處理器具有更高的效率，硬件原理如圖1所示。

圖1中，視頻接口（Video Interface）完成輸入的E1或422視頻數(shù)據(jù)流的解幀、串并轉(zhuǎn)換、緩沖然后送到系統(tǒng)總線上供MPC823讀取。MPC823內(nèi)集成了符合IEEE802．3標(biāo)準(zhǔn)的通信控制器，外接以太網(wǎng)收發(fā)器（Ethernet Transceiver）即可完成以太網(wǎng)全部通信子網(wǎng)層功能。網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層功能由Linux操作系統(tǒng)來完成。操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序都存儲(chǔ)在FLASH中，并在DRAM中運(yùn)行。串口（RS232Control Interface）完成同其他設(shè)備通信、控制功能。電源（Power Supply）為整個(gè)設(shè)備供電。經(jīng)過我們實(shí)踐證明，此方案的性能價(jià)格比較高，外圍電路簡(jiǎn)捷，符合發(fā)展潮流SOC（System On Chip）。

3 視頻網(wǎng)絡(luò)接入終端軟件部分

3．1 嵌入式視頻網(wǎng)絡(luò)接入終端軟件平臺(tái)

接人設(shè)備軟件包括應(yīng)用軟件和系統(tǒng)軟件，由于CPU的功能強(qiáng)大，系統(tǒng)資源的極其豐富，十分需要一個(gè)功能強(qiáng)大的操作系統(tǒng)來管理系統(tǒng)資源；操作的可靠性提高。

嵌入式Linux由于代碼開放性以及強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，在中低端的嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中應(yīng)用起來。在移植的Linux源代碼，根據(jù)目標(biāo)進(jìn)行半剪裁定制，以適合目標(biāo)系統(tǒng)，盡量少占用內(nèi)存。操作系統(tǒng)定制后，將其連接到目標(biāo)的應(yīng)用程序上，成為應(yīng)用程序的一部分。并對(duì)低級(jí)系統(tǒng)的初始化文件進(jìn)行修改，使之符合目標(biāo)版的需要。 由于視頻網(wǎng)絡(luò)接人終端需要采用組播方式傳數(shù)據(jù)上網(wǎng)，需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能比較強(qiáng)大和完善的操作系統(tǒng)。目前用于嵌入式設(shè)備的有許多操作系統(tǒng)，如商業(yè)操作系統(tǒng)PSOS，VXWORKS，WINCE等，免費(fèi)操作系統(tǒng)如Linux，UCOS，ECOS等。商業(yè)操作系統(tǒng)固然功能強(qiáng)大，但是同時(shí)價(jià)格非常昂貴，而且比較復(fù)雜；免費(fèi)操作系統(tǒng)中，UCOS較為簡(jiǎn)單，但是他只有一個(gè)核心，如要加上網(wǎng)絡(luò)功能，還需要另外購(gòu)買協(xié)議棧；ECOS功能比較全，實(shí)時(shí)性也很好，但是其網(wǎng)絡(luò)部分不夠完善，目前還不支持組播；Linux是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，穩(wěn)定而強(qiáng)大，而且源代碼完全公開。

綜上所述，最終選擇了Linux作為我們的嵌入式操作系統(tǒng)。

3．2 嵌入式的視頻網(wǎng)絡(luò)接入終端軟件的基本結(jié)構(gòu)

視頻網(wǎng)絡(luò)接人終端軟件分為2部分，即應(yīng)用軟件的編制和系統(tǒng)軟件的編制，包括編寫底層的軟件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序和Linux網(wǎng)絡(luò)編程和系統(tǒng)的測(cè)試程序。與在PC環(huán)境下開發(fā)大體類似，因此初期開發(fā)工作在PC機(jī)上進(jìn)行模擬，硬件平臺(tái)成型之后，我們把程序移植到接人設(shè)備上。

4 接入部分的設(shè)計(jì)

4．1 MPEGl視頻接入部分

MPEGl編碼板提供的是8b的并行數(shù)據(jù)總線以及寫信號(hào)，由于編碼板上接口處理器MCS51和系統(tǒng)的主處理器MPC823都是主動(dòng)工作方式，不能直接互連，必須經(jīng)過FIFO來協(xié)調(diào)，同時(shí)，F(xiàn)IFO在這里也起到緩沖視頻數(shù)據(jù)的作用。采用IDT公司的IDT7204或CYPRESS公司的CY7C433（4k深，9 b并行異步FIFO）。為了隔離視頻、音頻、以及其他外圍電路對(duì)總線的影響，還需要用總線緩沖器。考慮到電路的其他部分都用到了TI公司的LX245八位雙向總線收發(fā)器，為了節(jié)省成本、減少芯片采購(gòu)種類，這里我們也用該芯片來替代。

