IXP425和DM642的會議電視多點(diǎn)控制單元硬件設(shè)計(jì)＊

宋慶恒，王曉鵬

（懷化學(xué)院 物理與信息工程系，懷化 418008）

引 言

“會議電視系統(tǒng)”是指多個(gè)不同地方的人或者群體，通過通信線路以及多媒體通信設(shè)備，將聲音、影像以及文字資料互相傳送，實(shí)現(xiàn)即時(shí)和互動的溝通，從而達(dá)到完成傳統(tǒng)的地點(diǎn)集中式會議目的的系統(tǒng)。采用會議電視的方式，可以使身處多個(gè)會場的與會者，既能聽到其他會場人員的聲音，又能看到其他會場的圖像，與會人員可以通過音／視頻傳輸通信來發(fā)表意見、觀察對方形象，另外可出示實(shí)物、圖紙等增強(qiáng)現(xiàn)場感，還可以通過傳真或共享電子白板等方式及時(shí)傳送相關(guān)文件、圖表或討論問題等，縮短與會者之間的空間距離，改善會議氣氛，使與會者都能身臨其境，如同在一個(gè)地方開會一樣[1]。

會議電視系統(tǒng)主要由終端設(shè)備、傳輸通道（通信網(wǎng)）以及多點(diǎn)控制單元MCU（Multipoint Control Unit）組成。其中多點(diǎn)控制單元是會議電視系統(tǒng)的核心部分，它的作用相當(dāng)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)里的交換機(jī)。交換機(jī)將來自各會議場點(diǎn)的信息流，經(jīng)過同步分離后，抽取出音頻、視頻、數(shù)據(jù)等信息和信令，再將會議場所的信息和信令，送入各處理模塊，完成相應(yīng)的音／視頻混合或切換、數(shù)據(jù)廣播和路由選擇、定時(shí)和會議控制等過程，最后將會議地點(diǎn)所需的各種信息重新組合起來，送往各會議電視終端。本論文立足于設(shè)計(jì)一個(gè)成本較低、運(yùn)行較穩(wěn)定、功能較全、容量較大、運(yùn)算速度較快、兼容性好、安全性較好、操作簡單、能在2M網(wǎng)絡(luò)帶寬下運(yùn)行的針對中小型用戶的嵌入式會議電視多點(diǎn)控制單元。

會議電視多點(diǎn)控制單元（MCU）的主要功能是：

① 媒體控制、媒體處理：包括音視頻的提取，音頻和視頻的重新編碼、混合、切換等，數(shù)據(jù)的廣播和路由選擇，語音激勵(lì)的計(jì)算以及其他需要的媒體功能；

② 可接收其他多點(diǎn)控制單元轉(zhuǎn)發(fā)的音視頻數(shù)據(jù)，重新進(jìn)行音／視頻切換或混合后發(fā)送到會議電視終端進(jìn)行解壓解碼，還原成聲音、影像和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)后進(jìn)行本地輸出；

③ MCU和終端遵循協(xié)議（如 H.323、SIP等）進(jìn)行連接；

④ MCU和終端可接收對方發(fā)送的控制信號并進(jìn)行響應(yīng)；

⑤ 網(wǎng)絡(luò)接入功能；

⑥ 可通過RS232進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

1 方案設(shè)計(jì)

方案1：參考文獻(xiàn)[2]中提出了一種基于TCP／IP協(xié)議的桌面視頻會議系統(tǒng)中多點(diǎn)控制單元的實(shí)現(xiàn)方案，該方案采取純軟件式結(jié)構(gòu)，方案成本低，開發(fā)周期短，但該方案處理音視頻路數(shù)有限，畫質(zhì)較差。

方案2：參考文獻(xiàn)[3]中提出了一種基于DSP－642的會議電視硬件平臺方案，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于H.264協(xié)議的像素域多畫面合成的PCI通信模塊、視頻編解碼模塊，但容量只有4路，畫質(zhì)一般。

