音視頻采集硬件電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

劉義平

（蘇州長(zhǎng)風(fēng)航空電子有限公司 江蘇省蘇州市 215151）

在大部分應(yīng)用場(chǎng)景中，如教育場(chǎng)景、視頻會(huì)議場(chǎng)景等等，對(duì)于音視頻的質(zhì)量有著相對(duì)較高的要求，此時(shí)，普遍會(huì)應(yīng)用更高的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行音視頻數(shù)據(jù)采集與傳輸，導(dǎo)致整體數(shù)量增大，提升傳輸與存儲(chǔ)壓力。基于此，應(yīng)當(dāng)對(duì)音視頻采集硬件系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行更新，以適應(yīng)新需要。

1 音視頻采集硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

音視頻采集硬件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如框圖1所示，設(shè)計(jì)中，主要選用FPGA芯片以及DM365芯片這兩種芯片作為該硬件系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)。其中，F(xiàn)PGA芯片主要承擔(dān)著緩存數(shù)據(jù)信息、傳輸接口電路的任務(wù)；DM365芯片主要承擔(dān)著對(duì)整個(gè)音視頻采集硬件系統(tǒng)進(jìn)行控制、處理數(shù)字信號(hào)的任務(wù)。

在本次音視頻采集硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，音頻采集與處理單元、視頻采集與處理單元、數(shù)據(jù)緩存與傳輸接口單元、上位機(jī)與音視頻信號(hào)采集及展示單元為該硬件系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其中，數(shù)據(jù)緩存與傳輸接口單元內(nèi)設(shè)置了多種形式的數(shù)據(jù)緩存器以及接口適配電路，確保上位機(jī)與DM365芯片之間連接與數(shù)據(jù)傳遞更為通暢；在串行外設(shè)接口、外部存儲(chǔ)器接口的支持下，數(shù)據(jù)緩存與傳輸接口單元與DM365芯片保持良好的連接狀態(tài)；在PCI接口的支持下，數(shù)據(jù)緩存與傳輸接口單元與上位機(jī)保持良好的連接狀態(tài)。

2 音視頻采集硬件電路的核心系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的音視頻采集硬件系統(tǒng)中，基于DM365芯片的核心系統(tǒng)電路為整個(gè)系統(tǒng)電路中的最重要構(gòu)成，承擔(dān)著對(duì)整個(gè)音視頻采集硬件系統(tǒng)進(jìn)行控制、處理數(shù)字信號(hào)的任務(wù)。在基于DM365芯片的核心系統(tǒng)中，主要包含著DM365芯片、DDR芯片、Flash芯片以及外圍電路等結(jié)構(gòu)，因此在配置相應(yīng)核心系統(tǒng)的電路時(shí)，需要重點(diǎn)引入DDR電路、Flash電路以及JTAG接口電路。

其中，DDR電路對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘特點(diǎn)、預(yù)緩存技術(shù)進(jìn)行了充分應(yīng)用，促使芯片的實(shí)際讀寫(xiě)速度呈現(xiàn)出更為理想的狀態(tài)[1]。在本次音視頻采集硬件系統(tǒng)的核心系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中，DDR芯片及其電路的引入主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)空間的擴(kuò)大，為音視頻信號(hào)采集、編碼壓縮提供更加充足的存儲(chǔ)空間支持。Flash芯片及其電路的應(yīng)用主要在音視頻采集硬件系統(tǒng)中加入一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，保證在掉電后一些重要的數(shù)據(jù)信息不會(huì)丟失。在選用Flash芯片的過(guò)程中，著重考量其數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)量，以及寫(xiě)入/刪除數(shù)據(jù)信息的速度、成本價(jià)格，以此達(dá)到擴(kuò)充音視頻采集硬件系統(tǒng)存儲(chǔ)量的效果。JTAG接口單元主要承擔(dān)著調(diào)試系統(tǒng)功能、測(cè)試電路的任務(wù)，在本次設(shè)計(jì)中，引入了串行外設(shè)接口、外部存儲(chǔ)器接口（集成應(yīng)用）。設(shè)計(jì)音視頻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩存與傳輸接口電路的過(guò)程中，JTAG接口單元促使下載固化電路邏輯程序、調(diào)試內(nèi)部邏輯功能與FPGA芯片的交互成為現(xiàn)實(shí)，結(jié)合調(diào)試工具的應(yīng)用，可以更好、更方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA芯片中電路的實(shí)時(shí)電平信號(hào)展開(kāi)查看。

