基于Z1510的音视频压缩卡的设计与实现

随着计算机、多媒体和数据通信等技术的高速发展，对计算机音视频的需求和应用越来越多，如视频监控、视频会议等。计算机音视频提供给人的信息很多，但其数据量很大，不利于传输和存储，从而使其应用受到不少限制。为解决音视频数据的存储和传输，唯一的途径就是对音视频数据进行压缩。
　　基于Z1510专用音视频压缩芯片设计的具有USB接口的实时MPEG-1音视频压缩卡，较传统的PCI接口的MPEG-1音视频卡具有支持热插拔和即插即用等特点，同时该系统还具备很好的可扩展性。本文就来介绍这个系统的设计与实现。
1 硬件设计
　　本系统主要由音视频A/D转换单元、音视频压缩单元、系统控制单元和UBS接口单元四大部分组成，如图1所示。模拟音视频信号经AK4550、SAA7113音视频A/D转换器后送入Z1510音视频压缩芯片，压缩编码后生成的MPEG-1码流经USB端口输出。整个压缩系统的控制由TMS320F2812和EPM7128AE共同完成，压缩后的数据通过USB接口芯片PDIUSBD12输出。

1.1 音视频压缩部分的电路设计
　　本系统中的MPEG-1压缩芯片选用以色列Emblaze Semiconductor公司的Z1510。Z1510是一款高性能低成本的音视频压缩编码芯片，它可完成MPEG-1音视频压缩、MJPEG视频编码以及全分辨率静态图像捕获，还可对CD-ROM和VCD进行格式化。Z1510压缩芯片有三种系统配置(Master、Direct-data、Indirect-data)，总共有20余种工作模式，不同的工作模式可通过加载不同的代码来实现。Z1510可广泛地应用于VCD刻录机、数字静态照相机、基于PC机的视频获取卡、MP3播放器以及安全监控系统中。它主要由视频接口、视频压缩核、DSP辅助系统、存储器接口、主机接口和串行接口、DMA控制器等六大模块组成。
　　Z1510的音视频输入是通过视频端口和串行接口完成的。视频输入端口主要接收视频A/D转换器产生的ITU-R BT.601或ITU-R BT.656格式的数字视频信号和相应的时钟同步信号。Z1510有五个串行端口，包括三个输入端口(Audio0、Audio1和CD-Drive)和两个输出端口(CD-Drive和SVCD decoder)，每一个端口均可作为主设备端口和从设备端口，本系统中应用的Audio1端口作为主设备端口，接收未压缩的数字音频信号，同时为音频A/D转换器提供相应的同步时钟信号。
　　由于本系统使用的数字视频数据是ITU BT.656格式，因而只需将SAA7113的VPO(7～0)和LLC管脚与Z1510视频端口的数字视频输入管脚VID(7～0)和视频输入时钟管脚VICLK相连即可，不需向Z1510提供行同步信号(VIVS_N)和帧同步信号(VIVS_N)。SAA7113的LLC管脚输出的27MHz时钟信号，一路未经分频的信号作为Z1510内部的数字视频流的采样时钟信号，输入Z1510的视频输入时钟管脚VICLK，另一路输入分频器MK2703的X1/CLK管脚，经分频器分频后，由ACLK管脚输出，作为音频编码芯片的系统时钟信号MCLK，分别输入AK4550的MCLK和Z1510的AMCLK。27MHz的数字视频流采样时钟信号在Z1510内部进行分频后，为工作在从模式下的AK4550提供移位时钟信号SCLK和左右声道时钟信号LRCK,分别输入AK4550的SCLK和LRCK管脚，而AK4550产生的数字音频流直接输入Z1510的Audio1端口的ASDI1管脚。
　　Z1510的主时钟信号频率为稳定的27MHz，该时钟信号频率在芯片内部被PLL1倍频为81MHz，驱动Z1510的视频压缩内核及SDRAM。而PLL2连接到DSP内核，该PLL由软件配置PLL寄存器，工作在94.5MHz，用于音频压缩和系统数据流复合。系统主时钟由一个27MHz的晶体振荡器直接提供，该晶振同时也为EPM7128AE和TMS320F2812提供时钟信号。
