唐升，邱小群，黃鄧平

（1.珠海市東耀企業(yè)有限公司廣東珠海519090；2.珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東珠海519090）

調(diào)度指揮是安全生產(chǎn)管理中不可缺少的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)調(diào)度指揮是基于語(yǔ)音信號(hào)傳送，而現(xiàn)代調(diào)度指揮必須是基于多媒體信號(hào)傳送。為配合完成現(xiàn)代調(diào)度指揮，適應(yīng)安全生產(chǎn)管理形勢(shì)發(fā)展的新要求，需開(kāi)發(fā)研制新一代多媒體調(diào)度指揮系統(tǒng)和終端。

多媒體調(diào)度指揮系統(tǒng)是指在保留傳統(tǒng)調(diào)度機(jī)調(diào)度功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音指揮、數(shù)據(jù)傳送、視頻會(huì)議、視頻監(jiān)控等多媒體方式的操作功能。無(wú)論在功能方面還是在擴(kuò)容性方面，均具有傳統(tǒng)調(diào)度系統(tǒng)無(wú)法比擬的先進(jìn)性，整個(gè)系統(tǒng)未來(lái)還可以向下一代通信網(wǎng)絡(luò)（NGN）進(jìn)行平滑過(guò)渡，最終實(shí)現(xiàn)融合調(diào)度指揮系統(tǒng)。

1 調(diào)度技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)調(diào)度方式是基于PSTN話音網(wǎng)，以TDM電路交換為主，只能提供64k業(yè)務(wù)，并且業(yè)務(wù)和控制都由數(shù)字程控交換機(jī)完成。目前，這種傳統(tǒng)調(diào)度方式還在各個(gè)行業(yè)的調(diào)度領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。但是，隨著行業(yè)信息化程度的不斷提高，用戶(hù)對(duì)業(yè)務(wù)的需求已不再局限于基本的語(yǔ)音和低速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，用戶(hù)希望可以通過(guò)各種終端，在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間都能夠?qū)崿F(xiàn)高速接入方式，享受個(gè)性化、多媒體、綜合性的業(yè)務(wù)服務(wù)。因此，各行各業(yè)均已開(kāi)始對(duì)傳統(tǒng)PSTN調(diào)度設(shè)備進(jìn)行更新改造。少部分對(duì)信息化需求較為迫切的企業(yè)，已經(jīng)開(kāi)始將PSTN設(shè)備全部更換，直接采用基于IP網(wǎng)絡(luò)的融合調(diào)度方式；但大部分資金尚不充裕的企業(yè)，則采用逐步替代策略，即適當(dāng)增加新技術(shù)設(shè)備，同時(shí)利用原有網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多媒體調(diào)度方式。

多媒體調(diào)度方式不但支持傳統(tǒng)的電話呼叫和會(huì)議等語(yǔ)音通信方式，還可以通過(guò)系統(tǒng)向終端發(fā)布指令消息，并能夠通過(guò)攝像頭、電子眼等各種專(zhuān)用終端實(shí)現(xiàn)視頻和圖片的采集，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和下載，解決了以往調(diào)度過(guò)程中的“只聞其聲，未見(jiàn)其人”的問(wèn)題，使調(diào)度指揮員能夠?qū)崟r(shí)掌握生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的第一手資料，并可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)視頻、采樣數(shù)據(jù)等進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷并做出決策。此外，通過(guò)多媒體調(diào)度方式，用戶(hù)還可以將各種業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)軟件系統(tǒng)與多媒體調(diào)度指揮系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理，并能夠根據(jù)預(yù)案自動(dòng)進(jìn)行調(diào)度信息發(fā)布。多媒體調(diào)度指揮系統(tǒng)還可以根據(jù)需要，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器連接各種傳感器、控制器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)指揮控制的自動(dòng)化[1]。

