基于LPC2210和SZ1510的車(chē)載數(shù)字視頻壓縮記錄系統(tǒng)
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摘要： 本系統(tǒng)可實(shí)時(shí)長(zhǎng)時(shí)間記錄攝像頭傳輸?shù)钠?chē)外部及車(chē)內(nèi)各儀表顯示的視頻信號(hào)，所記錄的壓縮數(shù)據(jù)流符合MPEG-1圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)中采用的壓縮視頻流速率為1.5 Mbps。對(duì)于一個(gè)3GB的電子盤(pán)，本系統(tǒng)可連續(xù)記錄超過(guò)4.5個(gè)小時(shí)的汽車(chē)視頻數(shù)據(jù)。由此可見(jiàn)，本系統(tǒng)體積小、功耗低，便于移動(dòng)環(huán)境下對(duì)視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)長(zhǎng)時(shí)間壓縮數(shù)據(jù)記錄。
Abstract：
Key words :
近些年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展飛速，促使數(shù)字視頻的應(yīng)用也越來(lái)越廣(如視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議和移動(dòng)電視等)。隨后，各種壓縮算法的研究使得數(shù)字視頻的存儲(chǔ)和傳輸極為方便，同時(shí)也相繼出現(xiàn)了各種視頻記錄系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的嵌入式視頻記錄系統(tǒng)，可以將攝像頭拍攝到的模擬視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)壓縮后存儲(chǔ)在大容量的存儲(chǔ)器上，并可通過(guò)專用的回放設(shè)備再現(xiàn)汽車(chē)行使的整個(gè)過(guò)程。該視頻記錄系統(tǒng)可用來(lái)記錄汽車(chē)內(nèi)各項(xiàng)儀表和前方外視景等視頻信息及突發(fā)事件標(biāo)記，它可以將汽車(chē)行使過(guò)程中的所有信息以數(shù)字視頻的方式連續(xù)動(dòng)態(tài)地記錄下來(lái)。本系統(tǒng)可以和汽車(chē)黑匣子結(jié)合，以方便管理部門(mén)根據(jù)所記錄的有關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行有效的管理，更能為事故后的分析提供準(zhǔn)確的依據(jù)，判斷汽車(chē)肇事的真正原因。同時(shí)可以通過(guò)記錄查看平常是否緊急加速、是否急剎車(chē)等行駛數(shù)據(jù)，以此分析并改善不良駕駛習(xí)慣，起到預(yù)防事故的作用。
常見(jiàn)的視頻壓縮方法有MPEG系列租H.26X系列?？紤]到壓縮技術(shù)的成熟度、成本和主要用途，本記錄系統(tǒng)采用MPEG-1數(shù)字圖像壓縮記錄技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)1路視頻信號(hào)的連續(xù)圖像長(zhǎng)達(dá)4小時(shí)的實(shí)時(shí)循環(huán)記錄。此外，本視頻記錄系統(tǒng)還具有成本低、體積小、功耗低等特點(diǎn)。
1 系統(tǒng)工作原理
視頻記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)是降低成本，減小體積，同時(shí)降低系統(tǒng)的功耗，提高系統(tǒng)的整體性能。它能夠?qū)ζ?chē)上的1路視頻信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)4小時(shí)的連續(xù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)循環(huán)記錄。本系統(tǒng)主要由視頻解碼及壓縮編碼器、ARM處理器、電子盤(pán)三部分組成。其中視頻解碼器和壓縮編碼器共同組成壓縮單元，ARM處理器是系統(tǒng)的控制單元，電子盤(pán)是系統(tǒng)的存儲(chǔ)單元。其視頻記錄系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。系統(tǒng)工作時(shí)，先將攝像機(jī)拍攝到的視頻信號(hào)通過(guò)視頻解碼器SAA7113H進(jìn)行解碼和A／D轉(zhuǎn)換，以輸出8位4：2：2格式的YCbCr數(shù)字視頻信號(hào)，該數(shù)字化視頻信號(hào)送入SZ1510壓縮編碼芯片進(jìn)行壓縮后可產(chǎn)生MPEG-1數(shù)據(jù)流，然后由ARM處理器將壓縮好的數(shù)據(jù)通過(guò)IDE接口存入存儲(chǔ)載體——電子盤(pán)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)1路視頻信號(hào)的連續(xù)實(shí)時(shí)循環(huán)記錄。
