邵春偉，王小龍，薛 培

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫 214072）

1 引言

隨著集成電路技術(shù)、電子技術(shù)的飛速發(fā)展，圖像處理、語(yǔ)音處理等技術(shù)也日新月異，這些新技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在一些工業(yè)場(chǎng)合，需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的視頻、音頻進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集、存儲(chǔ)，同時(shí)又能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，其中，支持單路1080P 30幀視頻采集的DM368平臺(tái)得到了廣泛應(yīng)用。但由于多路音視頻信號(hào)的數(shù)據(jù)量非常大，不便于進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和傳輸；經(jīng)過(guò)壓縮之后的數(shù)據(jù)雖然便于存儲(chǔ)，但是不便于傳輸。隨著技術(shù)的進(jìn)步，支持多路數(shù)據(jù)采集的DM8168平臺(tái)、高壓縮比及高質(zhì)量的音視頻數(shù)字化壓縮算法應(yīng)運(yùn)而生，在保證音視頻質(zhì)量的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)量巨大的音視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后，非常便于存儲(chǔ)和傳輸。本文采用DM8168平臺(tái)，支持兩路視頻數(shù)據(jù)采集、H.264[1]編碼、存儲(chǔ)和傳輸，并選用CPCI[2]連接器，保證其可靠性及可維護(hù)性，滿足現(xiàn)代工業(yè)需求。

2 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的音視頻處理板卡以TI公司的達(dá)芬奇[3]處理芯片DM8168為系統(tǒng)核心，可同時(shí)進(jìn)行全高清H.264編解碼、圖像智能識(shí)別應(yīng)用。板卡主要由高清和標(biāo)清視頻采集、音頻采集回放、DDR3模塊、千兆網(wǎng)絡(luò)模塊、高清和標(biāo)清視頻回放、CPCI接口、系統(tǒng)電源等6個(gè)模塊組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。高清和標(biāo)清視頻采集模塊負(fù)責(zé)采集外部的HD-SDI高清視頻信號(hào)和CVBS視頻信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成BT656/BT1120數(shù)字視頻信號(hào)。DM8168集成了視頻編解碼功能，可將數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮，同時(shí)也可將壓縮后的視頻碼流進(jìn)行解壓縮處理。音頻采集回放模塊負(fù)責(zé)對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采集回放。千兆網(wǎng)口可以用于發(fā)送和接收經(jīng)板卡壓縮后的音視頻碼流。高清和標(biāo)清視頻回放模塊負(fù)責(zé)回放解壓后的視頻信號(hào)。CPCI接口集成了音視頻處理板卡上需要使用的信號(hào)，并連接到外部接插件上。系統(tǒng)電源為整個(gè)板卡供電，保證各模塊正常工作。

圖1 音視頻處理板卡硬件框圖

3 音視頻處理板卡硬件設(shè)計(jì)

3.1 視頻采集、回放硬件設(shè)計(jì)

由圖2中可以看出，視頻采集部分主要由HD-SDI視頻解碼芯片 GV7601、CVBS解碼芯片TVP5150以及DM8168的2個(gè)Video Port端口組成。GV7601的作用是將HD-SDI高清信號(hào)轉(zhuǎn)換成BT1120數(shù)字視頻信號(hào)，該信號(hào)由D0～D15、PCLK共17個(gè)信號(hào)組成，并且內(nèi)嵌了數(shù)字視頻同步信號(hào)。TVP5150的作用是將CVBS視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成BT656數(shù)字視頻信號(hào)，該信號(hào)由D0～D7、PCLK共9個(gè)信號(hào)組成，也內(nèi)嵌了數(shù)字視頻同步信號(hào)。BT1120和BT656數(shù)字視頻信號(hào)可以被DM8168[4]的Video Port端口識(shí)別并采集。

圖2 視頻采集模塊設(shè)計(jì)

DM8168芯片內(nèi)部具備CVBS[5]標(biāo)清輸出信號(hào)，可以使用該信號(hào)作為標(biāo)清的視頻回放輸出。由于其不具備HD-SDI視頻輸出功能，因此使用DM8168芯片的VOUT[0]數(shù)字視頻輸出接口和GV7600配合實(shí)現(xiàn)該功能，具體實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

圖3 HD-SDI視頻回放模塊設(shè)計(jì)

