基于PCI总线的MPEG-1压缩卡软硬件设计及实现

摘要：随着计算机技术、多媒体和数据通信技术的发展，计算机视频的应用越来越广。但视频通常由于数据量巨大，应用受到不少限制。为解决视频数据的存储和传输，唯一途径就是对视频数据进行压缩。结合目前实际需求，给出了一种基于ＰＣＩ总线的ＭＰＥＧ－Ｉ压缩卡的软件、硬件实现方案。 关键词：ＰＣＩ总线 ＷＤＭ驱动 ＭＰＥＧ－１压缩卡 随着计算机技术、多媒体和数据通信技术的高速发展，人们生活水平的提高，对计算机视频的需求和应用越来越多，如视频监控、视频会议、计算机视觉等。计算机视频提供给人的信息很多，但是视频的数据量很大，不利于传输和存储，使其应用受到不少限制。为解决视频数据的存储和传输，唯一途径就是对视频数据进行压缩。 目前常见的视频压缩方法有ＭＰＥＧ－１、ＭＰＥＧ－２、ＭＰＥＧ－４、Ｈ．２６１、Ｈ．２６３等。考虑压缩技术的成熟度和该压缩卡的主要用途，本文采用ＭＰＥＧ－１作为压缩标准，研制了基于ＰＣＩ总线的ＭＰＥＧ－Ｉ压缩卡。该卡适用于视频监控、视频会议等多种应用场合。该卡加上一台主机、摄像头和软件可构成一个完整的视频采集压缩系统。 １ 系统特点 （１）支持ＢＮＣ、ＲＣＡ、Ｓ－ＶＩＤＥＯ视频接口； （２）支持ＰＡＬ和ＮＴＳＣ制式； （３）可对视频实时预览，最大分辨率可达７２０%26;#215;５７６%26;#215;３２； （４）可对声音进行同步监听； （５）可对音、视频信号进行ＭＰＥＧ－Ｉ压缩，生成ＭＰＥＧ文件和ＶＣＤ文件； （６）用户可编程ＭＰＥＧ－１编码设置，可支持ＣＢＲ和ＶＢＲ； （７）可一机多卡同时工作； （８）可从动态影像中捕获单帧，生成ＪＰＧ和ＢＭＰ文件； （９）支持Ｗｉｎ９８／Ｗｉｎ２０００。 ２ 系统硬件设计 ２．１ 系统组成 该系统主要由视频解码、音频解码、压缩核心和ＰＣＩ接口等组成，其总体框图如图１所示。 ２．２ 视频解码设计 视频解码部分主要完成模拟视频到数字视频的处理，以供后面预览、压缩用。视频解码芯片常用的有ＳＡＡ７１１０、ＳＡＡ７１１３和ＳＡＡ７１１４等。本方案中采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＳＡＡ７１１４。ＳＡＡ７１１４有六路模拟输入，内置模拟源选择器可构成６%26;#215;ＣＶＢＳ、２%26;#215;Ｙ／Ｃ２%26;#215;ＣＶＢＳ、１%26;#215;Ｙ／Ｃ和４ %26;#215;ＣＶＢＳ；两路模拟预处理通道，内有抗混迭滤波器；ＣＶＢＳ或Ｙ／Ｃ通道含完全可编程静态增益控制或自动增益控制功能，对ＣＶＢＳ、Ｙ／Ｃ通道可进行自动钳位控制；能自动检测５０Ｈｚ／６０Ｈｚ场频，并可自动在ＰＡＬ和ＮＴＳＣ制式进行切换；能将ＰＡＬ、ＮＴＳＣ和ＳＥＣＡＭ信号解码及模数变换得到符合ＩＴＵ－６０１／ＩＴＵ－６５６的数字电视信号。该芯片是目前视频解码芯片中接收视频源的宽容性及视频解码图像质量最好的一种。其通过Ｉ２Ｃ接口，进行初始化设置。 本系统采用Ｉｍａｇｅ Ｐｏｒｔ作为数字视频输出端口，数字视频格式采用ＩＴＵ－６５６ＡＩ１１（ＰＩＮ ２０）作为ＢＮＣ／ＲＣＡ输入脚，ＡＩ１２、ＡＩ２２作为Ｓ－ＶＩＤＥＯ输入脚。 图2 SAA7146A方框图 ２．３ 音频解码设计 音频解码的数据一部分提供给ＳＡＡ７１４６Ａ作声音监听用，另一部分用于压缩。