基于Z1510與A/D轉(zhuǎn)換單元的音視頻壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)、多媒體和數(shù)據(jù)通信等技術(shù)的高速發(fā)展，對計(jì)算機(jī)音視頻的需求和應(yīng)用越來越多，如視頻監(jiān)控、視頻會議等。計(jì)算機(jī)音視頻提供給人的信息很多，但其數(shù)據(jù)量很大，不利于傳輸和存儲，從而使其應(yīng)用受到不少限制。為解決音視頻數(shù)據(jù)的存儲和傳輸，唯一的途徑就是對音視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。

基于Z1510專用音視頻壓縮芯片設(shè)計(jì)的具有USB接口的實(shí)時MPEG-1音視頻壓縮卡，較傳統(tǒng)的PCI接口的MPEG-1音視頻卡具有支持熱插拔和即插即用等特點(diǎn)，同時該系統(tǒng)還具備很好的可擴(kuò)展性。本文就來介紹這個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由音視頻A/D轉(zhuǎn)換單元、音視頻壓縮單元、系統(tǒng)控制單元和UBS接口單元四大部分組成，如圖1所示。模擬音視頻信號經(jīng)AK4550、SAA7113音視頻A/D轉(zhuǎn)換器后送入Z1510音視頻壓縮芯片，壓縮編碼后生成的MPEG-1碼流經(jīng)USB端口輸出。整個壓縮系統(tǒng)的控制由TMS320F2812和EPM7128AE共同完成，壓縮后的數(shù)據(jù)通過USB接口芯片PDIUSBD12輸出。

1.1 音視頻壓縮部分的電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的MPEG-1壓縮芯片選用以色列Emblaze Semiconductor公司的Z1510。Z1510是一款高性能低成本的音視頻壓縮編碼芯片，它可完成MPEG-1音視頻壓縮、MJPEG視頻編碼以及全分辨率靜態(tài)圖像捕獲，還可對CD-ROM和VCD進(jìn)行格式化。Z1510壓縮芯片有三種系統(tǒng)配置（Master、Direct-data、Indirect-data），總共有20余種工作模式，不同的工作模式可通過加載不同的代碼來實(shí)現(xiàn)。

Z1510的音視頻輸入是通過視頻端口和串行接口完成的。視頻輸入端口主要接收視頻A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的ITU-R BT.601或ITU-R BT.656格式的數(shù)字視頻信號和相應(yīng)的時鐘同步信號。Z1510有五個串行端口，包括三個輸入端口（Audio0、Audio1和CD-Drive）和兩個輸出端口（CD-Drive和SVCD decoder），每一個端口均可作為主設(shè)備端口和從設(shè)備端口，本系統(tǒng)中應(yīng)用的Audio1端口作為主設(shè)備端口，接收未壓縮的數(shù)字音頻信號，同時為音頻A/D轉(zhuǎn)換器提供相應(yīng)的同步時鐘信號。

Z1510的主時鐘信號頻率為穩(wěn)定的27MHz，該時鐘信號頻率在芯片內(nèi)部被PLL1倍頻為81MHz，驅(qū)動Z1510的視頻壓縮內(nèi)核及SDRAM。而PLL2連接到DSP內(nèi)核，該P(yáng)LL由軟件配置PLL寄存器，工作在94.5MHz，用于音頻壓縮和系統(tǒng)數(shù)據(jù)流復(fù)合。系統(tǒng)主時鐘由一個27MHz的晶體振蕩器直接提供，該晶振同時也為EPM7128AE和TMS320F2812提供時鐘信號。

在Z1510進(jìn)行MPEG-1壓縮時，它是工作在LAVE（Live Audio Video Encoding）模式。在此模式下，Z1510只能配置為間接工作（Indirect-data）狀態(tài)，此時Z1510作為從設(shè)備，受主機(jī)控制，主機(jī)可以通過其HOST接口訪問它內(nèi)部的配置和狀態(tài)寄存器，并且可以通過局部FIFO獲得壓縮后的視頻碼流。

Z1510的HOST接口的主要信號有：

·HAD[150] 數(shù)據(jù)總線；

·HCONFIG[9，8] 總線數(shù)據(jù)類型選擇；

·HWR_N，HRD_N 讀寫控制，HCS_N器件片選信號；

·HALE在復(fù)用總線模式下，鎖定低8位地址HAD[7～0]；在非復(fù)用總線模式下，指示當(dāng)前數(shù)據(jù)總線上發(fā)送的是寄存器地址還是寄存器數(shù)據(jù)。

·HINT_N 中斷請求信號，低電平有效。

在存儲空間分配中，Z1510分在TMS320F2812外部拓展存儲空間（XINTF）的0區(qū)（0x00 2000～0x00 3FFF），因此需將HALE管腳在CPLD內(nèi)部通過進(jìn)位鏈與DSP的A0相連，而片選信號HCS_N需由A12、A13、A14、A15和DSP的信號經(jīng)譯碼實(shí)現(xiàn)，HWR_N和HRD_N信號由A12、A13、A14、A15和DSP的信號經(jīng)譯碼實(shí)現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)控制單元