　　Z1510的MEMORY接口支持SDRAM的读写，其外接的SDRAM主要用于存储操作过程中输入的数据和对压缩后的音视频数据进行缓存，共支持四种SDRAM配置:1M×16 2bank、8M×16 2bank、4M×16 4bank、8M×16 4bank，其中系统的最小配置为1M×16 2bank SDRAM。在所有的配置中，SDRAM的频率至少为125MHz；同时在设计硬件时，除相应的数据线和地址线相连外，SDRAM的输入管脚CS#、DQM必须接地，CKE接电源。在本设计中，SDRAM选用的是现代公司的HY57V161610DTC-8。
　　在Z1510进行MPEG-1压缩时，它是工作在LAVE(Live Audio Video Encoding)模式。在此模式下，Z1510只能配置为间接工作(Indirect-data)状态，此时Z1510作为从设备，受主机控制，主机可以通过其HOST接口访问它内部的配置和状态寄存器，并且可以通过局部FIFO获得压缩后的视频码流。
　　Z1510的HOST接口的主要信号有：
　　·HAD[15..0] 数据总线；
　　·HCONFIG[9，8] 总线数据类型选择；
　　·HWR_N，HRD_N 读写控制，HCS_N器件片选信号；
　　·HALE在复用总线模式下，锁定低8位地址HAD[7～0]；在非复用总线模式下，指示当前数据总线上发送的是寄存器地址还是寄存器数据。
　　·HINT_N 中断请求信号，低电平有效。
　　Z1510可以选择复用或非复用的Intel和Motorola总线模式，非复用总线又可分为8位和16位的总线模式。经过与DSP的读写时序比较和实际调试，发现DSP读写模式与Motorola的16位非复用读写模式相似，使用较为方便，译码也较为简单，因而将主机端口配置为Motorola的16位非复用总线模式。在16位非复用总线模式下，对Z1510内部寄存器的访问由两个寄存器完成。首先IOAR地址寄存器响应Z1510的第一个分配地址(HALE=0)和其中的数据，获得所需要的内部寄存器地址。接着是IODR数据寄存器响应Z1510的第二个分配地址(HALE=1)和其中的数据，内容是IOAR指向的寄存器的DATA内容。因此在对Z1510的寄存器进行读写时，相当于只占用了DSP外部拓展存储空间的两个地址位。
　　在存储空间分配中，Z1510分在TMS320F2812外部拓展存储空间(XINTF)的0区(0x00 2000～0x00 3FFF)，因此需将HALE管脚在CPLD内部通过进位链与DSP的A0相连，而片选信号HCS_N需由A12、A13、A14、A15和DSP的信号经译码实现，HWR_N和HRD_N信号由A12、A13、A14、A15和DSP的信号经译码实现。
1．2 系统控制单元
　　本系统使用TI公司的TMS320F2812和Altera公司的MAX7000系列的EPM7128AE实现系统的管理和控制。
　　TMS320F2812是基于TMS320C28x^TM DSP内核的芯片，时钟频率高达150MHz，具有18K的SARAM和128K的片内Flash，另外还具有1M的外部扩展存储空间(XINTF)。TMS320F2812的外部扩展存储空间只可用作数据空间或程序空间，不支持I/O空间，它分为0、1、2、6、7五个区，没有DS、PS、IS三个信号线，取而代之的是三个区选信号，其中0区和1区共用一个区选信号，6区和7区共用一个区选信号。本系统的控制就是通过DSP的外部扩展存储空间(XINTF)实现的。Z1510在复位后要根据不同的工作模式进行代码加载，以便初始化片内的DSP核和视频压缩核，变换后的代码量有100多K,因此在DSP的外部扩展存储空间中设计了一片FLASH芯片MBM29LV800，用来存放代码。
　　在设计中，由于SAA7113的片选信号直接拉高，而它的配置是通过TMS320F2812的GPIO模拟I²C总线实现的，因此不占用存储空间；Z1510的控制接口地址与数据复用和USB接口芯片PDIUSBD12一样，都只有一个地址位(占用两个位置)；只有外界FLASH芯片MBM29LV800(512K×16位)占用存储空间较多，因此系统主要存储空间分配如下：