DM8168的VOUT[0]數(shù)字視頻接口支持最大165 MHz的16/24/32 bit的RGB/YCbCr數(shù)字視頻輸出，可以直接連接到GV7600相應(yīng)輸入接口來(lái)實(shí)現(xiàn)HD-SDI視頻輸出。

芯片配置說(shuō)明：HD-SDI視頻輸入輸出部分使用的GV7601、GV7600一般只需要外部電平配置正確即可正常工作，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)高清信號(hào)識(shí)別。TVP5150正常工作前，需要使用I2C總線對(duì)其進(jìn)行工作模式的初始化。

3.2 音頻、網(wǎng)絡(luò)、DDR3存儲(chǔ)器硬件設(shè)計(jì)

音頻采集回放部分使用了一片TI公司的TLV320AIC3106音頻專用芯片，該芯片通過(guò)I2S接口和DM8168連接，本設(shè)計(jì)中使用了TLV320AIC3106的音頻輸入和輸出接口各1路。網(wǎng)絡(luò)接口則使用了2片ET1011C網(wǎng)絡(luò)芯片，該芯片支持10/100/1000 Mbit的傳輸速度。板上集成了千兆網(wǎng)絡(luò)變壓器，通過(guò)2路千兆網(wǎng)絡(luò)，支持高帶寬數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。DM8168具備2組32位的內(nèi)存控制總線，它可以尋址的總地址為2GB，支持的DDR2/DDR3位寬可以是16位或32位。該板卡上共搭載了4片16位寬的DDR3顆粒，每片顆粒容量達(dá)到了256 MB，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)存為1 GB。DDR3的部分電路如圖4所示。

圖4 DDR3存儲(chǔ)器部分電路

3.3 CPCI接口硬件設(shè)計(jì)

CPCI(Compact PCI)是國(guó)際工業(yè)計(jì)算機(jī)制造者聯(lián)合會(huì)提出的一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)。在電氣特性上，CPCI總線以PCI電氣規(guī)范為基礎(chǔ)，同時(shí)在接口等方面做了重大改進(jìn)。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，CPCI總線結(jié)構(gòu)使用了歐卡連接器和標(biāo)準(zhǔn)3U、6U板卡尺寸，由于其良好的抗震性和通風(fēng)性且支持熱插拔，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、飛行器等空間探測(cè)領(lǐng)域。目前工控設(shè)備上所使用的CPCI接口板卡一般有3U和6U兩種規(guī)格，按插卡方式又可分為前插板和后插板。本文討論的核心就是3U規(guī)格的CPCI接口后插板。

本設(shè)計(jì)中將板卡所需要和外部設(shè)備連接的信號(hào)都集中到CPCI接口中，涵蓋的信號(hào)包括：PCIe信號(hào)、HD-SDI視頻輸入/輸出信號(hào)、CVBS視頻輸入/輸出信號(hào)、音頻輸入/輸出信號(hào)、千兆以太網(wǎng)信號(hào)、SATA信號(hào)、USB信號(hào)、電源信號(hào)等。CPCI接口使用了2個(gè)CPCI插座，將所需要引出的信號(hào)合理分布于這2個(gè)CPCI插座中。同時(shí)為了滿足3U規(guī)格板卡的要求，PCB尺寸也按照3U的板卡規(guī)格來(lái)設(shè)計(jì)。

在PCB布板過(guò)程中，對(duì)于PCIe信號(hào)、SATA信號(hào)、千兆以太網(wǎng)、USB信號(hào)等高速差分信號(hào)均做了差分走線，并做了等長(zhǎng)處理和阻抗控制。

3.4 系統(tǒng)電源硬件設(shè)計(jì)

音視頻處理板正常工作時(shí)，DM8168以及外圍芯片需要 3.3 V、1.0 V、0.9 V、1.8 V、1.5 V 等多種直流電源，然而該板卡的輸入電源是12 V直流電源，因此板子上需要設(shè)計(jì)多路二次電源，需要提供的二次電源及電流要求如表1所示。

本設(shè)計(jì)中，使用了TI公司的TPS54620RGYR、TPS65001、TPS40041DRBR、CSD86330Q3D 等電源芯片來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于DDR3芯片所需要的參考電壓，則用專用參考電壓芯片LP2996M來(lái)設(shè)計(jì)。

表1 板卡二次電源列表

3.5 PCB布局及設(shè)計(jì)

板卡PCB布局如圖5所示。

圖5 板卡PCB布局圖

音視頻處理板實(shí)物圖如圖6所示。

4 音視頻處理板卡軟件設(shè)計(jì)

