李成瀟，王康誼

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原 030051）

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)朝著信息化方向的快速發(fā)展，越來(lái)越多的武器型號(hào)都采用了電子信息化的設(shè)計(jì)方案，各個(gè)設(shè)備之間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行連接，形成一個(gè)完整的軍事裝備信息系統(tǒng)[1]。電子信息化使得軍事裝備的性能大大提高，同時(shí)也增加了信息數(shù)據(jù)的數(shù)量和種類(lèi)，使得數(shù)據(jù)記錄的難度大大提高[2]?，F(xiàn)有的記錄儀可以記錄車(chē)載系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的數(shù)據(jù)信息[3]，但不能記錄發(fā)射車(chē)導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程中的各種視頻數(shù)據(jù)[4]，且現(xiàn)有的記錄儀在惡劣環(huán)境中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)過(guò)丟失情況，導(dǎo)致記錄的數(shù)據(jù)不完整，大大影響后期實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)車(chē)載系統(tǒng)中故障的排查與定位[5]。

該文車(chē)載數(shù)據(jù)記錄儀正是基于上述背景研究設(shè)計(jì)的，不僅可以記錄射手操作終端、導(dǎo)彈彈頭回傳的視頻數(shù)據(jù)，還通過(guò)雙盤(pán)冗余設(shè)計(jì)保證記錄儀在惡劣環(huán)境下對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性存儲(chǔ)，同時(shí)存儲(chǔ)的視頻數(shù)據(jù)可以在發(fā)射車(chē)的操作終端中回放，實(shí)時(shí)分析導(dǎo)彈的飛行軌跡、射手的操作過(guò)程，對(duì)還原導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程、定位故障查找原因起到了關(guān)鍵作用。

1 總體設(shè)計(jì)

如圖1 所示，根據(jù)車(chē)載記錄儀的實(shí)際需求對(duì)其進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。其中視頻輸入為一路導(dǎo)彈攝像頭回傳的PAL 視頻信號(hào)和兩路發(fā)射車(chē)射手操作終端的VGA 視頻信號(hào)。數(shù)據(jù)記錄儀由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分與車(chē)載端機(jī)相連接，并在車(chē)載端機(jī)供電的情況上設(shè)計(jì)了掉電保護(hù)電路，可在突然斷電的情況下保證記錄儀正常運(yùn)行15 s 左右，使記錄的數(shù)據(jù)得到完整保存；記錄儀軟件部分完成對(duì)輸入視頻數(shù)據(jù)的時(shí)標(biāo)疊加、壓縮編碼、格式封裝等視頻處理過(guò)程[6]。視頻數(shù)據(jù)經(jīng)處理之后存入固態(tài)硬盤(pán)，并且固態(tài)硬盤(pán)中的視頻數(shù)據(jù)可以根據(jù)操作人員的需求進(jìn)行導(dǎo)出、回放等操作，實(shí)時(shí)還原發(fā)射車(chē)的工作流程。

圖1 總體設(shè)計(jì)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

該文車(chē)載數(shù)據(jù)記錄儀的硬件原理如圖2 所示。掉電保護(hù)單元由掉電檢測(cè)電路和超級(jí)電容組成，檢測(cè)系統(tǒng)電源電壓，電源正常時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)為高電平，當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，電壓下降，監(jiān)測(cè)信號(hào)立即變?yōu)榈碗娖剑?jí)電容電路開(kāi)始為系統(tǒng)提供短暫工作電源[7]，保護(hù)記錄儀產(chǎn)生的文件不受損壞。視頻采集單元由兩路VGA 輸入、一路PAL 輸入和視頻采集芯片ADV7441組成，完成視頻輸入和視頻格式的轉(zhuǎn)化[8]。視頻處理單元主要由TMS320DM8168 芯片和NAND FLASH組成[9]，TMS320DM8168 芯片是一款多通道高清視頻處理芯片，編解碼效率高，視頻處理速度快。它集成了4 個(gè)物理核：Cortex-A8、VPSS-M3、Video-M3 和DSP 核[10]，4 個(gè)核上運(yùn)行不同的操作系統(tǒng)，各個(gè)核作用不同、分工明確，共同完成對(duì)視頻數(shù)據(jù)的處理。NAND FLASH 擁有斷電保護(hù)機(jī)制，與記錄儀的可靠性要求相符合，并且其性能優(yōu)秀,可以快速完成對(duì)信息讀寫(xiě)，因此用來(lái)存放記錄儀的SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)[11]，完成對(duì)硬盤(pán)數(shù)據(jù)文件的管理。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元由兩塊固態(tài)硬盤(pán)構(gòu)成，對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余存儲(chǔ)，并由數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)兩盤(pán)數(shù)據(jù)同步，增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可靠性。

