基于Z1510与A/D转换单元的音视频压缩系统的设计

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。

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。

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[150] 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。

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TMS320C28xTM 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，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

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。SAA7113的初始化就是对寄存器配置合适的参数，使其能够有符合要求的输出。寄存器配置通过I2C总线来进行，很多可以控制I2C总线的器件都可以作为主器件对7113进行初始化，这里介绍用51单片机初始化7113的例子。

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。SAA7113是一种视频解码芯片，它可以输入4路模拟视频信号，通过内部寄存器的不同配置可以对4路输入进行转换，输入可以为4路CVBS或2路S视频（Y/C）信号，输出8位“VPO”总线，为标准的ITU 656、YUV 4：2：2格式。7113兼容PAL、NTSC、SECAM多种制式，可以自动检测场频适用的50或60Hz，可以在PAL、NTSC之间自动切换。7113内部具有一系列寄存器，可以配置为不同的参数，对色度、亮度等的控制都是通过对相应寄存器改写不同的值，寄存器的读写需要通过I2C总线进行。7113的模拟与数字部分均采用+3.3V供电，数字I/O接口可兼容+5V，正常工作时功耗0.4W, 空闲时为0.07W。7113需外接24.576MHz晶体，内部具有锁相环（LLC），可输出27MHz的系统时钟。芯片具有上电自动复位功能，另有外部复位管脚（CE），低电平复位，复位以后输出总线变为三态，待复位信号变高后自动恢复，时钟丢失、电源电压降低都会引起芯片的自动复位。7113为QFP44封装。

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。

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。