一种车载数字硬盘录像机的设计与实现 - 汽车电子 - 电子

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<strong>一、引言</strong>

随着科技的发展进步，车辆成为人们生活中不可缺少的一部份，作为一个载人工具伴随人们出现在各种场所。对各类汽车安全的需求快速增长，使得汽车监控业也快速成长起来。我们经常会听到这样的报道：乘务员中途载客收钱不给票或给假票，车辆上扒抢案件增多，交通事故发生争执等，这些案件由于现场取证困难，很难得到解决。如果可以将车内和车外的情况随时记录下来，作为回忆、考核证明、证据等各种用途，将能够很好地解决以上问题。数字化车载硬盘录像机作为监控行业一种新的高科技产品，受到了广泛关注。它是安装于火车、汽车等移动车辆上集数字录像、监控、娱乐、广告等功能于一体的嵌入式数字硬盘录像机。目前国内可以提供的一般是以硬盘或CF 卡为单一存储设备的数字硬盘录像机，多以MPEG2 硬压缩编码，存在码流高、需要大容量硬盘和不适合传输的缺点。大部分硬盘录像机采用普通硬盘或笔记本硬盘作存储介质，由于硬盘的机械特性，存在录像不稳定，硬盘容易损坏等问题，严重影响车载录像机的可靠性和稳定性。还有少部分使用单一的CF 卡为存储介质，存在容量小不能保存长时间录像资料的缺点。

本文提出了一种新的车载数字硬盘录像机的设计方案，能很好的解决如上问题。不但能对车上的现场环境进行高清晰度的录制（可达ＤＶＤ画质），还可以同时进行低码流传输；行车时采用CF 卡为存储设备，采用停车自动备份策略，避免在行车过程中使用机械硬盘，大大提高了车载数字硬盘录像机的可靠性和稳定性。本数字硬盘录像机还具有广告影片播放、行车记录等较强的扩展能力，有广阔的应用前景和增值应用空间，完全可以扩展为一个2集监控、行车记录、导航和多媒体应用的车载平台，可取代现有的车载影碟机。

<strong>二、系统总体设计</strong>

本方案主要针对车载应用设计，主要实现以下功能：

1、实现四路实时音视频同步MPEG4 高清晰录像，可以实现双工回放及同时双路回放。
2、实现多种录像模式，如手动录像、定时录像、报警录像、行车状态（如刹车、超速和倒车等）录像、侦测录像和超过30 秒预录等。
3、实现四路低码流远程传输，可以通过WI-FI 或GPRS 实现远程无线传输，实现远程监控。
4、实现高速USB2.0 接口，提供USB 磁盘设备的录像、播放和快速备份。
5、同时支持CF 卡和IDE 硬盘，实现可靠的停车自动备份功能，提高了可靠性和稳定性。
6、实现报警事件和行车状态远程上传，实现远程监控和远程备份等网络功能，提供无线网络支持。
7、实现双头显示输出，即同时支持两个独立的视频输出，如一路可以用来播放广告影片，一路可以用来观看现场和回放。

下图即为四路数字硬盘录像机的功能框图：


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为了实现以上功能，本设计采用两颗高性能DSP 为核心器件组成本系统，一颗DSP 为从设备，主要实现四路最高1/2D1 的MPGE4 编码；一颗DSP 为主设备，主要完成网络传输编码、回放、播放广告影片、存储、控制、输出和网络传输等应用。具体实现见下图：


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其中，DSP 采用飞利浦电子公司推出的NexperiaTM 系列高清媒体处理器PNX1700。它在单芯片上集成了媒体处理、网络连接和显示增强功能，是专门为流媒体影片、新闻、数码照片及电视节目提供前所未有的画质而设计的。PNX1700 的性能是PNX1500 的两倍，同时保证了软件和硬件的兼容。采用PNX1700 的数字互联家庭设备包括IP 机顶盒、数字媒体适配器、个人视频录像机、视频电话及电视。基于 PNX1700 的强大处理能力，理论上一颗PNX1700 可以完成8 路CIF 的MPEG4 编码；同时为了满足应用的需要、还提供了很多视频专用功能，比如视频滤波、De-interlace处理、高分辨显示输出、OSD 功能等，提供了网络和IDE 接口，还提供了2 路视频输入/输出接口。PNX1700 还具有PCI/XIO 总线，提供了很好的扩充能力，如USB、WI-FI 等。

由于主/从DSP 各有2 路视频输入，所以总共可以实现4 路视频输入，但需要通过PCI进行图像数据交换，才能实现4 路图像的现场显示和资源合理分配。也就是主DSP 采集完视频数据后必须通过DMA 写入从DSP 的内存，并通过中断告知从DSP；而从DSP 采集完视频数据后也必须通过中断通知主DSP 读取数据。这样就可以实现4 画面的现场显示和4路双码流MPEG4 编码设计，还可以减轻主DSP 的负担，使主DSP 可以有更多的资源来实现增值应用，如广告影片的播放，GPS 行车定位和网络应用等。

