基于Z1510與A/D轉換單元的音視頻壓縮系統的設計

隨著計算機、多媒體和數據通信等技術的高速發展，對計算機音視頻的需求和應用越來越多，如視頻監控、視頻會議等。計算機音視頻提供給人的信息很多，但其數據量很大，不利于傳輸和存儲，從而使其應用受到不少限制。為解決音視頻數據的存儲和傳輸，唯一的途徑就是對音視頻數據進行壓縮。

基于Z1510專用音視頻壓縮芯片設計的具有USB接口的實時MPEG-1音視頻壓縮卡，較傳統的PCI接口的MPEG-1音視頻卡具有支持熱插拔和即插即用等特點，同時該系統還具備很好的可擴展性。本文就來介紹這個系統的設計與實現。

1 硬件設計

本系統主要由音視頻A/D轉換單元、音視頻壓縮單元、系統控制單元和UBS接口單元四大部分組成，如圖1所示。模擬音視頻信號經AK4550、SAA7113音視頻A/D轉換器后送入Z1510音視頻壓縮芯片，壓縮編碼后生成的MPEG-1碼流經USB端口輸出。整個壓縮系統的控制由TMS320F2812和EPM7128AE共同完成，壓縮后的數據通過USB接口芯片PDIUSBD12輸出。

1.1 音視頻壓縮部分的電路設計

本系統中的MPEG-1壓縮芯片選用以色列Emblaze Semiconductor公司的Z1510。Z1510是一款高性能低成本的音視頻壓縮編碼芯片，它可完成MPEG-1音視頻壓縮、MJPEG視頻編碼以及全分辨率靜態圖像捕獲，還可對CD-ROM和VCD進行格式化。Z1510壓縮芯片有三種系統配置（Master、Direct-data、Indirect-data），總共有20余種工作模式，不同的工作模式可通過加載不同的代碼來實現。

Z1510的音視頻輸入是通過視頻端口和串行接口完成的。視頻輸入端口主要接收視頻A/D轉換器產生的ITU-R BT.601或ITU-R BT.656格式的數字視頻信號和相應的時鐘同步信號。Z1510有五個串行端口，包括三個輸入端口（Audio0、Audio1和CD-Drive）和兩個輸出端口（CD-Drive和SVCD decoder），每一個端口均可作為主設備端口和從設備端口，本系統中應用的Audio1端口作為主設備端口，接收未壓縮的數字音頻信號，同時為音頻A/D轉換器提供相應的同步時鐘信號。

Z1510的主時鐘信號頻率為穩定的27MHz，該時鐘信號頻率在芯片內部被PLL1倍頻為81MHz，驅動Z1510的視頻壓縮內核及SDRAM。而PLL2連接到DSP內核，該PLL由軟件配置PLL寄存器，工作在94.5MHz，用于音頻壓縮和系統數據流復合。系統主時鐘由一個27MHz的晶體振蕩器直接提供，該晶振同時也為EPM7128AE和TMS320F2812提供時鐘信號。

在Z1510進行MPEG-1壓縮時，它是工作在LAVE（Live Audio Video Encoding）模式。在此模式下，Z1510只能配置為間接工作（Indirect-data）狀態，此時Z1510作為從設備，受主機控制，主機可以通過其HOST接口訪問它內部的配置和狀態寄存器，并且可以通過局部FIFO獲得壓縮后的視頻碼流。

Z1510的HOST接口的主要信號有：

·HAD[150] 數據總線；

·HCONFIG[9，8] 總線數據類型選擇；

·HWR_N，HRD_N 讀寫控制，HCS_N器件片選信號；

·HALE在復用總線模式下，鎖定低8位地址HAD[7～0]；在非復用總線模式下，指示當前數據總線上發送的是寄存器地址還是寄存器數據。

·HINT_N 中斷請求信號，低電平有效。

在存儲空間分配中，Z1510分在TMS320F2812外部拓展存儲空間（XINTF）的0區（0x00 2000～0x00 3FFF），因此需將HALE管腳在CPLD內部通過進位鏈與DSP的A0相連，而片選信號HCS_N需由A12、A13、A14、A15和DSP的信號經譯碼實現，HWR_N和HRD_N信號由A12、A13、A14、A15和DSP的信號經譯碼實現。

