基于PC机的视频点播机顶盒的设计
时间：02-01
来源：电子工程设计
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机顶盒是视频点播(VOD)系统的终端设备，是用户与VOD服务器之间的智能接口。它用于视频业务的接收和用户请求的发送。因此，VOD系统中的数据传输被分成两个通路：下行通路用于把视频信息传送到用户；上行通路用于把用户的点播需求传送到发送端。基于PC机的机顶盒是将机顶盒的功能做成普通的ＰＣ插卡形式，利用计算机实现视频点播的所有功能。这样做有几点好处：
1 充分利用微机的软、硬件资源，从而降低了用户终端设备的成本；
2 兼容性好，可适应不同的接入网和不同类型的业务；
3 软件维护和升级方便，适应未来发展；
4 可设计易操作、美观和基于Windows95/98的用户界面。
该机顶盒由两块普通PC机插卡构成，它们分别完成下行数据的接收和上行数据的发送。上行数据的发送由一块内置MODEM卡通过电话线完成，下行数据的接收则由另一块插卡通过CATV网实现。
本文研究的主要内容是在微机上如何实现下行数据的正常接收。为此，提出了一种以数字调谐器、最新QAM数字解调芯片和高性能MPEG-2解复用芯片为核心的机顶盒设计方案。在机顶盒的硬件设计中，采用了先进的I2C总线技术、QAM数字解调技术、MPEG-2解复用技术、FIFO存储器技术以及通用的ISA总线接口技术；在软件设计中，采用了VC++编程技术和Windows95/98环境下利用VToolsD开发虚拟设备驱动程序即VxD的技术。
1 机顶盒的硬件设计
机顶盒的主要功能是为人们提供一个访问VOD业务的途径，为合法用户提供一个友好的界面，其接收部分的总体硬件框图如图1所示。
在图1中，来自CATV网的下行数据经数字调谐电路实现频点选择，某一频点上的数据流中包含了十几路节目的数据，这些数据在发送端经过了MPEG-2标准的系统复用。该电路输出中频信号，然后由模/数转换电路输出数字信号，作为QAM解调电路的输入。上述过程中的频点选择和QAM解调均由微处理器经I2C总线控制。
QAM解调后的数字信号送到MPEG-2解复用电路，实现通道选择，即选出用户点播的一路节目。该节目的数据为MPEG-1标准的压缩形式。为了节约成本和简化电路，并考虑到目前微机的速度很高、且为Windows95操作系统，本设计中不采用硬件解压缩方式，而是将数据经主机接口电路以DMA传输方式传送到计算机的内存中，用软件方法对该路节目进行实时解压缩处理并播放出来。
上述整个电路可分为几个相对独立的模块，下面分别对它们进行介绍。
1.1 数字调谐电路1
数字调谐电路实际上就是一个高频头，它的作用是接收来自CATV网的下行数据，根据微处理器的指令，实现频点选择(与模拟电视相似)。某一选定频点的数据流中仍含有多路节目的数字信号，每个用户只收看某一频点中的一路节目。频点选择由微处理器通过I2C总线控制。数字调谐电路与后级电路的连接如图2所示。
1.2 A/D视频转换电路
高频头输出的模拟中频信号的幅值已满足A/D转换器的输入要求，因此将它直接送给A/D转换器数字化，以供后续的数字电路进一步处理。该模/数转换器采用Philips公司的芯片，它将模拟视频信号转换成二进制编码的数字视频信号。A/D转换电路的连接如图2所示。
1.3 QAM解调电路
QAM解调电路是机顶盒接收部分的重点和难点之一，芯片的选型十分重要。它的作用是将A/D视频转换电路输出的数字信号进行QAM解调和其它处理后输出基带数字信号。
QAM解调电路采用最新QAM数字解调芯片。该芯片的功能强大，全数字化处理，芯片外部不需要反馈环路，支持16、32、64、128和256QAM的解调。为了实现芯片的强大功能，其内部有大批的控制/配置寄存器供用户编程使用，这些寄存器可通过I2C总线或并行总线进行读或写操作。芯片输出纠错后的MPEG-2传输流。