　　Z1510 占用Zone0　　　0x00 2000～0x00 2001
　　USB接口 占用Zone1　　　0x00 4000～0x00 4001
　　FLASH 占用Zone2　　　0x08 0000～0x0F FFFF
　　DSP的时钟由27MHz晶体振荡器提供，它同时给Z1510、CPLD和DSP提供时钟，可以较好地保证系统操作的同步。晶振的输出电压一般为5V或3.3V，TMS320 F2812的外接时钟信号电压不应超过1.8V，因此需要在时钟信号线上串、并联电阻进行分压。CPLD虽然外接3.3V的I/O电压，但它可以承受5V的时钟电压，因此可将时钟信号直接输入。
　　由于本系统采用专门的视频压缩芯片，CPLD主要完成一些逻辑仲裁、地址解码逻辑、控制信号的产生等，无需进行一些较复杂的运算，因而选用内核电压和I/O电压均为3.3V且具有128个宏单元的EPM7128AE来实现。
1.3 接口单元
　　Z1510在进行标准的MPEG-1音视频压缩时，系统比特率一般在1.5Mbps以下。虽然最高速度12Mbps的USB1.1里的开销包括了命令包、帧标记和握手协议传输等，但仍可达2Mbps的系统比特率，可以满足系统设计需要。在综合考虑性价比后，选用了Philips公司的USB1.1接口芯片PDIUSBD12。PDIUSBD12看起来就像是一个带八位数据总线和一个地址位的存储器，它提供的微处理器接口可以兼容大部分的DSP环境，其接口信号包括八位数据线D0～D7和ALE、A0、、、、，USB控制器可以分为地址/数据复用模式或单地址/数据模式，如表1所示。DSP的数据地址总线是分离的，USB控制器采用单地址/数据总线模式更容易与DSP接口。

2 软件设计
　　本系统的软件设计主要分两大部分：对硬件的初始化(SAA7113、Z1510)和PC机与系统的实时通信。系统上电后，由电源输出端的RC电路触发CPLD里的D触发器，对DSP进行复位，然后由DSP对其它器件进行复位和初始化。
2.1 硬件初始化
　　对SAA7113的初始化可通过将DSP的McBSP用作通用I/O脚模拟I²C总线来实现，DSP作为主器件，SAA7113作为从器件,用McBSP的CLKR模拟SCL,FSR模拟SDA。首先设置DSP的GPFMUX寄存器的相应位为0，使CLKR和FSR用作通用I/O脚；然后设置GPFDIR和GPFDAT寄存器的相应位以改变CLKR和FSR的输入输出方向和高低电平，GPFDIR.bit=0时为输入，相反为输出；GPFDAT.bit=0，同时引脚为输出时为低电平，相反为高电平。通过CLKR和FSR管脚的高低电平的变化和输入输出状态的切换可以实现I²C协议。
　　Z1510的驱动分为复位、代码下载、内部寄存器配置以及数据获取四个阶段。复位后，Z1510内部的配置和状态寄存器复位到默认状态，所有输出信号处于高阻状态，SDRAM视频缓存内容清零。具体包括硬复位和软复位两种，硬复位需要拉低Z1510的RESET_N的电平，软复位可以通过写0x55到Soft_reset寄存器(地址0x08)来实现。
　　系统进行硬复位需要注意的是，上电到时钟稳定后，RESET_N至少要被拉低250微秒，然后主机才设置Int_enable ^[6]寄存器，使能RDY中断。TMS320F2812等Z1510产生一个RDY中断后写0x20到中断清除寄存器0x0F，清除RDY中断，然后写0x6E到视频编码核时钟寄存器0x0A，设定其内部DSP压缩核工作频率为94.5MHz。
　　系统在开始工作之前，还要进行一个软复位过程。TMS320F2812先向Z1510的Soft_reset寄存器(地址0x08)写0x55，等待至少1微秒后，设置Int_enable ^[6]寄存器，使能RDY中断，等Z1510产生一个RDY中断后，清中断，完成软复位，开始代码加载。