綜合比較以上2種方案，結(jié)合本會議電視多點(diǎn)控制單元MCU的具體情況，本文設(shè)計(jì)的會議電視多點(diǎn)控制單元MCU采用Intel嵌入式處理器IXP425作為主控制器，采用4片DM642芯片作為數(shù)據(jù)處理芯片，主控制器與數(shù)據(jù)處理模塊之間采用PCI總線進(jìn)行通信。這種方案開發(fā)周期相對較短，TI、Intel等芯片廠商提供了完善的軟硬件開發(fā)包，另外由于采用PCI總線連接主控制器模塊和數(shù)據(jù)處理器模塊，數(shù)據(jù)傳輸速度快，吞吐率高。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖和采用的功能芯片如圖1所示。系統(tǒng)主要由控制模塊和音／視頻處理模塊組成。

圖1 系統(tǒng)框圖

控制模塊由單板上的IXP425＋CPLD組成。負(fù)責(zé)單板的資源和信息管理，把從業(yè)務(wù)單板發(fā)送過來的音／視頻信號轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的DM642處理。單板CPLD主要實(shí)現(xiàn)單板的復(fù)位、時(shí)鐘檢測、片選信號控制、寄存器讀寫、單板信息等功能。音／視頻處理模塊由單板上4片DM642完成，是單板的核心模塊。決定音／視頻處理模塊性能的有兩個(gè)關(guān)鍵因素：音／視頻算法性能以及PCI總線的傳輸性能。

為了增強(qiáng)PCI總線的傳輸性能，可從如下兩個(gè)方面改善：提高PCI總線傳輸效率；PCI總線上任何一個(gè)器件都可以作為主器件發(fā)起傳輸，這樣DSP芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸不用通過IXP425轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)約總線帶寬。

2.1 IXP425模塊

IXP425模塊主要包含CPU最小系統(tǒng)、CPLD控制模塊、調(diào)試模塊、網(wǎng)絡(luò)管理模塊等?？驁D如圖2所示。

圖2 模塊框圖

IXP425自身具有Expansion總線，能使flash、HPI總線設(shè)備、SDRAM等設(shè)備與內(nèi)部ASHB掛接，可兼容Intel／Motorola等制式接口，有cs[7：0]8個(gè)bank選擇，每個(gè)塊大小為16MB，若采用WinCE操作系統(tǒng)，F(xiàn)lash空間則至少在20MB以上，故最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)利用了cs0及cs1兩個(gè)bank作為系統(tǒng)存儲空間。為了給程序下載模式留下足夠的存儲空間，又增加了兩片16MB的Flash。Flash連接如圖3所示。

圖3 最小系統(tǒng)Flash連接框圖

由于IXP425內(nèi)置了專用的SDRAM控制器，根據(jù)其接口原則，同時(shí)考慮到平臺對運(yùn)算性能留有一定余量，最小系統(tǒng)中對SDRAM部分的設(shè)計(jì)選用了2片32MB的SDRAM，硬件兼容128MB的SDRAM設(shè)計(jì)。

2.2 網(wǎng)口設(shè)計(jì)

IXP425內(nèi)部有3個(gè)與XScale核并行工作的網(wǎng)絡(luò)處理機(jī)NPE，能對外部提供2個(gè)MII接口，并行工作的原理使得網(wǎng)絡(luò)處理性能較好，支持 協(xié)議內(nèi)容，標(biāo)準(zhǔn)的接口只需外接PHY物理接口芯片，平臺中采用了Intel的LXT972A，即能完成與外界數(shù)據(jù)的交互。當(dāng)然，變壓器的使用也是必須的，利用了 HALO生產(chǎn)的TG110－S050N2與RJ45接口掛接，連接示意圖如圖4所示。由于IXP425內(nèi)置了MAC控制器，完善的MII接口使得平臺的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用比較簡單而具有針對性。

圖4 網(wǎng)口連接示意圖

2.3 音／視頻處理模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 PCI接口設(shè)計(jì)

IXP425PCI控制器外部掛了4片DM642，總線為33 MHz，連接示意圖如圖5所示。IXP425PCI總線主要完成對DM642的啟動加載、芯片配置管理、PCI總線仲裁和媒體流調(diào)度。DM642芯片組主要完成音／視頻媒體流的編碼、音／視頻合成的功能。目前的容量為4路音／視頻合成，視頻算法為 H.264，語音算法為 AAC、G.723.1等。

