引言
數字視頻數據量巨大，不利于傳輸和存儲，使其應用受到很大限制。為解決視頻數據的存儲和傳輸問題，唯一的途徑就是對視頻數據進行壓縮。常見的視頻壓縮方法有MPEG系列和H.26x系列。考慮到壓縮技術的成熟度、成本和主要用途，采用MPEG-1作為壓縮標準，設計出基于ARM處理器的嵌入式數字視頻記錄系統。該系統適用于視頻監控、視頻會議等多種應用場合，同時還可安裝在飛行器上，用于實時記錄飛行器的飛行及訓練過程中的各種信息。
目前，市場上有大量的基于PCI總線的MPEG-1視頻壓縮卡和PC機構架的網絡視頻服務器。與之相比，我們設計的視頻記錄系統具有成本低、體積小和功耗低等優勢。
1 系統工作原理
視頻壓縮記錄系統的設計著眼于控制器的嵌入化和整體的便攜性。本系統主要由3部分組成，即壓縮部分、控制部分和存儲部分。視頻記錄系統的結構組成如圖1所示。其中壓縮部分由MPEG1音視頻壓縮電路組成，主要功能是實現對輸入的音視頻信號解碼、數字化和壓縮編碼，產生MPEG1程序流和傳輸流；控制部分由ARM最小系統組成，用于實現對整個系統的控制、數據流管理和IDE接口控制；存儲部分由大容量硬盤或CF存儲卡組成，實現對壓縮數據的實時長時間記錄。
系統啟動時，ARM處理器對整個壓縮系統進行初始化，首先通過HOST接口對SZ1510內部寄存器進行配置，并使用SZ1510的串行接口模擬I2C總線對視頻解碼器SAA7113H進行初始化。當設置好MPEG-1的壓縮格式及數據速率后，系統開始正常工作，音視頻信號經AK4550音頻處理芯片和SAA7113視頻處理芯片進行A/D轉換，輸出8位的PCM格式數字音頻信號和4∶2∶0的YCbCr數字視頻信號，傳入SZ1510音視頻壓縮采集芯片進行處理，將數字音視頻數據轉化為符合MPEG-1格式的混合影視文件，最后MPEG1數據流在ARM處理器的控制下通過IDE接口寫入硬盤或CF卡。在工作時，ARM還將不斷監視相關信號，并在圖像中加入相應的標志，直到接收到關機信號，系統自動結束壓縮工作。
2 硬件電路設計
由于MPEG-1壓縮算法需要很大的運算量，用軟件實時完成比較困難，所以在本系統中主要依靠專用芯片實現對視頻信號的高效壓縮。目前，常用的MPEG-1壓縮芯片有VW2010、W99200F、WIS 7007SB等。本設計采用的是Zapex公司的SZ1510 MPEG-1 A/V編碼芯片，自身完成音視頻的同步編碼，16位HOST接口易于與多種微處理器連接。另外，該芯片還可以直接控制視頻解碼芯片SAA7113H、音頻解碼芯片AK4550VT和SDRAM（KM416S1020CT-G10）。CPU采用Philips公司的ARM7TDMIS內核微控制器LPC2214，通過其I/O端口控制IDE接口硬盤或CF卡的數據讀取和存儲。
隨著計算機技術、多媒體和數據通信技術的迅速發展，數字視頻的應用越來越廣，如視頻監控、視頻會議和移動電視等。
圖1 數字視頻記錄系統結構框圖
2.1 MPEG-1壓縮電路設計
SZ1510是一個 MPEG-1和運動JPEG圖像編碼器。其內置的視頻壓縮核經過優化，適合高效、實時的MPEG1數字圖像壓縮，具有功能多、功耗低、溫度范圍寬等特點；同時整合了TI公司的TMS320C54X高性能DSP內核，可依據MPEG-1標準對音視頻同步編碼。
（1） 時鐘同步電路設置
SZ1510是一個復雜的視頻壓縮小系統，要完成音視頻的同步，MPEG-1視頻的壓縮以及系統內部數據流的復合、調度；時鐘關系較為復雜，是系統設計的一個難點。時鐘配置可分為主時鐘、音視頻時鐘、視頻壓縮核時鐘、DSP核時鐘以及擴展的I2S接口時鐘幾部分。其功能和關系為：
◆ 主時鐘。SZ1510的主時鐘為穩定的27 MHz(CLK)。該時鐘在芯片內部被PLL1倍頻為81 MHz，驅動SZ1510的視頻壓縮核及SDRAM。PLL2連到DSP內核，通過軟件配置使其工作在94.5 MHz，用于音頻壓縮和系統數據流復合。
◆ 音視頻時鐘。視頻時鐘來自視頻解碼器，典型值為27 MHz。音頻時鐘由視頻時鐘分頻產生。
◆ I2S接口時鐘。本系統中在音視頻同步設計中使用I2S接口的從模式，由SZ1510產生串行時鐘和幀同步信號。
（2） 主機（HOST）端口設置
SZ1510作為從設備，受主機控制，其HOST接口是SZ1510的控制和數據交換接口。SZ1510可以選擇復用或不復用的Intel和Motorola總線類型；不復用總線，又可以分為8位和16位。具體的主機端口由HCONFIG[1∶0]引腳和SysConfig[3]寄存器配置。在本系統設計中，通過跳線把HCONFIG0拉低，HCONFIG1拉高，使其工作在Intel 8051類型的非復用的16位數據總線模式下。
2.2 LPC2214微處理器電路設計