1.2 系統控制單元

本系統使用TI公司的TMS320F2812和Altera公司的MAX7000系列的EPM7128AE實現系統的管理和控制。TMS320F2812是基于TMS320C28xTM DSP內核的芯片，時鐘頻率高達150MHz，具有18K的SARAM和128K的片內Flash，另外還具有1M的外部擴展存儲空間（XINTF）。TMS320F2812的外部擴展存儲空間只可用作數據空間或程序空間，不支持I/O空間，它分為0、1、2、6、7五個區，沒有DS、PS、IS三個信號線，取而代之的是三個區選信號，其中0區和1區共用一個區選信號，6區和7區共用一個區選信號，在設計中，由于SAA7113的片選信號直接拉高，而它的配置是通過TMS320F2812的GPIO模擬I2C總線實現的，因此不占用存儲空間；Z1510的控制接口地址與數據復用和USB接口芯片PDIUSBD12一樣，都只有一個地址位（占用兩個位置）；只有外界FLASH芯片MBM29LV800（512K×16位）占用存儲空間較多，因此系統主要存儲空間分配如下：

Z1510 占用Zone00x00 2000～0x00 2001

USB接口 占用Zone10x00 4000～0x00 4001

FLASH 占用Zone20x08 0000～0x0F FFFF

由于本系統采用專門的視頻壓縮芯片，CPLD主要完成一些邏輯仲裁、地址解碼邏輯、控制信號的產生等，無需進行一些較復雜的運算，因而選用內核電壓和I/O電壓均為3.3V且具有128個宏單元的EPM7128AE來實現。

1.3 接口單元

Z1510在進行標準的MPEG-1音視頻壓縮時，系統比特率一般在1.5Mbps以下。雖然最高速度12Mbps的USB1.1里的開銷包括了命令包、幀標記和握手協議傳輸等，但仍可達2Mbps的系統比特率，可以滿足系統設計需要。在綜合考慮性價比后，選用了Philips公司的USB1.1接口芯片PDIUSBD12。PDIUSBD12看起來就像是一個帶八位數據總線和一個地址位的存儲器，它提供的微處理器接口可以兼容大部分的DSP環境，其接口信號包括八位數據線D0～D7和ALE、A0、、、、，USB控制器可以分為地址/數據復用模式或單地址/數據模式，如表1所示。DSP的數據地址總線是分離的，USB控制器采用單地址/數據總線模式更容易與DSP接口。

2 軟件設計

本系統的軟件設計主要分兩大部分：對硬件的初始化（SAA7113、Z1510）和PC機與系統的實時通信。系統上電后，由電源輸出端的RC電路觸發CPLD里的D觸發器，對DSP進行復位，然后由DSP對其它器件進行復位和初始化。

2.1 硬件初始化

對SAA7113的初始化可通過將DSP的McBSP用作通用I/O腳模擬I2C總線來實現，DSP作為主器件，SAA7113作為從器件，用McBSP的CLKR模擬SCL,FSR模擬SDA。首先設置DSP的GPFMUX寄存器的相應位為0，使CLKR和FSR用作通用I/O腳；然后設置GPFDIR和GPFDAT寄存器的相應位以改變CLKR和FSR的輸入輸出方向和高低電平，GPFDIR.bit=0時為輸入，相反為輸出；GPFDAT.bit=0，同時引腳為輸出時為低電平，相反為高電平。通過CLKR和FSR管腳的高低電平的變化和輸入輸出狀態的切換可以實現I2C協議。SAA7113的初始化就是對寄存器配置合適的參數，使其能夠有符合要求的輸出。寄存器配置通過I2C總線來進行，很多可以控制I2C總線的器件都可以作為主器件對7113進行初始化，這里介紹用51單片機初始化7113的例子。