上述介绍的调谐电路、A/D视频转换电路和QAM解调电路组成了一个相对独立的整体，它们的应用电路框图如图2所示。
1.4 I2C总线控制电路3～4
在上述电路中，调谐电路的频点选择、QAM解调芯片内部一系列寄存器的读写操作均由微处理器通过I2C总线控制。而微处理器芯片内没有I2C总线接口 因此需要设计I2C总线控制电路。该电路由I2C 总线控制器芯片PCF8584构成，它可用作大多数并行总线与串行的I2C总线之间进行双向通信的接口。 利用它可以很方便地将微处理器接入I2C总线实现芯片间的数据传输和控制。
I2C总线控制电路与其它电路的连接方法如图3所示。
1.5 MPEG-2 系统解复用电路1～25
在视频点播系统中，发送端的节目源是基于MPEG-1标准的数据流，它只适合相对无误差的环境，如CD-ROM、VCD的传输。为了适应有噪声或损耗介质信道的传输，需将多路不同节目的MPEG-1格式的码流按照MPEG-2标准进行传输复用。因此，在接收端需要相应的MPEG-2解复用电路的支持。
MPEG-2解复用电路从微处理器接收指令实现通道选择，即从调谐电路已选定的频点中选择用户点播的一路节目，满足用户的点播要求。
MPEG-2解复用电路采用高性能的MPEG-2系统解复用芯片。该芯片在接收到MPEG-2系统传输码流后，对传输层和PES(Packetized Elementary Stream)层作解复用处理，提供某一路的码流缓冲，其输出送到主机接口电路，其应用电路框图如图3所示。
1.6 计算机的接口电路设计6～8
本设计中，计算机的接口电路有两大任务：一是微处理器通过该接口电路实现对调谐电路、QAM解调电路、MPEG-2解复用电路的控制与访问，以便完成多路节目数据流的分接；二是接口电路将解复用电路输出的一路节目数据传送到计算机的内存中，供微机对其进行软件解压缩并播放出来。
由图3可知，微处理器对调谐电路和QAM解调电路的访问与控制是通过I2C总线控制器芯片PCF8584实现的，而微处理器对解复用电路的访问与控制则直接通过解复用芯片的微处理器接口实现。此外，解复用芯片输出的一路节目数据还需通过接口电路传送到微机的内存中。为了适合实时、高速或突发数据的传输，接口电路采用DMA传输技术，并利用FIFO(First In First Out)存储器作为数据缓冲电路。由于FIFO具有一定的存储容量，能起到缓冲作用，故能很好地解决外设与计算机之间的速率匹配问题。此外，当外设进行连续的数据传输时，主机的DMA传输可以间歇地进行，从而能够让主机有时间执行数据处理和显示等后台任务。
2 机顶盒的软件设计
在机顶盒中，软件设计主要包括三个部分：各芯片的读写操作。接口软件编程和用户界面的设计。数字调谐电路、QAM解调电路、I2C总线控制器和MPEG-2解复用电路的芯片中都含有大量的控制和配置寄存器供用户进行读写操作，以便预置有关的参数或对某些参数进行控制。这需要通过编程来实现。机顶盒的用户界面是一个典型的WINDOWS界面，机顶盒的所有功能(包括解压缩)都通过它来完成，因此可采用VC++进行编程。接口软件的功能是把插卡接收到的数据以DMA方式传送到计算机的内存中，要实现Windows95/98下DMA方式的数据传输，需要编写虚拟设备驱动程序。这是整个软件设计中的重点和难点。限于篇幅下面简单说明虚拟设备驱动程序的设计思想。
DMA虚拟设备驱动程序采用VtoolsD编写，可由Win32应用程序动态装载。驱动程序负责将外设中的数据以DMA方式传送到内存中的两块缓冲区里，应用程序分别从这两块缓冲区轮流读取数据。实现方法如下：
