基于ADSP-BF561的多媒體調度終端

唐升，邱小群，黃鄧平

（1.珠海市東耀企業有限公司廣東珠海519090；2.珠海城市職業技術學院廣東珠海519090）

調度指揮是安全生產管理中不可缺少的環節，傳統調度指揮是基于語音信號傳送，而現代調度指揮必須是基于多媒體信號傳送。為配合完成現代調度指揮，適應安全生產管理形勢發展的新要求，需開發研制新一代多媒體調度指揮系統和終端。

多媒體調度指揮系統是指在保留傳統調度機調度功能的基礎上，實現語音指揮、數據傳送、視頻會議、視頻監控等多媒體方式的操作功能。無論在功能方面還是在擴容性方面，均具有傳統調度系統無法比擬的先進性，整個系統未來還可以向下一代通信網絡（NGN）進行平滑過渡，最終實現融合調度指揮系統。

1 調度技術發展現狀

傳統調度方式是基于PSTN話音網，以TDM電路交換為主，只能提供64k業務，并且業務和控制都由數字程控交換機完成。目前，這種傳統調度方式還在各個行業的調度領域中廣泛應用。但是，隨著行業信息化程度的不斷提高，用戶對業務的需求已不再局限于基本的語音和低速的數據業務，用戶希望可以通過各種終端，在任何地點、任何時間都能夠實現高速接入方式，享受個性化、多媒體、綜合性的業務服務。因此，各行各業均已開始對傳統PSTN調度設備進行更新改造。少部分對信息化需求較為迫切的企業，已經開始將PSTN設備全部更換，直接采用基于IP網絡的融合調度方式；但大部分資金尚不充裕的企業，則采用逐步替代策略，即適當增加新技術設備，同時利用原有網絡與設備，實現多媒體調度方式。

多媒體調度方式不但支持傳統的電話呼叫和會議等語音通信方式，還可以通過系統向終端發布指令消息，并能夠通過攝像頭、電子眼等各種專用終端實現視頻和圖片的采集，同時實現數據的上傳和下載，解決了以往調度過程中的“只聞其聲，未見其人”的問題，使調度指揮員能夠實時掌握生產現場的第一手資料，并可以根據現場視頻、采樣數據等進行準確的判斷并做出決策。此外，通過多媒體調度方式，用戶還可以將各種業務運營軟件系統與多媒體調度指揮系統對接，實現數據自動處理，并能夠根據預案自動進行調度信息發布。多媒體調度指揮系統還可以根據需要，通過數據采集器連接各種傳感器、控制器等設備，實現指揮控制的自動化[1]。

由于多媒體調度是基于IP網絡，這就具備了與各種通信網絡進行融合的條件。因此，多媒體調度系統可逐步實現與IP、PSTN、GSM、3G、WiFi、模擬集群，數字集群等多種通信網絡的無縫融合，保證用戶在復雜環境下的通信通暢。實現融合調度通信，除了需要具備較強的技術實力之外，多種通信設備和產品之間的融合也較為重要。因此，對供應商的產品提出了更高要求。由于整體方案的復雜性，而且供應商需要根據行業客戶的實際需求進行定制研發，包括軟件系統的對接等方面。因此，目前真正意義上具備融合調度通信能力的企事業單位還較少[2]。

多媒體調度指揮系統中使用的關鍵設備主要是多媒體調度終端，它采用先進的數字信號處理器技術，包括視頻的編碼、解碼以及圖像顯示、語音傳輸等全部實行數字化處理。傳統調度方式中，用戶桌面一般要放置兩個終端設備，一個是電話機，用于連接語音調度指揮系統；另一個是視頻監控電腦，用于連接視頻監控系統。本文提出的多媒體調度終端可以取代這兩個設備，利用現有電話線和網線，實時傳送語音信號、數據信號和視頻信號，能夠高效、高質量地完成安全生產應急管理的調度指揮。

2 硬件電路組成

多媒體調度終端的整機電路分為采集單元、顯示單元、語音單元、網絡單元和電源單元五部分，如圖1所示。采集單元用于音視頻信號的采集、數字化壓縮編碼，包括攝像頭、視頻采集板和數字圖像編碼板等電路和器件；顯示單元用于視頻信號的還原和顯示，包括LCD顯示屏、顯示板、數字圖像解碼板等電路和器件；語音單元用于雙向和多方通話，包括語音板、咪頭、揚聲器、手柄、鍵盤等話機電路和器件；網絡單元包含1個以太網交換機，以及1個外部網口和2個內部網口，工作在全雙工方式，能同時連通多對端口，使每一對相互通信的端口都能象獨占通信媒體那樣無沖突地傳輸數據；電源單元用于向各單元電路分配電源，包括電源分配、電源控制等電路。