考虑到成本，本系统采用ＢＵＲＲ－ＢＲＯＷＮ公司的ＰＣＭ１８００Ｅ。该芯片是双声道单片ΔΣ型２０ 位ＡＤＣ单＋５Ｖ电源供电，信噪比为９５ｄＢ（典型值），动态范围９５ｄＢ（典型值），内嵌高通滤波器，支持四种接口方式和四种数据格式。其采样频率为３２ｋＨｚ、４４．１ｋＨｚ和４８ｋＨｚ可选。 本系统采用从模式，２０位Ｉ２Ｓ数据格式。主时钟由ＳＡＡ７１１４提供。 ２．４ ＭＰＥＧ－１压缩部分设计 本系统中ＭＰＥＧ－Ｉ压缩芯片选用ＺＡＰＥＸ公司的ＳＺ１５１０。该芯片基于ＴＩ的ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘ ＤＳＰ内核，能对ＩＴＵ－６０１／ＩＴＵ－６５６数字电视信号和ＰＣＭ音频流进行ＭＰＥＧ－１实时压缩，可生成多种流，如音频基本流、视频基本流、音视频复合流等。 该芯片外接２７ＭＨｚ晶振，可支持多种主机接口，可工作在复用或非复用、Ｉｎｔｅｌ或Ｍｏｔｏｒｏｌａ类型总线。通过输入管脚ＨＣＯＮＦＩＧ１：０和ＳｙｓＣｏｎｆｉｇ寄存器可设置成六种总线接口类型：Ｉｎｔｅｌ ８０５１类型的数据／地址复用的８位总线、Ｍｏｔｏｒｏｌａ类型的数据／地址复用的８位总线、Ｉｎｔｅｌ ８０５１类型的非复用的８位数据总线、Ｍｏｔｏｒｏｌａ类型的非复用的８位数据总线、Ｉｎｔｅｌ ８０５１类型的非复用的１６位数据总线和Ｍｏｔｏｒｏｌａ类型的非复用的１６位数据总线。支持Ｉ２Ｓ声音接口。 本系统中采用Ｉｎｔｅｌ ８０５１类型的非复用的１６位数据总线。 ２．５ ＰＣＩ接口部分设计 本系统中ＰＣＩ接口芯片选用ＳＡＡ７１４６Ａ，该芯片并不是通用的ＰＣＩ接口芯片，而是一个多媒体桥（Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｂｒｉｄｇｅ）。方框图如图２。该芯片符合ＰＣＩ２．１规范。它有八个ＤＭＡ通道，三个视频，四个音频，一个ＤＥＢＩ（Ｄａｔａ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ Ｂｕｓ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）。还具有两路视频通道，可对视频数据进行缩放，一路可无级缩放ＨＰＳ（Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｃｅ Ｓｃａｌｅｒ，其纵向可达１：１０２４、横向可达１：２５６；另一路有级缩放ＢＲＳ（Ｂｉｎａｒｙ Ｒａｔｉｏ Ｓｃａｌｅｒ支持ＣＩＦ和ＱＣＩＦ格式。 音频接口以Ｉ２Ｓ为基础，通过编程控制以支持ＭＳＢ－ＦＩＲＳＴ的不同格式及不同的时序格式。 本系统中该部分主要实现功能如下： （１）通过ＤＥＢＩ接收ＳＺ１５１０产生的ＭＰＥＧ－１数据，传输到内存； （２）通过视频接口，接收ＳＡＡ７１１４输出的视频解码信号，并进行亮度、色度、饱和度的控制，并实现无级缩放功能实现视频预览功能； （３）通过音频接口，接收ＰＣＭ１８００Ｅ输出的ＰＣＭ编码信号，传输到内存，实现声音监听功能； （４）提供符合ＰＣＩ２．１规范的接口，将板上数据传输到主机内存。 ３ 软件设计 软件设计主要包括驱动程序设计和应用层的ＡＰＩ设计。 驱动程序主要负责与硬件打交道，应用层ＡＰＩ主要负责与驱动程序接口。由于设计了应用层的ＡＰＩ，应用程序可很容易在上面进行开发。 ３．１ 驱动程序设计 为了支持Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００和Ｗｉｎｄｏｗｓ９８采用ＷＤＭＷｉｎｄｏｗｓ Ｄｒｉｖｅｒ Ｍｏｄｅｌ 驱动程序。ＷＤＭ 作为微软的最新驱动程序模型与传统的Ｗｉｎ３．ｘ和Ｗｉｎ９５使用的ＶｘＤ驱动完全不同。ＷＤＭ可支持电源管理、自动配置和热插拔等。ＷＤＭ驱动的设计可以采用Ｄｒｉｖｅｒ ＳｔｕｄｉｏＤＳ、Ｗｉｎｄｒｉｖｅｒ、ＤＤＫＤｒｉｖｅｒ Ｄｅｖｉｃｅ Ｋｉｔ等。本系统驱动采用Ｗｉｎｄｏｗｓ ２０００ ＤＤＫ借助ＶＣ６．０设计。 ３．１．１ ＭＰＥＧ－Ｉ压缩部分 在驱动中，重置ＳＺ１５１０后，就可以装载相应工作模式的微码；根据需要，设置好相应寄存值后就可以启动ＳＺ１５１０对视频数据进行ＭＰＥＧ－１编码。每当产生的压缩数据超过ＳＺ１５１０内部的ＦＩＦＯ门限后，ＳＺ１５１０产生相应中断，内核调用中断例程，在中断例程中调用中断延迟例程ＤＰＣ，在中断延迟例程中接收产生的压缩数据。ＳＺ１５１０提供两种方式提取数据，一种用Ｉ２Ｃ总线接口方式，另一种用ＤＥＢＩ方式。 在本系统中，采用ＤＥＢＩ进行压缩数据的传输。考虑到压缩数据产生的速度，本系统开了３２页大小的缓冲区，在中断延迟例程中填充该缓冲区。每当填满８页大小后，产生一个事件通知应用层进行数据读取。通过这种方式，可以避免压缩数据的丢失。 其流程图如图３所示。 在驱动中，压缩数据的提取方式将极大地影响生成ＭＰＥＧ文件的质量。如果处理不当，将导致马赛克、跳帧等现象。 ３．１．２ 驱动程序中用户缓冲区的访问 驱动程序访问用户内存主要通过缓冲Ｉ／Ｏ和直接Ｉ／Ｏ。缓冲Ｉ／ＯＩ／Ｏ管理器创建一个内核模式拷贝缓冲区，并把用户缓冲区的内容拷贝到该缓冲区中，并在ＩＲＰ首部的ＡｓｓｏｃｉａｔｅＩｒｐ．ＳｙｓｔｅｍＢｕｆｆｅｒ域中存储该非分页内存地址。驱动程序可简单地读写该块内存。直接Ｉ／Ｏ，Ｉ／Ｏ管理器为输入数据提供一个内核模式拷贝缓冲区，对输出数据提供一个内存描述符（ＭＤＬ）。为了使用缓冲Ｉ／Ｏ或直接Ｉ／Ｏ在创建设备时，必须设置设备对象的Ｆｌａｇｓ域中的ＤＯ＿ＢＵＦＦＥＲＥＤ＿ＩＯ标志位来使用缓冲Ｉ／Ｏ或设置ＤＯ＿ＤＩＲＥＣＴ＿ＩＯ标志位来使用直接Ｉ／Ｏ。 在本驱动中由于缓冲Ｉ／Ｏ和直接Ｉ／Ｏ都被使用，ＤＯ＿ＢＵＦＦＥＲＥＤ＿ＩＯ标志位和ＤＯ＿ＤＩＲＥＣＴ＿ＩＯ标志位都被设置。 在定义ＩＯＣＴＬ码中，对缓冲Ｉ／Ｏ使用ＭＥＴＨＯＤ＿ＢＵＦＦＥＥＲＥＤ对直接Ｉ／Ｏ使用ＭＥＴＨＯＤ＿ＯＵＴ＿ＤＩＲＥＣＴ。 ３．２ 应用层ＡＰＩ设计 应用层对驱动程序的访问通过调用Ｗｉｎ３２ Ｉ／Ｏ函数（如ＲｅａｄＦｉｌｅ、ＷｒｉｔｅＦｉｌｅ和ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ）访问。当应用层调用Ｗｉｎ３２ Ｉ／Ｏ函数以请求Ｉ／Ｏ后，该请求由内核的Ｉ／Ｏ系统服务接收，Ｉ／Ｏ管理器对该请求构造合适的ＩＲＰ包，并将其传给驱动程序栈，ＩＲＰ在栈中进行传递，传到驱动程序进行处理，并将结果返回给应用程序。 通过应用层ＡＰＩ，在其上面可进一步开发各类应用程序。 本系统达到了预期的要求，能够在音视频采集过程中对视频、音频进行实时预览、监听。压缩生成的文件可在标准媒体播放器上播放，并可对生成的ＶＣＤ文件进行刻录，然后由ＶＣＤ机播放.