系統在開始工作之前，還要進行一個軟復位過程。TMS320F2812先向Z1510的Soft_reset寄存器（地址0x08）寫0x55，等待至少1微秒后，設置Int_enable [6]寄存器，使能RDY中斷，等Z1510產生一個RDY中斷后，清中斷，完成軟復位，開始代碼加載。SAA7113是一種視頻解碼芯片，它可以輸入4路模擬視頻信號，通過內部寄存器的不同配置可以對4路輸入進行轉換，輸入可以為4路CVBS或2路S視頻（Y/C）信號，輸出8位“VPO”總線，為標準的ITU 656、YUV 4：2：2格式。7113兼容PAL、NTSC、SECAM多種制式，可以自動檢測場頻適用的50或60Hz，可以在PAL、NTSC之間自動切換。7113內部具有一系列寄存器，可以配置為不同的參數，對色度、亮度等的控制都是通過對相應寄存器改寫不同的值，寄存器的讀寫需要通過I2C總線進行。7113的模擬與數字部分均采用+3.3V供電，數字I/O接口可兼容+5V，正常工作時功耗0.4W, 空閑時為0.07W。7113需外接24.576MHz晶體，內部具有鎖相環（LLC），可輸出27MHz的系統時鐘。芯片具有上電自動復位功能，另有外部復位管腳（CE），低電平復位，復位以后輸出總線變為三態，待復位信號變高后自動恢復，時鐘丟失、電源電壓降低都會引起芯片的自動復位。7113為QFP44封裝。

在Z1510內部寄存器有一段程序空間，這段空間以塊為單位，每塊的大小是256字節。其中，DSP核程序空間為0x280～0x2BF（64 banks），視頻編碼核的二進制代碼的裝載空間為0x000～0x004和0x00C等六個塊。裝載步驟如下：

（1）向Z1510內部寄存器0x2E寫入0x01，表示外部的SDRAM是1M×16bit；

（2）向0x0C寄存器寫0x03，使能FIFO Ready和End of Data中斷；

（3）向0x11寄存器寫0x18，設定工作模式為內部內存寫模式；

（4）向0x10寫0x20，設定Z1510的FIFO滿為256字節；

（5）向0x08寄存器寫0x04，發送開始命令；等待Ready中斷，然后清除Ready中斷；

（6）向Data _in寄存器0x01寫256個字節數據；等待End of Data中斷，然后清除中斷；

（7）查程序空間的代碼是否裝載完畢，如沒有，回到（5）繼續裝載。

通過設定Z1510內部工作寄存器的特定狀態可以使其工作在特定的模式，在本系統中設定Z1510工作在LAVE模式，在此模式下，Z1510從音頻和視頻A/D轉換器獲取數據并壓縮為MPEG-1碼流。Z1510正常工作后，輸出MPEG-1碼流。其輸出碼流要經過輸出端口FIFO緩沖，每當FIFO寫入超過半門限時，產生中斷FRDY（FIFO Ready）通知DSP，DSP通過讀寄存器DATA_out（0x00）取走數據，其半門限可由ThreshHold寄存器設定，最大256字節。FIFO滿后，DSP連續讀寄存器256次可以取走數據。Z1510的驅動流程見圖2。

2.2 接口程序設計

在設計開發一個USB外設的時候，主要需要編寫三部分程序：①固件程序；②USB驅動程序；③客戶應用程序。固件編程主要完成PDIUSBD12的驅動，使DSP系統與外部系統進行數據交換。

在Win32系統中，每一個設備對象都抽象為文件。在應用程序設計中，只需通過幾條簡單的文件操作API函數，就可以實現與某個設備通信。主要使用的API函數有DeviceIOControl（）、ReadFile（）、WriteFile（）。其中，DeviceIOControl（）用于PC機（主機）向圖像壓縮系統發送請求；ReadFile（）和WriteFile（）分別用于從圖像壓縮系統中讀出數據和寫入數據。在設計過程中必須注意的問題是：由于USB接口是主-從方式的接口，它的一切傳輸都必須通過主機向外設發送請求后才能進行，所以在使用ReadFile（）、WriteFile（）讀寫數據之前，必須先通過DeviceIOControl（）向圖像壓縮系統發送請求，系統接收請求后才能讀寫數據，開始進行音視頻壓縮。

該音視頻壓縮系統具有較好的功能擴展性，正如前面所介紹的，由于Z1510具有多種工作模式，在系統初始化時可根據所需工作模式加載不同的代碼，對相應的寄存器進行不同的初始化，通過改變工作模式，可完成單獨的視頻壓縮、音頻壓縮、靜態非壓縮或壓縮圖像獲?。≒C CAMERA）等多種功能。如再在系統中設計大容量FLASH，還可升級為獨立的音視頻壓縮記錄系統。