圖5 PCI連接示意圖

其中，DM642A占用IXP425的PCI時(shí)隙1，DM642B占用IXP425的PCI時(shí)隙2，DM642C占用IXP425的PCI時(shí)隙3，DM642D占用IXP425的PCI時(shí)隙4，其有差異的對應(yīng)引腳互連如下：DM642A與IXP425的PCI引腳對應(yīng)。PCI中斷控制信號由CPLD進(jìn)行會聚后上報(bào)給CPU，CPU通過讀取CPLD內(nèi)部的中斷寄存器來判斷外圍PCI設(shè)備的中斷事件。

2.3.2 音／視頻處理模塊最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

EMIFA允許無縫連接多種SDRAM，由于選用的SDRAM大小為64MB，根據(jù)DM642EMIFA的接口準(zhǔn)則，DM642最小系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 DM642最小系統(tǒng)連接示意圖

芯片選擇由CE0完成，選用2片16MB大小的SDRAM進(jìn)行位擴(kuò)展后，最大尋址空間為32MB，行地址選通為 A[3：10]，列地址選通為 A[3：14]，塊選擇（bank select）為 A[15：16]，故使用 DM642地址線 A[3：16]。DM642內(nèi)核工作在50M×12Hz的模式下，EMIF接口工作在25M×5.33Hz，PCI接口工作在33MHz時(shí)鐘頻率下。

2.3.3 Flash設(shè)計(jì)

IXP425外掛一片F(xiàn)lash，存儲BOOT程序。芯片啟動后，從大容量Flash中導(dǎo)入IXP425所需映像到內(nèi)存中。DSP的程序不單獨(dú)配置Flash存儲器，IXP425通過PCI總線把DSP的程序?qū)氲礁髯缘腞AM中運(yùn)行。IXP425是PCI總線的主器件，其他DSP芯片為從器件。

IXP425通過PCI總線啟動DSP的過程如下：

① DSP的配置引腳設(shè)置為PCI BOOT模式（AEA[22：21]＝01，[PCI＿EN：TOUT0／MAC＿EN]＝10）

② IXP425通過CPLD釋放DM642的復(fù)位引腳，DM642進(jìn)入安裝狀態(tài)；

③ IXP425通過PCI總線配置DM642的PCI寄存器；

④ IXP425設(shè)置DM642的存儲器和I／O空間；

⑤ IXP425把DM642的BOOT程序?qū)隓M642內(nèi)部RAM中，起始地址為0；

⑥ IXP425訪問DM642的存儲器空間，把程序?qū)懭隓M642的內(nèi)存中，DM642的頁寄存器（DSPP）可以使IXP425能夠訪問DM642的所有空間；

⑦ IXP425置DM642的HDCR寄存器的DSPINT位為1，把DM642從安裝狀態(tài)釋放；

⑧ DM642從地址0處開始運(yùn)行BOOT程序。

2.3.4 CPLD設(shè)計(jì)

單板CPLD完成的具體功能如下：單板IC復(fù)位控制、中斷處理、時(shí)鐘檢測、時(shí)鐘分頻、時(shí)鐘計(jì)時(shí)（時(shí)鐘同步）、片選譯碼、I／O擴(kuò)展，單板采用一片CPLD，CPLD資源要求僅能使用到70%，預(yù)留日后升級使用和防止布線緊張。

2.4 時(shí)鐘設(shè)計(jì)

（1）PCI時(shí)鐘

33MHz晶振的輸出經(jīng)過一個(gè)BUF之后分出8路：一路給CPLD作為檢測時(shí)鐘；一路給IXP425的OSC＿IN作為芯片工作時(shí)鐘；一路給IXP425的EX＿CLK引腳，作為Expansion總線時(shí)鐘；一路給IXP425的PCI，作為PCI的時(shí)鐘；剩下4路送給PCI時(shí)鐘驅(qū)動器。