驱动程序的入口是一个被称作Control Dispatcher的函数，它负责处理与该VxD相关的系统控制信息，并调用相应的处理例程。一个可被动态装载的VxD应能处理以下消息：SYS_DYNAMIC_DEVICE_INIT(用于VxD的初始化阶段)；SYS_DYNAMIC_DEVICE_EXIT(用于VxD的退出阶段)；W32_DEVICEIOCONTROL(用于应用程序和VxD的通信)。当Win32应用程序利用函数CreateFile来动态装载VxD时，系统发送SYS_DYNAMIC_DEVICE_INIT消息，Control Dispatcher调用该消息的处理例程OnSysDynamicDeviceInit进行VxD的初始化设置，例如DMA控制器的初始化、分配内存空间、中断控制器的初始化等。当Win32应用程序调用DeviceIoControl 函数向VxD发送数据时，Control Dispatcher调用该消息的处理例程OnW32DeviceIoControl此时可以接收从应用程序发来的消息如主窗口句柄等。当Win32应用程序关闭该VxD或Win32应用程序本身被关闭时，Control Dispatcher调用该消息的处理例程OnSysDynamicDeviceExit，此时可以做一些清理性工作，如释放DMA缓冲区等。
每当一次DMA传输结束便产生一个硬件中断。在VxD的中断处理例程中，对DMA控制器重新进行初始化(即改变DMA缓冲区的首地址使之指向另一个缓冲区，以便开始下一次DMA传输)，同时向Win32应用程序发送消息通知它读取内存中的数据。
3 实验结果
将上述机顶盒电路做成一块PC插卡用于接收下行数据。首先对电路中的各个模块分别进行了多次调试和试验。然后在此基础上，利用试验用的节目源(即按照MPEG-2标准进行传输复用后的多个不同节目的码流)对整个电路进行了联调。它可以实现频点选择、QAM解调和通道选择，从而得到用户所要点播的某一路节目。该路节目的数据流格式遵从MEPG-1标准，速率约为1.4Mb/s。最后利用编写好的虚拟设备驱动程序通过接口电路成功地将该路节目传送到计算机的内存中。编写一个用于调试的Win32应用程序，读取内存中的节目数据并形成一个数据文件后由金山影霸播放，效果良好。
发布者：吕勇
1 充分利用微机的软、硬件资源，从而降低了用户终端设备的成本；
2 兼容性好，可适应不同的接入网和不同类型的业务；
3 软件维护和升级方便，适应未来发展；
4 可设计易操作、美观和基于Windows95/98的用户界面。
该机顶盒由两块普通PC机插卡构成，它们分别完成下行数据的接收和上行数据的发送。上行数据的发送由一块内置MODEM卡通过电话线完成，下行数据的接收则由另一块插卡通过CATV网实现。
本文研究的主要内容是在微机上如何实现下行数据的正常接收。为此，提出了一种以数字调谐器、最新QAM数字解调芯片和高性能MPEG-2解复用芯片为核心的机顶盒设计方案。在机顶盒的硬件设计中，采用了先进的I2C总线技术、QAM数字解调技术、MPEG-2解复用技术、FIFO存储器技术以及通用的ISA总线接口技术；在软件设计中，采用了VC++编程技术和Windows95/98环境下利用VToolsD开发虚拟设备驱动程序即VxD的技术。
1 机顶盒的硬件设计
机顶盒的主要功能是为人们提供一个访问VOD业务的途径，为合法用户提供一个友好的界面，其接收部分的总体硬件框图如图1所示。
在图1中，来自CATV网的下行数据经数字调谐电路实现频点选择，某一频点上的数据流中包含了十几路节目的数据，这些数据在发送端经过了MPEG-2标准的系统复用。该电路输出中频信号，然后由模/数转换电路输出数字信号，作为QAM解调电路的输入。上述过程中的频点选择和QAM解调均由微处理器经I2C总线控制。
