嵌入式网络视频服务器的设计与实现

嵌入式网络视频服务器的设计与实现

嵌入式网络视频服务器是提供网络视频传输和共享的嵌入式设备。为了构建可靠的多媒体数字监控系统，我们设计并开发了它。广泛应用于分布式安全监测、交通和工业监控、家庭监控、视频、广播等领域。每个网络视频服务器都有自己的IP地址和网络接口，可随时随地直接接入网络，独立工作，无需专用软件、专人管理，必将成为未来数字化监控系统的发展趋势。一、视频编码模块网络视频服务器系统的组成框图如图1所示。网络传输模块以MPC860T嵌入式处理器为核心处理器，完成网络传输和视频信号的实时控制功能，并采用嵌入式操作系统VxWorks作为系统的软件平台。视频编码模块主要由视频采集芯片和视频压缩芯片构成，完成信号的采集、A/D变换及压缩。CODEC选用韩国Pentamicro公司的专用音视频压缩芯片AT2042。TI公司的视频解码器TVP5150为视频采集芯片。系统初始化之后，PAL格式的模拟视频信号由TVP5150转换为ITU-R656标准的数字视频信号，再通过数据总线进入AT2042。AT2042对数字图像信号以MPEG-4标准进行压缩编码，最后MPC860T将压缩编码后的数据流封装成IP包，通过10/100Mbps以太网接口送入Internet。二、at2042与监控视频编码模块的核心是Pentamicro公司生产的AT2042，它是一个内置微控制器ARM946E的双通道音视频编解码芯片，可支持MPEG-4/2/1和JPEG标准的视频压缩编码，具有画面缩放、颜色数据格式变换、噪声抑制滤波等功能。AT2042能直接与IBM、Motorola、ARM、Xscale和Axis等多种CPU接口，无需其它附加电路。MPC860T对AT2042的控制和访问可通过AT2042的状态寄存器和命令寄存器以及四个输入输出队列：发送/接收队列，复用/解复用队列。AT2042与CPU的通信机制如图2所示AT2042与CPU的通信实现情况如下：CPU通过命令寄存器来控制内置微控制器ARM946E的操作状态；通过状态寄存器来检查AT2042内部各个FIFO的操作状态；通过接收队列给AT2042发送各种配置参数，以及所有内置微控制器ARM946E所需要的相关参数；通过复用队列将压缩编码后的比特流读出；通过解复用队列将需解码的比特流写入AT2042;AT2042通过发送队列向CPU发送自己的各种内部状态信息及数据。三、网络传输模块1、监控系统及模块MPC860T是Motorola公司的高性能的32位PowerPC嵌入式处理器，有三个主要的功能模块：嵌入式的PowerPC内核、RISC通信处理模块（CPM）和系统接口单元（SIU）。MPC860有两个CPU:PowerPC和32位RISC。PowerPC执行高层代码，RISC处理实际通信的低层功能，2个处理机互相配合工作。这种双处理器构架，分担了主CPU的工作量，提高了处理效率，同时降低了芯片功耗，特别适合于各种通信及控制领域的嵌入式应用。MPC860T最小系统如图3所示，包括MPC860T、时钟电路、复位电路、SDRAM、FLASH、RS232口和BDM口等部分。(1）mpc980t的电路分析电源作为一个系统的能量提供者，在整个系统设计中成为必不可少且至关重要的一个环节。MPC860T的工作电压为3.3V，需提供一个3.3V/1A的直流稳压电源给CPU及外围电路。采用外接电源适配器完成AC220V到DC5V的转换，DC5V到DC3.3V的转换由高度集成的TI电源模块TPS75233来完成。(2）tck脚和外部时钟源MPC860时钟系统为所有片上或片外设备提供不同的时钟。MPC860T一共有两个参考时钟源，一个是其工作频率的晶振，连接EXTCLK脚，一个是32KHz的晶体，连接EXTAL和XTAL脚。设计中，两个外部时钟源都用到了。EXTCLK外接一个5MHz的晶体振荡器作为SPLL的参考时钟源，在EXTAL和XTAL之间接一个32.768KHz的晶体作为实时时钟的参考时钟源。系统启动初始化完成进入稳定的工作状态时，通过配置PLPRCR使得倍频因子MF=10，即MPC860T的正常工作频率是50MHz。(3）复位信号产生模块MPC860T包括上电复位、外部硬复位、内部硬复位、JTAG复位、外部软复位和内部软复位。复位电路采用MAX811T来实现。上电和人工按键均可产生复位信号，其中/RESET端口接MPC860T的/PORESET，由/RESET产生复位信号复位处理器。由SN74LVTH125芯片组成的电路提供/HRESET和/SRESET复位功能。