圖2 硬件原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 McFW軟件框架

文中車(chē)載數(shù)據(jù)記錄儀的軟件設(shè)計(jì)基于DM8168的McFW 軟件框架[12]。McFW 軟件框架將DM8168中四個(gè)物理核的功能封裝成不同的Links 提供給設(shè)計(jì)者，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)這些Links 接口，自定義一條Link 數(shù)據(jù)鏈路去實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)需求，而不需要理解DM8168 的底層是如何實(shí)現(xiàn)的，這給軟件端的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的便利。

不同的Links 之間可能處于不同的物理核中，比如一條處理視頻的自定義數(shù)據(jù)鏈路所包含的Links可能同時(shí)存在于4 個(gè)物理核中，這就需要采取有效快速的通信方式減少數(shù)據(jù)在核間傳遞的時(shí)間。DM8168 主要采用Syslink、IPC 兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)各物理核間的通信，提高數(shù)據(jù)傳遞效率。

Syslink 實(shí)現(xiàn)的通信協(xié)議包括Notify、MessageQ、SharedRegion 以及ListMP 等[13]，多種通信方式可以保證Links 在DM8168 4 個(gè)核間進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)傳輸，其中最重要的是Notify 和ListMP 協(xié)議。Notify 將硬件中斷注冊(cè)成邏輯信號(hào)，并迅速發(fā)送帶32 bit 信息的事件通知給其他物理核，其他物理核中通過(guò)信號(hào)響應(yīng)函數(shù)完成對(duì)信號(hào)的處理,Notify 由Host-A8 核管理，有效提高了Host-A8 對(duì)于其他3 個(gè)物理核的調(diào)度能力。ListMP 負(fù)責(zé)管理共享內(nèi)存區(qū)，使數(shù)據(jù)流的存儲(chǔ)傳輸過(guò)程中，不同核物理核處理數(shù)據(jù)時(shí)可以訪(fǎng)問(wèn)同一塊內(nèi)存空間，使整個(gè)數(shù)據(jù)處理效率提高兩倍以上。

IPC 通信方式使用了管道(pipe)和內(nèi)存映射（mmap）的方式[14]。pipe 管道是“半雙工”的，即是單向的，采用先進(jìn)先出的原則將復(fù)雜的處理流程分解成獨(dú)立的子任務(wù)，從而快速完成每個(gè)子任務(wù)，主要用于DSP 核和VPSS-M3 核、Video-M3 核之間任務(wù)處理通信。此外，Video-M3 核與視頻協(xié)處理器HDVICP2之間的通信也采用管道的方式；內(nèi)存映射機(jī)制通過(guò)將共享資源映射到內(nèi)存中來(lái)減少對(duì)共享資源的拷貝，使得物理核對(duì)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中可能發(fā)生的兩次拷貝降低為一次，有效降低了數(shù)據(jù)拷貝時(shí)間。

3.2 視頻記錄設(shè)計(jì)

記錄儀上電后，創(chuàng)建視頻記錄線(xiàn)程，視頻數(shù)字化芯片ADV7441 芯片將輸入的VGA、PAL 視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成YUV 格式的視頻信號(hào)[15]。DM8168 芯片接收YUV 格式的視頻信號(hào)之后，通過(guò)用戶(hù)自定義的數(shù)據(jù)鏈路對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)標(biāo)疊加、壓縮編碼、組幀等操作。當(dāng)記錄儀收到視頻停止錄制的指令后，關(guān)閉視頻記錄的線(xiàn)程，保存視頻文件。

DM8168 芯片中的視頻記錄自定義數(shù)據(jù)鏈路設(shè)計(jì)如下：

1）VPSS-M3 核的Capture Link 捕獲YUV 格式視頻數(shù)據(jù)流并發(fā)送給DSP 核進(jìn)行處理。

2）DSP 核中的DSP_OSD Link 對(duì)YUV 格式的數(shù)據(jù)流進(jìn)行時(shí)標(biāo)疊加，并將時(shí)標(biāo)疊加完成后的數(shù)據(jù)流又傳輸給VPSS-M3 核。

3）VPSS-M3 核中OSP_DUP Link 將一路視頻流復(fù)制成兩路視頻流，將其中一路視頻流通過(guò)傳遞視頻數(shù)據(jù)流指針的方式，通過(guò)VGA 接口顯示在操作終端上，實(shí)現(xiàn)視頻的實(shí)時(shí)預(yù)覽。并將另一路視頻流傳輸給Video-M3 核。