圖1：音視頻采集硬件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

圖2：數(shù)據(jù)緩存?zhèn)鬏斀涌陔娐吩O(shè)計(jì)圖

表1：功能配置緩存器與管道配置緩存器的信息匯總

JTAG接口單元在基于DM365芯片的音視頻采集電路中也得到充分應(yīng)用，結(jié)合CCS軟件實(shí)現(xiàn)相關(guān)程序編寫(xiě)，最終達(dá)到測(cè)試與DM365芯片保持連接的所有單元模塊功能性的測(cè)試。

3 音視頻采集硬件電路的具體設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)

3.1 音頻采集硬件電路的具體設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)

在本次電路設(shè)計(jì)中，主要引入功耗更低、可回訪(fǎng)音頻信號(hào)的芯片作為音頻解碼芯片，以此保證整個(gè)音頻采集硬件電路的性能良好、全面。在選定所需要的引腳的過(guò)程中，應(yīng)用了加設(shè)寄存器的方式完成；為實(shí)現(xiàn)雙聲道輸入，要引入兩個(gè)引腳，分別將左聲道信號(hào)輸入端與右聲道信號(hào)輸入端連接在芯片的兩個(gè)端口上，促使雙聲道立體聲的采集成為現(xiàn)實(shí)。設(shè)計(jì)中，應(yīng)用在音頻數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的I2S總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)作為本音頻采集硬件電路的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，保證音頻設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的更高速傳輸。依托這種標(biāo)準(zhǔn)性更強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸方式的應(yīng)用，賦予該音頻采集硬件電路以更理想的數(shù)據(jù)傳輸通用性能。

基于上述要求，在選取音頻采集硬件電路的音頻解碼芯片時(shí)，必須要保證該芯片支持I2S總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)[2]。本音頻采集硬件電路中引入的音頻解碼芯片（TLV320AIC3101）就滿(mǎn)足這一需要，可以將所采集到的音頻信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為基于I2S總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字音頻傳輸流。在I2S總線(xiàn)中，包含著串行數(shù)據(jù)線(xiàn)、串行時(shí)鐘線(xiàn)、幀時(shí)鐘線(xiàn)等結(jié)構(gòu)，其中，幀時(shí)鐘線(xiàn)承擔(dān)著選取聲道的責(zé)任；而對(duì)于串行時(shí)鐘線(xiàn)而言，其所發(fā)出的信號(hào)可以視為數(shù)據(jù)發(fā)出及接收的同步信號(hào)，受到量化精度以及采樣頻率的影響。

3.2 視頻采集硬件電路的具體設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)

在本次電路設(shè)計(jì)中，主要引入信號(hào)輸入端口數(shù)量較多的視頻信號(hào)處理芯片，保證可以參考實(shí)際情況與現(xiàn)實(shí)需要落實(shí)對(duì)其工作模式的選取。電路配置過(guò)程中，同樣引入I2S總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合寄存器的加設(shè)支持工作模式的選擇。出于對(duì)更好適應(yīng)多樣性視頻采集終端所擁有的差異性輸出方式的考量，在本次視頻采集硬件電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，還加設(shè)了基于多路視頻輸入的電路。

本次視頻采集硬件電路中所應(yīng)用的視頻信號(hào)處理芯片所提供的時(shí)鐘為無(wú)源晶振，且無(wú)法在軟件系統(tǒng)的支持下完成復(fù)位，因此，必須要從硬件設(shè)計(jì)方面入手，賦予視頻采集硬件電路以復(fù)位功能。實(shí)踐中，充分利用電源芯片所具備的管理功能，連接電源芯片與復(fù)位引腳。在信號(hào)引腳的設(shè)計(jì)方面，均依托電容與電感達(dá)到濾波的效果，盡可能規(guī)避雜波對(duì)視頻信號(hào)產(chǎn)生負(fù)面影響，以此體現(xiàn)出對(duì)視頻信號(hào)傳輸質(zhì)量的更好維護(hù)。在本視頻采集硬件電路中，視頻信號(hào)的采集終端設(shè)定為CCD攝像頭，將基于P制式的模擬視頻信號(hào)向視頻信號(hào)處理芯片端傳遞，由該芯片完成相應(yīng)模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化轉(zhuǎn)化，同步實(shí)現(xiàn)色度分離、亮度及信號(hào)同步處理等操作，最終以固定格式的數(shù)字視頻信號(hào)呈現(xiàn)出來(lái)。對(duì)于芯片中的視頻處理前端模塊來(lái)說(shuō)，其主要承擔(dān)著對(duì)分辨率落實(shí)修改的任務(wù)，同時(shí)完成視頻格式的轉(zhuǎn)換、對(duì)CCD實(shí)施控制等工作；對(duì)于芯片中的視頻處理后端模塊來(lái)說(shuō)，其主要承擔(dān)著對(duì)視頻數(shù)據(jù)與位圖數(shù)據(jù)展開(kāi)全面采集與混合的任務(wù)，在此基礎(chǔ)上，為視頻提供輸出接口，以此確保顯示屏播放視頻的這一功能得到更好發(fā)揮。