這部分電路的工作過程是：編碼板將8b并行的壓縮視頻數(shù)據(jù)不斷地寫入FIFO，當(dāng)FIFO達(dá)到半滿，產(chǎn)生中斷，通過系統(tǒng)的中斷信號(hào)線IRQl傳給主處理器，再由相應(yīng)的視頻接人驅(qū)動(dòng)程序去讀取。這部分電路不僅能接人MPEGl視頻數(shù)據(jù)，任何8b寬的數(shù)據(jù)都可以接人。所以在今后開發(fā)其他編碼方式時(shí)，只要接口相同，這部分電路和驅(qū)動(dòng)程序不需要做任何改動(dòng)，保持了向后的兼容性。結(jié)構(gòu)圖如2所示。

4．2 音頻編解碼部分

音頻編解碼采用Motorola公司的MCl45567芯片，該芯片提供雙向模擬音頻接口，能夠根據(jù)ITU-T的G．71l描述的算法提供標(biāo)準(zhǔn)的A律PCM音頻編解碼，其音頻速率為64kb／s?？紤]到成本和體積，在音頻輸入輸出接口處沒有提供功率放大器。因此，在工程應(yīng)用中必須在音頻播放端加外置功放。

4．3 音頻數(shù)據(jù)控制、處理部分

音頻數(shù)據(jù)控制、處理在CPLD（Altera公司的MAX3064ACTl00-10）中實(shí)現(xiàn)，該部分主要有4部分：

（1）時(shí)鐘部分

將外部輸入的2．048MHz的時(shí)鐘信號(hào)分出2個(gè)64k時(shí)隙，其中一個(gè)時(shí)隙用于音頻輸入，另一個(gè)用于音頻輸出。

（2）上行音頻部分

將經(jīng)MCl45567編碼的串行音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8b寬的并行數(shù)據(jù)并寫入音頻上行FIFO。

（3）下行音頻部分

將音頻下行FIFO中的8b寬的并行音頻數(shù)據(jù)讀入，轉(zhuǎn)換成串行信號(hào)并在相應(yīng)的時(shí)隙內(nèi)寫入MCl45567。 （4）總線控制部分

提供總線控制信號(hào)線的邏輯轉(zhuǎn)換。

4．4 音頻總線接口部分

音頻總線接口包括音頻上行FIFO、音頻下行FIFO和總線收發(fā)器3部分。音頻上下行FIFO采用CYPRESS公司的CY7C421（9 b寬，512 b深異步FIFO）。總線收發(fā)器采用TI公司的LX245八位雙向總線收發(fā)器?？偩€接口為中斷觸發(fā)的讀寫工作模式。由系統(tǒng)的片選6（CS6）來選中音頻接口，RD／WR控制數(shù)據(jù)的傳輸方向，OE、WE配合CS6對(duì)相應(yīng)的FIFO進(jìn)行讀寫。整個(gè)工作過程是這樣的：當(dāng)上行FIFO被CPLD寫至半滿時(shí)，產(chǎn)生中斷，通過中斷信號(hào)線IRQ2傳給系統(tǒng)，通知驅(qū)動(dòng)程序?qū)?shù)據(jù)讀走；當(dāng)下行FIFO的數(shù)據(jù)被CPLD讀至半空時(shí)，也產(chǎn)生中斷，通過中斷信號(hào)線IRQ7傳給系統(tǒng)，通知驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑾乱粔K音頻數(shù)據(jù)寫入下行FIFO。

所有以上這些控制信號(hào)線的邏輯組合都是在CPLD的總線控制部分完成的。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，32b處理器價(jià)格的下降，使用PowerPC823開發(fā)具有獨(dú)立IP地址的視頻網(wǎng)絡(luò)接人終端的研制成為可能。目前，視頻網(wǎng)絡(luò)接人終端已在2002年6月應(yīng)用于南陽(yáng)市道路交通的監(jiān)控，經(jīng)過高溫（60°）、高濕度、雷電的考驗(yàn)運(yùn)行穩(wěn)定良好，具有廣泛的推廣價(jià)值。

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