機(jī)載數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計

關(guān)鍵詞： 機(jī)載 , 記錄系統(tǒng) , 視頻 , 數(shù)字

通過嵌入式計算機(jī)PC104對MPEG A/V編碼芯片SZ1510進(jìn)行配置和控制,可以縮短研制高性能航空機(jī)載環(huán)境下數(shù)字式彩色視頻記錄儀的開發(fā)時間｡文中詳細(xì)介紹了該機(jī)載數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)的軟､硬件設(shè)計思想及注意事項｡

機(jī)載視頻記錄系統(tǒng)在飛行員的日常訓(xùn)練中發(fā)揮著十分重要的作用｡該系統(tǒng)可以實時記錄飛行器的飛行及訓(xùn)練過程中的各種信息,能夠直觀､真實的反映飛行員在空中的飛行和操作情況｡通過地面回放設(shè)備的回放,飛行員可以準(zhǔn)確地把握自身的不足并及時改進(jìn),從而提高訓(xùn)練水平｡但由于視頻信號數(shù)據(jù)量大,技術(shù)要求高,國產(chǎn)飛機(jī)大多沒有信息監(jiān)視和記錄系統(tǒng)｡為了提高我軍戰(zhàn)機(jī)的作戰(zhàn)性能?研制一種信息監(jiān)視和記錄系統(tǒng)迫在眉睫｡  

隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,采用數(shù)字圖像壓縮技術(shù)實現(xiàn)高壓縮比､高質(zhì)量的圖像數(shù)字壓縮記錄系統(tǒng)已成為可能｡數(shù)字化的記錄方法可以將視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮記錄在大容量的存儲器上,并能有效消除噪聲､增加記錄時間､加快拷貝和復(fù)制速度,快速回放和查找,同時還可以快速地通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送｡基于以上原因,筆者為某新型飛機(jī)研制了高性能的適于航空機(jī)載環(huán)境的數(shù)字式彩色視頻記錄系統(tǒng)｡本記錄系統(tǒng)的核心芯片選用以色列Zepax公司的SZ1510 MPEG-1編碼芯片｡  

1 工作原理  

圖1所示是本記錄系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成示意圖｡整個系統(tǒng)由三大部分組成,即壓縮控制部分､存儲部分和電源部分三大模塊｡其中壓縮部分由一路MPEG-1音視頻壓縮電路和控制單元PC-104組成,主要功能是實現(xiàn)對輸入音視頻信號的數(shù)字壓縮｡存儲部分由大容量硬盤組成,用于完成對壓縮數(shù)據(jù)的長時間記錄｡電源部分負(fù)責(zé)對各模塊電路提供電源｡

在系統(tǒng)啟動時,主控計算機(jī)首先對壓縮卡進(jìn)行初始化,當(dāng)設(shè)置好MPEG-1壓縮格式及數(shù)據(jù)速率后,壓縮卡開始工作,并在主控計算機(jī)的控制下將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)寫入硬盤｡在工作過程中,主控計算機(jī)還將不斷監(jiān)視相關(guān)信號,并在圖像中加入相應(yīng)的標(biāo)志,直到接收到關(guān)機(jī)信號,系統(tǒng)自動結(jié)束壓縮卡的工作,并關(guān)閉主機(jī)｡  

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計  

整個系統(tǒng)的核心是以色列Zepax公司的SZ1510 MPEG-1編碼芯片,它由PC104控制,另外,該系統(tǒng)還包括PCI橋芯片PLX9030以及視頻解碼芯片SAA7113等｡  

2.1 SZ1510芯片簡介  

Zepax公司的SZ1510IC內(nèi)部采用可編程的專業(yè)硬件體系結(jié)構(gòu),它可以高效使用存儲器,并能合理進(jìn)行資源分配｡內(nèi)核采用TI公司的TMS320C54X高性能DSP來完成MPEG1音頻編碼､解碼以及CD格式的音/視頻流的組合,同時進(jìn)行一般的系統(tǒng)控制｡  

該芯片具有功能多､功耗小､溫度范圍寬等特點,其組成電路如圖2所示｡它主要由運動估計與補(bǔ)償單元､DCT與反DCT變換單元､可變長編碼單元､控制單元､SDRAM接口單元､通用總線接口單元組成｡內(nèi)部的壓縮處理完全采用流水線結(jié)構(gòu),開機(jī)后只需簡單的初始化即可獨立工作,同時自動送出壓縮好的數(shù)據(jù)｡外部電路的時鐘為27MHz,工作電壓為3.3V｡  

系統(tǒng)中的視頻壓縮有三種比特率可供選擇,其中恒定比特率需要填充冗余,最大比特率不需要填充冗余,而可變比特率的壓縮質(zhì)量比較恒定,但比特率可變｡音頻壓縮部分支持3244.1及48kHz取樣率以及音頻PCM､實時MPEG12層音頻編碼等｡  