DM8168作為達(dá)芬奇系列芯片，內(nèi)部具有ARM處理器和DSP處理器，因此其軟件設(shè)計(jì)包括了ARM端的Linux[6]嵌入式操作系統(tǒng)和DSP端的算法程序。這些處理器通過(guò)共享內(nèi)存進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)共享。TI公司針對(duì)DM8168芯片開(kāi)發(fā)了專用的DVR RDK軟件開(kāi)發(fā)包。該板卡的軟件設(shè)計(jì)也是基于DVR RDK軟件開(kāi)發(fā)包來(lái)進(jìn)行的。

圖6 音視頻處理板實(shí)物圖

4.1 DM8168軟件架構(gòu)

DVR RDK是一個(gè)多通道的視頻應(yīng)用軟件包，它的應(yīng)用包括：VPSS M3用來(lái)處理視頻采集、顯示、隔行處理、去隔行等；Video M3用來(lái)處理H.264、MPEG4、MJPEG編碼/解碼工作；DSP用來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻分析等私有算法；ARM核運(yùn)行Linux系統(tǒng)，用于系統(tǒng)調(diào)度、外部接口管理。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用MCFW（Multichannel Framework）軟件架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)多核之間的通信和分工合作。整體軟件架構(gòu)如圖7所示。

圖7 MCFW軟件架構(gòu)圖

4.2 音視頻數(shù)據(jù)軟件處理過(guò)程

由于音視頻數(shù)據(jù)量大，對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)性傳輸帶來(lái)困難，因此需要將音視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后才能進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸。

對(duì)于視頻數(shù)據(jù)而言，DM8168采用了H.264的視頻壓縮算法，它在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)估計(jì)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、變換和量化、熵編碼等部分都有很大的改進(jìn)，具有很高的編碼壓縮率和適應(yīng)性[8]。本系統(tǒng)中視頻數(shù)據(jù)的H.264編解碼是在HDVICP和視頻控制器的硬件基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，在HDVICP上實(shí)現(xiàn)了H.264編解碼的核心部分。

音頻數(shù)據(jù)的處理則是通過(guò)Linux驅(qū)動(dòng)的ALSA音頻框架實(shí)現(xiàn)的，ALSA包含內(nèi)核驅(qū)動(dòng)集合、API庫(kù)和工具，通過(guò)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)[8]可以對(duì)TLV320AIC3106音頻芯片進(jìn)行支持。音頻數(shù)據(jù)的編解碼都采用了G.711壓縮/解壓縮算法，該算法可減小語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)據(jù)量，降低網(wǎng)絡(luò)占用的帶寬。語(yǔ)音采集模塊采集到的語(yǔ)音信號(hào)為16位的PCM數(shù)據(jù)，采樣率是8 kHz，數(shù)據(jù)量為128 kbps，采用G.711標(biāo)準(zhǔn)編解碼，可以降低50%的數(shù)據(jù)量。

由于該設(shè)計(jì)中要求2個(gè)音視頻處理板卡之間能進(jìn)行雙向音視頻通訊，故采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。其過(guò)程為將一側(cè)的音視頻信號(hào)用H.264[9]和G.711進(jìn)行壓縮編碼后，碼流通過(guò)網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議傳輸?shù)搅硪粋?cè)板卡上進(jìn)行解壓縮并進(jìn)行回放處理。網(wǎng)絡(luò)編程使用了TCP/IP套接字編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體流程圖如圖8所示。

圖8 TCP客戶端/服務(wù)器通訊過(guò)程

5 結(jié)論

本文介紹了基于DM8168處理器和CPCI接口的音視頻處理板卡的設(shè)計(jì)過(guò)程，詳細(xì)介紹了板卡中各個(gè)硬件模塊、軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。首先對(duì)視頻輸入輸出接口、CPCI接口、DDR3電路、二次電源等硬件部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并給出了部分硬件框圖和原理圖。另外本文還結(jié)合板卡應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)軟件架構(gòu)、音視頻數(shù)據(jù)軟件處理過(guò)程進(jìn)行了介紹。通過(guò)實(shí)際使用和驗(yàn)證，該板卡滿足整機(jī)系統(tǒng)所需要的兩路視頻數(shù)據(jù)采集、H.264編碼、存儲(chǔ)和千兆網(wǎng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)雀黜?xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求。

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