基于Hi3531的視頻存儲與回放電路的設(shè)計

金永明（中國電子科技集團公司第五十五研究所，南京 210000）

基于Hi3531的視頻存儲與回放電路的設(shè)計

金永明
（中國電子科技集團公司第五十五研究所，南京 210000）

本文描述了基于Hi3531處理器為核心的視頻存儲與回放電路的設(shè)計，介紹了電路中重要功能模塊設(shè)計，同時對與電路相關(guān)的驅(qū)動軟件進行了規(guī)劃。本電路實現(xiàn)方便，具有一定的使用價值。

Hi3531；視頻；存儲

0　引言

隨著計算機應(yīng)用領(lǐng)域地不斷擴展，現(xiàn)在人類在工作、學(xué)習(xí)、生活過程中越來越依靠計算機應(yīng)用提供的便利，提高工作效率、改善生活質(zhì)量、激發(fā)學(xué)習(xí)樂趣。因此，對計算機上應(yīng)用及操作的監(jiān)控也是一個重要的研究方向，通過對計算機上應(yīng)用及操作的實時監(jiān)控，可以完成計算機應(yīng)用及操作的事后評估、檢索和取證，為檢查計算機操作人員的工作準(zhǔn)確性和合理性提供視頻數(shù)據(jù)。

對計算機應(yīng)用和操作進行視頻撲獲、存儲和回放，需要對計算機應(yīng)用和操作的視頻監(jiān)控。我們基于Hi3531芯片設(shè)計和實現(xiàn)了計算機視頻存儲和回放電路，可將計算機VGA視頻信號撲獲，存儲在固態(tài)電子盤中，利用USB通訊口對存儲視頻進行回放，電路設(shè)計穩(wěn)定高效，軟件使用簡易，在視頻監(jiān)控、視頻分析、視頻檢索等應(yīng)用中具有一定的使用價值。

1　電路原理設(shè)計

視頻存儲與回放電路中核心芯片為Hi3531，此芯片是華為公司針對多路高清 DVR、NVR產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)的一款專業(yè)高端SOC 芯片。芯片中內(nèi)置高性能雙核A9處理器、可完成高達(dá) 5 路1080P 視頻信號的實時多協(xié)議編譯碼以及專用TOE 網(wǎng)絡(luò)加速，能應(yīng)對越來越復(fù)雜的高清視頻和高速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。芯片內(nèi)部集成了優(yōu)異的視頻引擎和編譯碼算法，結(jié)合芯片的多路高清顯示輸出能力，可以充分滿足高質(zhì)量圖像體驗。同時芯片有豐富的外圍接口，滿足不同項目設(shè)計接口的差異化，圖1為視頻存儲與回放電路原理功能框圖。

圖1　視頻存儲與回放電路原理框圖

圖1中輸入視頻通過視頻環(huán)出處理模塊后，完成視頻信號1：2復(fù)制、增強和A/D轉(zhuǎn)換后，提供外部顯示終端視頻信號，同步提供后繼FPGA分辨率轉(zhuǎn)換模塊和視頻處理模塊的視頻源，在驅(qū)動軟件和應(yīng)用軟件控制下，將數(shù)字視頻信號存儲在SSD盤中，供外部主機客戶端檢索、回放。

2　關(guān)鍵硬件電路設(shè)計

2.1VGA視頻環(huán)出電路模塊設(shè)計

目前計算機中使用最多的視頻接口為VGA視頻接口，其他DVI視頻接口、PAL視頻接口等可以通過商業(yè)化視頻轉(zhuǎn)換板變化成VGA視頻接口，因此本文中視頻存儲和回放電路的設(shè)計以VGA視頻接口為主。

在實際使用過程中，輸入的VGA視頻信號必須在顯示圖像的過程中，同步完成視頻存儲和回放處理。因此，VGA視頻環(huán)出電路是輸入VGA視頻信號處理的重要電路。