3.3 音視頻數(shù)據(jù)緩存及傳輸接口電路的具體設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)

3.3.1 緩存器

數(shù)據(jù)緩存?zhèn)鬏斀涌陔娐吩O(shè)計(jì)圖如下所示。實(shí)踐中，加設(shè)功能配置緩存器，用于對(duì)所有采集到的音視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，并解碼相關(guān)配置參數(shù)的任務(wù)。本設(shè)計(jì)方案中，功能配置緩存器與管道配置緩存器的信息表如表1所示。由管道配置緩存器對(duì)單個(gè)小周期內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量進(jìn)行存儲(chǔ)，以此支持存儲(chǔ)器對(duì)輸出數(shù)據(jù)量展開(kāi)控制。實(shí)踐中，上位機(jī)在相關(guān)緩存器內(nèi)寫(xiě)入配置參數(shù)，并向DM365芯片發(fā)送握手信號(hào)，在DM365芯片接收到該信號(hào)后可以視為完成信息發(fā)送；利用外部存儲(chǔ)器接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道配置緩存器中數(shù)據(jù)信息以及功能的讀取；參考讀取到的配置參數(shù)，DM365芯片組織初始化工作，回饋給上位機(jī)握手信號(hào)，此時(shí)可以視為DM365芯片進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)下。

3.3.2 串行外設(shè)接口模塊

串行外設(shè)接口屬于同步外設(shè)接口的一種，它可以使單片機(jī)與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息[3]。對(duì)于串行外設(shè)接口模塊而言，其可以連接來(lái)源于不同功能生產(chǎn)廠(chǎng)家的多標(biāo)準(zhǔn)外圍器件，主要包含著四條線(xiàn)，即串行時(shí)鐘線(xiàn)、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線(xiàn)、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線(xiàn)以及低電平有效的從機(jī)選擇線(xiàn)[4]。在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，可以讓主設(shè)備獨(dú)立完成與特定設(shè)備完成通信，達(dá)到有效規(guī)避數(shù)據(jù)線(xiàn)沖突問(wèn)題的效果。

在本次音視頻采集硬件電路設(shè)計(jì)中，芯片在時(shí)間緩沖器中落實(shí)對(duì)時(shí)間數(shù)據(jù)的讀取，并對(duì)其他關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的時(shí)間數(shù)據(jù)展開(kāi)校準(zhǔn)。需要注意的是，由于這種時(shí)間校準(zhǔn)的兩次操作之間間隔一段時(shí)間，所以在本次設(shè)計(jì)中引入了SPI總線(xiàn)通信的模式，盡可能減少引腳資源的消耗。為了解決SPI接口無(wú)法直接訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間緩存器并行接口RAM的問(wèn)題，加設(shè)了SPI接口從設(shè)備單元，為芯片直接讀取時(shí)間緩存器中的數(shù)據(jù)信息提供渠道支持。

3.3.3 外部存儲(chǔ)器接口

在外部存儲(chǔ)器接口的支持下，完成處理的音視頻用戶(hù)數(shù)據(jù)傳遞至緩存器內(nèi)，并經(jīng)過(guò)雙RAM二級(jí)緩存，依托PCI接口傳遞至上位機(jī)內(nèi)。芯片可以利用外部存儲(chǔ)器接口對(duì)上位機(jī)緩存至配置緩存器中的多種配置參數(shù)實(shí)施提取。對(duì)于外部存儲(chǔ)器接口數(shù)據(jù)線(xiàn)而言，常見(jiàn)的有32位以及16位兩種，在本次音視頻采集硬件電路設(shè)計(jì)中，出于對(duì)上位機(jī)數(shù)據(jù)接口數(shù)量的考量，選用了16位工作模式的外部存儲(chǔ)器接口。

4 總結(jié)

綜上所述，本次音視頻采集硬件系統(tǒng)與電路的設(shè)計(jì)中，主要選用FPGA芯片以及DM365芯片這兩種芯片作為該硬件系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)。設(shè)定基于DM365芯片的核心系統(tǒng)電路為整個(gè)系統(tǒng)電路中的最重要構(gòu)成，承擔(dān)著對(duì)整個(gè)音視頻采集硬件系統(tǒng)進(jìn)行控制、處理數(shù)字信號(hào)的任務(wù)。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)施音視頻信號(hào)的采集、處理以及傳輸。