摘　要：介紹一種基于MPEG-4的視頻壓縮編碼卡。該板卡為4路的編碼PCI卡，將采集到的模擬視頻圖像以MPEG4的方式進(jìn)行壓縮處理。使用標(biāo)準(zhǔn)PCI2．2的規(guī)范，完成有CPU控制板與編碼PCI卡之間的通信，使CPU控制板通過一塊橋芯片可以訪問編碼芯片內(nèi)部寄存器，讀出編碼芯片壓縮的MPEG-4的視頻壓縮流、音頻壓縮流。從而使壓縮的MPEG-4數(shù)據(jù)完成遠(yuǎn)程傳輸或本地存貯。另一個是完成視頻預(yù)覽功能。該板卡為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控提供了必要的硬件設(shè)備，他以的MPEG-4壓縮方式進(jìn)行編碼，對整個數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)和視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)提供了化的硬件設(shè)計，使視頻數(shù)據(jù)數(shù)字化管理更加方便、可靠，也使整個系統(tǒng)在市場競爭中更具有活力。
　　關(guān)鍵詞：MPEG-4編解碼芯片；視頻編碼；MPEG-4；Windows操作系統(tǒng)
    
    
　　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
    
　　在過去相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，傳統(tǒng)的模擬閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)是場所監(jiān)控的市場主流產(chǎn)品。但隨著信息技術(shù)的發(fā)展和用戶需求的提高，模擬閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)暴露出一些缺陷。主要表現(xiàn)在：傳輸距離不可能很遠(yuǎn)、無法遠(yuǎn)程監(jiān)視、布線工程量大，特別不適應(yīng)信息時代的數(shù)字化發(fā)展趨勢。而數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)恰好克服了模擬閉路電視的局限性，如網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻流、傳輸距離遠(yuǎn)、布線不重復(fù)、抗干擾能力強(qiáng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、查詢方便等。
　　在安全防范系統(tǒng)蓬勃發(fā)展的過程中，監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)為：從單一到多樣－監(jiān)控器材日新月異；從簡單到智能－計算機(jī)技術(shù)滲入安防設(shè)備的各個領(lǐng)域；從單機(jī)到網(wǎng)絡(luò)－監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是必然趨勢；從局部到全面－將監(jiān)控系統(tǒng)融入智能化大樓成為熱點(diǎn)。因此，數(shù)字化已是監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。
　　本卡適應(yīng)了現(xiàn)在數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的要求，以計算機(jī)插卡的形式存在，便于組網(wǎng)、安裝、使用和維護(hù)。板卡的主芯片采用了4片MPEG-4的編解碼芯片，具有Host和PCI接口，并且體積小、處理能力強(qiáng)且功耗低的特點(diǎn)。從而作為一塊單獨(dú)的處理單元，能讓研發(fā)人員進(jìn)行自主開發(fā)。
　　1　MPEG-4PCI板卡的功能設(shè)計
　　我們把MPEG-4PCI板卡的功能設(shè)計為：
　?。?）音頻A／D
　　完成模擬視頻信號到數(shù)字視頻信號的轉(zhuǎn)換。
　?。?）視頻A／D
　　完成模擬音頻信號到數(shù)字音頻信號的轉(zhuǎn)換。
　?。?）音視頻同步壓縮
　　把輸入視頻數(shù)據(jù)流壓縮成MPEG-4的數(shù)據(jù)流，同時音頻信號通過MPEG-4編解碼芯片的IS接口輸入。
　?。?）視頻流預(yù)覽
　　不經(jīng)過編碼的圖像可以通過預(yù)覽口直接輸出。
　　（5）告警輸入
　　完成外部接口告警信號的輸入。
    
　　 2　PCI板卡的模塊化設(shè)計
　　本板卡的總體框圖及接口信號示意圖如圖1所示。
　　本系統(tǒng)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編解碼芯片（Vweb公司），一片橋芯片（采用Hint公司的HB1），一片邏輯控制芯片（XILINX公司）組成。A／D芯片、MPEG-4編解碼芯片完成4路攝像頭的輸入轉(zhuǎn)換以及MPEG-4視頻數(shù)據(jù)流的壓縮。CPLD控制著預(yù)覽回放、告警信號和ID信號。A／D芯片和MPEG-4編解碼芯片的工作方式是基于Windows操作系統(tǒng)完成的。
    
    　　
    