2.2 PC104計算機(jī)簡介  

考慮到控制單元的體積､可靠性和控制能力,可選用嵌入式計算機(jī)PC104作為主控單元｡根據(jù)視頻壓縮的特點,推薦選擇安普公司的AmproP5E/266產(chǎn)品,該產(chǎn)品溫度特性好､功能強(qiáng)大､可靠性高､軟硬件移植方便且易于調(diào)試｡

3 軟件設(shè)計  

SZ1510共有128個寄存器,每個寄存器都有一個索引號｡外界對這些寄存器的訪問都是通過IOAR I/O Adress Register 和IODR(I/O Data Register)來完成的｡訪問時首先將這個寄存器的索引號寫入IOAR?然后將要寫的數(shù)據(jù)寫入IODR,這樣,SZ1510即可自動把數(shù)據(jù)送到某個寄存器｡  

主機(jī)訪問SZ1510是通過PLX9030進(jìn)行的｡對PLX9030中寄存器的訪問通常是按內(nèi)存方式進(jìn)行的,其方法是常規(guī)段加偏移方式｡不過,它的寄存器訪問總線寬度有的是16bits(如0x4c),有的是32bits(如0x50),具體可參考有關(guān)文獻(xiàn)(5)｡  

3.1 硬件初始化  

對系統(tǒng)硬件的初始化主要是初始化PLX9030和SZ1510｡

LX9030的初始化比較簡單,一是使能中斷,向寄存器0x4c中寫入0x0041,二是對PLX9030的Local bus進(jìn)行軟復(fù)位,即先將寄存器0x50的第30位置1,再將其置0｡  

SZ1510的初始化過程如下:  

(1)向中斷使能寄存器寫入0x40,以使能Ready中斷;  
(2)等待SZ1510的Ready中斷;  
(3)等到Ready中斷后,向SZ1510的0x1E寄存器寫入0x0A,設(shè)置它內(nèi)部的DSP時鐘為94.5MHz;  
(4)向0x013寄存器寫入0x55,對SZ1510進(jìn)行軟復(fù)位;  
(5) 向中斷使能寄存器0x0C寫入0x40?使能Ready中斷;  
(6) 等候RDY中斷;  
(7) 待Ready中斷后對SAA7113進(jìn)行初始化;  
(8) 對SZ1510進(jìn)行軟復(fù)位,即向0x0B寄存器寫入0x55,同時向0x0C寄存器寫入0x40;  
(9) 等待Ready中斷,等到后向SZ1510的內(nèi)部DSP裝載二進(jìn)制代碼;  
(10)進(jìn)行SZ1510內(nèi)部視頻壓縮核的二進(jìn)制代碼裝載｡  

3.2 SZ1510二進(jìn)制代碼的裝載  

SZ1510 內(nèi)部有一段程序空間,可用來裝載二進(jìn)制代碼｡這段空間以塊(Blank)為單位,每塊的大小是256字節(jié)｡  

用于視頻編碼核的二進(jìn)制代碼的裝載空間為0x000~0x004和0x00c等六個塊,共1.5k字節(jié)代碼｡具體裝載的步驟如下:  

(1) 向0x2E寄存器寫0x01,表示外部的SDRAM是1M%26;#215;16bits;  
(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0x1,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SZ1510?下轉(zhuǎn)第10頁 (上接第6頁)輸出數(shù)據(jù)的FIFO大小為256字節(jié);  
(5)對每塊程序空間進(jìn)行二進(jìn)制代碼裝載,具體過程如下:  

●向0x08寄存器寫0x04,發(fā)送開始命令;  
●等待Ready中斷,清除Ready中斷;  
●向Data in寄存器0x01寫256個字節(jié);  
●等待End of Data中斷,然后清除中斷;  

(6)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｡  

3.3 SZ1510視頻數(shù)據(jù)的獲取  

SZ1510內(nèi)部有一個256字節(jié)的FIFO｡一旦該FIFO滿,即產(chǎn)生一個FIFO Ready中斷,以通知主機(jī)讀取FIFO中的數(shù)據(jù),然后通過256次讀Data out寄存器來完成數(shù)據(jù)傳輸｡

4 注意事項  

SZ1510芯片的PLL PCB設(shè)計要求如下
  
(1)應(yīng)用設(shè)計EMI濾波裝置以減少VDDA的電源噪聲｡  
(2)LPF到SZ1510的整體電路管腳長度應(yīng)當(dāng)小于0.5英寸｡  
(3)設(shè)計PCB時,外部LPF應(yīng)盡量接近封裝腳｡  
(4)VDDA和VSSA端應(yīng)接0.1μF的旁路電容以減少噪音｡