基于MPC850的四路MPEG-4视频监控系统的设计

摘   要：本文介绍了基于PowerPC内核的嵌入式通信控制器芯片MPC850和MPEG-4数字视频压缩芯片IME6400，并利用这些芯片设计并实现了一种新型的MPEG-4数字视频监控系统。
关键词：嵌入式系统；MPC850；IME6400；硬件开发平台

概述
    本文采用MPEG-4编码芯片IME6400实现了嵌入式MPEG-4音视频编码，并应用于实际的监控系统。该方案克服了传统的视频监控系统的不足，既可以用于本地存储，还可以通过光纤网络和以太网用于远程监控。系统的总体设计如图1所示。

MPEG-4视频压缩模块设计
    MPEG-4视频压缩模块设计如图2所示。下面对设计框图进行详细说明：
1. 四片BT829B完成PAL制式的视频A/D采样，四片PCM1801分别完成音频A/D采样。
2. IME6400从BT829B接收CCIR-601接口的视频数据，从PCM1801接收I2S的A/D采样数据，并对每路音视频信号进行独立的MPEG-4压缩编码。
3. CPU的片选信号控制打开哪一个数据通道。
4. IME6400的HOST接口地址、数据总线经驱动后和MPC850相连；
5. 音频的I2S时钟由晶体电路产生。
6. 四输入与门7421确保当四个片选有一个有效时就打开数据通道。

IME6400的设计
    IME6400的VIDEO接口支持CCIR-601 16bit接口，最大水平、垂直方向可达2048个象素。本系统中视频A/D采样由BT829B来完成，VIDEO接口时钟由BT829B的CLKX1提供。音频A/D采样由PCM1801完成。这是一个5V供电，可支持多速率16位A/D编码的音频采样芯片。模拟音视频信号的数据采样率可以编程设置。

    IME6400的外部HOST接口用来传输编码后的数据流，有四种模式。它们由一个MODE引脚来决定。本设计选用的模式为：Synchronous Burst Type1，MODE[1:0] pin = 2’b 01。

    HOST接口的时钟可以由MCLK或者FRD提供。由USEOCK的值来决定。本设计中，USEOCK=1，FRD被用作内部的时钟源。这个27MHz的时钟源由主控板提供。

    如果用内部引导的ROM，IME6400就不需要外部的ROM，但在外部引导模式，它需要一个ROM接口。外部的ROM最大可达4M。本设计EXTBOOT用跳线控制用外部或是内部的ROM引导。本设计外部ROM选用28C256，为256K、5V供电。MCLK的27MHz时钟由主控板提供。

    IME6400的I2C接口只支持主模式，不支持从模式。如果用27MHz作为主时钟，IME6400支持从41Hz到1.6875MHz的接口速率。

    为了压缩视频和音频数据并且存储编码流，需要用外部的SDRAM。大小与要压缩的图像大小和模式有关。本设计选用的SDRAM为2MX32。IME6400可以访问的外部SDRAM最大可以到2Gbits。目前设计选用的大小为11行8列地址。

    SDRAM的时钟是的MCLK时钟三倍或者四倍，由DIV34的值决定。本设计中，MCLK时钟是27MHz，选三倍MCLK时钟，所以SDRAM时钟为81MHz。

MPC850通信接口的设计
    MPC850(以下简称850)通信控制器芯片基于PowerPC内核，以RISC的体系结构为基础，集成了32位微处理器和多种外设接口，具有强大的通信和网络协议处理能力。

    本系统利用850强大的通信能力，配合适当的接口芯片，实现了两个光口和两个以太网口，并且用FPGA实现了外挂最多四个硬盘的能力，如图3所示。在这个模块的设计中，主要有以下几个关键点。

850产生IP178A的复位
    IP178A的复位信号由850控制，用引脚850-PD[8]。初始化时需要复位，复位时间必须大于1ms；如果需要改变IP178A的配置，做完配置后，也需要复位，同样复位时间必须大于1ms。

850改变IP178A配置的控制
    改变IP178A的配置通过烧写93C46后重新复位IP178A完成。93C46的前面有2个CD4053，用来选择是IP178A还是850对93C46进行读写操作，选择信号由850的850-PD[3](下拉)控制。平时850-PD[3]输出高阻或低电平，此时93C46由IP178A控制。改变IP178A的配置前，在850-PD[3]上输出高电平，此时93C46由850控制，做完读写操作后，850控制850-PD[3]输出高阻或低电平，93C46交还给IP178A控制。对IP178A进行复位后，新配置即生效。

850对93C46进行重配置
    读写由可编程引脚850-PD[4：7]实现。850-PD[4：7]分别对应PD[4]<->EESK、PD[5]<->EEDI、PD[6]<->EECS和PD[7]<->EEDO。
850对IME6400的操作

    读取压缩数据时用突发方式，4个NFULL[3：0]信号直接输入到850的4个IRQ[3：0]；4个IME 6400的4个READY[3：0]信号先进FPGA，由FPGA产生READY信号给850的TA，可以方便地控制时序。IME6400对于FIRMWARE的下载有2种方式，通过引脚P236 (EXTBOOT)上跳线开关可以选择，高电平H选择从外部28C256启动，低电平L 选择从850启动。

850与IP178A的连接
    850的以太网口经LXT905接以太网交换芯片IP178A的PORT2、两个电口(port3、port4)和两个光口(port6、port7)。850通过烧写93C46后重新复位IP178A来改变IP178A的配置。

系统测试及优点
    该系统样机已经参加了多次安防产品的竞标，和同类产品相比，该系统具有更突出的优点。

    应用硬件芯片做MPEG-4压缩和嵌入式系统使监控系统性能大大提高，表现在：
1. 录像和预览同样清晰，图像格式均可以实现D1，全动态码率最大控制在200Mb/小时。
2. 压缩速度更快，实时流播放时，无滞后延迟。因为是硬件压缩，所以速度较软件压缩和用DSP方式的系统更快，更符合当前监控市场的要求。
3. 压缩数据的读取通过采用突发方式，提高了读取速度，为嵌入式CPU的采用提供了条件。并且使网络传输更流畅、更稳定。

结语
    本文通过对MPC850和IME6400芯片的分析介绍，针对商业用途，设计并实现了一种嵌入式MPEG-4视频监控系统。本方案适用于光纤、以太网等多种信息网络进行视频监控。

参考文献
1 Y. Pourmohammadi, K. Asrar Haghighi, A. Kaheel, H.M. Alnuweiri, S.T. Vuong; On the Design of a QoS-aware MPEG-4 Multimedia Server , IST2001.
2 R. Talluri, "Error-Resilient Video Coding in the ISO MPEG-4 Standard", IEEE communications   Magazine, Vol. 36 No. 6, June 1998, pp. 112-119.