基于MPC8250的数字硬盘录像机设计

引 言
    短短几年的发展，数字硬盘录像机(DVR)依托其强大的数字化、网络化功能，已逐步取代了传统模拟录像设备的主导地位，成为监控市场的主流。其应用已经从最初的金融领域发展到交通、楼宇、公安、监狱、广场、小区、机房、环境、考场等各种应用场所，只要是想对图像和声音进行监控的场所就会应用到DVR系统。
    目前，数字硬盘录像机的产品技术趋势主要有两种：
一种是基于PC机Windows平台的插卡式数字硬盘录像机；另一种是基于嵌入式系统技术的数字硬盘录像机。嵌入式DVR因其高可靠性、稳定性、防病毒侵扰等诸多特点，越来越受到市场的青睐，是目前发展的主要趋势。
    嵌入式DVR产品主要有两种设计方案：一是DSP方案(如Philips音视频处理IC加上Trimedia DSFP)；一种是ASIC方案(如基于Vweb2010 MPEG-IV IC或INTTIME IC等图像处理IC芯片进行开发)。ASIC方案的编码质量和处理性能依赖IC开发商，目前市场上的IC不支持4CIF(704×576)的MPEG4编码。
    DSP方案设计的主流市场主要采用Philips的Trime-dia DSP，但其处理能力比较弱，无法实现MPEG-4的4CIF高清晰编码。本系统采用EQUATOR BSP-15 DSP方案，设计具有高清晰度的高端嵌入式数字硬盘录像机。

1 系统设计
    数字硬盘录像机的主要任务是：将模拟的音视频信号通过A/D转换成没有被压缩的图像数字信号，再通过DSP或具有图像处理功能的ASIC芯片进行图像数据的压缩编码，将压缩编码的数字图像数据存储在硬盘等大容量存储设备中，或通过网络实时监控远程图像。使用者可简单、便捷地通过网络或遥控器OSD菜单方式，对存储的录像数据进行检索、回放和备份等。
1.1 硬件总体设计
1.1.1 MPC08250简介
    嵌入式系统选择处理器时主要需要考虑以下几个方面：处理器的性能；处理器所支持的开发工具和所支持的操作系统；过去开发的经验以及处理器的成本；代码兼容性和算法复杂性等。在该系统中，选择了摩托罗拉的MPC8250做为系统的主控处理器。
MPC8250是Motorla公司在嵌入式MPC860基础之上推出的MPC82XX系列微处理器中的一种。MPC8250基于PowerQUICC结构，主要由PowerPC内核、系统接口单元SIU和通信处理单元CPM构成。它支持60x总线，其数据线为64位，地址线为32位；支持PCI/LOCAL总
线，其数据线为32位，地址线为32位。内核工作时钟最高为300 MHz，CPU工作时钟最高为200 MHz。MPC8250内部结构图如图1所示。

1.1.2 BSP-15简介
    Equator Technologies推出的MAP-BSP-15是面向音视频媒体应用的高性能DSP芯片。最新的MAP-BSP-15 400 MHz处理能力可达40GOPS(针对视频编码)。该系列芯片的系统结构特别适用于音视频编解码等应用，同时其丰富的音视频信号接口可方便用户进行系统设计。
    MAP-BSP-15主要包含一个超长指令字处理器内核(The VLIW core)、一个可编程位流协处理器(TheVLx)、视频滤波协处理器、显示刷新控制器和丰富的数字I/O接口等。MAP～CA支持各种用软件实现的视频、图像以及信号的压缩和解压缩，这种软件实现的算法相对硬件实现有很大的优越性，升级非常方便。
1.1.3 硬件总体设计思想
    系统需要实现8路的音视频同步录像，BSP-15具有同时处理2路音视频信号的性能，因而需要4片BSP一15做音视频编码，同
时，需要1片BSP-15做音视频解码器，BSP一15与MPC8250之间采用PCI通信交换数据。因此，整个系统电路设计非常复杂。根据机箱结构设计要求，既可以满足2U设备的机架式安装，又可以台式安装，因此，将系统分成两层板的两板设计，CPU主控板和编解码板。CPU主控板与编解码板之间采用欧式插座连接器连接。
    CPU主控板主要包括MPC8250及其外围电路，包括SDRAM、BOOT ROM、Flash、网络 处理接口电路和硬盘接口电路等，其基本原理图如图2所示。