圖2為VGA視頻環(huán)出電路原理框圖。外部輸入的VGA視頻信號中數(shù)字部分VS、HS信號通過數(shù)字信號調(diào)理器，完成數(shù)字信號整形、緩沖等處理后，增加了數(shù)字信號的輸出功率和效率；VGA視頻信號中模擬部分紅綠藍(lán)視頻信號經(jīng)過視頻放大器后，完成了視頻信號放大、復(fù)制、分配處理，同樣也增加了模擬信號的輸出功率和效率。輸入的VGA視頻信號完成上述視頻放大和調(diào)理后，按照1：2分配給后續(xù)的顯示終端和視頻A/D轉(zhuǎn)換器，可同步完成輸入視頻VGA信號實時顯示和視頻A/D轉(zhuǎn)換。

圖2　VGA視頻環(huán)出電路原理框圖

VGA視頻信號中VS、VS信號是低于1MHz以下的信號，數(shù)字信號調(diào)理器采用74HC244等常用數(shù)字信號緩沖器，可以完成數(shù)字信號調(diào)理功能。

EL5364是600MHz高帶寬電流回饋放大器，是視頻信號處理應(yīng)用中理想的放大器。同時，、電路芯片還可以完成VGA視頻信號中模擬紅綠藍(lán)信號的1:2分配，設(shè)計中選用EL5364作為VGA視頻信號放大器，完成VGA視頻信號的放大和備份處理。

考慮到后續(xù)VGA視頻信號存儲和回放電路芯片只能處理數(shù)字信號，而且存儲視頻信號的物理空間為固態(tài)電子盤，也只能存儲數(shù)字視頻信號，因此必須對VGA視頻信號A/D轉(zhuǎn)換，變換成數(shù)字視頻信號供后級電路處理。

ADV7842是一款高質(zhì)量、單芯片、2:1多任務(wù)HDMI?接收器和圖形數(shù)字化儀，并集成多格式視頻譯碼器。該器件內(nèi)置一個雙路輸入HDMI 1.4相容型接收器，支持最高達(dá)1080p 的所有高清電視格式，顯示分辨率最高可達(dá)UXGA（1600×1200，60 Hz）。

ADV7842支持圖形數(shù)字化，能夠?qū)GA至UXGA 速率的RGB 圖形信號進行數(shù)字化處理，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字RGB 或YCbCr 像素輸出流。

設(shè)計中通過ADV7842將VGA視頻信號轉(zhuǎn)換為BT.1120數(shù)字信號，傳輸給FPGA進行分辨率轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后視頻信號傳輸給主處理器進行編碼壓縮和存儲。

ADV7842管腳中有INT中斷輸出，可以通過對芯片設(shè)置，使ADV7842特定的寄存器位變化及時反映到INT中斷輸出上，這樣做可以實現(xiàn)外部輸入信號分辨率變化時，F(xiàn)PGA和主處理器能夠及時檢測到，并采取相應(yīng)處理。INT中斷信號可設(shè)置為高電平或低電平有效。

設(shè)計中考慮到實際應(yīng)用中，需要對多路VGA信號進行視頻A/ D轉(zhuǎn)換、存儲和回放，需要多片ADV7842進行視頻A/D轉(zhuǎn)換。ADV7842的I2C地址固定無法設(shè)置，因此可通過I2C擴展芯片完成對多片相同地址ADV7842的配置工作，設(shè)計中采用主處理器I2C配置多片ADV7842，并行地對16路VGA視頻信號進行了A/D裝換，設(shè)計結(jié)果符合使用要求。

2.2FPGA分辨率轉(zhuǎn)換電路模塊設(shè)計

對計算機輸入VGA視頻信號進行存儲和回顧，須兼顧對計算機啟動全過程的錄制。眾所周知，以Windows操作系統(tǒng)為例，計算機在開機啟動時VGA視頻分辨率為640x480，操作系統(tǒng)啟動完成后VGA視頻分辨率變?yōu)椴僮飨到y(tǒng)默認(rèn)分辨率，多數(shù)為高于640x480的視頻分辨率。后繼Hi3531芯片在視頻輸入接口的分辨率發(fā)生改變時，需要重新配置VI視頻編碼才可以完成不同分辨率視頻信號的處理，但是相關(guān)程序模塊運行所需時間較長。因此設(shè)計過程中，考慮利用FPGA將輸入640x480分辨率的BT1120時序視頻信號，通過硬件分辨率轉(zhuǎn)換電路處理成操作系統(tǒng)默認(rèn)分辨率的BT1120時序視頻信號，再供給Hi3531進行編碼存儲，提高電路運行效率。