QAM解调后的数字信号送到MPEG-2解复用电路，实现通道选择，即选出用户点播的一路节目。该节目的数据为MPEG-1标准的压缩形式。为了节约成本和简化电路，并考虑到目前微机的速度很高、且为Windows95操作系统，本设计中不采用硬件解压缩方式，而是将数据经主机接口电路以DMA传输方式传送到计算机的内存中，用软件方法对该路节目进行实时解压缩处理并播放出来。
上述整个电路可分为几个相对独立的模块，下面分别对它们进行介绍。
1.1 数字调谐电路1
数字调谐电路实际上就是一个高频头，它的作用是接收来自CATV网的下行数据，根据微处理器的指令，实现频点选择(与模拟电视相似)。某一选定频点的数据流中仍含有多路节目的数字信号，每个用户只收看某一频点中的一路节目。频点选择由微处理器通过I2C总线控制。数字调谐电路与后级电路的连接如图2所示。
1.2 A/D视频转换电路
高频头输出的模拟中频信号的幅值已满足A/D转换器的输入要求，因此将它直接送给A/D转换器数字化，以供后续的数字电路进一步处理。该模/数转换器采用Philips公司的芯片，它将模拟视频信号转换成二进制编码的数字视频信号。A/D转换电路的连接如图2所示。
1.3 QAM解调电路
QAM解调电路是机顶盒接收部分的重点和难点之一，芯片的选型十分重要。它的作用是将A/D视频转换电路输出的数字信号进行QAM解调和其它处理后输出基带数字信号。
QAM解调电路采用最新QAM数字解调芯片。该芯片的功能强大，全数字化处理，芯片外部不需要反馈环路，支持16、32、64、128和256QAM的解调。为了实现芯片的强大功能，其内部有大批的控制/配置寄存器供用户编程使用，这些寄存器可通过I2C总线或并行总线进行读或写操作。芯片输出纠错后的MPEG-2传输流。
上述介绍的调谐电路、A/D视频转换电路和QAM解调电路组成了一个相对独立的整体，它们的应用电路框图如图2所示。
1.4 I2C总线控制电路3～4
在上述电路中，调谐电路的频点选择、QAM解调芯片内部一系列寄存器的读写操作均由微处理器通过I2C总线控制。而微处理器芯片内没有I2C总线接口 因此需要设计I2C总线控制电路。该电路由I2C 总线控制器芯片PCF8584构成，它可用作大多数并行总线与串行的I2C总线之间进行双向通信的接口。 利用它可以很方便地将微处理器接入I2C总线实现芯片间的数据传输和控制。
I2C总线控制电路与其它电路的连接方法如图3所示。
1.5 MPEG-2 系统解复用电路1～25
在视频点播系统中，发送端的节目源是基于MPEG-1标准的数据流，它只适合相对无误差的环境，如CD-ROM、VCD的传输。为了适应有噪声或损耗介质信道的传输，需将多路不同节目的MPEG-1格式的码流按照MPEG-2标准进行传输复用。因此，在接收端需要相应的MPEG-2解复用电路的支持。
MPEG-2解复用电路从微处理器接收指令实现通道选择，即从调谐电路已选定的频点中选择用户点播的一路节目，满足用户的点播要求。
MPEG-2解复用电路采用高性能的MPEG-2系统解复用芯片。该芯片在接收到MPEG-2系统传输码流后，对传输层和PES(Packetized Elementary Stream)层作解复用处理，提供某一路的码流缓冲，其输出送到主机接口电路，其应用电路框图如图3所示。
1.6 计算机的接口电路设计6～8
本设计中，计算机的接口电路有两大任务：一是微处理器通过该接口电路实现对调谐电路、QAM解调电路、MPEG-2解复用电路的控制与访问，以便完成多路节目数据流的分接；二是接口电路将解复用电路输出的一路节目数据传送到计算机的内存中，供微机对其进行软件解压缩并播放出来。
