基于PCI的视频编码卡的设计与实现

摘要： 本文设计了一种面向工业控制场合的基于MPEG4的视频压缩编码卡。支持4路模拟视频图像的采集与A/D转换后，编码卡与主机之间依据PCI2.2标准，以PCI接口与主机实现通信。文中详细介绍了该编码卡的总体设计方案，系统采用最新的MPEG4压缩方式进行编码，为整个数字监控系统和视频网络传输系统提供了最优化的硬件设计。
关键词: PCI 采集 编码 MPEG-4 工业控制

1        前言

随着通信网络技术的飞速发展，人们的观念也紧跟着时代的步伐，把自己融入了网络时代。例如查看信息，监控，交流等无不使用网络。虽说网络给我们带来了很大的信息流，但随着人们生活节奏的加快，对传输率的要求越来越高，特别是实时传输的时候。通过用MPEG4视音频编解码技术，卫星互联网播送技术解决了这方面的问题，使得数字视频广播图像分辨率达192×144×25FPS（PAL）/384×288×25FPS(PAL)，图像和屏幕发送通过卫星信道，平均码流量小于384K；文字消息数据、外交互通过Web走公网，平均码流量小于56K，实现了点对点、多点即时播送和同步互动，深得广大用户的好评。为企业、政府机构、组织、和网络医院、网络学校提供一种高效、直观、贴切、实用的工具，同时可实现个人可视化交流。

数字视频信号同模拟视频信号相比，有不可比拟的优势。视频信号的数字编码压缩是有代价的，压缩成本的高低，决定系统的成本。只有在单片视频编码芯片出现后，数字视频监控才进入实用化阶段。为了满足数字视频监控应用需求的多样性要求，采用SOC技术的视频处理器（VIDEO PROCESSOR，有的也叫DSP）将在数字视频监控产品中占据主流。在监控应用中，视频图象数字化是实时编码压缩的，这完全不同于VCD和DVD节目的制作（VCD和DVD节目的制作可以花费数十倍、甚至数百倍的时间进行编码压缩）。由于MPEG4的巨大优点为利用图像测控和图像处理实施安全检查和安全防范提供了新的技术途径。数字视频监控录像系统的特点：重放图像质量好，永不失真；视频文件检索方便，便于检查管理、远程传输或进一步的图像处理，提高了图像资料的可用率；多画面处理功能，录像功能及控制功能集成一体，设备量少，可靠性强，便于维护。

2        系统的总体框架

Vweb公司的Vweb2010支持PCI接口卡的形式，系统的程序保存在母板的硬盘或者内存中，通过母板与系统的交互把程序加载到系统中运行。这种方式有很大的灵活性，而且利于和其它系统配合使用。本文设计的编码卡是在Windows系统下经过WDM驱动，以 PCI接口卡形式存在的，其软硬件的框图如图一所示。

图 一  系统框图

编码卡是插在PCI插槽上，基于Windows系统下对视频信号进行处理的。整个系统通过PCI总线与母板相联系，在应用中母板为整个编码卡提供程序存储空间，负责程序的加载和一些初始化工作。当初始化和程序的加载结束后，母板与编码卡的关系也就是MPEG4数据的存储和传输，与应用程序的通信等等，编码板卡能够单独的完成所要做的多媒体数据处理工作。而在更多的情况下，母板始终通过PCI总线与编码卡保持联系，这样可以协调母板与编码卡的工作，同时也利于母板与编码卡交换数据。

Vweb2010芯片提供了多媒体接口模块，在此设计中运用到的有PCI接口、视频输入单元、音频输入单元。其中，PCI接口通过PCI桥与母板上的PCI相连接；其它单元与编码板卡上的A/D模块相连，围绕这些接口单元，我们就可以设计出编码卡各个模块之间的构成框架。

