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基于ADSP-BF561的多媒体调度终端

归档日期:04-13       文本归类:多处理器调度      文章编辑:爱尚语录

  现代调度指挥系统正在企业逐步普及,如何利用原有调度设备和网络平滑升级是一个值得关注的问题,使用多媒体调度终端是一个较好的解决方案。介绍了整机硬件电路组成和工作原理,给出了软件层次架构,说明了采用的关键技术。本终端无须改变现有网络结构和增添额外设备,即可高效率、高质量的传送调度指挥信号。

  调度指挥是安全生产管理中不可缺少的环节,传统调度指挥是基于语音信号传送,而现代调度指挥必须是基于多媒体信号传送。为配合完成现代调度指挥,适应安全生产管理形势发展的新要求,需开发研制新一代多媒体调度指挥系统和终端。

  多媒体调度指挥系统是指在保留传统调度机调度功能的基础上,实现语音指挥、数据传送、视频会议、视频监控等多媒体方式的操作功能。无论在功能方面还是在扩容性方面,均具有传统调度系统无法比拟的先进性,整个系统未来还可以向下一代通信网络(NGN)进行平滑过渡,最终实现融合调度指挥系统。

  传统调度方式是基于PSTN话音网,以TDM电路交换为主,只能提供64k业务,并且业务和控制都由数字程控交换机完成。目前,这种传统调度方式还在各个行业的调度领域中广泛应用。但是,随着行业信息化程度的不断提高,用户对业务的需求已不再局限于基本的语音和低速的数据业务,用户希望可以通过各种终端,在任何地点、任何时间都能够实现高速接入方式,享受个性化、多媒体、综合性的业务服务。因此,各行各业均已开始对传统PSTN调度设备进行更新改造。少部分对信息化需求较为迫切的企业,已经开始将PSTN设备全部更换,直接采用基于IP网络的融合调度方式;但大部分资金尚不充裕的企业,则采用逐步替代策略,即适当增加新技术设备,同时利用原有网络与设备,实现多媒体调度方式。

  多媒体调度方式不但支持传统的电话呼叫和会议等语音通信方式,还可以通过系统向终端发布指令消息,并能够通过摄像头、电子眼等各种专用终端实现视频和图片的采集,同时实现数据的上传和下载,解决了以往调度过程中的“只闻其声,未见其人”的问题,使调度指挥员能够实时掌握生产现场的第一手资料,并可以根据现场视频、采样数据等进行准确的判断并做出决策。此外,通过多媒体调度方式,用户还可以将各种业务运营软件系统与多媒体调度指挥系统对接,实现数据自动处理,并能够根据预案自动进行调度信息发布。多媒体调度指挥系统还可以根据需要,通过数据采集器连接各种传感器、控制器等设备,实现指挥控制的自动化。

  由于多媒体调度是基于IP网络,这就具备了与各种通信网络进行融合的条件。因此,多媒体调度系统可逐步实现与IP、PSTN、GSM、3G、WiFi、模拟集群,数字集群等多种通信网络的无缝融合,保证用户在复杂环境下的通信通畅。实现融合调度通信,除了需要具备较强的技术实力之外,多种通信设备和产品之间的融合也较为重要。因此,对供应商的产品提出了更高要求。由于整体方案的复杂性,而且供应商需要

  根据行业客户的实际需求进行定制研发,包括软件系统的对接等方面。因此,目前真正意义上具备融合调度通信能力的企事业单位还较少。

  多媒体调度指挥系统中使用的关键设备主要是多媒体调度终端,它采用先进的数字信号处理器技术,包括视频的编码、解码以及图像显示、语音传输等全部实行数字化处理。传统调度方式中,用户桌面一般要放置两个终端设备,一个是电话机,用于连接语音调度指挥系统;另一个是视频监控电脑,用于连接视频监控系统。本文提出的多媒体调度终端可以取代这两个设备,利用现有电话线和网线,实时传送语音信号、数据信号和视频信号,能够高效、高质量地完成安全生产应急管理的调度指挥。