此外，F(xiàn)PGA進行分辨率轉(zhuǎn)換后，當(dāng)出現(xiàn)人員誤操作、系統(tǒng)藍(lán)屏等錯誤信息或者操作系統(tǒng)進入安全模式等引起分辨率變化時，F(xiàn)PGA分辨率轉(zhuǎn)換電路可保證Hi3531視頻輸入接口的輸入分辨率保持不變，F(xiàn)PGA分辨率轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)方式：當(dāng)輸入視頻分辨率低于默認(rèn)分辨率時，通過加黑邊的方式將其轉(zhuǎn)換為默認(rèn)分辨率。當(dāng)輸入分辨率高于默認(rèn)分辨率時，F(xiàn)PGA轉(zhuǎn)換電路利用GPIO腳實時通知Hi3531處理芯片，F(xiàn)PGA轉(zhuǎn)換分辨率電路實時生成藍(lán)屏提示視頻代替異常分辨率視頻信號，無縫連接地完成視頻存儲的連續(xù)性，同時還可從存儲視頻和GPIO兩個方面對異常視頻信號報警。

2.3視頻處理電路模塊設(shè)計

視頻處理電路主要完成A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)字視頻編碼、存儲工作，也是電路設(shè)計中核心部分，選擇了Hi3531處理器進行視頻處理。

Hi3531處理器是一個視頻編碼器，可支持H.264/ MPEG-4/JPEG的多協(xié)議編碼器，處理器中包含VEDU等部分。VEDU（Video Encode Unit）是一個硬件實現(xiàn)的支持多種視頻標(biāo)準(zhǔn)（包括H.264、MPEG-4等）的編碼器。VEDU 具有CPU 占用率低、總線帶寬占用小、低延時、低功耗等優(yōu)點，最高可達(dá)16x960H/30fps+16x480x272/30fps 編碼。支持圖像分辨率可配置，最小圖像分辨率160x64，最大圖像分辨率7040x8176。

Hi3531處理器內(nèi)置視頻捕獲單元VICAP（Video capture），視頻撲獲單元可通過多路BT.656（mux）/1120（mux）/601 接口或者DC（Digital Camera）接口撲獲視頻數(shù)據(jù)，存入指定的內(nèi)存區(qū)域。在此過程中，VICAP可以對視頻圖像數(shù)據(jù)進行水平垂直縮小（根據(jù)通道情況能簡單地采樣或者是縮放）并輸出多個不同的視頻流。

VICAP 有以下特點：

輸入最大分辨率為2560x1600

外部支持8 個BT656 接口，或 4 個BT1120界面

內(nèi)部支持8 個端口和16 路通道視頻處理，每個通道支持隔行和逐行輸入模式；其中有8 路支持小碼流輸出

支持BT.656（mux），BT.1120（mux） ，BT601 ，DC等時序

支持SMPTE293M/ITU-R BT.1358時序（480P/576P）

支持BT.601 時序

支持SMPTE 274M/BT 1120 時序（1080i/1080P）

支持SMPTE 296M（720P）

支持最大16 倍的水平和垂直縮小

各信道支持3 級總線優(yōu)先級可配

支持在一個指定窗口內(nèi)獲取數(shù)據(jù)

支持水平鏡像和垂直鏡像

輸出格式支持存儲模式：SPYCbCr 4:2:0 和SPYCbCr 4:2:2模式。

Hi351處理器的VDP（Video Display）模塊主動從內(nèi)存相應(yīng)位置讀取視頻和圖形數(shù)據(jù)，將視頻層和圖形層數(shù)據(jù)迭加后通過顯示信道送出，支持后繼視頻信號數(shù)字化存儲，為視頻信號數(shù)字化存儲提供了硬件基礎(chǔ)。

圖3為基于Hi3531處理器的視頻處理電路原理圖。輸入VGA視頻信號通過視頻環(huán)出、視頻A/D變換、分辨率轉(zhuǎn)換等處理后，數(shù)字視頻信號進入Hi3531處理器相應(yīng)部分，完成視頻處理的硬件搭配，結(jié)合處理器內(nèi)部程序可完成視頻撲獲、存儲等功能。