系統(tǒng)上電并啟動(dòng)后，ARM處理器首先通過(guò)SZ1510芯片的HOST接口對(duì)SZ1510內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，并通過(guò)I2C總線對(duì)視頻解碼器SAA7113H進(jìn)行初始化。當(dāng)設(shè)置好MPEG-1壓縮格式及數(shù)據(jù)速率后，系統(tǒng)開(kāi)始正常工作，并對(duì)輸入的模擬視頻信號(hào)經(jīng)視頻解碼器進(jìn)行解碼和A／D轉(zhuǎn)換，再將生成的CCIR-601數(shù)字視頻流傳人壓縮編碼芯片SZ1510進(jìn)行處理，然后由SZ1510將數(shù)字視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合MPEG-1格式的影視文件，最后將MPEG-1數(shù)據(jù)流在ARM處理器的控制下通過(guò)IDE接口以文件形式寫(xiě)入電子硬盤(pán)進(jìn)行存儲(chǔ)。系統(tǒng)工作時(shí)，ARM還將不斷監(jiān)視相關(guān)信號(hào)，并在圖像中加入相應(yīng)的標(biāo)志，直到接收到關(guān)機(jī)信號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)結(jié)束壓縮工作。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 視頻解碼及壓縮編碼電路設(shè)計(jì)
由于MPEG-1壓縮算法需要很大的運(yùn)算量，用軟件很難實(shí)時(shí)完成，所以本系統(tǒng)采用專用的視頻壓縮芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)高效壓縮。目前，常用的MPEG-1壓縮芯片有VW2010、W99200F、WIS 7007SB等。本設(shè)計(jì)選用SAA7113H進(jìn)行解碼，并采用Zapex公司的SZ1510MPEG-1 A／V編碼芯片進(jìn)行圖象壓縮。SAA7113的主要作用是把輸入的模擬視頻信號(hào)解碼成標(biāo)準(zhǔn)的8位“VPO”數(shù)字信號(hào)，它相當(dāng)于一種“A／D'’器件，是一種可編程視頻處理芯片，可通過(guò)I2C總線實(shí)現(xiàn)編程控制，并具有4路視頻輸入、抗混疊濾波、自動(dòng)鉗位和增益控制、多制式解碼以及亮度、對(duì)比度和飽和度控制等功能。它對(duì)輸人的PAL制式視頻信號(hào)進(jìn)行采樣和解碼后，可將生成的CCIR-601數(shù)字視頻流(色度空間為YCbCr，取樣為4：2：2)送到視頻壓縮芯片SZ1510的數(shù)字視頻輸入接口。它的輸入時(shí)鐘由24.576 MlHz的有源晶振提供，并可分別從RTS1和RTS0管腳輸出為SZ1510提供的行同步信號(hào)HS和場(chǎng)同步信號(hào)VS，其中行同步信號(hào)HS又可作為行有效象素識(shí)別信號(hào)輸入到SZ1510的VIHACT管腳；并從LLC腳輸出27 MHz的像素時(shí)鐘，作為SZ1510內(nèi)部的數(shù)字視頻流的采樣時(shí)鐘和芯片的主時(shí)鐘。系統(tǒng)初始化可通過(guò)ARM芯片的I2C總線來(lái)實(shí)現(xiàn)。片選信號(hào)由ARM產(chǎn)生RESET信號(hào)來(lái)提供。
系統(tǒng)中的壓縮編碼芯片SZ1510是ZAPEX公司生產(chǎn)的一款高性能的MJPEG、MPEG-1編碼芯片，可對(duì)視頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)高達(dá)25 f／s的壓縮，并支持多種工作模式和比特率模式，還可靈活實(shí)現(xiàn)模式組合，同時(shí)可在視頻中疊加視頻標(biāo)記和時(shí)間標(biāo)記。該芯片內(nèi)部主要由視頻編碼核、TMS320C54X高性能DSP核、接口電路(視頻接口、存儲(chǔ)器接口、主機(jī)與串口接口)、DMA控制器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路等組成。其內(nèi)部的壓縮核已經(jīng)過(guò)優(yōu)化，適合于高效、實(shí)時(shí)的MPEG-1數(shù)字圖像壓縮，且具有功能多、功耗低、溫度范圍寬等特點(diǎn)。
系統(tǒng)中的SZ1510是從設(shè)備，受主機(jī)ARM的控制。它的HOST接口是控制和數(shù)據(jù)交換的接口。SZ1510可以選擇多種總線類型，它有復(fù)用和不復(fù)用的Intel和Motorola總線類型(復(fù)用模式下，HAD[7：0]即可作為數(shù)據(jù)線，又可作為地址線；非復(fù)用模式時(shí)，HAD[7：0]只能作為數(shù)據(jù)線)，不復(fù)用總線又可分為8位和16位，并可由HCONFIG[l：0]引腳和Syscofig[3]寄存器進(jìn)行選擇配置。本系統(tǒng)把HCONFIG0置低，HCONFIG1置高，Sysconfig[3]寫(xiě)1，故可使其工作在Intel 8051類型的非復(fù)用16位數(shù)據(jù)總線模式下。