4）Video-M3 核中的Encode Link 對(duì)視頻流進(jìn)行H.264 格式的視頻編碼，獲得H.264 格式的數(shù)據(jù)流，在完成視頻編碼后發(fā)送給Cortex-A8 核。

5）Cortex-A8 核中的IPC_BITS_IN Link 接收編碼后的H.264流數(shù)據(jù)，對(duì)H.264視頻流進(jìn)行MP4格式的封裝，獲得MP4格式的視頻數(shù)據(jù)，方便視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

以上5 步完成了對(duì)視頻數(shù)據(jù)的記錄，數(shù)據(jù)鏈路如圖3 所示。

圖3 視頻記錄數(shù)據(jù)鏈路

3.3 冗余存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

記錄儀的冗余存儲(chǔ)設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和硬盤(pán)管理設(shè)計(jì)兩部分組成。傳統(tǒng)單盤(pán)存儲(chǔ)的車(chē)載記錄儀將數(shù)據(jù)庫(kù)和視頻數(shù)據(jù)放在一個(gè)固態(tài)硬盤(pán)中，當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)和固態(tài)硬盤(pán)中任何一個(gè)發(fā)生故障時(shí)都會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的損壞。采用冗余存儲(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)獨(dú)立存放在NAND FLASH 中，保證當(dāng)任意一個(gè)硬盤(pán)出現(xiàn)損壞時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)還能正常運(yùn)行并能對(duì)另一個(gè)盤(pán)的文件數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

3.3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

記錄儀上電后，NAND FLASH 中的SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行初始化，由視頻數(shù)據(jù)記錄過(guò)程可知，視頻數(shù)據(jù)是MP4 格式，數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)MP4 文件參數(shù)制作數(shù)據(jù)參數(shù)表。MP4 文件參數(shù)如下：

SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)制作的數(shù)據(jù)參數(shù)表如圖4 所示，數(shù)據(jù)庫(kù)用數(shù)據(jù)參數(shù)表完成對(duì)兩個(gè)固態(tài)硬盤(pán)中文件的管理。

圖4 數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)參數(shù)表

3.3.2 硬盤(pán)管理設(shè)計(jì)

記錄儀上電后進(jìn)行自檢,檢查兩個(gè)固態(tài)硬盤(pán)sda、sdb 是否正常掛載。若兩個(gè)盤(pán)都掛載失敗時(shí)，自檢報(bào)錯(cuò)誤，不能進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。若只有一個(gè)盤(pán)掛載成功時(shí)，自檢報(bào)故障，但可進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

記錄儀上電自檢成功、數(shù)據(jù)庫(kù)初始化完成后，數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)始管理固態(tài)硬盤(pán)中的文件，其步驟可總結(jié)如下：

1）數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)數(shù)據(jù)參數(shù)表逐項(xiàng)檢索兩個(gè)硬盤(pán)中的數(shù)據(jù)，若有一個(gè)硬盤(pán)缺少文件，數(shù)據(jù)庫(kù)將從正常硬盤(pán)拷貝這個(gè)文件到缺少文件的硬盤(pán)完成數(shù)據(jù)同步。若有一個(gè)硬盤(pán)中數(shù)據(jù)全部丟失，記錄儀將格式化這個(gè)空盤(pán)，之后數(shù)據(jù)庫(kù)將正常硬盤(pán)中的數(shù)據(jù)全部拷貝至空盤(pán)完成數(shù)據(jù)同步；

2）記錄儀收到開(kāi)始視頻錄制指令，在緩存區(qū)創(chuàng)建新的文件夾，用database_insert 函數(shù)向數(shù)據(jù)庫(kù)插入一條記錄，同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)用sata_write_video 函數(shù)將文件信息同時(shí)寫(xiě)入兩個(gè)固態(tài)硬盤(pán)中，完成數(shù)據(jù)文件的寫(xiě)入和冗余存儲(chǔ)。

記錄儀對(duì)硬盤(pán)的管理流程如圖5 所示。

圖5 硬盤(pán)管理流程

3.4 視頻回放設(shè)計(jì)