由于多媒體調(diào)度是基于IP網(wǎng)絡(luò)，這就具備了與各種通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合的條件。因此，多媒體調(diào)度系統(tǒng)可逐步實(shí)現(xiàn)與IP、PSTN、GSM、3G、WiFi、模擬集群，數(shù)字集群等多種通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫融合，保證用戶(hù)在復(fù)雜環(huán)境下的通信通暢。實(shí)現(xiàn)融合調(diào)度通信，除了需要具備較強(qiáng)的技術(shù)實(shí)力之外，多種通信設(shè)備和產(chǎn)品之間的融合也較為重要。因此，對(duì)供應(yīng)商的產(chǎn)品提出了更高要求。由于整體方案的復(fù)雜性，而且供應(yīng)商需要根據(jù)行業(yè)客戶(hù)的實(shí)際需求進(jìn)行定制研發(fā)，包括軟件系統(tǒng)的對(duì)接等方面。因此，目前真正意義上具備融合調(diào)度通信能力的企事業(yè)單位還較少[2]。

多媒體調(diào)度指揮系統(tǒng)中使用的關(guān)鍵設(shè)備主要是多媒體調(diào)度終端，它采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理器技術(shù)，包括視頻的編碼、解碼以及圖像顯示、語(yǔ)音傳輸?shù)热繉?shí)行數(shù)字化處理。傳統(tǒng)調(diào)度方式中，用戶(hù)桌面一般要放置兩個(gè)終端設(shè)備，一個(gè)是電話機(jī)，用于連接語(yǔ)音調(diào)度指揮系統(tǒng)；另一個(gè)是視頻監(jiān)控電腦，用于連接視頻監(jiān)控系統(tǒng)。本文提出的多媒體調(diào)度終端可以取代這兩個(gè)設(shè)備，利用現(xiàn)有電話線和網(wǎng)線，實(shí)時(shí)傳送語(yǔ)音信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)和視頻信號(hào)，能夠高效、高質(zhì)量地完成安全生產(chǎn)應(yīng)急管理的調(diào)度指揮。

2 硬件電路組成

多媒體調(diào)度終端的整機(jī)電路分為采集單元、顯示單元、語(yǔ)音單元、網(wǎng)絡(luò)單元和電源單元五部分，如圖1所示。采集單元用于音視頻信號(hào)的采集、數(shù)字化壓縮編碼，包括攝像頭、視頻采集板和數(shù)字圖像編碼板等電路和器件；顯示單元用于視頻信號(hào)的還原和顯示，包括LCD顯示屏、顯示板、數(shù)字圖像解碼板等電路和器件；語(yǔ)音單元用于雙向和多方通話，包括語(yǔ)音板、咪頭、揚(yáng)聲器、手柄、鍵盤(pán)等話機(jī)電路和器件；網(wǎng)絡(luò)單元包含1個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)，以及1個(gè)外部網(wǎng)口和2個(gè)內(nèi)部網(wǎng)口，工作在全雙工方式，能同時(shí)連通多對(duì)端口，使每一對(duì)相互通信的端口都能象獨(dú)占通信媒體那樣無(wú)沖突地傳輸數(shù)據(jù)；電源單元用于向各單元電路分配電源，包括電源分配、電源控制等電路。

圖1 整機(jī)電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of circuitry

語(yǔ)音信息經(jīng)語(yǔ)音單元抽樣、量化、編碼后，通過(guò)電話線傳送到數(shù)字程控交換機(jī)，同時(shí)送到數(shù)字圖像編碼板?，F(xiàn)場(chǎng)視頻信息由攝像頭采集，與語(yǔ)音信息一同經(jīng)數(shù)字化壓縮編碼后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口以IP包形式傳送到調(diào)度中心的視頻服務(wù)器。在反方向，來(lái)自視頻服務(wù)器的IP包經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接口送至數(shù)字圖像解碼板進(jìn)行解壓縮，變成模擬視頻信號(hào)后，再送到LCD顯示屏進(jìn)行圖像顯示。由此可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)視頻通話、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)監(jiān)控、多組多點(diǎn)視頻會(huì)議等功能。