本系統(tǒng)使用TI公司的TMS320F2812和Altera公司的MAX7000系列的EPM7128AE實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理和控制。TMS320F2812是基于TMS320C28xTM DSP內(nèi)核的芯片，時鐘頻率高達(dá)150MHz，具有18K的SARAM和128K的片內(nèi)Flash，另外還具有1M的外部擴(kuò)展存儲空間（XINTF）。TMS320F2812的外部擴(kuò)展存儲空間只可用作數(shù)據(jù)空間或程序空間，不支持I/O空間，它分為0、1、2、6、7五個區(qū)，沒有DS、PS、IS三個信號線，取而代之的是三個區(qū)選信號，其中0區(qū)和1區(qū)共用一個區(qū)選信號，6區(qū)和7區(qū)共用一個區(qū)選信號，在設(shè)計(jì)中，由于SAA7113的片選信號直接拉高，而它的配置是通過TMS320F2812的GPIO模擬I2C總線實(shí)現(xiàn)的，因此不占用存儲空間；Z1510的控制接口地址與數(shù)據(jù)復(fù)用和USB接口芯片PDIUSBD12一樣，都只有一個地址位（占用兩個位置）；只有外界FLASH芯片MBM29LV800（512K×16位）占用存儲空間較多，因此系統(tǒng)主要存儲空間分配如下：

Z1510 占用Zone00x00 2000～0x00 2001

USB接口 占用Zone10x00 4000～0x00 4001

FLASH 占用Zone20x08 0000～0x0F FFFF

由于本系統(tǒng)采用專門的視頻壓縮芯片，CPLD主要完成一些邏輯仲裁、地址解碼邏輯、控制信號的產(chǎn)生等，無需進(jìn)行一些較復(fù)雜的運(yùn)算，因而選用內(nèi)核電壓和I/O電壓均為3.3V且具有128個宏單元的EPM7128AE來實(shí)現(xiàn)。

1.3 接口單元

Z1510在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的MPEG-1音視頻壓縮時，系統(tǒng)比特率一般在1.5Mbps以下。雖然最高速度12Mbps的USB1.1里的開銷包括了命令包、幀標(biāo)記和握手協(xié)議傳輸?shù)龋钥蛇_(dá)2Mbps的系統(tǒng)比特率，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。在綜合考慮性價比后，選用了Philips公司的USB1.1接口芯片PDIUSBD12。PDIUSBD12看起來就像是一個帶八位數(shù)據(jù)總線和一個地址位的存儲器，它提供的微處理器接口可以兼容大部分的DSP環(huán)境，其接口信號包括八位數(shù)據(jù)線D0～D7和ALE、A0、、、、，USB控制器可以分為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用模式或單地址/數(shù)據(jù)模式，如表1所示。DSP的數(shù)據(jù)地址總線是分離的，USB控制器采用單地址/數(shù)據(jù)總線模式更容易與DSP接口。

2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分兩大部分：對硬件的初始化（SAA7113、Z1510）和PC機(jī)與系統(tǒng)的實(shí)時通信。系統(tǒng)上電后，由電源輸出端的RC電路觸發(fā)CPLD里的D觸發(fā)器，對DSP進(jìn)行復(fù)位，然后由DSP對其它器件進(jìn)行復(fù)位和初始化。

2.1 硬件初始化

對SAA7113的初始化可通過將DSP的McBSP用作通用I/O腳模擬I2C總線來實(shí)現(xiàn)，DSP作為主器件，SAA7113作為從器件，用McBSP的CLKR模擬SCL,FSR模擬SDA。首先設(shè)置DSP的GPFMUX寄存器的相應(yīng)位為0，使CLKR和FSR用作通用I/O腳；然后設(shè)置GPFDIR和GPFDAT寄存器的相應(yīng)位以改變CLKR和FSR的輸入輸出方向和高低電平，GPFDIR.bit=0時為輸入，相反為輸出；GPFDAT.bit=0，同時引腳為輸出時為低電平，相反為高電平。通過CLKR和FSR管腳的高低電平的變化和輸入輸出狀態(tài)的切換可以實(shí)現(xiàn)I2C協(xié)議。SAA7113的初始化就是對寄存器配置合適的參數(shù)，使其能夠有符合要求的輸出。寄存器配置通過I2C總線來進(jìn)行，很多可以控制I2C總線的器件都可以作為主器件對7113進(jìn)行初始化，這里介紹用51單片機(jī)初始化7113的例子。