圖1 整機電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of circuitry

語音信息經語音單元抽樣、量化、編碼后，通過電話線傳送到數字程控交換機，同時送到數字圖像編碼板。現場視頻信息由攝像頭采集，與語音信息一同經數字化壓縮編碼后，通過網絡接口以IP包形式傳送到調度中心的視頻服務器。在反方向，來自視頻服務器的IP包經網絡接口送至數字圖像解碼板進行解壓縮，變成模擬視頻信號后，再送到LCD顯示屏進行圖像顯示。由此可以實現點對點視頻通話、點對點監控、多組多點視頻會議等功能。

在多媒體調度系統中，語音信號與視頻信號是分離的，走不同的通道。語音信號走電話線，進入調度指揮系統的電話交換主機，在電話交換主機內進行語音交換和多方會議的混音；視頻和數據信號走IP網絡，在多媒體調度系統的視頻服務器中進行數據交換。另外，在多媒體調度終端內，語音和視頻信號是同時壓縮和編碼的，編碼后的數據在視頻服務器內可進行錄音錄像。這種方式是多媒體調度系統和本終端的重要特點，它既保證了多媒體調度系統內語音的質量和連續性，又保證了視頻流和傳感器數據的大數據傳輸[3]。

3 軟件層次架構

本終端電路參照H.323框架性標準，采用IP、TCP/UDP、RTP、RTCP、H.264等協議族。

網絡層采用IP協議，負責兩個終端之間的數據傳輸，由于采用無連接的數據包，網絡將根據IP地址把數據送到對方，但不保證傳輸的準確性。

在IP上層的傳輸控制協議TCP能保證數據可靠傳送，發現誤碼就重新發送，因此，對誤碼率要求高的數據傳送可以采用TCP協議，但在實時性要求較高的應用場合，則不適用；此時，應使用用戶數據報協議UDP。UDP采取了無連接傳輸方式，它的協議簡單，可以用于音視頻的實時信息流。因為較少的等待時間對實時信息傳輸而言，比誤碼糾正更為重要，因此，傳輸時如果有誤碼，則把該包丟掉，對實時音視頻而言，丟掉少量帶有錯誤的信息包并不影響視聽的效果；另外，每個UDP包均加上一個包含時標和序號的報頭，在接收端配以適當的緩沖，那么它就可以利用時標和序號信息“復原、再生”數據包，記錄失序包，同步語音、圖像和數據，從而改善接收端連續重放效果。

實時傳輸協議RTP在UTP的上層，相當于會話層，提供同步和排序服務，對網絡的帶寬、時延、差錯有一定的自適應性，其數據包頭中包含一些控制信息，以保證實時的數據傳送。

RTP上面的實時控制協議RTCP主要用于監視帶寬和延時，它定期將包含服務質量信息的控制信息包分發給所有通信節點。一旦所傳送的多媒體信息流的帶寬發生變化，接收端立即通知發送端，改變識別碼和編碼參數。

視頻信息的編解碼采用H.264標準。H.264是一種高性能的視頻編解碼技術，其編碼算法具有非常高的編碼效率，在相同圖像質量條件下，能夠比H.263/MPEG-2節約50%左右的碼率，并且能夠在低碼率情況下提供連續、流暢的高質量圖像；此外，網絡適應性強，可在不同網絡上傳輸。H.264的編解碼流程主要包括5個部分：幀間和幀內預測、變換和反變換、量化和反量化、環路濾波、熵編碼。

4 關鍵技術

多媒體調度終端中采用的關鍵技術主要體現在數字圖像編碼板和解碼板上。數字圖像編碼板的電路原理如圖2所示，其中包括數字信號處理器、視頻解碼器、音頻解碼器、以太網控制器、網絡隔離變壓器、FLASH存儲器、DRAM存儲器、開關型穩壓電源等；數字圖像解碼板的電路原理基本同圖2所示，只是其中沒有音頻解碼器，而且視頻解碼器替換為視頻編碼器（SAA7121）。下面重點介紹數字圖像編碼板電路。

圖2 數字圖像編碼板電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of digital image coding plate

4.1 數字信號處理器

數字圖像編碼板電路中的核心器件是數字信號處理器，即DSP。這里選用Blackfin產品家族中的ADSP BF561處理器作為DSP，該器件內部包括兩個獨立的處理器核，每個處理器核包含有2個16位MAC，2個40位ALU，4個8位視頻ALU，以及1個40位移位器。

ADSP BF561的雙核處理器相互獨立，因此，設計時可以根據應用分配兩個處理器內核的任務，而且兩個內核在執行指令上是相同的。兩個處理器內核可以分別用于運行嵌入式操作系統和信號處理。