在多媒體調(diào)度系統(tǒng)中，語(yǔ)音信號(hào)與視頻信號(hào)是分離的，走不同的通道。語(yǔ)音信號(hào)走電話線，進(jìn)入調(diào)度指揮系統(tǒng)的電話交換主機(jī)，在電話交換主機(jī)內(nèi)進(jìn)行語(yǔ)音交換和多方會(huì)議的混音；視頻和數(shù)據(jù)信號(hào)走IP網(wǎng)絡(luò)，在多媒體調(diào)度系統(tǒng)的視頻服務(wù)器中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。另外，在多媒體調(diào)度終端內(nèi)，語(yǔ)音和視頻信號(hào)是同時(shí)壓縮和編碼的，編碼后的數(shù)據(jù)在視頻服務(wù)器內(nèi)可進(jìn)行錄音錄像。這種方式是多媒體調(diào)度系統(tǒng)和本終端的重要特點(diǎn)，它既保證了多媒體調(diào)度系統(tǒng)內(nèi)語(yǔ)音的質(zhì)量和連續(xù)性，又保證了視頻流和傳感器數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)傳輸[3]。

3 軟件層次架構(gòu)

本終端電路參照H.323框架性標(biāo)準(zhǔn)，采用IP、TCP/UDP、RTP、RTCP、H.264等協(xié)議族。

網(wǎng)絡(luò)層采用IP協(xié)議，負(fù)責(zé)兩個(gè)終端之間的數(shù)據(jù)傳輸，由于采用無(wú)連接的數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)將根據(jù)IP地址把數(shù)據(jù)送到對(duì)方，但不保證傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

在IP上層的傳輸控制協(xié)議TCP能保證數(shù)據(jù)可靠傳送，發(fā)現(xiàn)誤碼就重新發(fā)送，因此，對(duì)誤碼率要求高的數(shù)據(jù)傳送可以采用TCP協(xié)議，但在實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，則不適用；此時(shí)，應(yīng)使用用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP。UDP采取了無(wú)連接傳輸方式，它的協(xié)議簡(jiǎn)單，可以用于音視頻的實(shí)時(shí)信息流。因?yàn)檩^少的等待時(shí)間對(duì)實(shí)時(shí)信息傳輸而言，比誤碼糾正更為重要，因此，傳輸時(shí)如果有誤碼，則把該包丟掉，對(duì)實(shí)時(shí)音視頻而言，丟掉少量帶有錯(cuò)誤的信息包并不影響視聽(tīng)的效果；另外，每個(gè)UDP包均加上一個(gè)包含時(shí)標(biāo)和序號(hào)的報(bào)頭，在接收端配以適當(dāng)?shù)木彌_，那么它就可以利用時(shí)標(biāo)和序號(hào)信息“復(fù)原、再生”數(shù)據(jù)包，記錄失序包，同步語(yǔ)音、圖像和數(shù)據(jù)，從而改善接收端連續(xù)重放效果。

實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP在UTP的上層，相當(dāng)于會(huì)話層，提供同步和排序服務(wù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時(shí)延、差錯(cuò)有一定的自適應(yīng)性，其數(shù)據(jù)包頭中包含一些控制信息，以保證實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳送。

RTP上面的實(shí)時(shí)控制協(xié)議RTCP主要用于監(jiān)視帶寬和延時(shí)，它定期將包含服務(wù)質(zhì)量信息的控制信息包分發(fā)給所有通信節(jié)點(diǎn)。一旦所傳送的多媒體信息流的帶寬發(fā)生變化，接收端立即通知發(fā)送端，改變識(shí)別碼和編碼參數(shù)。

視頻信息的編解碼采用H.264標(biāo)準(zhǔn)。H.264是一種高性能的視頻編解碼技術(shù)，其編碼算法具有非常高的編碼效率，在相同圖像質(zhì)量條件下，能夠比H.263/MPEG-2節(jié)約50%左右的碼率，并且能夠在低碼率情況下提供連續(xù)、流暢的高質(zhì)量圖像；此外，網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)，可在不同網(wǎng)絡(luò)上傳輸。H.264的編解碼流程主要包括5個(gè)部分：幀間和幀內(nèi)預(yù)測(cè)、變換和反變換、量化和反量化、環(huán)路濾波、熵編碼。

