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機(jī)載數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)
摘要：通過嵌入式計(jì)算機(jī)PC104對(duì)MPEG A/V編碼芯片SZ1510進(jìn)行配置和控制，可以縮短研制高性能航空機(jī)載環(huán)境下數(shù)字式彩色視頻記錄儀的開發(fā)時(shí)間。文中詳細(xì)介紹了該機(jī)載數(shù)字視頻記錄系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)思想及注意事項(xiàng)。關(guān)鍵詞：SZ1510；視頻記錄；PC104；新型飛機(jī)
機(jī)載視頻記錄系統(tǒng)在飛行員的日常訓(xùn)練中發(fā)揮著十分重要的作用。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)記錄飛行器的飛行及訓(xùn)練過程中的各種信息，能夠直觀、真實(shí)的反映飛行員在空中的飛行和操作情況。通過地面回放設(shè)備的回放，飛行員可以準(zhǔn)確地把握自身的不足并及時(shí)改進(jìn)，從而提高訓(xùn)練水平。但由于視頻信號(hào)數(shù)據(jù)量大，技術(shù)要求高，國(guó)產(chǎn)飛機(jī)大多沒有信息監(jiān)視和記錄系統(tǒng)。為了提高我軍戰(zhàn)機(jī)的作戰(zhàn)性能?研制一種信息監(jiān)視和記錄系統(tǒng)迫在眉睫。
隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，采用數(shù)字圖像壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)高壓縮比、高質(zhì)量的圖像數(shù)字壓縮記錄系統(tǒng)已成為可能。數(shù)字化的記錄方法可以將視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮記錄在大容量的存儲(chǔ)器上，并能有效消除噪聲、增加記錄時(shí)間、加快拷貝和復(fù)制速度，快速回放和查找，同時(shí)還可以快速地通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送�；谝陨显�，筆者為某新型飛機(jī)研制了高性能的適于航空機(jī)載環(huán)境的數(shù)字式彩色視頻記錄系統(tǒng)。本記錄系統(tǒng)的核心芯片選用以色列Ｚｅｐａｘ公司的ＳＺ１５１０ ＭＰＥＧ－１編碼芯片。
１ 工作原理
圖１所示是本記錄系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成示意圖。整個(gè)系統(tǒng)由三大部分組成，即壓縮控制部分、存儲(chǔ)部分和電源部分三大模塊。其中壓縮部分由一路ＭＰＥＧ－１音視頻壓縮電路和控制單元ＰＣ－１０４組成，主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入音視頻信號(hào)的數(shù)字壓縮。存儲(chǔ)部分由大容量硬盤組成，用于完成對(duì)壓縮數(shù)據(jù)的長(zhǎng)時(shí)間記錄。電源部分負(fù)責(zé)對(duì)各模塊電路提供電源。
