基于DM8168和CPCI接口的音視頻處理板卡設計

邵春偉，王小龍，薛 培

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214072）

1 引言

隨著集成電路技術、電子技術的飛速發展，圖像處理、語音處理等技術也日新月異，這些新技術在工業領域中得到了越來越廣泛的應用。在一些工業場合，需要對現場環境的視頻、音頻進行實時的采集、存儲，同時又能夠進行實時傳輸，其中，支持單路1080P 30幀視頻采集的DM368平臺得到了廣泛應用。但由于多路音視頻信號的數據量非常大，不便于進行采集、存儲和傳輸；經過壓縮之后的數據雖然便于存儲，但是不便于傳輸。隨著技術的進步，支持多路數據采集的DM8168平臺、高壓縮比及高質量的音視頻數字化壓縮算法應運而生，在保證音視頻質量的基礎上，將數據量巨大的音視頻數據進行壓縮后，非常便于存儲和傳輸。本文采用DM8168平臺，支持兩路視頻數據采集、H.264[1]編碼、存儲和傳輸，并選用CPCI[2]連接器，保證其可靠性及可維護性，滿足現代工業需求。

2 系統組成

本文設計的音視頻處理板卡以TI公司的達芬奇[3]處理芯片DM8168為系統核心，可同時進行全高清H.264編解碼、圖像智能識別應用。板卡主要由高清和標清視頻采集、音頻采集回放、DDR3模塊、千兆網絡模塊、高清和標清視頻回放、CPCI接口、系統電源等6個模塊組成，總體結構如圖1所示。高清和標清視頻采集模塊負責采集外部的HD-SDI高清視頻信號和CVBS視頻信號，并轉換成BT656/BT1120數字視頻信號。DM8168集成了視頻編解碼功能，可將數字視頻信號進行壓縮，同時也可將壓縮后的視頻碼流進行解壓縮處理。音頻采集回放模塊負責對音頻信號進行采集回放。千兆網口可以用于發送和接收經板卡壓縮后的音視頻碼流。高清和標清視頻回放模塊負責回放解壓后的視頻信號。CPCI接口集成了音視頻處理板卡上需要使用的信號，并連接到外部接插件上。系統電源為整個板卡供電，保證各模塊正常工作。

圖1 音視頻處理板卡硬件框圖

3 音視頻處理板卡硬件設計

3.1 視頻采集、回放硬件設計

由圖2中可以看出，視頻采集部分主要由HD-SDI視頻解碼芯片 GV7601、CVBS解碼芯片TVP5150以及DM8168的2個Video Port端口組成。GV7601的作用是將HD-SDI高清信號轉換成BT1120數字視頻信號，該信號由D0～D15、PCLK共17個信號組成，并且內嵌了數字視頻同步信號。TVP5150的作用是將CVBS視頻信號轉換成BT656數字視頻信號，該信號由D0～D7、PCLK共9個信號組成，也內嵌了數字視頻同步信號。BT1120和BT656數字視頻信號可以被DM8168[4]的Video Port端口識別并采集。

圖2 視頻采集模塊設計

DM8168芯片內部具備CVBS[5]標清輸出信號，可以使用該信號作為標清的視頻回放輸出。由于其不具備HD-SDI視頻輸出功能，因此使用DM8168芯片的VOUT[0]數字視頻輸出接口和GV7600配合實現該功能，具體實現如圖3所示。

圖3 HD-SDI視頻回放模塊設計

DM8168的VOUT[0]數字視頻接口支持最大165 MHz的16/24/32 bit的RGB/YCbCr數字視頻輸出，可以直接連接到GV7600相應輸入接口來實現HD-SDI視頻輸出。

芯片配置說明：HD-SDI視頻輸入輸出部分使用的GV7601、GV7600一般只需要外部電平配置正確即可正常工作，自動實現高清信號識別。TVP5150正常工作前，需要使用I2C總線對其進行工作模式的初始化。

