数字视频监控硬件设计经验谈

数字视频监控系统主要包括DVR、DVS、IP-Camera等，涉及到嵌入式系统技术、视频编解码技术、音频编解码技术、联网及域名处理技术等。硬件对于系统而言，相当于建筑的地基，地基牢，建筑才可靠，才能够经历风风雨雨的考验。

    概述

    数字视频监控系统主要包括DVR(Digital Vedioecord)、DVS(Digital Vedio Server)、IP-Camera等，是一个处于技术前沿的领域，涉及到嵌入式系统技术、视频编解码技术、音频编解码技术、联网及域名处理技术等。数字视频监控系统应用环境也不尽相同，有的户外环境相当恶劣，需要经受雷击、高低温等严酷考验。硬件对于系统而言，相当于建筑的地基，地基牢，建筑才可靠，才能够经历风风雨雨的考验。

    硬件系统

    数字视频监控系统通常由DSP、CPU、视音频处理、接口处理等部分组成，示意图见图1。



图1

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    关键器件

    此章节介绍数字视频监控系统主要芯片及其特点。

    CPU、DSP

    DSP和CPU是数字视频监控系统的核心，DSP的运算处理能力强，主要用于视音频压缩、解压处理，而CPU在控制方面具有独特优势，主要进行接口处理以及存储介质的读写。这一块技术发展趋势是由两种独立芯片逐渐集成为一块芯片，后者在成本、功耗、面积等方面具有较大优势，因此成为当今市场上主流，另外，在集成芯片里，ASIC替代DSP也成为一种趋势。FPGA技术发展迅猛，具有灵活及自主知识产权等方面的优点，因此，也在监控行业占有一席之地。

    数字视频监控系统大多考虑PHILIPS(NXP)的TM1300系列，TI达芬奇系列，海思3510系列，飞思卡尔的iMX27系列以及ADI的Blackfin系列。

    NXP的TM1300系列是早期数字视频监控系统主流选择，尤其是新一代的PNX1500增加了许多功能，可提供网络接口、IDE接口、LCD高分辨输出、高清视频输出(1920×1080)，并带有视频滤波、图像缩放、反交错(De-interlacing)处理和2D图形加速器等。但是，随着其他厂商强力进入，其影响力日趋减弱。

    飞思卡尔于07年正式发布的i.MX27芯片.该芯片集成了ARM9和H.264和MPEG4硬件编解码的内核。主频能达到400M。可以达到H.264/MPEG4编解码D1分辨率：720X576、25fps和720x480、30fps;全双工编解码同时进行可以达到VGA分辨率:640x480、30fps，在目前的嵌入式ARM处理器中鲜有敌手。而且，MX27可以同时进行H.264VGA、30fps的编码和MPEG4VGA、30fps的解码;也能MPEG4VGA、30fps编码和H.264VGA、30fps解码同时进行。同时，i.MX27瞄准了未来的无线视频应用，这应该是将来的一个发展方向。

    TI早期主推DSP，运算能力强大，能够完成复杂的解码处运算，缺点是软件工作量较大，且在控制、接口方面存在不足，跟其他CPU对接性也不好，存在一定局限性。随着ARM技术推广，TI将它跟DSP融合，构成了达芬奇系列芯片，融合了DSP和ARM的优点，不仅运算能力超强，而且控制能力得以提升，接口也相应丰富起来，能够根据用户的需求做很多灵活配置，比如带智能分析的视频服务器、多编码格式自适应视频解码器、网络球机编码控制一体板等，满足监控市场的不同需求，因此，迅速抢占市场，占有较大份额。基于其DSP功能强大，达芬奇系列无疑是做各种档次、各种特殊功能的视音频编解码系统的首选。

    ARM技术推广，也催生了海思的HI3510系列芯片，这系列产品是华为海思针对商业监控市场推出的一款SOC。该芯片集成了ARM9和H.264硬件编解码内核，性能达到编码D130帧，能满足一般的商业监控应用。加上华为在国内有比较大的知名度、国产、价格、技术支持好等因素，3510系列迅速抢滩监控市场，占据了半壁江山。即将推出的HI3511，主频提高到270MHz，视频处理改用硬件加速引擎处理，处理能力大为改善，H.264最大编码或者解码支持到75fps@D1，同编同解30fps@D1，JPEG/MJEPG支持300万像素的编码，帧率5fps，另外，3511提供了4个视频输入硬件接口，具有8个视频输入逻辑单元，如果与Techwell的TW2815配合，使单芯片即可完成8CIF处理成为现实。HI3511接口也更丰富，提供了PCI接口，易于扩展，如SATA。这些特点无疑是做高性价比多路DVR、DVS的首选，而HI3511强大的视音频处理能力也将进一步影响IP-Camera市场格局，HI3511对监控市场的强劲冲击波指日可待。

视频CODEC

    视频CODEC包含两部分：Decoder和Encode，在监控领域，主要有PHILIPS、TI、ADI以及Techwell等公司。

    提到PHILIPS(现为NXP)，经典芯片是SAA7113和SAA7121，由于TM1300缘故，这两颗作为配套芯片，在业界广泛应用，后来其他厂家在推广同类型芯片时，都要跟这两款比较，由此可见其影响力之大。

    后来居上的是TI，推出了不同档次的视频DECODE方面的芯片，TVP5150在性能、功耗、面积等方面都较SAA7113占有优势，加上达芬奇系列芯片也逐渐占据越来越多的市场，有力地带动了视频Decoder芯片的推广，成为主流。