　　PCI編碼卡從功能上分為6大模塊：
　?。?）前端解碼部分由視音頻處理兩大塊組成
　　①4片SAA7114H視頻解碼芯片提供模擬視頻到數(shù)字視頻（BT656格式）的轉(zhuǎn)換。
　?、?片PCM1801U實(shí)現(xiàn)音頻的A／D采樣，通過I2S與MPEG-4編解碼芯片相連。
　?。?）MPEG-4編碼模塊
　　由四片MPEG-4編解碼芯片及其外圍電路組成，主要完成實(shí)時視音頻數(shù)據(jù)的壓縮功能。
　?。?）橋芯片驅(qū)動模塊
　　采用零反應(yīng)時間PCI-PCI搭橋產(chǎn)品HB1，他支持PCI2．2規(guī)范，支持32 b 33 MHz的PCI操作。通過該芯片，就可以實(shí)現(xiàn)橋接的功能，實(shí)現(xiàn)多芯片組支持。
　?。?）總線及其驅(qū)動模塊
　　包括PCI總線驅(qū)動和隔離，提供板內(nèi)電源，時鐘、復(fù)位和中斷。
　?。?）告警電路
　　通過CPLD的編程對告警信號進(jìn)行控制。
　　（6）輔助電路
　　主要是提供板內(nèi)MPEG-4編解碼芯片所需的電源1．8 V以及24．576 MHz和27 MHz時鐘電路。
　　2．1視頻A／D轉(zhuǎn)換模塊
　　攝像頭將采集到的模擬數(shù)據(jù)發(fā)送到A／D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行視頻解碼，把模擬視頻轉(zhuǎn)換到數(shù)字視頻（BT656格式），數(shù)字視頻信號送入MPEG-4壓縮芯片。模擬電路需要提供A／D轉(zhuǎn)換芯片所需要的時鐘頻率24．576 MHz，A／D轉(zhuǎn)換芯片將用此頻率來同步MPEG-4壓縮芯片［1］。
　　2．2音頻A／D轉(zhuǎn)換芯片
　　將MICROPHONE采集到的音頻信號AD采樣，通過I2S與MPEG-4壓縮芯片相連，把音頻信號送入MPEG-4壓縮芯片提供，時鐘頻率為32 kHz，44．1 kHz，48 kHz［2］。
　　2．3　MEPG-4壓縮模塊
　　系統(tǒng)啟動時，MPEG-4壓縮芯片讀取啟動電路的啟動碼，激活相應(yīng)的程序從相應(yīng)的端口運(yùn)行微碼，同時其他芯片通過I2C總線完成初始化，系統(tǒng)啟動MPEG-4編解碼進(jìn)程。模擬視頻通過SAA7114H的A／D轉(zhuǎn)換后，實(shí)時視頻流從VPO口送入MPEG-4壓縮芯片的編碼部分的VPO口，同時模擬音頻通過PCM1801U的A／D轉(zhuǎn)換后，實(shí)時的音頻流從MPEG-4壓縮芯片的I2S輸入。MPEG-4壓縮芯片通過PCI接口與橋芯片相連接，編碼壓縮后的數(shù)據(jù)經(jīng)過橋芯片的橋接再傳輸?shù)絇CI總線上，提供給遠(yuǎn)程傳輸或本地存貯［3］。
　　2．4　橋芯片驅(qū)動模塊
　　MPEG-4壓縮芯片的編碼數(shù)據(jù)通過橋芯片的驅(qū)動與 仲裁，完成橋接任務(wù)，能讓四片帶有PCI接口的MPEG4壓縮芯片與PCI總線相互通信，支持PCI2．2規(guī)范，支持32 b 33 MHz的PCI操作。
　　2．5　總線及其驅(qū)動模塊
　　PCI接口板有符合PCI規(guī)范V2．2版33 MHz 32 b PCI總線；包括地址、數(shù)據(jù)復(fù)用AD［0∶31］；控制信號： PCICLK；REQ＃；C／BE［0∶3］；IRDY＃；DEVSEL＃；LOCK＃；PERR＃；SERR＃；STOP＃；TRDY＃；FRAME＃；IDSEL；GNT＃；RST＃。具體可參考PCI規(guī)范V2．2版。
　　2．6　電源的設(shè)計
　　由于本板芯片需要3種電源供電：1．8 V，3．3 V，5 V。 其中3．3 V和5 V由板外系統(tǒng)供給，1．8 V由板內(nèi)電源模塊 通過5 V變換而來。主芯片是R9052，他通過2個CMOS管來達(dá)到1.8V的變換，供給4片MPEG-4壓縮芯片所需要的工作電流，他可以產(chǎn)生10 A的工作電流。
    2．7　告警電路的設(shè)計
    　　模擬的告警信號通過DB9進(jìn)來后，經(jīng)過光耦器件的隔離，送入CPLD9572，通過CPLD9572的編程來對告警信號進(jìn)行控制。
    2．8　I2C的設(shè)計
    　　 控制SAA7114H的I2C，特別引出了MPEG-4壓縮芯片的GPIO管腳49和50管腳，其中第4片MPEG-4壓縮芯片的I2 C用來對CPLD9572做他的ID寫入，作為開發(fā)這片芯片的保護(hù)。同時用了47管腳作為跳線，高電平時，允許ID訪問，否則拒絕訪問。
    2．9　預(yù)覽接口的設(shè)計
    　　MPEG-4壓縮芯片提供這一接口，作為對模擬視頻信號可以不進(jìn)行壓縮編解碼而直接可以回放，其中他的管腳信號CD＿VALID是這樣設(shè)計的：
    