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在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，主控計(jì)算機(jī)首先對(duì)壓縮卡進(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，壓縮卡開始工作，并在主控計(jì)算機(jī)的控制下將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)寫入硬盤。在工作過程中，主控計(jì)算機(jī)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)束壓縮卡的工作，并關(guān)閉主機(jī)。
２ 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)的核心是以色列Ｚｅｐａｘ公司的ＳＺ１５１０ ＭＰＥＧ－１編碼芯片，它由ＰＣ１０４控制，另外，該系統(tǒng)還包括ＰＣＩ橋芯片ＰＬＸ９０３０以及視頻解碼芯片ＳＡＡ７１１３等。
２．１ ＳＺ１５１０芯片簡(jiǎn)介
Ｚｅｐａｘ公司的ＳＺ１５１０ＩＣ內(nèi)部采用可編程的專業(yè)硬件體系結(jié)構(gòu)，它可以高效使用存儲(chǔ)器，并能合理進(jìn)行資源分配。內(nèi)核采用ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｃ５４Ｘ高性能ＤＳＰ來完成ＭＰＥＧ１音頻編碼、解碼以及ＣＤ格式的音／視頻流的組合，同時(shí)進(jìn)行一般的系統(tǒng)控制。
該芯片具有功能多、功耗小、溫度范圍寬等特點(diǎn)，其組成電路如圖２所示。它主要由運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償單元、ＤＣＴ與反ＤＣＴ變換單元、可變長(zhǎng)編碼單元、控制單元、ＳＤＲＡＭ接口單元、通用總線接口單元組成。內(nèi)部的壓縮處理完全采用流水線結(jié)構(gòu)，開機(jī)后只需簡(jiǎn)單的初始化即可獨(dú)立工作，同時(shí)自動(dòng)送出壓縮好的數(shù)據(jù)。外部電路的時(shí)鐘為２７ＭＨｚ，工作電壓為３．３Ｖ。
系統(tǒng)中的視頻壓縮有三種比特率可供選擇，其中恒定比特率需要填充冗余，最大比特率不需要填充冗余，而可變比特率的壓縮質(zhì)量比較恒定，但比特率可變。音頻壓縮部分支持３２４４．１及４８ｋＨｚ取樣率以及音頻ＰＣＭ、實(shí)時(shí)ＭＰＥＧ１２層音頻編碼等。
２．２ ＰＣ１０４計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)介
考慮到控制單元的體積、可靠性和控制能力，可選用嵌入式計(jì)算機(jī)ＰＣ１０４作為主控單元。根據(jù)視頻壓縮的特點(diǎn)，推薦選擇安普公司的ＡｍｐｒｏＰ５Ｅ／２６６產(chǎn)品，該產(chǎn)品溫度特性好、功能強(qiáng)大、可靠性高、軟硬件移植方便且易于調(diào)試。
３ 軟件設(shè)計(jì)
ＳＺ１５１０共有１２８?jìng)�(gè)寄存器，每個(gè)寄存器都有一個(gè)索引號(hào)。外界對(duì)這些寄存器的訪問都是通過ＩＯＡＲ?Ｉ／Ｏ Ａｄｒｅｓｓ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ?和ＩＯＤＲ（Ｉ／Ｏ Ｄａｔａ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）來完成的。訪問時(shí)首先將這個(gè)寄存器的索引號(hào)寫入ＩＯＡＲ?然后將要寫的數(shù)據(jù)寫入ＩＯＤＲ，這樣，ＳＺ１５１０即可自動(dòng)把數(shù)據(jù)送到某個(gè)寄存器。
主機(jī)訪問ＳＺ１５１０是通過ＰＬＸ９０３０進(jìn)行的。對(duì)ＰＬＸ９０３０中寄存器的訪問通常是按內(nèi)存方式進(jìn)行的，其方法是常規(guī)段加偏移方式。不過，它的寄存器訪問總線寬度有的是１６ｂｉｔｓ（如０ｘ４ｃ），有的是３２ｂｉｔｓ（如０ｘ５０），具體可參考有關(guān)文獻(xiàn)（５）。