3.2 音頻、網絡、DDR3存儲器硬件設計

音頻采集回放部分使用了一片TI公司的TLV320AIC3106音頻專用芯片，該芯片通過I2S接口和DM8168連接，本設計中使用了TLV320AIC3106的音頻輸入和輸出接口各1路。網絡接口則使用了2片ET1011C網絡芯片，該芯片支持10/100/1000 Mbit的傳輸速度。板上集成了千兆網絡變壓器，通過2路千兆網絡，支持高帶寬數據的網絡傳輸。DM8168具備2組32位的內存控制總線，它可以尋址的總地址為2GB，支持的DDR2/DDR3位寬可以是16位或32位。該板卡上共搭載了4片16位寬的DDR3顆粒，每片顆粒容量達到了256 MB，整個系統內存為1 GB。DDR3的部分電路如圖4所示。

圖4 DDR3存儲器部分電路

3.3 CPCI接口硬件設計

CPCI(Compact PCI)是國際工業計算機制造者聯合會提出的一種總線接口標準。在電氣特性上，CPCI總線以PCI電氣規范為基礎，同時在接口等方面做了重大改進。在機械結構上，CPCI總線結構使用了歐卡連接器和標準3U、6U板卡尺寸，由于其良好的抗震性和通風性且支持熱插拔，廣泛應用于雷達、飛行器等空間探測領域。目前工控設備上所使用的CPCI接口板卡一般有3U和6U兩種規格，按插卡方式又可分為前插板和后插板。本文討論的核心就是3U規格的CPCI接口后插板。

本設計中將板卡所需要和外部設備連接的信號都集中到CPCI接口中，涵蓋的信號包括：PCIe信號、HD-SDI視頻輸入/輸出信號、CVBS視頻輸入/輸出信號、音頻輸入/輸出信號、千兆以太網信號、SATA信號、USB信號、電源信號等。CPCI接口使用了2個CPCI插座，將所需要引出的信號合理分布于這2個CPCI插座中。同時為了滿足3U規格板卡的要求，PCB尺寸也按照3U的板卡規格來設計。

在PCB布板過程中，對于PCIe信號、SATA信號、千兆以太網、USB信號等高速差分信號均做了差分走線，并做了等長處理和阻抗控制。

3.4 系統電源硬件設計

音視頻處理板正常工作時，DM8168以及外圍芯片需要 3.3 V、1.0 V、0.9 V、1.8 V、1.5 V 等多種直流電源，然而該板卡的輸入電源是12 V直流電源，因此板子上需要設計多路二次電源，需要提供的二次電源及電流要求如表1所示。

本設計中，使用了TI公司的TPS54620RGYR、TPS65001、TPS40041DRBR、CSD86330Q3D 等電源芯片來進行設計。對于DDR3芯片所需要的參考電壓，則用專用參考電壓芯片LP2996M來設計。

表1 板卡二次電源列表

3.5 PCB布局及設計

板卡PCB布局如圖5所示。

圖5 板卡PCB布局圖

音視頻處理板實物圖如圖6所示。

4 音視頻處理板卡軟件設計

DM8168作為達芬奇系列芯片，內部具有ARM處理器和DSP處理器，因此其軟件設計包括了ARM端的Linux[6]嵌入式操作系統和DSP端的算法程序。這些處理器通過共享內存進行通訊和數據共享。TI公司針對DM8168芯片開發了專用的DVR RDK軟件開發包。該板卡的軟件設計也是基于DVR RDK軟件開發包來進行的。

圖6 音視頻處理板實物圖

4.1 DM8168軟件架構

DVR RDK是一個多通道的視頻應用軟件包，它的應用包括：VPSS M3用來處理視頻采集、顯示、隔行處理、去隔行等；Video M3用來處理H.264、MPEG4、MJPEG編碼/解碼工作；DSP用來實現視頻分析等私有算法；ARM核運行Linux系統，用于系統調度、外部接口管理。本系統軟件設計時，采用MCFW（Multichannel Framework）軟件架構來實現多核之間的通信和分工合作。整體軟件架構如圖7所示。