（2）以太網(wǎng)及SDRAM時(shí)鐘

50MHz晶振作為CPLD的主時(shí)鐘，該時(shí)鐘經(jīng)過2分頻后送給各路以太網(wǎng)芯片作為各自芯片的主時(shí)鐘，各個(gè)時(shí)鐘沒有同步要求。DM642SDRAM時(shí)鐘由ICS512倍頻獲取，而IXP425的SDCLK＿OUT驅(qū)動能力較強(qiáng)，直接驅(qū)動4片SDRAM工作。

2.5 單板電源設(shè)計(jì)

電源框圖如圖7所示。

圖7 電源框圖

2.6 JTAG鏈接

單板CPU、CPLD的JTAG單獨(dú)成鏈，方便加載和調(diào)試，4片DM642連成一條菊花鏈，硬件兼容各個(gè)芯片單獨(dú)調(diào)試，菊花鏈框圖如圖8所示。

圖8 DM642菊花鏈框圖

3 硬件調(diào)試

本多點(diǎn)控制單元的硬件部分主要進(jìn)行以下調(diào)試：

① 電源、復(fù)位模塊調(diào)試：焊接電源模塊芯片及外圍電路，測試＋5V、3.3V、1.4V、1.3V電壓輸出是否正常。電壓輸出正常后，焊接復(fù)位電路元件，上電后觀察復(fù)位電壓及延續(xù)時(shí)間是否滿足設(shè)計(jì)要求，用示波器測量復(fù)位信號的電平和持續(xù)時(shí)間等是否與設(shè)計(jì)相符。上電后注意各電壓轉(zhuǎn)換芯片是否燙手，不正常則立即斷開電源進(jìn)行檢查。

② 最小系統(tǒng)調(diào)試：在板上焊接IXP425芯片、DM642芯片、CPLD、SDRAM、Flash、JTAG接口及各模塊電路外圍元件。用放大器仔細(xì)檢查有無短路、斷路、虛焊、漏焊、假焊等情況。無問題后上電，測量各芯片工作電壓是否正常，用示波器和頻率計(jì)測量各模塊的工作時(shí)鐘是否正常。利用JTAG口將硬件與計(jì)算機(jī)相連，配置好控制寄存器后，測試SDRAM讀寫功能是否正常，F(xiàn)lash擦寫功能是否正常。如果工作不正常，檢查時(shí)序信號、硬件連接等情況。

③PCI總線調(diào)試：測試各功能模塊之間數(shù)據(jù)傳送是否正常，如IXP425讀寫4塊DM642，DM642之間讀寫數(shù)據(jù)等，需結(jié)合計(jì)算機(jī)、示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀等進(jìn)行測試。

④ 網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊調(diào)試：焊接LTX972A及外圍器件。檢測IXP425的MII接口與LTX972A芯片之間連接是否正常，通過Intel提供的LTX972A測試程序測試網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊是否能與本地PC機(jī)通過網(wǎng)口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

4 結(jié) 論

本多點(diǎn)控制單元在設(shè)計(jì)上具有以下特點(diǎn)：

① 非PC機(jī)的嵌入式會議電視多點(diǎn)控制單元設(shè)計(jì)；

② 內(nèi)部采用PCI總線連接，解決會議電視多點(diǎn)控制單元內(nèi)部突發(fā)大數(shù)據(jù)量傳輸和各數(shù)據(jù)處理模塊的同步問題；

③ 多并行數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)。

[1] 宋慶恒.基于IXP425和DM642的會議電視終端硬件設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2010：34（5）：117－120.

[2] 楊建華，黃瑞光.基于TCP／IP協(xié)議的桌面視頻會議系統(tǒng)中多點(diǎn)控制單元的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，1998：18（12）：18－20.

[3] 李彩琴.基于高性能DSP在視頻會議多點(diǎn)控制單元（MCU）中的應(yīng)用[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2007.

[4] 楊高波，韓龍.視頻會議系統(tǒng)綜述[J].視頻技術(shù)應(yīng)用與工程，2004（9）：60－63.

[5] 劉瓊，安濤，金剛.基于DM642視頻采處理統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007（23）：180－182.

[6] 韓非，胡春海，李偉.TMS320C6000系列DSP開發(fā)應(yīng)用技巧[M].北京：中國電力出版社，2008：226－235.