    ADI以其高性能著称，但这也意味着高价格。ADI有款Encoder芯片-ADV7179，逐渐抢占SAA7121的市场份额。对于ADI高性能的视频CODEC芯片，在价格因素不太重要的高性能监控产品中可以考虑选择。

    Techwell是专注在安防领域视频编解码的专业公司，已在美国纳斯达克上市。产品在全球的安防行业的视频监控产品类都有涉及。在中国区，TW2824作为QUAD(四分割)的主芯片，在国内有80%左右的市场占有率。国内有研发能力的DVR厂家都已用上TW2815和TW2834/35甚至更多的Techwell的芯片作为前端的视频Decoder。很多芯片还集成了音频CODEC，其竞争力不可小看。

    可靠性设计

    不管选择什么样的CPU、视频CODEC以及其他器件，其系统的结构都可以用图1来表述，因此，数字视频监控系统具有一些共性，在做可靠性设计时，考虑点基本相同。可靠性设计包括板卡级和整机级两个层面。

    信号完整性与EMC设计

    1、信号完整性

    信号完整性属于板卡级问题。目前，芯片的主频、总线通信速率越来越高，信号完整性问题也日益严峻，一个信号完整性好的系统具有以下优点：

    ·能够减小对芯片的冲击、干扰，提高系统性能;

    ·有助于提高总线通信稳定性、可靠性;

    ·减小EMI。

    数字监控系统中主要考虑的总线信号主要有：

    ·存储接口：SDRAM(或DDR2SDRAM)、ROM(包括NORFLASH、NANDFLASH等);

    ·CPU与视音频CODEC接口总线;

    ·CPU与网络PHY接口总线;

    ·PCI总线。

    可以通过以下几种方式来提高总线的信号完整性：

    ·在成本允许情况下，尽量增加PCB层数，为各总线信号提供完整的参考平面;

    ·所有高速总线信号在PCB布线时，严格要求不能跨区域;

    ·分析各总线的拓扑结构，由此制定端接方案，通常情况下，采用源端串接电阻方式;

    ·根据SI仿真结果确定最佳阻值，以减小过冲和振铃，并根据实际测试结果调整阻值。

    2、ESD

    数字监控系统在某些应用场合，如：高温、干燥环境，经常会受到静电干扰，提高系统的抗静电能力，有利于提高产品的可靠性。相信行业标准出台后，对此也会做相应的要求。解决静电问题关键点是把地处理好，给静电提供良好的泄放通道。静电特点是能量很小，但频率成分丰富，低频部分要求接地通路顺畅，高频部分需关注耦合方面处理。板卡级措施有：

    ·关键电源增加了π型滤波;

    ·复位信号在PCB布线时，要求尽量粗，作好保护，并在负载端增加小容值的下拉电容，滤除干扰;

    ·复位芯片的电源加磁珠隔离，并远离板边及接插件;

    ·网络、音视频、串口等对外接口增加ESD保护器件，尽量靠近插座;
·报警输入增加光耦隔离;

    ·报警输出增加继电器驱动隔离;

    ·调试口在调试完成后去掉。正式生产的板不安装;

    ·JTAG接口TMS和TDI信号上拉，TCK信号下拉，增强抗干扰能力;

    ·未用的芯片输入管脚接上拉或下拉;

    ·对外插头、插座尽量保证可靠接触，以减小接触电阻。

    3、EMC

    EMC包含两方面内容：抗电磁干扰能力以及干扰其他设备能力。一般而言，对设备采取的抗干扰措施对减小干扰同样有效。屏蔽、接地以及加磁环是解决EMC问题的三大法宝，同时，EMC设计所介入时间越早，效果就越好。建议在系统设计之初就进行EMC设计，而不要等到产品已经出来了才进行，这样费力还可能不讨好。板卡级措施有：

    ·时钟参考源选用晶体而不用晶振;

    ·CPU和DDRSDRAM等芯片滤波采用多种容值，滤除不同频段干扰;

    ·PCB在叠层时，对于挨着的地和电源层，要求芯板尽量薄，以增大埋容值，滤除电源干扰;

    ·做好系统中互联的屏蔽处理，对外插头、插座建议360°可靠接触。

    安规、防雷设计

    为了增强产品的可靠性和抗干扰能力，所有接口进行防静电、防过压保护设计，对于可能遭受雷击的接口还加入了防雷设计，主要采用气体放电管，其特点是雷击反应速度快。朗驰视音频接口防雷特性如下：

    ·标称直流击穿电压：400V/s;

    ·耐电涌量：8/20μs,1000A;

    ·绝缘电阻≥10GΩ(DC100V);

    ·电容量：10KHz，0.3V条件下≤1pF。

    串口、网口引线较长，更容易收到雷击破坏，因此采用了另外一款防雷器件，其特性如下：

    ·标称直流击穿电压：90V/s;

    ·冲击击穿电压≤700V/us;

    ·耐电涌量：8/20μs,5000A;

    ·耐工频电流：50Hz，5A;

    ·绝缘电阻≥10GΩ(DC50V);

    ·电容量：10KHz，0.3V条件下≤2pF。

    另外，在系统地设计中，专门划分了EGND，作为泄放地，主要分布在板边，包含需要做防雷的器件区域，并通过螺丝孔接到机壳，再经过接地柱引线泄放到大地。注意，整个板卡只有一个螺丝孔接EGND，其他全部作无金属化处理，不连接到任何网络，这样做是为了防止大电流在板卡上流动。系统的针对防雷的地设计如图2所示。