  多媒体调度终端的整机电路分为采集单元、显示单元、语音单元、网络单元和电源单元五部分,如图1所示。采集单元用于音视频信号的采集、数字化压缩编码,包括摄像头、视频采集板和数字图像编码板等电路和器件;显示单元用于视频信号的还原和显示,包括LCD显示屏、显示板、数字图像解码板等电路和器件;语音单元用于双向和多方通话,包括语音板、咪头、扬声器、手柄、键盘等话机电路和器件;网络单元包含1个以太网交换机,以及1个外部网口和2个内部网口,工作在全双工方式,能同时连通多对端口,使每一对相互通信的端口都能象独占通信媒体那样无冲突地传输数据;电源单元用于向各单元电路分配电源,包括电源分配、电源控制等电路。

  语音信息经语音单元抽样、量化、编码后,通过电话线传送到数字程控交换机,同时送到数字图像编码板。现场视频信息由摄像头采集,与语音信息一同经数字化压缩编码后,通过网络接口以IP包形式传送到调度中心的视频服务器。在反方向,来自视频服务器的IP包经网络接口送至数字图像解码板进行解压缩,变成模拟视频信号后,再送到LCD显示屏进行图像显示。由此可以实现点对点视频通话、点对点监控、多组多点视频会议等功能。

  在多媒体调度系统中,语音信号与视频信号是分离的,走不同的通道。语音信号走电话线,进入调度指挥系统的电话交换主机,在电话交换主机内进行语音交换和多方会议的混音;视频和数据信号走IP网络,在多媒体调度系统的视频服务器中进行数据交换。另外,在多媒体调度终端内,语音和视频信号是同时压缩和编码的,编码后的数据在视频服务器内可进行录音录像。这种方式是多媒体调度系统和本终端的重要特点,它既保证了多媒体调度系统内语音的质量和连续性,又保证了视频流和传感器数据的大数据传输。

  网络层采用IP协议,负责两个终端之间的数据传输,由于采用无连接的数据包,网络将根据IP地址把数据送到对方,但不保证传输的准确性。

  在IP上层的传输控制协议TCP能保证数据可靠传送,发现误码就重新发送,因此,对误码率要求高的数据传送可以采用TCP协议,但在实时性要求较高的应用场合,则不适用;此时,应使用用户数据报协议UDP。UDP采取了无连接传输方式,它的协议简单,可以用于音视频的实时信息流。因为较少的等待时间对实时信息传输而言,比误码纠正更为重要,因此,传输时如果有误码,则把该包丢掉,对实时音视频而言,丢掉少量带有错误的信息包并不影响视听的效果;另外,每个UDP包均加上一个包含时标和序号的报头,在接收端配以适当的缓冲,那么它就可以利用时标和序号信息“复原、再生”数据包,记录失序包,同步语音、图像和数据,从而改善接收端连续重放效果。

  实时传输协议RTP在UTP的上层,相当于会话层,提供同步和排序服务,对网络的带宽、时延、差错有一定的自适应性,其数据包头中包含一些控制信息,以保证实时的数据传送。

  RTP上面的实时控制协议RTCP主要用于监视带宽和延时,它定期将包含服务质量信息的控制信息包分发给所有通信节点。一旦所传送的多媒体信息流的带宽发生变化,接收端立即通知发送端,改变识别码和编码参数。

  视频信息的编解码采用H.264标准。H.264是一种高性能的视频编解码技术,其编码算法具有非常高的编码效率,在相同图像质量条件下,能够比H.263/MPEG-2节约50%左右的码率,并且能够在低码率情况下提供连续、流畅的高质量图像;此外,网络适应性强,可在不同网络上传输。H.264的编解码流程主要包括5个部分:帧间和帧内预测、变换和反变换、量化和反量化、环路滤波、熵编码。

  多媒体调度终端中采用的关键技术主要体现在数字图像编码板和解码板上。数字图像编码板的电路原理如图2所示,其中包括数字信号处理器、视频解码器、音频解码器、以太网控制器、网络隔离变压器、FLASH存储器、DRAM存储器、开关型稳压电源等;数字图像解码板的电路原理基本同图2所示,只是其中没有音频解码器,而且视频解码器替换为视频编码器(SAA7121)。下面重点介绍数字图像编码板电路。

  数字图像编码板电路中的核心器件是数字信号处理器,即DSP。这里选用Blaekfin产品家族中的ADSP BF561处理器作为DSP,该器件内部包括两个独立的处理器核,每个处理器核包含有2个16位MAC,2个40位ALU,4个8位视频ALU,以及1个40位移位器。

  ADSP BF561的双核处理器相互独立,因此,设计时可以根据应用分配两个处理器内核的任务,而且两个内核在执行指令上是相同的。两个处理器内核可以分别用于运行嵌入式操作系统和信号处理。