　　在Z1510内部寄存器有一段程序空间，这段空间以块为单位，每块的大小是256字节。其中，DSP核程序空间为0x280～0x2BF(64 banks)，视频编码核的二进制代码的装载空间为0x000～0x004和0x00C等六个块。装载步骤如下：
　　(1)向Z1510内部寄存器0x2E写入0x01，表示外部的SDRAM是1M×16bit；
　　(2)向0x0C寄存器写0x03，使能FIFO Ready和End of Data中断；
　　(3)向0x11寄存器写0x18，设定工作模式为内部内存写模式；
　　(4)向0x10写0x20，设定Z1510的FIFO满为256字节；
　　(5)向0x08寄存器写0x04，发送开始命令；等待Ready中断，然后清除Ready中断；
　　(6)向Data _in寄存器0x01写256个字节数据；等待End of Data中断，然后清除中断；
　　(7)查程序空间的代码是否装载完毕，如没有，回到(5)继续装载。
　　通过设定Z1510内部工作寄存器的特定状态可以使其工作在特定的模式，在本系统中设定Z1510工作在LAVE模式，在此模式下，Z1510从音频和视频A/D转换器获取数据并压缩为MPEG-1码流。Z1510正常工作后，输出MPEG-1码流。其输出码流要经过输出端口FIFO缓冲，每当FIFO写入超过半门限时，产生中断FRDY(FIFO Ready)通知DSP，DSP通过读寄存器DATA_out(0x00)取走数据，其半门限可由ThreshHold寄存器设定，最大256字节。FIFO满后，DSP连续读寄存器256次可以取走数据。Z1510的驱动流程见图2。

2.2 接口程序设计
　　在设计开发一个USB外设的时候，主要需要编写三部分程序：①固件程序;②USB驱动程序;③客户应用程序。固件编程主要完成PDIUSBD12的驱动，使DSP系统与外部系统进行数据交换。
　　PDIUSBD12有三个端点，即端点0、端点1和端点2，在设计中使用端点1和端点2进行上位计算机与DSP之间的命令和数据传输。端点1和端点2设置成模式0，其中端点1进行命令的传输和应答，端点2用于数据的传输。端点1接收上位计算机发送过来的8字节的读写指令，指令正确回应后，使用端点2通过FIFO返回或接收数据。
　　在Win32系统中，每一个设备对象都抽象为文件。在应用程序设计中，只需通过几条简单的文件操作API函数，就可以实现与某个设备通信。主要使用的API函数有DeviceIOControl()、ReadFile()、WriteFile()。其中，DeviceIOControl()用于PC机(主机)向图像压缩系统发送请求；ReadFile()和WriteFile()分别用于从图像压缩系统中读出数据和写入数据。在设计过程中必须注意的问题是：由于USB接口是主-从方式的接口，它的一切传输都必须通过主机向外设发送请求后才能进行，所以在使用ReadFile()、WriteFile()读写数据之前，必须先通过DeviceIOControl()向图像压缩系统发送请求，系统接收请求后才能读写数据，开始进行音视频压缩。
　　该音视频压缩系统具有较好的功能扩展性，正如前面所介绍的，由于Z1510具有多种工作模式，在系统初始化时可根据所需工作模式加载不同的代码，对相应的寄存器进行不同的初始化，通过改变工作模式，可完成单独的视频压缩、音频压缩、静态非压缩或压缩图像获取(PC CAMERA)等多种功能。如再在系统中设计大容量FLASH，还可升级为独立的音视频压缩记录系统。
参考文献
1 SAA7113 DataSsheet. Philips, 1999
2 Z1510DataSheet. Emblaze Semiconductor, 2001
3 TMS320F2812 Data Manual. Texas Instruments， 2003
4 褚振勇，翁木云.FPGA设计及应用.西安:西安电子科技大学出版社, 2003