由于SZ1510有多種工作模式，根據(jù)系統(tǒng)要求，本設(shè)計(jì)使SZ1510工作在LVE(Live Video Encoding)實(shí)時(shí)視頻編碼模式。在這種模式下，SZ1510可從視頻解碼器獲得實(shí)時(shí)數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，然后根據(jù)MPEG1／M-JPEG進(jìn)行壓縮并傳到主機(jī)。具體工作過(guò)程是：SZ1510對(duì)輸入到其內(nèi)部的CCIR-601數(shù)字視頻流經(jīng)過(guò)視頻預(yù)處理、自動(dòng)裁減、場(chǎng)景變化檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)估計(jì)、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、離散余弦變換／反離散余弦變換和可變長(zhǎng)編碼等處理后，再將生成的MPEG-1視頻基本流存儲(chǔ)于SDRAM中，然后經(jīng)過(guò)輸出端口大小為256字節(jié)的FIFO緩沖進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。正常工作時(shí)，F(xiàn)IFO每滿一次就產(chǎn)生一個(gè)FRDY (FIFO讀)中斷以通知主機(jī)讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，并由主機(jī)從Data_out寄存器讀取數(shù)據(jù)。之后，當(dāng)SZ1510發(fā)出一個(gè)EOD(數(shù)據(jù)結(jié)束)中斷時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。
在視頻壓縮工作模式下，SZ1510有3種輸出比特率可供選擇：恒定比特率、最大比特率、可變比特率。恒定比特率需要填充冗余，最大比特率不需要填充冗余，可變比特率的壓縮質(zhì)量比恒定比特率可變。比特率的選擇可通過(guò)設(shè)置Ven_cntl寄存器的1、2位來(lái)確定，當(dāng)其為0時(shí)，選擇的是恒定比特率；為1時(shí)，選擇的是最大比特率；為3時(shí)，選擇的是可變比特率。
2.2 控制及存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)
考慮到控制部分的體積、可靠性和控制能力，本系統(tǒng)中的CPU采用Philips公司的ARM7TD-MI-S內(nèi)核微控制器LPC2210。這是一個(gè)能夠支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-S CPU。對(duì)于代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用，可使用16位Thumb模式，該模式可將代碼規(guī)模降低30％以上，而性能的損失卻非常小。LPC2210采用144腳封裝，具有極低的功耗。另外，該芯片還具有多個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC、PWM輸出以及多達(dá)9個(gè)外部中斷。通過(guò)配置總線，LPC2210最多可提供76個(gè)GPIO。
LPC2210可與SZ1510的HOST接口相連，并可通過(guò)HOST接口對(duì)SZ1510進(jìn)行控制和設(shè)置。正常工作時(shí)，LPC2210把從HOST接口輸出的MPEG-1格式視頻流以文件形式送人電子盤(pán)進(jìn)行存儲(chǔ)。LPC2210與SZ1510的接口電路如圖2所示。其中，HAD[0…15]接到ARM的P2.0～P2.15A作為16根數(shù)據(jù)線；P3.0接到HALE腳可實(shí)現(xiàn)SZ1510內(nèi)部IOAR(I／O Address Registerl)和IODR(I／O DataRegister)寄存器的選擇；P1.1和P3.27分別接讀、寫(xiě)選通管腳HRD和HWR；通過(guò)將P3.24接到HCS可選通SZ1510；將P0.9接到HINT可發(fā)送SZ1510中斷請(qǐng)求信號(hào)。
從重量和可靠性出發(fā)，本記錄單元最終選用電子盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該電子盤(pán)的主體為Flash芯片，該芯片耐沖擊，耐高溫，體積小，壽命長(zhǎng)，適合在汽車(chē)環(huán)境下工作。雖然電子盤(pán)的價(jià)格昂貴，但是考慮到系統(tǒng)只采集1路視頻信號(hào)，記錄的數(shù)據(jù)量也不是很大(計(jì)算后得出記錄單元的容量為3G時(shí))，記錄長(zhǎng)度可達(dá)4.5個(gè)小時(shí)，所以，選用電子盤(pán)完全能夠?qū)崿F(xiàn)任務(wù)要求。