系統(tǒng)在開始工作之前，還要進(jìn)行一個軟復(fù)位過程。TMS320F2812先向Z1510的Soft_reset寄存器（地址0x08）寫0x55，等待至少1微秒后，設(shè)置Int_enable [6]寄存器，使能RDY中斷，等Z1510產(chǎn)生一個RDY中斷后，清中斷，完成軟復(fù)位，開始代碼加載。SAA7113是一種視頻解碼芯片，它可以輸入4路模擬視頻信號，通過內(nèi)部寄存器的不同配置可以對4路輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸入可以為4路CVBS或2路S視頻（Y/C）信號，輸出8位“VPO”總線，為標(biāo)準(zhǔn)的ITU 656、YUV 4：2：2格式。7113兼容PAL、NTSC、SECAM多種制式，可以自動檢測場頻適用的50或60Hz，可以在PAL、NTSC之間自動切換。7113內(nèi)部具有一系列寄存器，可以配置為不同的參數(shù)，對色度、亮度等的控制都是通過對相應(yīng)寄存器改寫不同的值，寄存器的讀寫需要通過I2C總線進(jìn)行。7113的模擬與數(shù)字部分均采用+3.3V供電，數(shù)字I/O接口可兼容+5V，正常工作時功耗0.4W, 空閑時為0.07W。7113需外接24.576MHz晶體，內(nèi)部具有鎖相環(huán)（LLC），可輸出27MHz的系統(tǒng)時鐘。芯片具有上電自動復(fù)位功能，另有外部復(fù)位管腳（CE），低電平復(fù)位，復(fù)位以后輸出總線變?yōu)槿龖B(tài)，待復(fù)位信號變高后自動恢復(fù)，時鐘丟失、電源電壓降低都會引起芯片的自動復(fù)位。7113為QFP44封裝。

在Z1510內(nèi)部寄存器有一段程序空間，這段空間以塊為單位，每塊的大小是256字節(jié)。其中，DSP核程序空間為0x280～0x2BF（64 banks），視頻編碼核的二進(jìn)制代碼的裝載空間為0x000～0x004和0x00C等六個塊。裝載步驟如下：

（1）向Z1510內(nèi)部寄存器0x2E寫入0x01，表示外部的SDRAM是1M×16bit；

（2）向0x0C寄存器寫0x03，使能FIFO Ready和End of Data中斷；

（3）向0x11寄存器寫0x18，設(shè)定工作模式為內(nèi)部內(nèi)存寫模式；

（4）向0x10寫0x20，設(shè)定Z1510的FIFO滿為256字節(jié)；

（5）向0x08寄存器寫0x04，發(fā)送開始命令；等待Ready中斷，然后清除Ready中斷；

（6）向Data _in寄存器0x01寫256個字節(jié)數(shù)據(jù)；等待End of Data中斷，然后清除中斷；

（7）查程序空間的代碼是否裝載完畢，如沒有，回到（5）繼續(xù)裝載。

通過設(shè)定Z1510內(nèi)部工作寄存器的特定狀態(tài)可以使其工作在特定的模式，在本系統(tǒng)中設(shè)定Z1510工作在LAVE模式，在此模式下，Z1510從音頻和視頻A/D轉(zhuǎn)換器獲取數(shù)據(jù)并壓縮為MPEG-1碼流。Z1510正常工作后，輸出MPEG-1碼流。其輸出碼流要經(jīng)過輸出端口FIFO緩沖，每當(dāng)FIFO寫入超過半門限時，產(chǎn)生中斷FRDY（FIFO Ready）通知DSP，DSP通過讀寄存器DATA_out（0x00）取走數(shù)據(jù)，其半門限可由ThreshHold寄存器設(shè)定，最大256字節(jié)。FIFO滿后，DSP連續(xù)讀寄存器256次可以取走數(shù)據(jù)。Z1510的驅(qū)動流程見圖2。

2.2 接口程序設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)開發(fā)一個USB外設(shè)的時候，主要需要編寫三部分程序：①固件程序；②USB驅(qū)動程序；③客戶應(yīng)用程序。固件編程主要完成PDIUSBD12的驅(qū)動，使DSP系統(tǒng)與外部系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

在Win32系統(tǒng)中，每一個設(shè)備對象都抽象為文件。在應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中，只需通過幾條簡單的文件操作API函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)與某個設(shè)備通信。主要使用的API函數(shù)有DeviceIOControl（）、ReadFile（）、WriteFile（）。其中，DeviceIOControl（）用于PC機(jī)（主機(jī)）向圖像壓縮系統(tǒng)發(fā)送請求；ReadFile（）和WriteFile（）分別用于從圖像壓縮系統(tǒng)中讀出數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)過程中必須注意的問題是：由于USB接口是主-從方式的接口，它的一切傳輸都必須通過主機(jī)向外設(shè)發(fā)送請求后才能進(jìn)行，所以在使用ReadFile（）、WriteFile（）讀寫數(shù)據(jù)之前，必須先通過DeviceIOControl（）向圖像壓縮系統(tǒng)發(fā)送請求，系統(tǒng)接收請求后才能讀寫數(shù)據(jù)，開始進(jìn)行音視頻壓縮。

該音視頻壓縮系統(tǒng)具有較好的功能擴(kuò)展性，正如前面所介紹的，由于Z1510具有多種工作模式，在系統(tǒng)初始化時可根據(jù)所需工作模式加載不同的代碼，對相應(yīng)的寄存器進(jìn)行不同的初始化，通過改變工作模式，可完成單獨(dú)的視頻壓縮、音頻壓縮、靜態(tài)非壓縮或壓縮圖像獲?。≒C CAMERA）等多種功能。如再在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)大容量FLASH，還可升級為獨(dú)立的音視頻壓縮記錄系統(tǒng)。