    编解码板主要包括5片BSP一15及其外围电路，如SDRAM、音视频A/D转换电路、D/A 转换电路以及画面分割电路等，其基本原理图如图3所示。
1.2 软件总体设计
    DVR的主要功能是实现多路视音频数据的独立压缩编码，将编码的数字图像数据存储在硬盘，存储的图像数据在任何时候可以采用遥控器、面板等命令方式或通过以太网的通信方式，快捷、方便的检索、备份、回放硬盘数据。同时，它还具有动态侦
测、定时报警等条件录像功能，并且当硬盘使用完时，具有将最老的数据循环覆盖的功能。
    经过系统功能需求和数据流的分析后，将系统分解为系统管理子系统、通信子系统、PCI通信管理子系统、录像数据存储、检索子系统和0SD菜单子系统，每个子系统由一个或多个任务进行管理。
    系统管理子系统主要实现系统的录像启动、停止等控制以及调度算法的实现；系统总体资源的分配与调度；与其他子系统之间的控制与数据交换的同步。
    通信子系统包括的内容比较多，有基于TCP/IP的以太网通信，基于串口的RS232或：RS485通信。该子系统主要包括以下几个模块：RS232的面板通信模块、RS485 的云镜等控制模块、网络客户端通信模块和UDP组播或单播通信模块。
    PCI通信管理子系统主要负责与BSP一15的PCI通信，其内容包括数据的交换和信令的交换与控制。
    录像数据的存储、检索子系统是整个系统的数据中枢，在此详细介绍其基本设计思想。该子系统负责将来自 BSP-15编码图像数据按照系统定义的数据存储算法进行存储，并处理远程PC客户端、本地遥控器或面板操作请求的数据检索、备份、回放命令，将检索到的录像记录文件列表、录像数据文件给其他处理子系统。主要完成以下功能：
    ◆图像数据的IDE存储；
    ◆录像记录文件列表的检索；
    ◆录像数据文件的IDE检索；
    ◆IDE硬盘的管理，包括硬盘的切换、硬盘的启动、硬盘读写操作的控制等。
    该子系统包括以下几个处理模块：写图像数据处理模块、读图像数据处理模块和数据检索处理模块。
(1)写图像数据处理
    将BSP一15送来的图像编码数据按照定义的格式与规范写入硬盘，并且在设计中为了减少频繁读写对硬盘使用寿命的影响，尽量减少频繁的硬盘寻道操作。在图像数据的写处理中，为了录像数据快速定位和快速检索，系统中需要建立必须的数据块索引映射关系。硬盘的切换控制，在没有数据的回放或备份情况下，一般只有一个硬盘处于IDLE工作状态，而其他盘处于STANDBY的待命状态。在STANDBY状态下，硬盘的电机是停转的，而从 STANDBY状态到IDLE状态的切换时间一般需要7～8 s。 为了避免图像编码数据因等待硬盘启动时间过长而造成的数据溢出，当IDE硬盘即将写满时，预先将下一个将要写的盘启动起来，由STANDBY状态切换到IDLE状态，而IDE 硬盘写满后，由IDLE状态切换到STANDBY状态，这样既降低系统运行的功耗，又提高了IDE的使用寿命。
(2)读图像数据处理
    根据0SD的面板操作或远程网络客户端请求，从硬盘中读出图像数据，根据命令的来源将检索的结果数据送给BSP一15编解码子系统以实现本地回放的功能，或将检索的数据送通信子系统发送到网络介质实现远程网络的备份和回放。并进行回放时的数据流量控制(如快放时硬盘需要取数据快些)，避免数据的欠载或溢出。
(3)数据检索处理
    检索处理模块相当于本子系统的对外联络的窗口，负责接收来自其他子系统的请求，将来自网络或本地OSD 菜单的录像数据检索请求预处理后，根据系统内的数据检索处理算法，快速计算是否满足数据请求的要求。若有符合要求的数据索引，快速定位数据在哪个硬盘的哪个位置上，并且将结果分发给相应的读处理模块进行进一步的数据读处理，实现录像数据备份或回放。同时，该处理模块还负责IDE中的图像数据与索引列表文件的一致性维护。
2 小 结
    MPC8250和BSP一15均是高性能的微处理器，其处理功能非常强大。笔者通过具体实践掌握了MPC8250和 BSP一15的各种功能和处理性能，并总结出一些开发过程中的经验和教训，为产品的系列化打下了坚实的技术基础。经过测试试验，该系统稳定、可靠；在性能方面，能同时支持8路的图像监控、4路的网络用户实时回放和本地用户的4路同时解码回放，通过了公安部安防产品的型试检验，产品已经成功推出上市。