LPC2210的GPIO引腳與IDE接口的連接電路如圖3所示。圖中，P2.16～P2.31為數(shù)據(jù)線，P1.16～P1.20為地址和選通信號(hào)，P0.17和P0.20為設(shè)備的復(fù)位和狀態(tài)請(qǐng)求信號(hào)，用P0.21和P0.19則可實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)控制。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的所有軟件程序事先均應(yīng)通過(guò)JTAG口燒錄到ARM中，這樣，系統(tǒng)上電后便可自動(dòng)運(yùn)行這些程序以控制系統(tǒng)的工作。系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖4所示。
3.1 SZ1510的寄存器配置
SZ1510有128個(gè)寄存器，每個(gè)寄存器都有一個(gè)索引號(hào)，外部主機(jī)是通過(guò)HOST接口(HALE管腳)來(lái)設(shè)置SZ1510內(nèi)部的兩個(gè)寄存器IOAR (I／O地址寄存器)、IODR(I／O數(shù)據(jù)寄存器)以實(shí)現(xiàn)對(duì)SZ1510的控制和配置。訪問(wèn)時(shí)，首先由主機(jī)的A0管腳發(fā)送一個(gè)低電平到HALE管腳以選中IOAR寄存器，然后將要訪問(wèn)的寄存器索引號(hào)寫(xiě)入IOAR；接著由主機(jī)的A0管腳發(fā)送一個(gè)高電平到HALE管腳，以選中IODR寄存器，然后再將要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)寫(xiě)入IODR，這樣，SZ1510就會(huì)自動(dòng)把配置的數(shù)據(jù)送到指定地址的寄存器。
對(duì)Z1510進(jìn)行初始化時(shí)，先由主機(jī)寫(xiě)任意值到0x0B寄存器；接著在主機(jī)至少等待1微秒后，向Int_enable中斷使能寄存器寫(xiě)入0x40，以使能RDY(Ready)中斷；然后，主機(jī)便等待SZ1510的Ready(Int_source[6])中斷；之后，當(dāng)主機(jī)等到RDY中斷后，它將清除RDY中斷并開(kāi)始向SZ1510的內(nèi)部DSP裝載二進(jìn)制代碼。
3.2 SZ1510的二進(jìn)制代碼裝載
由于復(fù)位后內(nèi)部寄存器的內(nèi)容是未知的，因此，主機(jī)必須進(jìn)行程序代碼的裝載，以初始化視頻編碼核的可編程RAM。SZ1510內(nèi)部的程序空間是以塊(Blank)為單位進(jìn)行劃分的，每塊的大小是256字節(jié)。用于視頻編碼核的二進(jìn)制代碼的裝載空間為0x000～0x004和0x00c六個(gè)塊，共1.5k字節(jié)代碼。具體裝載時(shí)，先由主機(jī)向0x2E寄存器寫(xiě)0x01，以表示外部的SDRAM是1M×16bits；接著由主機(jī)向0x0C寄存器寫(xiě)0x03，以使能FIFOReady和End of Data中斷；然后由主機(jī)向0x11寄存器寫(xiě)0x1，以設(shè)定工作模式為內(nèi)部?jī)?nèi)存寫(xiě)模式；再由主機(jī)向0x10寫(xiě)0x20，以設(shè)定SZ1510輸出數(shù)據(jù)的FIFO大小為256字節(jié)；最后對(duì)每塊程序空間進(jìn)行二進(jìn)制代碼裝載，其具體過(guò)程如下：
(1)主機(jī)寫(xiě)0x3F寄存器，選擇下載程序空間；
(2)主機(jī)向0x08寄存器寫(xiě)0x04，發(fā)送開(kāi)始命令；
(3)主機(jī)等待Ready中斷；
(4)主機(jī)通過(guò)讀0x0e寄存器，清除Ready中斷；
(5)主機(jī)向Data_in寄存器0x01寫(xiě)256個(gè)字節(jié)；
(6)主機(jī)等待EOD(End 0f Data)中斷，
(7)主機(jī)通過(guò)讀0x0e寄存器，清除EOD中斷；
(8)主機(jī)查程序空間的代碼是否裝載完畢，如沒(méi)有則繼續(xù)裝載。
4 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)可實(shí)時(shí)長(zhǎng)時(shí)間記錄攝像頭傳輸?shù)钠?chē)外部及車(chē)內(nèi)各儀表顯示的視頻信號(hào)，所記錄的壓縮數(shù)據(jù)流符合MPEG-1圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)中采用的壓縮視頻流速率為1.5 Mbps。對(duì)于一個(gè)3GB的電子盤(pán)，本系統(tǒng)可連續(xù)記錄超過(guò)4.5個(gè)小時(shí)的汽車(chē)視頻數(shù)據(jù)。由此可見(jiàn)，本系統(tǒng)體積小、功耗低，便于移動(dòng)環(huán)境下對(duì)視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)長(zhǎng)時(shí)間壓縮數(shù)據(jù)記錄。
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