由图3可知，微处理器对调谐电路和QAM解调电路的访问与控制是通过I2C总线控制器芯片PCF8584实现的，而微处理器对解复用电路的访问与控制则直接通过解复用芯片的微处理器接口实现。此外，解复用芯片输出的一路节目数据还需通过接口电路传送到微机的内存中。为了适合实时、高速或突发数据的传输，接口电路采用DMA传输技术，并利用FIFO(First In First Out)存储器作为数据缓冲电路。由于FIFO具有一定的存储容量，能起到缓冲作用，故能很好地解决外设与计算机之间的速率匹配问题。此外，当外设进行连续的数据传输时，主机的DMA传输可以间歇地进行，从而能够让主机有时间执行数据处理和显示等后台任务。
2 机顶盒的软件设计
在机顶盒中，软件设计主要包括三个部分：各芯片的读写操作。接口软件编程和用户界面的设计。数字调谐电路、QAM解调电路、I2C总线控制器和MPEG-2解复用电路的芯片中都含有大量的控制和配置寄存器供用户进行读写操作，以便预置有关的参数或对某些参数进行控制。这需要通过编程来实现。机顶盒的用户界面是一个典型的WINDOWS界面，机顶盒的所有功能(包括解压缩)都通过它来完成，因此可采用VC++进行编程。接口软件的功能是把插卡接收到的数据以DMA方式传送到计算机的内存中，要实现Windows95/98下DMA方式的数据传输，需要编写虚拟设备驱动程序。这是整个软件设计中的重点和难点。限于篇幅下面简单说明虚拟设备驱动程序的设计思想。
DMA虚拟设备驱动程序采用VtoolsD编写，可由Win32应用程序动态装载。驱动程序负责将外设中的数据以DMA方式传送到内存中的两块缓冲区里，应用程序分别从这两块缓冲区轮流读取数据。实现方法如下：
驱动程序的入口是一个被称作Control Dispatcher的函数，它负责处理与该VxD相关的系统控制信息，并调用相应的处理例程。一个可被动态装载的VxD应能处理以下消息：SYS_DYNAMIC_DEVICE_INIT(用于VxD的初始化阶段)；SYS_DYNAMIC_DEVICE_EXIT(用于VxD的退出阶段)；W32_DEVICEIOCONTROL(用于应用程序和VxD的通信)。当Win32应用程序利用函数CreateFile来动态装载VxD时，系统发送SYS_DYNAMIC_DEVICE_INIT消息，Control Dispatcher调用该消息的处理例程OnSysDynamicDeviceInit进行VxD的初始化设置，例如DMA控制器的初始化、分配内存空间、中断控制器的初始化等。当Win32应用程序调用DeviceIoControl 函数向VxD发送数据时，Control Dispatcher调用该消息的处理例程OnW32DeviceIoControl此时可以接收从应用程序发来的消息如主窗口句柄等。当Win32应用程序关闭该VxD或Win32应用程序本身被关闭时，Control Dispatcher调用该消息的处理例程OnSysDynamicDeviceExit，此时可以做一些清理性工作，如释放DMA缓冲区等。
每当一次DMA传输结束便产生一个硬件中断。在VxD的中断处理例程中，对DMA控制器重新进行初始化(即改变DMA缓冲区的首地址使之指向另一个缓冲区，以便开始下一次DMA传输)，同时向Win32应用程序发送消息通知它读取内存中的数据。
3 实验结果
将上述机顶盒电路做成一块PC插卡用于接收下行数据。首先对电路中的各个模块分别进行了多次调试和试验。然后在此基础上，利用试验用的节目源(即按照MPEG-2标准进行传输复用后的多个不同节目的码流)对整个电路进行了联调。它可以实现频点选择、QAM解调和通道选择，从而得到用户所要点播的某一路节目。该路节目的数据流格式遵从MEPG-1标准，速率约为1.4Mb/s。最后利用编写好的虚拟设备驱动程序通过接口电路成功地将该路节目传送到计算机的内存中。编写一个用于调试的Win32应用程序，读取内存中的节目数据并形成一个数据文件后由金山影霸播放，效果良好。
发布者：吕勇
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