圖7 MCFW軟件架構圖

4.2 音視頻數據軟件處理過程

由于音視頻數據量大，對數據的存儲和實時性傳輸帶來困難，因此需要將音視頻數據進行壓縮后才能進行存儲和傳輸。

對于視頻數據而言，DM8168采用了H.264的視頻壓縮算法，它在系統結構、運動估計和運動補償、變換和量化、熵編碼等部分都有很大的改進，具有很高的編碼壓縮率和適應性[8]。本系統中視頻數據的H.264編解碼是在HDVICP和視頻控制器的硬件基礎上實現的，在HDVICP上實現了H.264編解碼的核心部分。

音頻數據的處理則是通過Linux驅動的ALSA音頻框架實現的，ALSA包含內核驅動集合、API庫和工具，通過內核驅動[8]可以對TLV320AIC3106音頻芯片進行支持。音頻數據的編解碼都采用了G.711壓縮/解壓縮算法，該算法可減小語音信號的數據量，降低網絡占用的帶寬。語音采集模塊采集到的語音信號為16位的PCM數據，采樣率是8 kHz，數據量為128 kbps，采用G.711標準編解碼，可以降低50%的數據量。

由于該設計中要求2個音視頻處理板卡之間能進行雙向音視頻通訊，故采用TCP/IP網絡通訊協議進行數據通訊。其過程為將一側的音視頻信號用H.264[9]和G.711進行壓縮編碼后，碼流通過網絡TCP/IP協議傳輸到另一側板卡上進行解壓縮并進行回放處理。網絡編程使用了TCP/IP套接字編程來實現，具體流程圖如圖8所示。

圖8 TCP客戶端/服務器通訊過程

5 結論

本文介紹了基于DM8168處理器和CPCI接口的音視頻處理板卡的設計過程，詳細介紹了板卡中各個硬件模塊、軟件架構的設計細節。首先對視頻輸入輸出接口、CPCI接口、DDR3電路、二次電源等硬件部分的設計進行了詳細介紹，并給出了部分硬件框圖和原理圖。另外本文還結合板卡應用場景對軟件架構、音視頻數據軟件處理過程進行了介紹。通過實際使用和驗證，該板卡滿足整機系統所需要的兩路視頻數據采集、H.264編碼、存儲和千兆網TCP/IP網絡傳輸等各項技術指標要求。

[1]秦嶺,王煜堅,李東新,等.視頻編碼標準H.264的主要技術特點及其應用前景[J].微計算機應用,2004,25(4):449-455.

[2]韓朝輝,孟令軍,文波.基于CPCI的信號采集板卡設計[J].電子器件,2016,39(4):851-852.

[3]趙勇,袁譽樂,丁銳.DaVinci技術原理與應用指南[M].南京：東南大學出版社，2008.

[4]Texas Instruments Incorporated.DM816X AM389X VPSS video driveruserguide PSP 04.00.00.12[EB/OL].[2013-07-24].http://processors.wiki.ti.com/index.php?oldid=79736.

[5]Texas Instruments Incorporated.TMS320DM816x DaVinci video processors[EB/OL].[2013-07-11].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tms320dm8168.pdf.

[6]龔舟.基于Linux的通用視頻音頻采集系統的設計與實現[J].電腦知識與技術,2008,3(22):1-6．

[7]趙玉峰.基于嵌入式Linux的實時視頻通信的實現[J].電視技術,2012,36(19):189-192．

[8]宋寶華.Linux設備驅動開發詳解[M].北京：人民郵電出版社，2008:276-313,387-418.

[9]余兆明.圖像編碼標準H.264技術[M].北京：人民郵電出版社，2006.