手动按下按键连接芯片/OE控制三态门的输出使能时，低电平输出到/HRESET或/SRESET,MPC860T响应复位动作。正常状态下，输出呈现高阻状态。硬件复位字电路使用一片SN74LVC16244A来实现。(4）fpga控制器MPC860T的存储控制器最多可以控制8个存储体或外围设备，支持GPCM(generalpurposechipselectmachine）和UPM(Userprogrammablemachines）两种方式，可提供与SRAM,EPROM,FLASH,DRAM,SDRAM等设备的无缝连接。GPCM提供与EPROM,SRAM,FLASH以及其他的外设的无缝连接，UPM则常常用于SDRAM以及猝发式SRAM的控制与连接。Flash存储器是一种电可擦除、可重写的存储设备。BootromFlash采用512Kbyte的SST39VF040。Bootrom主要作用是引导及初始化CPU，以及引导单板程序。BSP(BoardSupportPackage）就是烧写在Bootrom里的。MPC860T复位之后自动使/CS0有效，故Bootrom的片选信号为/CS0。程序Flash主要是存放网络协议、应用程序、配置监控程序。采用4Mbyte的程序Flash，片选信号为/CS1。考虑存储容量、功耗等因素，数据存储器多选高速动态随机存储器SDRAM。Micron公司生产的MT48LC4M16A2作为SDRAM芯片，组织形式为1M×4bank×16位，总容量为64Mbit，采用3.3V供电，支持的最高频率为133MHz。由于其数据总线为16位，因此系统选用两片并联构成32位。SDRAM与MPC860T的连接框图如图4所示。SDRAM的CLK信号由MPC860T的输出时钟CLKOUT驱动，/WE、/RAS和/CAS信号分别由UPMA的GPLA1～GPLA3产生。SDRAM的A10引脚要复用于SDRAM的刷新控制，因而必须与GPLA0相连（由于不方便连线图中未画出），因为MPC860T的GPLA0可以通过编程实现控制信号与地址信号的复用。MT48LC4M16A2内部有12条行地址和8条列地址，行地址为高位地址，列地址为低位地址，而外部仅有12条地址信号A0～A11。这就需要对UPM对地址进行复用。MPC860T支持内部地址复用，可以通过UPM的RAM字中的AMX位进行配置，同时将OR寄存器中的SAM位同时进行配置。相关寄存器配置为：BR2=0x0000081，说明：32位宽，无奇偶校验，无写保护，选择UPMA，基地址00000000;OR2=0xFF000A00，说明：16Mbyte容量，地址复用。2、抗冲器及芯片经压缩的视频流由MPC860T封装成IP包后，通过网络接口送入Internet。采用MPC860T的FEC(FastEthernetController）加上物理层芯片以及脉冲变压器构造一个10/100M以太网接口，由此实现上述功能。FEC提供一个标准的MII接口，MPC860T主要完成MII接口层以上的功能，而MII以下的物理层主要通过专用的物理层芯片实现。四、tornadoii的程序架构软件设计包括：VxWorks操作系统的内核生成和VxWorks下驱动程序与应用程序的开发。VxWorks是美国WindRiverSystem公司推出的嵌入式实时开发环境，它是专门为嵌入式系统设计开发的可裁减、高性能的操作系统。为了发挥VxWorks的功能并设计出可靠、高效的嵌入式系统，还用到Tornado集成开发环境。TornadoII就是WindRiver公司推出的为了开发VxWorks应用系统提供的集成开发环境，提供一种有效的方式开发嵌入式实时应用程序，同时对目标机系统的影响做到最小。本系统中软件的架构如图5所示，主要包括：1）硬件底层驱动程序，包括BSP的开发、操作系统的裁剪和移植、文件系统的开发和应用等。设备驱动程序是直接控制设备操作的程序，也是设备上层的一个软件接口，功能是对I/O进行操作。只要系统访问设备就会调用驱动，从这一点可以看出，驱动程序不能自动执行，只能被系统或应用程序调用。设备驱动程序通常包含六个主要功能：对设备进行初始化、打开设备操作、关闭设备操作、从设备上接收数据并提交给系统、把数据从主机上发送给设备和对设备进行控制操作。2）应用程序的设计，它包括以下三个模块：TVP5150的数据采集、视频编码、数据的网络功能。其中TVP5150的数据采集模块包括对TVP5150初始化，工作参数和反馈状态信息的设置等。视频解码模块除了完成对AT2042的驱动，还为上