4 關(guān)鍵技術(shù)

多媒體調(diào)度終端中采用的關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在數(shù)字圖像編碼板和解碼板上。數(shù)字圖像編碼板的電路原理如圖2所示，其中包括數(shù)字信號(hào)處理器、視頻解碼器、音頻解碼器、以太網(wǎng)控制器、網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器、FLASH存儲(chǔ)器、DRAM存儲(chǔ)器、開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源等；數(shù)字圖像解碼板的電路原理基本同圖2所示，只是其中沒(méi)有音頻解碼器，而且視頻解碼器替換為視頻編碼器（SAA7121）。下面重點(diǎn)介紹數(shù)字圖像編碼板電路。

圖2 數(shù)字圖像編碼板電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of digital image coding plate

4.1 數(shù)字信號(hào)處理器

數(shù)字圖像編碼板電路中的核心器件是數(shù)字信號(hào)處理器，即DSP。這里選用Blackfin產(chǎn)品家族中的ADSP BF561處理器作為DSP，該器件內(nèi)部包括兩個(gè)獨(dú)立的處理器核，每個(gè)處理器核包含有2個(gè)16位MAC，2個(gè)40位ALU，4個(gè)8位視頻ALU，以及1個(gè)40位移位器。

ADSP BF561的雙核處理器相互獨(dú)立，因此，設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)應(yīng)用分配兩個(gè)處理器內(nèi)核的任務(wù)，而且兩個(gè)內(nèi)核在執(zhí)行指令上是相同的。兩個(gè)處理器內(nèi)核可以分別用于運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)和信號(hào)處理。

ADSP BF561把存儲(chǔ)器視為一個(gè)統(tǒng)一的4GB地址空間，使用32位地址。所有資源，包括內(nèi)部存儲(chǔ)器、外部存儲(chǔ)器和I/O控制寄存器，都占據(jù)公共地址空間的各自獨(dú)立的部分。此地址空間的各部分存儲(chǔ)器按分級(jí)結(jié)構(gòu)排列，以提供高的性能價(jià)格比。內(nèi)部存儲(chǔ)器分為L(zhǎng)l和L2兩部分，通過(guò)外部總線接口單元（EBIU），外部存儲(chǔ)器可以由FLASH、DRAM和SRAM進(jìn)行擴(kuò)展，可以訪問(wèn)多達(dá)768MB的物理存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器的DMA控制器提供高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸能力，能夠在內(nèi)部Ll/L2和外部存儲(chǔ)器空間之間完成代碼或數(shù)據(jù)的塊傳輸。

ADSP BF561接口方便、功能強(qiáng)大，并具有易于控制的兩個(gè)視頻輸人／輸出口，可支持ITU-R656視頻數(shù)據(jù)格式，同時(shí)包含有可方便使用的DMA控制器和UART接口，以及數(shù)量眾多的GPIO。

ADSP BF561提供可直接與并行A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻編碼器和解碼器以及其它通用外設(shè)連接的并行接口（PPI）。PPI包括1個(gè)專(zhuān)用時(shí)鐘引腳、多達(dá)3個(gè)幀同步引腳和多達(dá)16個(gè)數(shù)據(jù)引腳。在ITU-R656視頻數(shù)據(jù)格式下，PPI提供8或10位視頻數(shù)據(jù)的半雙工、雙向傳輸。

ADSP BF561除了包含滿(mǎn)足典型系統(tǒng)的外設(shè)接口外，還包含用于各種音頻、視頻和調(diào)制解調(diào)編解碼功能的高速串行和并行端口。ADSP BF561提供的用于高端消費(fèi)類(lèi)音頻產(chǎn)品的串口（SPORT）具有兩個(gè)發(fā)送和接收通道，以支持I2S數(shù)據(jù)格式。本電路中利用SPORT實(shí)現(xiàn)DSP與語(yǔ)音板的通信[4]。