視頻回放需要先完成視頻的解碼，由視頻數(shù)據(jù)記錄過(guò)程可知，視頻數(shù)據(jù)是以MP4 的格式存儲(chǔ)在兩個(gè)固態(tài)硬盤(pán)中，而DM8168 芯片的Video-M3 核中的解碼器需要H.264 格式的數(shù)據(jù)流，因此需要先將固態(tài)硬盤(pán)中的視頻源進(jìn)行MP4 文件解封裝[16]，獲得H.264 格式的數(shù)據(jù)流，才能在DM8168 芯片中進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)視頻回放功能。

3.4.1 MP4文件解封裝

該設(shè)計(jì)選擇調(diào)用Linux中開(kāi)源的庫(kù)函數(shù)MP4V2[17]對(duì)固態(tài)硬盤(pán)中的MP4 文件進(jìn)行解封裝。MP4V2 庫(kù)函數(shù)獲取硬盤(pán)中MP4 文件的信息過(guò)程如下：首先用MP4Read()函數(shù)打開(kāi)文件，并賦值給自定義的文件句柄m_handle。再通過(guò)這個(gè)文件句柄利用庫(kù)函數(shù)分別獲取視頻時(shí)長(zhǎng)、采樣頻率和視頻軌道個(gè)數(shù)。具體函數(shù)如下：

打開(kāi)文件：m_handle=MP4Read(Video_file)

視頻總長(zhǎng)：MP4GetDuration(m_handle)

采樣頻率：MP4GetTimeScale(m_handle)

軌道數(shù)：MP4GetNumberTracks(m_handle)

打開(kāi)文件之后，獲得軌道數(shù)，車(chē)載記錄儀在錄制的視頻時(shí)只用一個(gè)視頻軌道，所以軌道數(shù)為1，再獲取視頻軌道的信息，視頻軌道中最重要的參數(shù)是序列參數(shù)集(SPS)、圖像參數(shù)集(PPS)、附加增強(qiáng)信息(SEI)[18]，這3 個(gè)分別 是H.264 碼流前3 個(gè)NALU。有了這3 個(gè)信息就能拼接出一個(gè)H.264 數(shù)據(jù)頭，將數(shù)據(jù)頭放入數(shù)據(jù)包中就是一個(gè)完整的H.264 格式的數(shù)據(jù)流。

3.4.2 視頻回放鏈路設(shè)計(jì)

DM8168 芯片中的視頻回放自定義數(shù)據(jù)鏈路設(shè)計(jì)如下：

1）Cortex-A8 核中運(yùn)行Bitsstream_read Link 讀取Linux 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)目錄/home/root/encoder/dm8168下的H.264 高清碼流文件，發(fā)送給Video-M3 核。

2）Video-M3 核的DEC Link 上，將接收的H.264碼流解碼，解碼完成后，IPC_OUT Link 將獲得的視頻數(shù)據(jù)流發(fā)送給VPSS-M3 核。

3）VPSS-M3 核的IPC_IN Link 接收H.264 碼流，并用DIS Link 完成視頻的顯示。

以上3 步完成了對(duì)視頻數(shù)據(jù)的回放，數(shù)據(jù)鏈路如圖6 所示。

圖6 視頻回放數(shù)據(jù)鏈路

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)記錄儀調(diào)試需求，設(shè)計(jì)了一個(gè)QT 操作界面。手動(dòng)選擇記錄射手1 視頻，進(jìn)行視頻記錄功能測(cè)試，視頻記錄完成后，選擇剛剛錄制的000006 編號(hào)的視頻進(jìn)行視頻回放功能測(cè)試，如圖7 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明視頻記錄與回放功能正常。

圖7 視頻回放界面

用FTP 服務(wù)登錄記錄儀板卡,兩個(gè)固態(tài)硬盤(pán)分別為sda 和sdb，對(duì)比兩個(gè)固態(tài)硬盤(pán)中的文件信息，結(jié)果顯示兩個(gè)固態(tài)硬盤(pán)數(shù)據(jù)一致，冗余存儲(chǔ)功能正常。

圖8 兩盤(pán)文件對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)的基于冗余存儲(chǔ)的車(chē)載數(shù)據(jù)記錄儀，采用自定義的數(shù)據(jù)鏈路完成視頻的記錄與實(shí)時(shí)回放，采用冗余存儲(chǔ)設(shè)計(jì)提高記錄儀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性[19-20]。該記錄儀在連續(xù)工作實(shí)驗(yàn)與高低溫實(shí)驗(yàn)中運(yùn)行穩(wěn)定，記錄、回放與冗余存儲(chǔ)功能正常，并且該記錄儀已經(jīng)開(kāi)始使用，對(duì)發(fā)射車(chē)整車(chē)實(shí)驗(yàn)具有重要意義。