数字视频压缩的大容量记录系统设计

关键词： MPEG-1 , 记录 , 视频 , 压缩

引言

随着计算机技术、多媒体和数据通信技术的迅速发展，数字视频的应用越来越广，如视频监控、视频会议和移动电视等。数字视频数据量巨大，不利于传输和存储，使其应用受到很大限制。为解决视频数据的存储和传输问题，唯一的途径就是对视频数据进行压缩。常见的视频压缩方法有MPEG系列和H.26x系列。考虑到压缩技术的成熟度、成本和主要用途，采用MPEG-1作为压缩标准，设计出基于ARM处理器的嵌入式数字视频记录系统。该系统适用于视频监控、视频会议等多种应用场合，同时还可安装在飞行器上，用于实时记录飞行器的飞行及训练过程中的各种信息。  

目前，市场上有大量的基于PCI总线的MPEG-1视频压缩卡和PC机构架的网络视频服务器。与之相比，我们设计的视频记录系统具有成本低、体积小和功耗低等优势。

1 系统工作原理  

视频压缩记录系统的设计着眼于控制器的嵌入化和整体的便携性。本系统主要由3部分组成，即压缩部分、控制部分和存储部分。视频记录系统的结构组成如图1所示。其中压缩部分由MPEG1音视频压缩电路组成，主要功能是实现对输入的音视频信号解 码、数字化和压缩编码，产生MPEG1程序流和传输流；控制部分由ARM最小系统组成，用于实现对整个系统的控制、数据流管理和IDE接口控制；存储部分由大容量硬盘或CF存储卡组成，实现对压缩数据的实时长时间记录。

系统启动时，ARM处理器对整个压缩系统进行初始化，首先通过HOST接口对SZ1510内部寄存器进行配置，并使用SZ1510的串行接口模拟I2C总线对视频解码器SAA7113H进行初始化。当设置好MPEG-1的压缩格式及数据速率后，系统开始正常工作，音视频信号经AK4550音频处理芯片和SAA7113视频处理芯片进行A/D转换，输出8位的PCM格式数字音频信号和4∶2∶0的YCbCr数字视频信号，传入SZ1510音视频压缩采集芯片进行处理，将数字音视频数据转化为符合MPEG-1格式的混合影视文件，最后MPEG1数据流在ARM处理器的控制下通过IDE接口写入硬盘或CF卡。在工作时，ARM还将不断监视相关信号，并在图像中加入相应的标志，直到接收到关机信号，系统自动结束压缩工作。

2 硬件电路设计  

由于MPEG-1压缩算法需要很大的运算量，用软件实时完成比较困难，所以在本系统中主要依靠专用芯片实现对视频信号的高效压缩。目前，常用的MPEG-1压缩芯片有VW2010、W99200F、WIS 7007SB等。本设计采用的是Zapex公司的SZ1510 MPEG-1 A/V编码芯片，自身完成音视频的同步编码，16位HOST接口易于与多种微处理器连接。另外，该芯片还可以直接控制视频解码芯片SAA7113H、音频解码芯片AK4550VT和SDRAM（KM416S1020CT-G10）。CPU采用Philips公司的ARM7TDMIS内核微控制器LPC2214，通过其I/O端口控制IDE接口硬盘或CF卡的数据读取和存储。

                                       图1 数字视频记录系统结构框图  

2.1 MPEG-1压缩电路设计  

SZ1510是一个 MPEG-1和运动JPEG图像编码器。其内置的视频压缩核经过优化，适合高效、实时的MPEG1数字图像压缩，具有功能多、功耗低、温度范围宽等特点；同时整合了TI公司的TMS320C54X高性能DSP内核，可依据MPEG-1标准对音视频同步编码。

（1） 时钟同步电路设置  

SZ1510是一个复杂的视频压缩小系统，要完成音视频的同步，MPEG-1视频的压缩以及系统内部数据流的复合、调度；时钟关系较为复杂，是系统设计的一个难点。时钟配置可分为主时钟、音视频时钟、视频压缩核时钟、DSP核时钟以及扩展的I2S接口时钟几部分。其功能和关系为：

◆ 主时钟。SZ1510的主时钟为稳定的27 MHz(CLK)。该时钟在芯片内部被PLL1倍频为81 MHz，驱动SZ1510的视频压缩核及SDRAM。PLL2连到DSP内核，通过软件配置使其工作在94.5 MHz，用于音频压缩和系统数据流复合。

◆ 音视频时钟。视频时钟来自视频解码器，典型值为27 MHz。音频时钟由视频时钟分频产生。

◆ I2S接口时钟。本系统中在音视频同步设计中使用I2S接口的从模式，由SZ1510产生串行时钟和帧同步信号。

（2） 主机（HOST）端口设置  

SZ1510作为从设备，受主机控制，其HOST接口是SZ1510的控制和数据交换接口。SZ1510可以选择复用或不复用的Intel和Motorola总线类型；不复用总线，又可以分为8位和16位。具体的主机端口由HCONFIG[1∶0]引脚和SysConfig寄存器配置。在本系统设计中，通过跳线把HCONFIG0拉低，HCONFIG1拉高，使其工作在Intel 8051类型的非复用的16位数据总线模式下。  

2.2 LPC2214微处理器电路设计  

LPC2214是一款基于32位ARM7TDMI-S，支持实时仿真和跟踪的CPU；带有16 KB片内SRAM、256 KB嵌入的高速Flash存储器、128位宽度的存储器接口和独特的加速结构，使32位代码能够在最大时钟速率60 MHz下运行。芯片内部集成了多种串行接口。LPC2214与SZ1510的接口和控制关系如图2所示。在设计中，需要注意的是保持SZ1510读写时序与内部时钟的同步。通过CS3选通SZ1510实现控制字和数据的交换。