数字视频压缩的大容量记录系统设计

引言

　　随着计算机技术、多媒体和数据通信技术的迅速发展，数字视频的应用越来越广，如视频监控、视频会议和移动电视等。数字视频数据量巨大，不利于传输和存储，使其应用受到很大限制。为解决视频数据的存储和传输问题，唯一的途径就是对视频数据进行压缩。常见的视频压缩方法有MPEG系列和H.26x系列。考虑到压缩技术的成熟度、成本和主要用途，采用MPEG-1作为压缩标准，设计出基于ARM处理器的嵌入式数字视频记录系统。该系统适用于视频监控、视频会议等多种应用场合，同时还可安装在飞行器上，用于实时记录飞行器的飞行及训练过程中的各种信息。

　　目前，市场上有大量的基于PCI总线的MPEG-1视频压缩卡和PC机构架的网络视频服务器。与之相比，我们设计的视频记录系统具有成本低、体积小和功耗低等优势。

1 系统工作原理

　　视频压缩记录系统的设计着眼于控制器的嵌入化和整体的便携性。本系统主要由3部分组成，即压缩部分、控制部分和存储部分。视频记录系统的结构组成如图1所示。其中压缩部分由MPEG1音视频压缩电路组成，主要功能是实现对输入的音视频信号解码、数字化和压缩编码，产生MPEG1程序流和传输流；控制部分由ARM最小系统组成，用于实现对整个系统的控制、数据流管理和IDE接口控制；存储部分由大容量硬盘或CF存储卡组成，实现对压缩数据的实时长时间记录。

　　系统启动时，ARM处理器对整个压缩系统进行初始化，首先通过HOST接口对SZ1510内部寄存器进行配置，并使用SZ1510的串行接口模拟I2C总线对视频解码器SAA7113H进行初始化。当设置好MPEG-1的压缩格式及数据速率后，系统开始正常工作，音视频信号经AK4550音频处理芯片和SAA7113视频处理芯片进行A/D转换，输出8位的PCM格式数字音频信号和4∶2∶0的YCbCr数字视频信号，传入SZ1510音视频压缩采集芯片进行处理，将数字音视频数据转化为符合MPEG-1格式的混合影视文件，最后MPEG1数据流在ARM处理器的控制下通过IDE接口写入硬盘或CF卡。在工作时，ARM还将不断监视相关信号，并在图像中加入相应的标志，直到接收到关机信号，系统自动结束压缩工作。

2 硬件电路设计

　　由于MPEG-1压缩算法需要很大的运算量，用软件实时完成比较困难，所以在本系统中主要依靠专用芯片实现对视频信号的高效压缩。目前，常用的MPEG-1压缩芯片有VW2010、W99200F、WIS 7007SB等。本设计采用的是Zapex公司的SZ1510 MPEG-1 A/V编码芯片，自身完成音视频的同步编码，16位HOST接口易于与多种微处理器连接。另外，该芯片还可以直接控制视频解码芯片SAA7113H、音频解码芯片AK4550VT和SDRAM（KM416S1020CT-G10）。CPU采用Philips公司的ARM7TDMIS内核微控制器LPC2214，通过其I/O端口控制IDE接口硬盘或CF卡的数据读取和存储。

图1 数字视频记录系统结构框图

2.1 MPEG-1压缩电路设计

　　SZ1510是一个 MPEG-1和运动JPEG图像编码器。其内置的视频压缩核经过优化，适合高效、实时的MPEG1数字图像压缩，具有功能多、功耗低、温度范围宽等特点；同时整合了TI公司的TMS320C54X高性能DSP内核，可依据MPEG-1标准对音视频同步编码。

（1） 时钟同步电路设置
　　SZ1510是一个复杂的视频压缩小系统，要完成音视频的同步，MPEG-1视频的压缩以及系统内部数据流的复合、调度；时钟关系较为复杂，是系统设计的一个难点。时钟配置可分为主时钟、音视频时钟、视频压缩核时钟、DSP核时钟以及扩展的I2S接口时钟几部分。其功能和关系为：
　　◆ 主时钟。SZ1510的主时钟为稳定的27 MHz(CLK)。该时钟在芯片内部被PLL1倍频为81 MHz，驱动SZ1510的视频压缩核及SDRAM。PLL2连到DSP内核，通过软件配置使其工作在94.5 MHz，用于音频压缩和系统数据流复合。
　　◆ 音视频时钟。视频时钟来自视频解码器，典型值为27 MHz。音频时钟由视频时钟分频产生。
　　◆ I2S接口时钟。本系统中在音视频同步设计中使用I2S接口的从模式，由SZ1510产生串行时钟和帧同步信号。

（2） 主机（HOST）端口设置
　　SZ1510作为从设备，受主机控制，其HOST接口是SZ1510的控制和数据交换接口。SZ1510可以选择复用或不复用的Intel和Motorola总线类型；不复用总线，又可以分为8位和16位。具体的主机端口由HCONFIG[1∶0]引脚和SysConfig[3]寄存器配置。在本系统设计中，通过跳线把HCONFIG0拉低，HCONFIG1拉高，使其工作在Intel 8051类型的非复用的16位数据总线模式下。

