基于VW2005的MPEG-4音视频压缩卡的设计

摘  要：本文提出了一种基于VW2005芯片的音视频压缩卡的设计方案，包括硬件设计和Windows下设备驱动程序的设计。该方案较其它基于DSP编码或软件编码的方案在性能上有很大的提高。
关键词：MPEG-4；VW2005；USB2.0；音视频压缩

    由于MPEG-4标准具有出色的压缩速率和良好的图像效果，目前无论是压缩电影、视频电话，还是数码摄像机、数码相机，都将MPEG-4作为首选的视频压缩标准。

    本文设计的压缩卡基于MPEG-4音视频编码技术，具有USB2.0接口，支持热插拔，在实现上采用硬压缩，所用压缩芯片为Vweb公司的VW2005。

硬件设计
VW2005芯片的主要特点
    VW2005是Vweb公司开发的实时MPEG-4音视频编码芯片。该芯片将未压缩的ITU-R.BT.656数字视频信号压缩为MPEG-1/2/4或H.263视频格式，将两路独立通道的I2S数字音频信号压缩为MPEG-1/2、MP3、AAC或AC3音频格式。该芯片既可以输出用于网络领域的传输流(TS)，也可以输出用于存储的程序流(PS)。

该芯片具有以下主要特点：
1. 片内集成2个信号处理/控制单元，包括一个嵌入式处理器RISC/DSP(内部扩展一个音频编码DSP)，用于总体控制VW2005、音频编码及A/V多路复用，还有一个视频编码器。
2. 具有2个数据输出端：压缩数据输出端(CDO)和主机/PCI输出端，但同一时刻只能使用其中一个。
3. 主机/PCI接口用于与外部处理器、存储器及其它设备的连接，有三种工作模式：16位Motorola模式、16位Intel模式和PCI目标机模式，可由上电/复位来选择。
4. 外部ROM用于存储引导程序及内部寄存器的初始值，可由内部RISC处理器和外部主机处理器使用。
5. 提供了与Philips公司的I2C接口功能类似的内部设备通信接口(ICI)，方便对外围设备的控制。提供了12个通用I/O口(GPIO)，可以用作普通I/O口或配置成特殊功能的接口。

压缩卡硬件设计原理
    压缩卡的原理框图如图1所示。SAA7113完成系统前端数字图像的采集，与VW2005可以直接无缝连接，无需其它逻辑电路。SAA7113是一个9位可编程视频解码芯片，片外只需提供一个24.576MHz的晶振，片内时钟产生器自动产生内部电路所需的工作频率。SAA7113在CY7C68013的I2C总线的时序控制下，将采集到的ITU656 YUV4:2:2格式(8位)的数字图像数据以27MB/s的速率通过片外数据总线VPO0~VPO7传输到VW2005，完成数字图像的MPEG-4编码。

    AK5355完成系统前端音频信号的采集，与VW2005可以实现无缝连接，无需其它逻辑电路。AK5355是用于数字音频系统的双声道单片品型16位ADC，信噪比为91dB，动态范围为91dB，其内部嵌有增益放大器和数字高通滤波器，模拟信号单端输入，无需外接滤波器，通过将DIF引脚置高使之具有I2S的音频数据格式输出，本系统将AK5355设置为受控模式，即时钟信号MCLK、BCLK和LRCK分别由VW2005的音频系统时钟输出amclk_enc、sck_enc和ws_enc提供。

    8MB的SDRAM芯片MT48LC2M32B2具有32位宽的数据总线，用于存储输入VW2005的音视频原始数据及压缩过程中产生的中间数据和压缩结果数据。本系统压缩后的数据由VW2005内部的多路复用器控制并从主机接口输出。

    2MB的Flash芯片AT49BV1614用于存储VW2005内部各模块所有的微码(microcode)及引导程序，上电复位后，Flash中存储的数据通过总线读入VW2005的内部寄存器中，之后寄存器的值可由软件读取。

    本系统中主机/PCI接口工作于16位Motorola模式，可以与CY7C68013无缝连接。CY7C68013作为一款USB2.0接口芯片，集成了USB2.0收发器、串行接口引擎、增强的8051微处理器和可编程的外围接口。主机通过调用SDK中提供的API函数，能方便地完成对VW2005的初始化和配置，并编写USB设备驱动程序。VW2005通过主机接口将压缩后的MPEG-4音视频流传输到接口芯片CY7C68013，通过USB2.0接口能实时地将数据流传送到主机。