2.4SATA轉(zhuǎn)USB電路模塊設(shè)計

如圖3所示，視頻處理后的數(shù)字信號存儲在SSD固態(tài)電子盤中，可以提高數(shù)據(jù)訪問的便捷性和可靠性?？紤]到USB通訊接口不僅使用方便，而且傳輸數(shù)率較高，因此設(shè)計中采用USB通訊口作為視頻數(shù)據(jù)對外傳輸接口。Hi3531處理器沒有USB從設(shè)備接口，為了滿足主機客戶端通過USB通訊口讀取固態(tài)硬盤視頻數(shù)據(jù)的需要，在固態(tài)電子盤SATA數(shù)據(jù)接口與主機USB通訊接口之間，設(shè)計了如圖4所示的SATA轉(zhuǎn)USB的接口電路，Hi3531處理器和主機都可通過USB接口訪問固態(tài)電子盤，USB切換開關(guān)實現(xiàn)了兩者對電子盤控制權(quán)的切換，USB轉(zhuǎn)SATA可實現(xiàn)通過USB接口訪問控制固態(tài)電子盤。

圖3　基于Hi3531處理器的視頻處理電路原理圖

圖4　SATA轉(zhuǎn)USB接口電路

圖4中SATA轉(zhuǎn)USB接口電路工作模式如下：正常撲獲、存儲視頻數(shù)據(jù)時，固態(tài)電子盤SATA接口通過USB轉(zhuǎn)換電路后，接入Hi3531處理器的USB接口；當(dāng)主機要通過客戶端回放、導(dǎo)出固態(tài)電子盤中存儲的視頻數(shù)據(jù)時，客戶端應(yīng)用軟件通過默認(rèn)控制命令，Hi3531處理器解析命令，通過USB切換開關(guān)電路將固態(tài)電子盤控制端切換到主機端，關(guān)閉上述視頻撲獲、存儲通道，此時主機端獲得了對固態(tài)電子盤的訪問權(quán)，從而提供了客戶端軟件對視頻數(shù)據(jù)的回放、導(dǎo)出的硬件基礎(chǔ)。

3　處理器驅(qū)動軟件設(shè)計

在本電路設(shè)計中，不僅包括核心芯片Hi3531處理等硬件電路設(shè)計，還包括Hi3531處理器內(nèi)部驅(qū)動程序開發(fā)，驅(qū)動程序能夠控制、協(xié)調(diào)Hi3531處理器，按照設(shè)計要求對輸入視頻撲獲、存儲和回放。

Hi3531處理器作為ARM9體系的嵌入式高端芯片，驅(qū)動程序開發(fā)環(huán)境采用Cmake項目源碼工程編譯管理工具和TortoiseGit項目源碼管理工具，程序編譯在Linux操作系統(tǒng)上采用公共交叉編譯。

圖5為根據(jù)視頻存儲和回放的設(shè)計要求，規(guī)劃的Hi3531處理器驅(qū)動程序運行次序圖。

圖5　Hi3531處理器驅(qū)動程序運行次序圖

根據(jù)圖5的Hi3531處理器驅(qū)動程序運行次序圖，Hi3531處理器軟件運行順序如圖，分為以下6個步驟：

步驟1：啟動，執(zhí)行必要的啟動腳本來初始化業(yè)務(wù)軟件的運行環(huán)境，

步驟2：加載必要的設(shè)備驅(qū)動程序（RTC、音視頻接口、USB、 SATA等）。

步驟3：啟動主程序進程，Web服務(wù)器進程。主程序進程開啟處理器視頻編碼模塊，此工作模式為視頻存儲模式。

步驟4：“信令通訊線程”接收到信令后，解析信令，依次執(zhí)行命令，如信令為開啟反演狀態(tài)，則進入步驟5.

