当前位置:首页 - 技术资料 - 样机调试

基于MPEG-4视频采集PCI板卡的设计与实现

 :介绍一种基于MPEG-4的视频压缩编码卡。该板卡为4路的编码PCI卡,将采集到的模拟视频图像以MPEG4的方式进行压缩处理。使用标准PCI2.2的规范,完成有CPU控制板与编码PCI卡之间的通信,使CPU控制板通过一块桥芯片可以访问编码芯片内部寄存器,读出编码芯片压缩的MPEG-4的视频压缩流、音频压缩流。从而使压缩的MPEG-4数据完成远程传输或本地存贮。另一个是完成视频预览功能。该板卡为实现远程实时监控提供了必要的硬件设备,他以最新的MPEG-4压缩方式进行编码,对整个数字监控系统和视频网络传输系统提供了最优化的硬件设计,使视频数据数字化管理更加方便、可靠,也使整个系统在市场竞争中更具有活力。
  关键词:MPEG-4编解码芯片;视频编码;MPEG-4;Windows操作系统

  在过去相当长的一段时间内,传统的模拟闭路电视监控系统是场所监控的市场主流产品。但随着信息技术的发展和用户需求的提高,模拟闭路电视监控系统暴露出一些缺陷。主要表现在:传输距离不可能很远、无法远程监视、布线工程量大,特别不适应信息时代的数字化发展趋势。而数字化监控系统的优点恰好克服了模拟闭路电视的局限性,如网络传输视频流、传输距离远、布线不重复、抗干扰能力强、远程监控、查询方便等。
    在安全防范系统蓬勃发展的过程中,监控系统的发展
趋势主要体现为:从单一到多样-监控器材日新月异;从简单到智能-计算机技术渗入安防设备的各个领域;从单机到网络-监控系统网络化是必然趋势;从局部到全面-将监控系统融入智能化大楼成为热点。因此,数字化已是监控系统发展的必然趋势。
  本卡适应了现在数字监控系统的要求,以计算机插卡的形式存在,便于组网、安装、使用和维护。板卡的主芯
片采用了4片MPEG-4的编解码芯片,具有Host和PCI接口,并且体积小、处理能力强且功耗低的特点。从而作为一块单独的处理单元,能让研发人员进行自主开发。

1 MPEG-4PCI板卡的功能设计
  
我们把MPEG-4PCI板卡的功能设计为:
  (1)音频A/D
  完成模拟视频信号到数字视频信号的转换。
  (2)视频A/D
  完成模拟音频信号到数字音频信号的转换。
  (3)音视频同步压缩
  把输入视频数据流压缩成MPEG-4的数据流,同时音频信号通过MPEG-4编解码芯片的IS接口输入。

  (4)视频流预览
  不经过编码的图像可以通过预览口直接输出。
  (5)告警输入
  完成外部接口告警信号的输入。

2 PCI板卡的模块化设计
  本板卡的总体框图及接口信号示意图如图1所示。
  本系统由4片A/D芯片(采用Philip公司的SAA7114),4片A/D芯片(采用Burr-Brown公司的PCM1801U),4片MPEG-4编解码芯片(Vweb公司),一片桥芯片(采用Hint公司的HB1),一片逻辑控制芯片(Xilinx公司)组成。A/D芯片、MPEG-4编解码芯片完成4路摄像头的输入转换以及MPEG-4视频数据流的压缩。CPLD控制着预览回放、告警信号和ID认证信号。A/D芯片和MPEG-4编解码芯片的工作方式是基于Windows操作系统完成的。

  