<strong>三、软件设计</strong>

本方案采用 Nexperia 平台提供的pSOS 嵌入式操作系统，由于此操作系统是philips 提供的专用操作系统，有着成熟的大规模应用，在PNX1700 上有很好的表现，如实时性、稳定性和扩展性等都不比其他的商业嵌入式操作系统差。程序分两部分，一部分是从程序，比较简单，主要是4 路编码的实现；另一部分是主程序的设计，比较复杂，主要实现传输编码、文件存储管理、回放和控制等。

图 3 是从程序的软件处理流程示意图，从图3 可以看出，从程序主要的工作就是实现视频和音频数据的编码，其中2 路的图像数据由主DSP 提供并通过PCI 中断告知。由于PNX1700 支持4 通道立体声采集，所以音频数据可以本地采集。当编码完成后，数据进行必要的缓冲处理并发送中断通知主DSP，主DSP 接收到中断请求后主动读取并经文件系统处理后完成存储。


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图 4 是主DSP 程序的视频流处理流程示意图，从图4 可以看出，主程序接收到视频采集完成中断后不但要进行现场显示，还要通过PCI 的DMA 写到从DSP 的内存，并发送中断通知从DSP；如果是需要显示从DSP 采集的图像数据，还需要处理从DSP 的中断请求，通过PCI 的DMA 读取缓存在从DSP 内存的图像数据，就可以实现任意单路或多画面合成的现场显示。如果需要双码流传输，则可以进行编码传输。


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图 5 是主DSP 程序录像数据存储和播放流程的示意图。对于非车载应用，录像数据经过文件系统处理后就可以直接存储到大容量硬盘。但由于车载环境存在强烈的震动，不但读写不可靠，还很容易损坏机械硬盘，所以本方案设计了一个独特的停车自动备份功能，也就是在行车过程中产生的录像数据通过专用文件系统临时保存在CF 卡中，当系统检测到停车状态时再唤醒硬盘并把CF 卡的录像数据转存到硬盘，这样硬盘就不需要复杂和昂贵的避震系统，不管多差的路况都不会损害硬盘，可以轻松和可靠地实现行车录像资料的长时间保存，并可以大大提高录像机的可靠性和稳定性，延长硬盘的使用寿命。录像资料可以通过网络和 USB 磁盘进行备份，还可以用刻录机刻录以便长期保存备查。

如果配套一个远程网络监控中心，则可以通过GPRS 等无线网络进行远程监控，构建一个完备的移动设备监控网络系统。

<strong>四、增值应用</strong>

针对车载应用市场，车载数字录像机的增值应用有着非常巨大的应用空间，比如广告、影片、GPS 导航、GPRS 远程传输和行车记录（汽车黑匣子）等。本系统由于采用了双DSP设计，有比较丰富的接口资源和DSP 资源，也就为增值应用提供了足够的资源空间。特别是采用双输出设计，可以实现播放广告影片和预览/回放录像资料互不影响。

<strong>五、总结</strong>

车载硬盘录像机作为适合车辆的监控设备，随着社会认同度的增加和其功能的不断完善，它的适用范围将越来越广，作用将越来越大。不仅在长途大巴、公共汽车上将被广泛的应用，而且在火车、船舶、救护车、消防车、公安交警用车、物资运输车、旅行车、机关、学校、幼儿园等单位的接送专车上都有十分广泛的用途。车载数字硬盘录像机将为社会更加文明，生活更加安全起到十分重要的作用。

<strong>本文作者创新点：</strong>

1）基于两颗高性能DSP，采用先进的MPEG4 压缩算法，通过PCI 组成四路实时双码流多功能车载数字硬盘录像机。

2）行车时选用CF 卡为存储设备，运用停车自动备份的策略，这样可避免在行车过程中使用机械硬盘，大大提高了车载数字硬盘录像机的可靠性。

<strong>参考文献</strong>

1. 洪艳伟.赖娟 基于XPE 的嵌入式车载系统研究与实现 [期刊论文] -微计算机信息2007(10)
2. 冯继超 面向二十一世纪的嵌入式系统及发展方向 [期刊论文] -工业控制计算机2001(5)
3. 林广宇.魏朗 基于图像的车载行驶安全监控系统设计 [期刊论文] -空军工程大学学报（自然科学版）2006(5)
4. 罗勇华 车载专用 DVR压缩技术应用比较 [期刊论文] -中国公共安全（资讯版）2004(12)

作者：北京联合大学电子信息技术实验实训基地 梁爱华付钪
来源：微计算机信息2008 24(26)

jackson

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