  ADSP BF561把存储器视为一个统一的4GB地址空间,使用32位地址。所有资源,包括内部存储器、外部存储器和I/O控制寄存器,都占据公共地址空间的各自独立的部分。此地址空间的各部分存储器按分级结构排列,以提供高的性能价格比。内部存储器分为L1和L2两部分,通过外部总线接口单元(EBIU),外部存储器可以由FLASH、DRAM和SRAM进行扩展,可以访问多达768MB的物理存储器。存储器的DMA控制器提供高带宽的数据传输能力,能够在内部L1/L2和外部存储器空间之间完成代码或数据的块传输。

  ADSP BF561接口方便、功能强大,并具有易于控制的两个视频输入/输出口,可支持ITUR656视频数据格式,同时包含有可方便使用的DMA控制器和UART接口,以及数量众多的GPIO。

  ADSP BF561提供可直接与并行A/D和D/A转换器、视频编码器和解码器以及其它通用外设连接的并行接口(PPI)。PPI包括1个专用时钟引脚、多达3个帧同步引脚和多达16个数据引脚。在ITUR656视频数据格式下,PPI提供8或10位视频数据的半双工、双向传输。

  ADSP BF561除了包含满足典型系统的外设接口外,还包含用于各种音频、视频和调制解调编解码功能的高速串行和并行端口。ADSPBF561提供的用于高端消费类音频产品的串口(SPORT)具有两个发送和接收通道,以支持I2S数据格式。本电路中利用SPORT实现DSP与语音板的通信。

  在数字图像编码板电路中,从视频采集板传送过来的模拟视频信号需转换成为符合ITUR656标准的数字信号(即A/D解码),才可方便地利用DSP来进行数字信号压缩处理。本电路采用美国TI公司的超低功耗TVP5150芯片来对模拟视频信号进行A/D转换。

  TVP5150是一颗使用简易、超低功耗、封装极小的数字视频解码器。使用单一14.31818MHz时钟就可以实现PAL/NTSC/SECAM等多种制式的解码,可以接收两路复合视频信号(CVBS)或一路SVideo信号。通过单片机I2C总线设置内部寄存器,调整图像参数(如色调、对比度、亮度、饱和度和锐度等),选择信号AIP1A和AIP1B输入到内部;AGC电路使得芯片可以支持最高1.5 Vpp的信号电压,并使输入信号达到ADC的最大量程,9位的ADC按内部PLL时钟输出像素数据;转换后的数字信号经过梳状滤波器进行Y、C分离,再进一步分离成U、V信号,最终经过格式转换输出符合ITUR656标准的、内嵌同步信号的8位数字视频信号。

  音频解码器AIC23B主要完成模拟信号采集、滤波、A/D转换等功能。AIC23B是美国TI公司推出的一款高性能的立体声音频编解码芯片,支持MIC和LINE IN两种输入方式,且对输入和输出都具有可编程增益调节。AIC23B采用先进的Sigmadelta过采样技术,可在8K到96K频率范围内提供16 bit、20 bit、24 bit和32 bit的采样,内部ADC和DAC的输比出信噪比分别可以达到90 dB和100 dB。

  AIC23B具有11个可编程控制的寄存器,通过不同的设置,可以改变芯片的工作状态。AIC23B与DSP的接口有两个:一个是控制口,用来设置芯片的工作状态;另一个是数据口,用来传输A/D转换后的数据以及等待D/A转换的数据。控制接口具有两种工作方式,分别为3线线C方式,由MODE引脚进行选择:当MODE=0时选择I2C工作方式,当MODE=1时选择SPI工作方式,本电路采用I2C方式。AIC2 3B的数据接口有4种工作方式,分别为左对齐模式、右对齐模式、J2S模式和DSP模式,本电路采用DSP模式。

  本终端基于现有的语音调度交换网络设计,无须改变现有网络结构,语音信号保持在现有的电路交换网络上,在保证不损失现有调度功能的同时,通过计算机网络线附加提供清晰流畅的视频图像。视频调度功能内置于本终端,无须外挂额外的设备就可以完成点对点的视频通信。带宽要求低,采用H.264视频编解码技术,针对视频传输同步进行优化,确保了在各种带宽环境下给用户提供高清晰、全动态、全实时的图像。本终端已实际应用于一些大型冶金企业。

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