３．１ 硬件初始化
對(duì)系統(tǒng)硬件的初始化主要是初始化ＰＬＸ９０３０和ＳＺ１５１０。ＰＬＸ９０３０的初始化比較簡(jiǎn)單，一是使能中斷，向寄存器０ｘ４ｃ中寫入０ｘ００４１，二是對(duì)ＰＬＸ９０３０的Ｌｏｃａｌ ｂｕｓ進(jìn)行軟復(fù)位，即先將寄存器０ｘ５０的第３０位置１，再將其置０。
ＳＺ１５１０的初始化過程如下：
（１）向中斷使能寄存器寫入０ｘ４０，以使能Ｒｅａｄｙ中斷；
（２）等待ＳＺ１５１０的Ｒｅａｄｙ中斷；
（３）等到Ｒｅａｄｙ中斷后，向ＳＺ１５１０的０ｘ１Ｅ寄存器寫入０ｘ０Ａ，設(shè)置它內(nèi)部的ＤＳＰ時(shí)鐘為９４．５ＭＨｚ；
（４）向０ｘ０１３寄存器寫入０ｘ５５，對(duì)ＳＺ１５１０進(jìn)行軟復(fù)位；
（５） 向中斷使能寄存器０ｘ０Ｃ寫入０ｘ４０?使能Ｒｅａｄｙ中斷；
（６） 等候ＲＤＹ中斷；
（７） 待Ｒｅａｄｙ中斷后對(duì)ＳＡＡ７１１３進(jìn)行初始化；
（８） 對(duì)ＳＺ１５１０進(jìn)行軟復(fù)位，即向０ｘ０Ｂ寄存器寫入０ｘ５５，同時(shí)向０ｘ０Ｃ寄存器寫入０ｘ４０；
（９） 等待Ｒｅａｄｙ中斷，等到后向ＳＺ１５１０的內(nèi)部ＤＳＰ裝載二進(jìn)制代碼；
（１０）進(jìn)行ＳＺ１５１０內(nèi)部視頻壓縮核的二進(jìn)制代碼裝載。
３．２ ＳＺ１５１０二進(jìn)制代碼的裝載
ＳＺ１５１０ 內(nèi)部有一段程序空間，可用來裝載二進(jìn)制代碼。這段空間以塊（Ｂｌａｎｋ）為單位，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等六個(gè)塊，共１．５ｋ字節(jié)代碼。具體裝載的步驟如下：
（１） 向０ｘ２Ｅ寄存器寫０ｘ０１，表示外部的ＳＤＲＡＭ是１Ｍ×１６ｂｉｔｓ；
（２） 向０ｘ０Ｃ寄存器寫０ｘ０３，使能ＦＩＦＯ Ｒｅａｄｙ 和 Ｅｎｄ ｏｆ Ｄａｔａ中斷；
（３） 向０ｘ１１寄存器寫０ｘ１，設(shè)定工作模式為內(nèi)部?jī)?nèi)存寫模式；
（４）向０ｘ１０寫０ｘ２０，設(shè)定ＳＺ１５１０?下轉(zhuǎn)第１０頁(yè)?（上接第６頁(yè)）輸出數(shù)據(jù)的ＦＩＦＯ大小為２５６字節(jié)；
（５）對(duì)每塊程序空間進(jìn)行二進(jìn)制代碼裝載，具體過程如下：
●向０ｘ０８寄存器寫０ｘ０４，發(fā)送開始命令；
●等待Ｒｅａｄｙ中斷，清除Ｒｅａｄｙ中斷；
●向Ｄａｔａ ｉｎ寄存器０ｘ０１寫２５６個(gè)字節(jié)；
●等待Ｅｎｄ ｏｆ Ｄａｔａ中斷，然后清除中斷；
（６）查程序空間的代碼是否裝載完畢，如沒有，回到（５）繼續(xù)裝載。
３．３ ＳＺ１５１０視頻數(shù)據(jù)的獲取
ＳＺ１５１０內(nèi)部有一個(gè)２５６字節(jié)的ＦＩＦＯ。一旦該ＦＩＦＯ滿，即產(chǎn)生一個(gè)ＦＩＦＯ Ｒｅａｄｙ中斷，以通知主機(jī)讀�。疲桑疲现械臄�(shù)據(jù)，然后通過２５６次讀Ｄａｔａ ｏｕｔ寄存器來完成數(shù)據(jù)傳輸。
４ 注意事項(xiàng)
ＳＺ１５１０芯片的ＰＬＬ ＰＣＢ設(shè)計(jì)要求如下?
（１）應(yīng)用設(shè)計(jì)ＥＭＩ濾波裝置以減少ＶＤＤＡ的電源噪聲。
（２）ＬＰＦ到ＳＺ１５１０的整體電路管腳長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)小于０．５英寸。
（３）設(shè)計(jì)ＰＣＢ時(shí)，外部ＬＰＦ應(yīng)盡量接近封裝腳。
（４）ＶＤＤＡ和ＶＳＳＡ端應(yīng)接０．１μＦ的旁路電容以減少噪音。
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