    　　通過這樣的設(shè)計就可以進(jìn)行MPEG-4壓縮芯片的回放功能［3］。
　　2．10　時鐘復(fù)位信號的設(shè)計
　　在時鐘設(shè)計上，應(yīng)用了2片晶振，其中24．576 MHz晶振的時鐘提供給SAA7114H所需的外部時鐘，而27 MHz晶振提供給Vweb2010這塊編碼芯片用。板子上主要的IC芯片的復(fù)位都是通過PCI插槽上的復(fù)位信號經(jīng)過了橋芯片，產(chǎn)生的次級總線的復(fù)位信號提供的。
    
　　3　板卡設(shè)計的難點(diǎn)
　　3．1　原理設(shè)計難點(diǎn)
　　（1）在硬件功能模塊上，為了實(shí)現(xiàn)預(yù)覽功能，本來要采用7146這塊芯片，但考慮到成本問題，改變了原來的設(shè)計方案。
　?。?）在硬件上，對整塊板子的驅(qū)動能力進(jìn)行分析，特別是時鐘和復(fù)位的驅(qū)動能力以及如何配合Windows下做驅(qū)動。
　?。?）在硬件方面，CPLD的防偽問題，特別是CPLD的 讀寫保護(hù)和ID訪問。
　?。?）在硬件上，在整塊板子進(jìn)行壓縮和預(yù)覽的時候，要充分考慮到任何環(huán)境下的工作穩(wěn)定度，例如：防雷電、接口上防過流以及能在高溫和低溫下正常工作。
　　3．2　PCB走線的難點(diǎn)
　?。?）由于要在8層板上放置高速芯片（SDRAM），在走線上要特別注意數(shù)據(jù)線和時鐘線的走法，考慮到所有的時鐘線和數(shù)據(jù)線要等長，這給布線帶來很大困難。
　?。?）考慮到成本，板子要越小越好，這也給總體布局帶來了困難。
    
　　4　本板卡在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中的應(yīng)用
　　本板卡是基于Windows操作系統(tǒng)的視頻采集傳輸系統(tǒng)，非常適合網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的應(yīng)用?？蓱?yīng)用于銀行、證券、海關(guān)、公路監(jiān)測、住宅小區(qū)、超市、賓館樓宇等各類需要實(shí)時監(jiān)控并記錄保存的場所。滿足各行業(yè)對安全監(jiān)測和業(yè)務(wù)管理的要求，是數(shù)字化監(jiān)控記錄產(chǎn)品的。
    　　　　整合，如網(wǎng)絡(luò)攝影機(jī)、 Gateway等具有網(wǎng)絡(luò)功能的設(shè)備元件，每一個設(shè)備就是一個IP（網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)），具有隨插即用（Plug-play)的特點(diǎn)。安裝時，僅需將設(shè)備連接上近的網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)，經(jīng)過系統(tǒng)軟體的整合，用戶即透過區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)上線進(jìn)行監(jiān)控。
　　本文介紹的基于Windows的視頻采集處理系統(tǒng)，采用MPEG-4進(jìn)行圖像壓縮編碼，在本地進(jìn)行數(shù)字化處理并打包向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，使得數(shù)字視頻采集系統(tǒng)的所有功能都集成在這一塊小小的板卡上。只要把他插在PC機(jī)上與網(wǎng)絡(luò)相連，就能多路并行采集。這些特點(diǎn)使得本板卡有廣泛的應(yīng)用前景。