系统启动时，MPEG4压缩芯片读取启动电路的启动码，激活相应的下载程序从相应的端口下载运行微码，同时其他芯片通过I²C总线完成初始化，系统启动MPEG4编解码进程。模拟视频通过SAA7114H的A/D转换后，实时视频流从VPO口送入MPEG4压缩芯片的编码部分的VPO口，同时模拟音频通过PCM1801U的A/D转换后，实时的音频流从MPEG4压缩芯片的I²S输入。MPEG4压缩芯片通过PCI接口与桥芯片相连接，编码压缩后的数据经过桥芯片的桥接再传输到PCI总线上，提供给远程传输或本地存贮。

3        MPEG4编码模块在硬件中的设计

PCI编码卡从功能上分为三大模块。首先是前端A/D转换模块，由视音频处理两大块组成，本文采用SAA7114H视频A/D芯片提供模拟视频到数字视频（ITU-R.BT.656格式）的转换，采用PCM1801U实现音频的A/D采样，通过I²C与MPEG4编解码芯片相连。接着是MPEG4编码压缩模块。由MPEG4编解码芯片及其外围电路组成，主要完成实时视音频数据的压缩功能。最后就是桥芯片驱动模块，采用零反应时间PCI-PCI桥接产品HB1，它支持PCI2.2规范，支持32-bit 33MHz的PCI操作。通过该芯片，就可以实现桥接的功能，实现多芯片组支持。

3.1 视音频处理模块

在视频A/D转换模块中，采用的是PHILIPS公司的SAA7114H，这是一块视频A/D采样芯片，它主要有如下功能和特点：

该芯片有六个输入端，它可以同时支持六个CVBS（复合视频信号）、或者是两个Y/C（亮度和色度分离信号，一般是指S端子）信号和两个CVBS信号、或者是一个Y/C信号和四个CVBS信号。用户均可编程控制、选择输入通道以及每一路信号的静态增益和自动增益。它里面有内嵌两套模拟图像抗混叠滤波器(anti-aliasing filter)和两套A/D转换电路； 对50Hz和60Hz场频以及PAL制式和NTSC制式图像自动检测，支持所有制式的电视信号输入； I²C总线接口速率最高可达400kb/s。

在此系统中，SAA7114H支持ITU-R.BT.656格式，用ITU-R.BT.656标准在数据中嵌入行、场同步信息来提供行、场信息。同时为了硬件实现方便，固定使用一个复合视频（CVBS）输入端口（AI24，Pin10管腿），当然，这些都需要I²C总线来配置。I²C总线控制引脚的接法是由Vweb2010的U14和Y17相连，其中U14连接时钟线，Y17连接数据线。SAA7114H支持节电方式，工作时功率小于0.5W，需要3.3V供电，I/O口耐压为5V，这一电源由PCI总线上提供。防止输入过压过流采用的方法是在输入端口上并上了一个复合肖特基二极管。模拟电源和数字电源、模拟地和数字的连接方法是用磁珠相连接。SAA7114H内部有多个寄存器用于设定其工作状态，外部提供了两根I²C总线引脚SDA（32脚）和SCL（31脚）用于访问内部寄存器。所有的这些寄存器都是通过Vweb2010进行读写，在操作时，SAA7114H的引脚LLC，LLC2，XTOUT，RTS0，RTS1和RTCO要设置在三态状态，亮度和色度由梳状滤波器自适应调整。

3.2 MPEG-4编码压缩模块

MPEG-4编码模块采用专用芯片Vweb2010，Vweb2010芯片是Vweb公司出品的专为多媒体信号处理而设计的专用视频压缩芯片（Video ASIC）。这一芯片的特点是将MPEG1、MPEG2、MPEG4和H.263这些标准的压缩算法固化在其中，因此实现方案具有开发成本低、开发周期短、运算速度快等优点。它可以同时进行一路编码和一路解码，它的音频编码器接收双通道的I²C标准数字音频信号，并采用MPEG1，MPEG2，MP3，AAC和AC-3等标准进行压缩编码。解码器接收MPEG格式的BIT流，解码输出标准的ITU-R.BT.656标准的数字视频。音频解码输出I²S，S/P-DIF或IEC-61937标准音频信号。它包括了一块嵌入式RISC/DSP处理器、一块编码器模块、一块解码器模块、一块系统模块。其结构图如图二。