ADSP BF561把存儲器視為一個統一的4GB地址空間，使用32位地址。所有資源，包括內部存儲器、外部存儲器和I/O控制寄存器，都占據公共地址空間的各自獨立的部分。此地址空間的各部分存儲器按分級結構排列，以提供高的性能價格比。內部存儲器分為Ll和L2兩部分，通過外部總線接口單元（EBIU），外部存儲器可以由FLASH、DRAM和SRAM進行擴展，可以訪問多達768MB的物理存儲器。存儲器的DMA控制器提供高帶寬的數據傳輸能力，能夠在內部Ll/L2和外部存儲器空間之間完成代碼或數據的塊傳輸。

ADSP BF561接口方便、功能強大，并具有易于控制的兩個視頻輸人／輸出口，可支持ITU-R656視頻數據格式，同時包含有可方便使用的DMA控制器和UART接口，以及數量眾多的GPIO。

ADSP BF561提供可直接與并行A/D和D/A轉換器、視頻編碼器和解碼器以及其它通用外設連接的并行接口（PPI）。PPI包括1個專用時鐘引腳、多達3個幀同步引腳和多達16個數據引腳。在ITU-R656視頻數據格式下，PPI提供8或10位視頻數據的半雙工、雙向傳輸。

ADSP BF561除了包含滿足典型系統的外設接口外，還包含用于各種音頻、視頻和調制解調編解碼功能的高速串行和并行端口。ADSP BF561提供的用于高端消費類音頻產品的串口（SPORT）具有兩個發送和接收通道，以支持I2S數據格式。本電路中利用SPORT實現DSP與語音板的通信[4]。

4.2 視頻解碼器

在數字圖像編碼板電路中，從視頻采集板傳送過來的模擬視頻信號需轉換成為符合ITU-R656標準的數字信號（即A/D解碼），才可方便地利用DSP來進行數字信號壓縮處理。本電路采用美國TI公司的超低功耗TVP5150芯片來對模擬視頻信號進行A/D轉換。

TVP5150是一顆使用簡易、超低功耗、封裝極小的數字視頻解碼器。使用單一14.31818MHz時鐘就可以實現PAL/NTSC/SECAM等多種制式的解碼，可以接收兩路復合視頻信號（CVBS）或一路S-Video信號。通過單片機I2C總線設置內部寄存器，調整圖像參數（如色調、對比度、亮度、飽和度和銳度等），選擇信號AIP1A和AIP1B輸入到內部；AGC電路使得芯片可以支持最高1.5 Vp-p的信號電壓，并使輸入信號達到ADC的最大量程，9位的ADC按內部PLL時鐘輸出像素數據；轉換后的數字信號經過梳狀濾波器進行Y、C分離，再進一步分離成U、V信號，最終經過格式轉換輸出符合ITUR656標準的、內嵌同步信號的8位數字視頻信號[5]。

4.3 音頻解碼器

音頻解碼器AIC23B主要完成模擬信號采集、濾波、A/D轉換等功能。AIC23B是美國TI公司推出的一款高性能的立體聲音頻編解碼芯片，支持MIC和LINE IN兩種輸入方式，且對輸入和輸出都具有可編程增益調節。AIC23B采用先進的Sigma-delta過采樣技術，可在8K到96K頻率范圍內提供16 bit、20 bit、24 bit和32 bit的采樣，內部ADC和DAC的輸比出信噪比分別可以達到90 dB和100 dB。

AIC23B具有11個可編程控制的寄存器，通過不同的設置，可以改變芯片的工作狀態。AIC23B與DSP的接口有兩個：一個是控制口，用來設置芯片的工作狀態；另一個是數據口，用來傳輸A/D轉換后的數據以及等待D/A轉換的數據。控制接口具有兩種工作方式，分別為3線制的SPI方式和2線制的I2C方式，由MODE引腳進行選擇：當MODE=0時選擇I2C工作方式，當MODE=1時選擇SPI工作方式，本電路采用I2C方式。AIC23B的數據接口有4種工作方式，分別為左對齊模式、右對齊模式、I2S模式和DSP模式，本電路采用DSP模式[6]。

5 結束語

本終端基于現有的語音調度交換網絡設計，無須改變現有網絡結構，語音信號保持在現有的電路交換網絡[7]上，在保證不損失現有調度功能的同時，通過計算機網絡線附加提供清晰流暢的視頻圖像。視頻調度功能內置于本終端，無須外掛額外的設備就可以完成點對點的視頻通信。帶寬要求低，采用H.264視頻編解碼技術，針對視頻傳輸同步進行優化，確保了在各種帶寬環境下給用戶提供高清晰、全動態、全實時的圖像。本終端已實際應用于一些大型冶金企業。

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