图1  压缩卡原理框图

图2 系统驱动程序软件结构

图3 压缩卡程序流程图

Windows下VW2005设备驱动程序设计
驱动程序总体设计
    设备驱动程序软件结构如图2所示。应用程序由用户根据不同的应用场合来编写，它只与Vweb USB驱动程序通信，而不与硬件内部的固件或微码通信。在Windows下，应用程序只需三个函数与驱动程序通信：CreatFile()用来打开一个基于VW2005的板卡；CloseHandle用来关闭一个基于VW2005的板卡；DeviceIoControl用来对VW2005板卡进行各种控制和设置。为了支持VW2005芯片的运行，Vweb公司提供了用于系统设计的USB驱动API、USB驱动、芯片级API、固件及微码。上电/复位后，固件从ROM中导入SDRAM，VW2005的RISC处理器有片内高速缓存(如dmem)用于执行固件程序，微码下载到特殊的内部RISC引擎，每个RISC引擎都有片内RAM和高速缓冲，用于存储和执行写入内部的微码。

主机与VW2005的通信
    VW2005内部的编码存储器(encoder SDRAM)中有两个双端口、128字节的共享存储区，作为主机与VW2005的通信媒介。

    用于主机到VW2005通信的128字节的共享存储区(以下简称host_VW_SM)位于encoder SDRAM中地址0x3F1800处。Host_VW_SM格式如表1所示。

表1 主机到VW2005的共享存储区格式

表2  VW2005到主机的共享存储区格式

    VW2005在Firmware ReadyCode中写入0x0A00，表示准备接收命令；CMD为命令码，分别是读数据(CMD=1)、发IOCTL码(CMD=2)、写数据(CMD=3)、打开命令(CMD=4)和关闭命令(CMD=5)；Int Flag为中断标识，Int Flag=1则VW2005执行完命令后产生一个中断，Int Flag=0则不产生中断；Device Handle由打开命令从固件中获得；Paremeters为附加参数。

    用于VW2005到主机通信的128字节的共享存储区(以下简称VW_host_SM)位于encoder SDRAM中地址0x3F1880处。VW_host_SM格式如表2所示。

    ACK/NACK的含义是：如果Int Flag=1，命令CMD执行成功后则为ACK，失败则为NACK，并将错误代码保存在Return Code字段。Return Code的含义是：无错误产生则为0，有错误产生则为错误代码。其它参数与host_VW_SM类似，不再赘述。

信号灯
     由于共享存储区是临界资源，所以必须提供一种机制，用以保证主机和VW2005使用它们时是互斥的。为此，VW2005分别给host_VW_SM和VW_host_SM提供了两个硬件信号灯，分别由寄存器REG_INT1和REG_INT2的最低位实现。驱动程序通过REG_INT1检查固件是否为来自主机的下一个命令作好准备，通过REG_INT2告知固件主机已处理完成前一个命令。VW2005为信号灯定义了两种操作：
写操作：向REG_INT1或REG_INT2的最低位写入1，释放共享存储区。
读操作：返回REG_INT1或REG_INT2的最低位的值，同时将该位清零。

压缩卡程序流程图
    压缩结果是传输流时的程序流程如图3所示。
   
    主机只需在编码开始前对压缩卡进行初始化操作，之后的编码压缩完全由VW2005芯片独立完成，这样大大降低了压缩卡对主机CPU的要求。

结语
    本文详细介绍了基于VW2005芯片的MPEG-4音视频压缩卡的设计方案，包括硬件设计和Windows下设备驱动程序的设计。该系统采用专用MPEG-4音视频编码芯片VW2005，较其它基于DSP编码或软件编码的方案在性能上有很大的提高，采用USB2.0接口，可以满足不同传输速率的要求，能广泛地应用于远程音视频监控、网络数字摄像机和高清晰数字电视等多个领域。

参考文献
1 VW2005 A/V/S Encoder Chip Hardware Description Manual (Revision 0.95) [DB/OL]. Vweb corporation, December 15, 2003
2 SAA7113H 9-bit video input processor [DB/OL]. Philips Semiconductors, July 01,1999
3 AK5355 low power 16bit Δ∑ ADC [DB/OL]. AKM corporation,2001,08
4 CY7C68013 EZ-USB FX2 USB Microcontroller [DB/OL]. Cypress Semiconductor Corporation, December 19, 2002