LPC2214是一款基于32位ARM7TDMI-S，支持實時仿真和跟蹤的CPU；帶有16 KB片內SRAM、256 KB嵌入的高速Flash存儲器、128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構，使32位代碼能夠在最大時鐘速率60 MHz下運行。芯片內部集成了多種串行接口。LPC2214與SZ1510的接口和控制關系如圖2所示。在設計中，需要注意的是保持SZ1510讀寫時序與內部時鐘的同步。通過CS3選通SZ1510實現控制字和數據的交換。
圖2 LPC2214與SZ1510的接口關系
2.3 IDE接口設計
由于LPC2214芯片不具備IDE接口，因此在本系統中使用通用I/O 口，模擬產生ATA 設備的讀寫時序，實現對IDE硬盤的可靠讀寫操作。圖3為LPC2214與IDE硬盤連接圖。其中，P2.16～P2.31作為數據線，P1.16～P1.20作為地址和選通信號，P0.17和P0.20為設備的復位和狀態請求信號，用P0.21和P0.19實現讀寫控制。
圖3 LPC2214與IDE硬盤連接圖
3 系統軟件設計
系統軟件由主程序和若干個子程序組成，工作流程如圖4所示。主要的子模塊有：SZ1510 的設置與控制、IDE接口驅動和文件系統的管理。
圖4 系統工作流程
3.1 SZ1510的設置與控制
SZ1510共有128個寄存器，每個寄存器都有一個索引號。當SZ1510工作在非復用總線模式下時，外界對寄存器的訪問都是通過IOAR和IODR來完成的。訪問時首先將這個寄存器的索引號寫入IOAR，然后將要寫的數據寫入IODR。
SZ1510設置與控制過程如下：
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，設置它內部的DSP時鐘為94.5 MHz；
④ 向0x013寄存器寫入0x55，對SZ1510進行軟復位；
⑤ 向中斷使能寄存器0x0C寫入0x40，以使能Ready中斷；
⑥ 等候RDY中斷；
⑦ 待Ready中斷后對SAA7113進行初始化；
⑧ 對SZ1510進行軟復位，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的內部DSP裝載二進制代碼；
⑩ 進行SZ1510內部視頻壓縮核的二進制代碼裝載，具體裝載步驟如下：
◆ 向0x08寄存器寫0x04，發送開始命令；
◆ 等待Ready中斷，清除Ready中斷；
◆ 向Data in寄存器0x01寫256個字節；
◆ 等待End of Data中斷，然后清除中斷；
◆ 查程序空間的代碼是否裝載完畢，如沒有，則繼續裝載。
3.2 IDE接口驅動
本系統采用LPC2214的通用可編程I/O口模擬ATA設備的讀寫時序，實現對硬盤的讀寫。這里給出模擬寫ATA 設備寄存器的步驟（讀ATA設備寄存器的步驟類似）：
① 關系統中斷，預防在寫寄存器操作中產生中斷；
② 設置GPIO 模擬ATA 接口數據的引腳為輸出狀態，準備輸出數據到設備數據線；
③ 設置ATA 設備寄存器的相應地址；
④ 設置GPIO 模擬ATA 接口數據的引腳電平為要寫到設備的值；
⑤ 使寫ATA 設備寄存器信號為低電平；
⑥ 使寫ATA 設備寄存器信號為高電平；
⑦ 取消ATA 設備寄存器地址的選擇；
⑧ 設置GPIO 模擬ATA 接口的數據總線引腳為輸入狀態，釋放總線；
⑨ 開系統中斷。
3.3 文件系統管理
本設計中采用的是面向嵌入式系統的小型文件系統ZLG/FS [1]，主要用于將數據存儲為標準的文件格式和對整個文件系統的管理。同時，為了便于音視頻的檢索和查詢，以及防止非法斷電造成大量未保存數據的丟失，在系統中設置了每間隔一定的時間（30 min）將壓縮數據存儲在以系統時間命名的新文件里。
4 結論
經測試，系統可實時長時間記錄外部的音視頻信號，記錄的壓縮數據流符合MPEG-1圖像壓縮國際標準。在設計中，采用的壓縮視頻流速率為1.5 Mbps，1小時的視頻數據量為(1.5 Mbps/8)×3 600=675 MB，對于一個40 GB的硬盤，系統連續記錄時間接近60小時。系統體積小、功耗低，便于移動環境下對音視頻數據的實時長時間壓縮記錄。
參考文獻
[1] 周立功.ARM嵌入式系統軟件開發實例(一).北京:北京航空航天大學出版社,2005.
[2] 馬小虎,張明敏,嚴華明.多媒體數據壓縮標準及實現.北京:清華大學出版社,1996.
[3] 劉偉峰.基于PCI總線的MPEG1壓縮卡軟硬件設計及實現.電子技術應用,2003(8): 2628.
[4] EMBLAZE electronics Corp.Z1510MPEG A/V Encoder Datasheet.
作者：陳國慶 張登福 寇明延
摘自：單片機與嵌入式系統應用