通过芯片的视频编码输入接口（VPO口）接收SAA7114H输出的8位ITU-R.BT.656视频流送，芯片的时钟接口与外部时钟信号（27MHz）相连接，其中内部时钟引脚（PLL_amclk_enc）和视频时钟管脚相连，保证了音频和视频同步。标准的I²S音频信号从PCM1801输入到Vweb2010的相应音频接口，经过音频编码单元编码，送到输出单元模块。SDRAM是Vweb2010程序的运行空间，Vweb2010芯片最大可以支持128Mbytes的SDRAM。因为Vweb2010提供SDRAM接口，直接接上SDRAM即可。在此系统中使用了一片2M*32的SDRAM芯片，共为64Mbytes。

3.3 PCI桥接模块

MPEG4压缩芯片的编码数据通过桥芯片的驱动与仲裁，完成桥接任务，能让四片带有PCI接口的MPEG4压缩芯片与PCI总线相互通信，支持PCI2.2规范，支持32-bit 33MHz的PCI操作。PCI接口板有符合PCI规范V2.2版33MHz 32bit PCI总线；包括地址、数据复用AD[0:31]；控制信号:PCICLK;REQ#; C/BE[0:3]; IRDY#; DEVSEL#; LOCK#; PERR#; SERR#; STOP#; TRDY#; FRAME#; IDSEL; GNT#; RST#。

图 二 Vweb2010的结构框图

4  PCB设计注意事项

在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的，在整个PCB中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。PCB布线有单面布线、 双面布线及多层布线。布线的方式也有两种：自动布线及交互式布线，在自动布线之前， 可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线，输入与输出端的边线应避免相邻平行， 以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。

自动布线的布通率，依赖于良好的布局，布线规则可以预先设定， 包括走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等。一般先进行探索式布线，快速地把短线连通， 然后进行迷宫式布线，先把要布的连线进行全局的布线路径优化，它可以根据需要断开已布的线。 并试着重新再布线，以改进总体效果。

此外，数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，整个PCB对外界只有一个结点，所以必须在PCB内部进行处理数、模共地的问题，而在板子内部数字地和模拟地实际上是分开的，它们之间互不相连，只是在PCB与外界连接的接口处（如插头等）。数字地与模拟地有一点短接，请注意，只有一个连接点。也有在PCB上不共地的，这由系统设计来决定。

5  总结

本文的创新点是在Windows的视频采集处理系统，采用MPEG4进行图像压缩编码，在本地进行数字化处理并打包向网络发送，使得数字视频采集系统的所有功能都集成在这一块小小的板卡上，使用非常方便。经测试，板卡的各项性能都达到了预先设计的要求，工作稳定，实用性高，基本上都能够满足客户的要求，在商业上具有一定的竞争能力。

参考文献：

1         R. Talluri, "Error-Resilient Video Coding in the ISO MPEG4 Standard", IEEE  Communications Magazine, Vol. 36 No. 6, June 1998, pp. 112-119.

2         Y. Pourmohammadi, K. Asrar Haghighi, A. Kaheel, H.M. Alnuweiri, S.T. Vuong; On the Design of a QoS-aware MPEG4 Multimedia Server , IST2001

3         A. M. Mohamed, H. M. Alnuweiri, MPEG4 Broadcast: A Client/Server Framework for Multi-Service Streaming Using Push Channels, MMSP2001.

4         黄岚　徐志龙等，基于PCI总线的数据采集接口设计，北京，《微机算计信息》，2006.No.3-1,p144