一種車載數字硬盤錄像機的設計與實現

一、引言

隨著科技的發展進步，車輛成為人們生活中不可缺少的一部份，作為一個載人工具伴隨人們出現在各種場所。對各類汽車安全的需求快速增長，使得汽車監控業也快速成長起來。我們經常會聽到這樣的報道：乘務員中途載客收錢不給票或給假票，車輛上扒搶案件增多，交通事故發生爭執等，這些案件由于現場取證困難，很難得到解決。如果可以將車內和車外的情況隨時記錄下來，作為回憶、考核證明、證據等各種用途，將能夠很好地解決以上問題。數字化車載硬盤錄像機作為監控行業一種新的高科技產品，受到了廣泛關注。它是安裝于火車、汽車等移動車輛上集數字錄像、監控、娛樂、廣告等功能于一體的嵌入式數字硬盤錄像機。目前國內可以提供的一般是以硬盤或CF 卡為單一存儲設備的數字硬盤錄像機，多以MPEG2 硬壓縮編碼，存在碼流高、需要大容量硬盤和不適合傳輸的缺點。大部分硬盤錄像機采用普通硬盤或筆記本硬盤作存儲介質，由于硬盤的機械特性，存在錄像不穩定，硬盤容易損壞等問題，嚴重影響車載錄像機的可靠性和穩定性。還有少部分使用單一的CF 卡為存儲介質，存在容量小不能保存長時間錄像資料的缺點。

本文提出了一種新的車載數字硬盤錄像機的設計方案，能很好的解決如上問題。不但能對車上的現場環境進行高清晰度的錄制（可達ＤＶＤ畫質），還可以同時進行低碼流傳輸；行車時采用CF 卡為存儲設備，采用停車自動備份策略，避免在行車過程中使用機械硬盤，大大提高了車載數字硬盤錄像機的可靠性和穩定性。本數字硬盤錄像機還具有廣告影片播放、行車記錄等較強的擴展能力，有廣闊的應用前景和增值應用空間，完全可以擴展為一個2集監控、行車記錄、導航和多媒體應用的車載平臺，可取代現有的車載影碟機。

二、系統總體設計

本方案主要針對車載應用設計，主要實現以下功能：

1、實現四路實時音視頻同步MPEG4 高清晰錄像，可以實現雙工回放及同時雙路回放。
2、實現多種錄像模式，如手動錄像、定時錄像、報警錄像、行車狀態（如剎車、超速和倒車等）錄像、偵測錄像和超過30 秒預錄等。
3、實現四路低碼流遠程傳輸，可以通過WI-FI 或GPRS 實現遠程無線傳輸，實現遠程監控。
4、實現高速USB2.0 接口，提供USB 磁盤設備的錄像、播放和快速備份。
5、同時支持CF 卡和IDE 硬盤，實現可靠的停車自動備份功能，提高了可靠性和穩定性。
6、實現報警事件和行車狀態遠程上傳，實現遠程監控和遠程備份等網絡功能，提供無線網絡支持。
7、實現雙頭顯示輸出，即同時支持兩個獨立的視頻輸出，如一路可以用來播放廣告影片，一路可以用來觀看現場和回放。

下圖即為四路數字硬盤錄像機的功能框圖：



為了實現以上功能，本設計采用兩顆高性能DSP為核心器件組成本系統，一顆DSP 為從設備，主要實現四路最高1/2D1 的MPGE4 編碼；一顆DSP 為主設備，主要完成網絡傳輸編碼、回放、播放廣告影片、存儲、控制、輸出和網絡傳輸等應用。具體實現見下圖：





其中，DSP 采用飛利浦電子公司推出的NexperiaTM 系列高清媒體處理器PNX1700。它在單芯片上集成了媒體處理、網絡連接和顯示增強功能，是專門為流媒體影片、新聞、數碼照片及電視節目提供前所未有的畫質而設計的。PNX1700 的性能是PNX1500 的兩倍，同時保證了軟件和硬件的兼容。采用PNX1700 的數字互聯家庭設備包括IP機頂盒、數字媒體適配器、個人視頻錄像機、視頻電話及電視。基于 PNX1700 的強大處理能力，理論上一顆PNX1700 可以完成8 路CIF 的MPEG4 編碼；同時為了滿足應用的需要、還提供了很多視頻專用功能，比如視頻濾波、De-interlace處理、高分辨顯示輸出、OSD 功能等，提供了網絡和IDE 接口，還提供了2 路視頻輸入/輸出接口。PNX1700 還具有PCI/XIO總線，提供了很好的擴充能力，如USB、WI-FI 等。