4.2 視頻解碼器

在數(shù)字圖像編碼板電路中，從視頻采集板傳送過(guò)來(lái)的模擬視頻信號(hào)需轉(zhuǎn)換成為符合ITU-R656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)（即A/D解碼），才可方便地利用DSP來(lái)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)壓縮處理。本電路采用美國(guó)TI公司的超低功耗TVP5150芯片來(lái)對(duì)模擬視頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

TVP5150是一顆使用簡(jiǎn)易、超低功耗、封裝極小的數(shù)字視頻解碼器。使用單一14.31818MHz時(shí)鐘就可以實(shí)現(xiàn)PAL/NTSC/SECAM等多種制式的解碼，可以接收兩路復(fù)合視頻信號(hào)（CVBS）或一路S-Video信號(hào)。通過(guò)單片機(jī)I2C總線設(shè)置內(nèi)部寄存器，調(diào)整圖像參數(shù)（如色調(diào)、對(duì)比度、亮度、飽和度和銳度等），選擇信號(hào)AIP1A和AIP1B輸入到內(nèi)部；AGC電路使得芯片可以支持最高1.5 Vp-p的信號(hào)電壓，并使輸入信號(hào)達(dá)到ADC的最大量程，9位的ADC按內(nèi)部PLL時(shí)鐘輸出像素?cái)?shù)據(jù)；轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)梳狀濾波器進(jìn)行Y、C分離，再進(jìn)一步分離成U、V信號(hào)，最終經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換輸出符合ITUR656標(biāo)準(zhǔn)的、內(nèi)嵌同步信號(hào)的8位數(shù)字視頻信號(hào)[5]。

4.3 音頻解碼器

音頻解碼器AIC23B主要完成模擬信號(hào)采集、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等功能。AIC23B是美國(guó)TI公司推出的一款高性能的立體聲音頻編解碼芯片，支持MIC和LINE IN兩種輸入方式，且對(duì)輸入和輸出都具有可編程增益調(diào)節(jié)。AIC23B采用先進(jìn)的Sigma-delta過(guò)采樣技術(shù)，可在8K到96K頻率范圍內(nèi)提供16 bit、20 bit、24 bit和32 bit的采樣，內(nèi)部ADC和DAC的輸比出信噪比分別可以達(dá)到90 dB和100 dB。

AIC23B具有11個(gè)可編程控制的寄存器，通過(guò)不同的設(shè)置，可以改變芯片的工作狀態(tài)。AIC23B與DSP的接口有兩個(gè)：一個(gè)是控制口，用來(lái)設(shè)置芯片的工作狀態(tài)；另一個(gè)是數(shù)據(jù)口，用來(lái)傳輸A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以及等待D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)?？刂平涌诰哂袃煞N工作方式，分別為3線制的SPI方式和2線制的I2C方式，由MODE引腳進(jìn)行選擇：當(dāng)MODE=0時(shí)選擇I2C工作方式，當(dāng)MODE=1時(shí)選擇SPI工作方式，本電路采用I2C方式。AIC23B的數(shù)據(jù)接口有4種工作方式，分別為左對(duì)齊模式、右對(duì)齊模式、I2S模式和DSP模式，本電路采用DSP模式[6]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本終端基于現(xiàn)有的語(yǔ)音調(diào)度交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，無(wú)須改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，語(yǔ)音信號(hào)保持在現(xiàn)有的電路交換網(wǎng)絡(luò)[7]上，在保證不損失現(xiàn)有調(diào)度功能的同時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)線附加提供清晰流暢的視頻圖像。視頻調(diào)度功能內(nèi)置于本終端，無(wú)須外掛額外的設(shè)備就可以完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的視頻通信。帶寬要求低，采用H.264視頻編解碼技術(shù)，針對(duì)視頻傳輸同步進(jìn)行優(yōu)化，確保了在各種帶寬環(huán)境下給用戶(hù)提供高清晰、全動(dòng)態(tài)、全實(shí)時(shí)的圖像。本終端已實(shí)際應(yīng)用于一些大型冶金企業(yè)。

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