2.2 LPC2214微处理器电路设计

　　LPC2214是一款基于32位ARM7TDMI-S，支持实时仿真和跟踪的CPU；带有16 KB片内SRAM、256 KB嵌入的高速Flash存储器、128位宽度的存储器接口和独特的加速结构，使32位代码能够在最大时钟速率60 MHz下运行。芯片内部集成了多种串行接口。LPC2214与SZ1510的接口和控制关系如图2所示。在设计中，需要注意的是保持SZ1510读写时序与内部时钟的同步。通过CS3选通SZ1510实现控制字和数据的交换。

图2 LPC2214与SZ1510的接口关系

2.3 IDE接口设计

　　由于LPC2214芯片不具备IDE接口，因此在本系统中使用通用I/O 口，模拟产生ATA 设备的读写时序，实现对IDE硬盘的可靠读写操作。图3为LPC2214与IDE硬盘连接图。其中，P2.16～P2.31作为数据线，P1.16～P1.20作为地址和选通信号，P0.17和P0.20为设备的复位和状态请求信号，用P0.21和P0.19实现读写控制。

图3 LPC2214与IDE硬盘连接图

3 系统软件设计

　　系统软件由主程序和若干个子程序组成，工作流程如图4所示。主要的子模块有：SZ1510 的设置与控制、IDE接口驱动和文件系统的管理。

图4 系统工作流程

3.1 SZ1510的设置与控制

　　SZ1510共有128个寄存器，每个寄存器都有一个索引号。当SZ1510工作在非复用总线模式下时，外界对寄存器的访问都是通过IOAR和IODR来完成的。访问时首先将这个寄存器的索引号写入IOAR，然后将要写的数据写入IODR。

　　SZ1510设置与控制过程如下：
　　① 向中断使能寄存器写入0x40，以使能Ready中断；
　　② 等待SZ1510的Ready中断；
　　③ 等到Ready中断后，向SZ1510的0x1E寄存器写入0x0A，设置它内部的DSP时钟为94.5 MHz；
　　④ 向0x013寄存器写入0x55，对SZ1510进行软复位；
　　⑤ 向中断使能寄存器0x0C写入0x40，以使能Ready中断；
　　⑥ 等候RDY中断；
　　⑦ 待Ready中断后对SAA7113进行初始化；
　　⑧ 对SZ1510进行软复位，即向0x0B寄存器写入0x55，同时向0x0C寄存器写入0x40；
　　⑨ 等待Ready中断，等到后向SZ1510的内部DSP装载二进制代码；
　　⑩ 进行SZ1510内部视频压缩核的二进制代码装载，具体装载步骤如下：

　　◆ 向0x08寄存器写0x04，发送开始命令；
　　◆ 等待Ready中断，清除Ready中断；
　　◆ 向Data in寄存器0x01写256个字节；
　　◆ 等待End of Data中断，然后清除中断；
　　◆ 查程序空间的代码是否装载完毕，如没有，则继续装载。

3.2 IDE接口驱动

　　本系统采用LPC2214的通用可编程I/O口模拟ATA设备的读写时序，实现对硬盘的读写。这里给出模拟写ATA 设备寄存器的步骤（读ATA设备寄存器的步骤类似）：

　　① 关系统中断，预防在写寄存器操作中产生中断；
　　② 设置GPIO 模拟ATA 接口数据的引脚为输出状态，准备输出数据到设备数据线； 　　　　　　
　　③ 设置ATA 设备寄存器的相应地址；
　　④ 设置GPIO 模拟ATA 接口数据的引脚电平为要写到设备的值；
　　⑤ 使写ATA 设备寄存器信号为低电平；
　　⑥ 使写ATA 设备寄存器信号为高电平；
　　⑦ 取消ATA 设备寄存器地址的选择；
　　⑧ 设置GPIO 模拟ATA 接口的数据总线引脚为输入状态，释放总线；
　　⑨ 开系统中断。

3.3 文件系统管理

　　本设计中采用的是面向嵌入式系统的小型文件系统ZLG/FS [1]，主要用于将数据存储为标准的文件格式和对整个文件系统的管理。同时，为了便于音视频的检索和查询，以及防止非法断电造成大量未保存数据的丢失，在系统中设置了每间隔一定的时间（30 min）将压缩数据存储在以系统时间命名的新文件里。

4 结论

　　经测试，系统可实时长时间记录外部的音视频信号，记录的压缩数据流符合MPEG-1图像压缩国际标准。在设计中，采用的压缩视频流速率为1.5 Mbps，1小时的视频数据量为(1.5 Mbps/8)×3 600=675 MB，对于一个40 GB的硬盘，系统连续记录时间接近60小时。系统体积小、功耗低，便于移动环境下对音视频数据的实时长时间压缩记录。

参考文献
[1] 周立功.ARM嵌入式系统软件开发实例(一).北京:北京航空航天大学出版社,2005.
[2] 马小虎,张明敏,严华明.多媒体数据压缩标准及实现.北京:清华大学出版社,1996.
[3] 刘伟峰.基于PCI总线的MPEG1压缩卡软硬件设计及实现.电子技术应用,2003(8): 2628.
[4] EMBLAZE electronics Corp.Z1510MPEG A/V Encoder Datasheet.