步驟5：開啟處理器視頻解碼進程，從SSD盤中獲取反演文件，解碼輸出，工作模式為存儲視頻回放模式。

步驟6：循環(huán)執(zhí)行步驟4。

按照軟件設(shè)計和實現(xiàn)功能，處理器軟件主要分為音視頻采集編碼模塊、音視頻解碼播放模塊、文件存儲管理模塊、文件信息索引模塊和視頻直播模塊，每個軟件模塊的功能劃分如下：

音視頻采集編碼模塊主要負(fù)責(zé)音視頻采集編碼工作，其中分為芯片驅(qū)動層、輸入管理層、編碼層、輸出管理層、附屬信息層等幾個部分。芯片驅(qū)動層負(fù)責(zé)驅(qū)動音視頻采集芯片，使其能夠適配音視頻編碼芯片的輸入時序要求，音頻為I2S總線、視頻為BT.1120時序。輸入管理層負(fù)責(zé)調(diào)整音視頻編碼芯片Hi3531的音視頻輸入管理通道，使其工作在預(yù)先配置的工作模式。輸出管理層：負(fù)責(zé)音視頻輸出配置管理，及標(biāo)識管理等。編碼層主要是配置啟動Hi3531 SDK中的視頻編碼模塊，音頻的編碼層部分負(fù)責(zé)把接收到的PCM裸流，進行立體聲融合、聲道分離等數(shù)據(jù)預(yù)處理。音視頻編碼流，目前設(shè)計為直接通過數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)模塊，裸流存儲，需要導(dǎo)出時，調(diào)用封裝模塊進行MP4等的封裝導(dǎo)出。附屬信息層包括采集時間戳管理、NTP時間戳管理。

視音頻解碼播放模塊接收主機端傳來的指令，解碼播放相應(yīng)通道、相應(yīng)時間的視音頻數(shù)據(jù)到視音頻輸出接口。此模塊還響應(yīng)主機端下發(fā)的錄制任務(wù)、文件列表查詢等功能。

文件存儲管理模塊的主要功能是管理存儲介質(zhì)內(nèi)的文件存儲、文件空間管理、文件導(dǎo)出管理、文件滿報警、文件自動清理等功能。該模塊能夠為視音頻采集編碼模塊提供分割、存儲等功能；能夠為視音頻解碼播放模塊提供文件查詢，文件讀寫，文件導(dǎo)出、文件緩存等功能。文件的存儲文件類型為MKV。使用ffmpeg進行MKV封裝。按照一定的編碼幀數(shù)，定期更新mkv文件頭的信息?？杀４嬗涗浀綌嚯姇r刻之前的視頻。模塊監(jiān)控內(nèi)置的SSD盤存儲空間，在存儲空間寫滿后，存儲視頻數(shù)據(jù)進行循環(huán)覆蓋，記錄最新的數(shù)據(jù)并刪除最早的數(shù)據(jù)。

文件信息索引管理模塊能夠自動收集、掃描并管理文件存儲管理模塊的文件內(nèi)容信息，并保持索引信息與存儲文件的真實對應(yīng)，同時該模塊還具有統(tǒng)計錄取文件及時長、已錄取總時長等功能。

視頻直播模塊通過內(nèi)嵌商業(yè)化成熟的音視頻播放軟件，如暴風(fēng)影音等，在主機客戶端對存儲在SSD盤內(nèi)的視頻信號進行播放，對輸入視頻信號實時監(jiān)控。

根據(jù)上述處理器驅(qū)動軟件規(guī)劃和設(shè)計，可以進行驅(qū)動軟件詳細(xì)設(shè)計，完成符合設(shè)計和使用要求的電路配套軟件。

4　結(jié)論

基于Hi3531處理器的視頻存儲與回放電路設(shè)計和架構(gòu)較簡潔，電路實現(xiàn)重點在Hi3531處理器驅(qū)動軟件部分。圖6左半部分為本單位設(shè)計和實現(xiàn)的三路VGA輸入的視頻存儲與回放電路板，圖6右半部分為三路VGA輸入的視頻存儲與回放電路測試效果圖，從電路系統(tǒng)測試效果圖看，本電路在視頻監(jiān)控、檢索、回放等方面具有一定的使用價值。

圖6　基于Hi3531處理的視頻存儲與回放電路板（左）和測試效果圖（右）

［1］深圳海思半導(dǎo)體有限公司.Hi3511 H.264編解碼處理器用戶指南［Z］.深圳：深圳海思半導(dǎo)體有限公司，2008.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.135

金永明（1972-），男，碩士，高級工程師，主要從事加固顯示器相關(guān)視頻電路和軟件開發(fā)和設(shè)計工作。