现代电子技术

摘　要：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


Design and Implementation of MPEG-4 PCI Board

　
LU Honghai，QIWenya

（Institute of Information ENGINEERING，Information ENGINEERING UNIVERSITY，Zhengzhou，450002，China）

Abstract: This paper introduces a MPEG-4 based video card. This 4-channel PCI card compresses the input analogue image signals using MPEG-4 TECHNOLOGY, and communicates with CPU console board under PCI2.2 specification. The CPU console board can access the internal registers of the encoding chip through a BRIDGE CIRCUIT，and get the compressed video and audio streams from it．The card also has a notable feature of image preview. It adopts the newest MPEG-4 TECHNOLOGY, and provides the HARDWARE foundation of remote real time monitoring and network transmitting systems，so it has a comprehensive market prospect．
Keywords: MPEG-4 encoding-decoding chip; video encoding; MPEG-4; Windows OS

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。
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。


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