由于主/從DSP 各有2 路視頻輸入，所以總共可以實現4 路視頻輸入，但需要通過PCI進行圖像數據交換，才能實現4 路圖像的現場顯示和資源合理分配。也就是主DSP 采集完視頻數據后必須通過DMA 寫入從DSP 的內存，并通過中斷告知從DSP；而從DSP 采集完視頻數據后也必須通過中斷通知主DSP 讀取數據。這樣就可以實現4 畫面的現場顯示和4路雙碼流MPEG4 編碼設計，還可以減輕主DSP 的負擔，使主DSP 可以有更多的資源來實現增值應用，如廣告影片的播放，GPS行車定位和網絡應用等。

三、軟件設計

本方案采用 Nexperia 平臺提供的pSOS 嵌入式操作系統，由于此操作系統是philips 提供的專用操作系統，有著成熟的大規模應用，在PNX1700 上有很好的表現，如實時性、穩定性和擴展性等都不比其他的商業嵌入式操作系統差。程序分兩部分，一部分是從程序，比較簡單，主要是4 路編碼的實現；另一部分是主程序的設計，比較復雜，主要實現傳輸編碼、文件存儲管理、回放和控制等。

圖 3 是從程序的軟件處理流程示意圖，從圖3 可以看出，從程序主要的工作就是實現視頻和音頻數據的編碼，其中2 路的圖像數據由主DSP 提供并通過PCI 中斷告知。由于PNX1700 支持4 通道立體聲采集，所以音頻數據可以本地采集。當編碼完成后，數據進行必要的緩沖處理并發送中斷通知主DSP，主DSP 接收到中斷請求后主動讀取并經文件系統處理后完成存儲。



圖 4 是主DSP 程序的視頻流處理流程示意圖，從圖4 可以看出，主程序接收到視頻采集完成中斷后不但要進行現場顯示，還要通過PCI 的DMA 寫到從DSP 的內存，并發送中斷通知從DSP；如果是需要顯示從DSP 采集的圖像數據，還需要處理從DSP 的中斷請求，通過PCI 的DMA 讀取緩存在從DSP 內存的圖像數據，就可以實現任意單路或多畫面合成的現場顯示。如果需要雙碼流傳輸，則可以進行編碼傳輸。



圖 5 是主DSP 程序錄像數據存儲和播放流程的示意圖。對于非車載應用，錄像數據經過文件系統處理后就可以直接存儲到大容量硬盤。但由于車載環境存在強烈的震動，不但讀寫不可靠，還很容易損壞機械硬盤，所以本方案設計了一個獨特的停車自動備份功能，也就是在行車過程中產生的錄像數據通過專用文件系統臨時保存在CF 卡中，當系統檢測到停車狀態時再喚醒硬盤并把CF 卡的錄像數據轉存到硬盤，這樣硬盤就不需要復雜和昂貴的避震系統，不管多差的路況都不會損害硬盤，可以輕松和可靠地實現行車錄像資料的長時間保存，并可以大大提高錄像機的可靠性和穩定性，延長硬盤的使用壽命。錄像資料可以通過網絡和 USB 磁盤進行備份，還可以用刻錄機刻錄以便長期保存備查。

如果配套一個遠程網絡監控中心，則可以通過GPRS 等無線網絡進行遠程監控，構建一個完備的移動設備監控網絡系統。

四、增值應用

針對車載應用市場，車載數字錄像機的增值應用有著非常巨大的應用空間，比如廣告、影片、GPS 導航、GPRS 遠程傳輸和行車記錄（汽車黑匣子）等。本系統由于采用了雙DSP設計，有比較豐富的接口資源和DSP 資源，也就為增值應用提供了足夠的資源空間。特別是采用雙輸出設計，可以實現播放廣告影片和預覽/回放錄像資料互不影響。

五、總結

車載硬盤錄像機作為適合車輛的監控設備，隨著社會認同度的增加和其功能的不斷完善，它的適用范圍將越來越廣，作用將越來越大。不僅在長途大巴、公共汽車上將被廣泛的應用，而且在火車、船舶、救護車、消防車、公安交警用車、物資運輸車、旅行車、機關、學校、幼兒園等單位的接送專車上都有十分廣泛的用途。車載數字硬盤錄像機將為社會更加文明，生活更加安全起到十分重要的作用。