   PCI编码卡从功能上分为6大模块:
  (1)前端解码部分由视音频处理两大块组成
    ①4片SAA7114H视频解码芯片提供模拟视频到数字视频(BT656格式)的转换。
  ②4片PCM1801U实现音频的A/D采样,通过I2S与MPEG-4编解码芯片相连。
  (2)MPEG-4编码模块
  由四片MPEG-4编解码芯片及其外围电路组成,主要完成实时视音频数据的压缩功能。
  (3)桥芯片驱动模块
  采用零反应时间PCI-PCI搭桥产品HB1,他支持PCI2.2规范,支持32 b 33 MHz的PCI操作。通过该芯片,就可以实现桥接的功能,实现多芯片组支持。
  (4)总线及其驱动模块
  包括PCI总线驱动和隔离,提供板内电源,时钟、复位和中断。
  (5)告警电路
   通过CPLD的编程对告警信号进行控制。
  (6)辅助电路
  主要是提供板内MPEG-4编解码芯片所需的电源1.8 V以及24.576 MHz和27 MHz时钟电路。
2.1 视频A/D转换模块
  摄像头将采集到的模拟数据发送到A/D转换芯片进行视频解码,把模拟视频转换到数字视频(BT656格式),数字视频信号送入MPEG-4压缩芯片。模拟电路需要提供A/D转换芯片所需要的时钟频率24.576 MHz,A/D转换芯片将用此频率来同步MPEG-4压缩芯片[1]
2.2 音频A/D转换芯片
   将Microphone采集到的音频信号
AD采样,通过I2S与MPEG-4压缩芯片相连,把音频信号送入MPEG-4压缩芯片提供,时钟频率为32 kHz,44.1 kHz,48 kHz[2]
2.3 MEPG-4压缩模块
  系统启动时,MPEG-4压缩芯片读取启动电路的启动码,激活相应的下载程序从相应的端口下载运行微码,同时其他芯片通过I2C总线完成初始化,系统启动MPEG-4编解码进程。模拟视频通过SAA7114H的A/D转换后,实时视频流从VPO口送入MPEG-4压缩芯片的编码部分的VPO口,同时模拟音频通过PCM1801U的A/D转换后,实时的音频流从MPEG-4压缩芯片的I2S输入。MPEG-4压缩芯片通过PCI接口与桥芯片相连接,编码压缩后的数据经过桥芯片的桥接再传输到PCI总线上,提供给远程传输或本地存贮[3]
2.4 桥芯片驱动模块
  MPEG-4压缩芯片的编码数据通过桥芯片的驱动与 仲裁,完成桥接任务,能让四片带有PCI接口的MPEG4压缩芯片与PCI总线相互通信,支持PCI2.2规范,支持32 b 33 MHz的PCI操作。
2.5 总线及其驱动模块
  PCI接口板有符合PCI规范V2.2版33 MHz 32 b PCI总线;包括地址、数据复用AD[0∶31];控制信号: PCICLK;REQ#;C/BE[0∶3];IRDY#;DEVSEL#;LOCK#;PERR#;SERR#;STOP#;TRDY#;FRAME#;IDSEL;GNT#;RST#。具体可参考PCI规范V2.2版。
2.6 电源的设计
  由于本板芯片需要3种电源供电:1.8 V,3.3 V,5 V。 其中3.3 V和5 V由板外系统供给,1.8 V由板内电源模块 通过5 V变换而来。主芯片是R9052,他通过2个CMOS管
来达到1.8V的变换,供给4片MPEG-4压缩芯片所需要的工作电流,他可以产生10 A的工作电流。
2.7 告警电路的设计
  模拟的告警信号通过DB9进来后,经过光耦器件的隔离,送入CPLD9572,通过CPLD9572的编程来对告警信号进行控制。
2.8 I2C的设计
   控制SAA7114H的I2C,特别引出了MPEG-4压缩芯片的GPIO管脚49和50管脚,其中第4片MPEG-4压缩芯片的I2 C用来对CPLD9572做他的ID写入,作为开发这片芯片的保护。同时用了47管脚作为跳线,高电平时,允许ID访问,否则拒绝访问。
2.9 预览接口的设计
  MPEG-4压缩芯片提供这一接口,作为对模拟视频信号可以不进行压缩编解码而直接可以回放,其中他的管脚信号CD_VALID是这样设计的:
 
  通过这样的设计就可以进行MPEG-4压缩芯片的回放功能[3]
2.10 时钟复位信号的设计
  在时钟设计上,应用了2片晶振,其中24.576 MHz晶振的时钟提供给SAA7114H所需的外部时钟,而27 MHz晶振提供给Vweb2010这块编码芯片用。板子上主要的IC芯片的复位都是通过PCI插槽上的复位信号经过了桥芯片,产生的次级总线的复位信号提供的。

3 板卡设计的难点
3.1 原理设计难点

  (1)在硬件功能模块上,为了实现预览功能,本来要采用7146这块芯片,但考虑到成本问题,改变了原来的设计方案。
  (2)在硬件上,对整块板子的驱动能力进行分析,特别是时钟和复位的驱动能力以及如何配合Windows下做驱动。
  (3)在硬件方面,CPLD的防伪问题,特别是CPLD的 读写保护和ID认证访问。
  (4)在硬件上,在整块板子进行压缩和预览的时候,要充分考虑到任何环境下的工作稳定度,例如:防雷电、接口上防过流以及能在高温和低温下正常工作。
3.2 PCB走线的难点
  (1)由于要在8层板上放置高速芯片(SDRAM),在走线上要特别注意数据线和时钟线的走法,考虑到所有的时钟线和数据线要等长,这给布线带来很大困难。
  (2)考虑到成本,板子要越小越好,这也给总体布局带来了困难。

4 本板卡在网络监控中的应用
  本板卡是基于Windows操作系统的视频采集传输系统,非常适合网络监控的应用。可应用于银行、证券、海关、公路监测、住宅小区、超市、宾馆楼宇等各类需要实时监控并记录保存的场所。满足各行业对安全监测和业务管理的要求,是数字化监控记录产品的首选。
  随着产品数字化、监控网络化、系统整合化,未来网际网路实现了远端数位监控系统真正分散监控、集中管理的可能。网际网络化的监控系统需能整合,如网络摄影机、 Gateway等具有网络功能的设备元件,每一个设备就是一
个IP(网际网络节点),具有随插即用(Plug-play)的特点。安装时,仅需将设备连接上最近的网络点,经过系统软体的整合,用户即透过区域网络、网际网络上线进行监控。
   本文介绍的基于Windows的视频采集处理系统,采用MPEG-4进行图像压缩编码,在本地进行数字化处理并打包向网络发送,使得数字视频采集系统的所有功能都集成在这一块小小的板卡上。只要把他插在PC机上与网络相连,就能多路并行采集。这些特点使得本板卡有广泛的应用前景。

深圳盛唐科技 版权所有 Copyright © 2014