1绪论
1.1课题背景及研究意义
轨道交通是一个城市现代化发展的重要标志。截至2012年底,我国大陆范围内开通城市轨道交通运营线路的城市共有16座,运营线路总计64条⑴,而获得批准正在进行轨道交通建设的城市有30多座。轨道交通在城市公共交通体系中起着骨干作用,它有着以下优点:客运能力大,每小时单方向可运送4-6万人;安全,准时,方便,快捷;使用清洁的电能,几乎不会污染环境;运营不受天气影响。轨道交通客运量在公共交通总客运量中所占的比例越来越高,在北京市这样的国际性大都市,轨道交通客运量曰均在800万以上,且已有过突破1000万人次的记录,并将成为常态[2]。在这种趋势下,确保乘客运输的安全、高效地为乘客提供有用信息,已经成为轨道交通管理研究的一个重要方向。
乘客信息系统是轨道交通行业中的一个新兴系统,是指轨道交通运营商采用成熟可靠的网络技术和多媒体传输、显示技术,将特定的信息在特定的时间,传递给特定的人群。一般状况下,乘客信息系统提供实时动态信息,如到站信息、运营时刻表、安全提示、政府通告、商业广告、娱乐信息等;在紧急情况下,如列车出现故障、引起堵塞、发生意外灾难及遭受恐怖袭击等,乘客信息系统提供紧急情况警示和疏散提示[3]。乘客信息系统坚持以人为本的理念,使乘客通过正确高效的引导服务,安全、舒适、方便、快捷地乘坐轨道交通。
乘客信息系统的内容按媒体类型可划分为文本信息、图像信息、声音信息、视频信息等。乘客信息的发布主要依靠广播和多媒体显示这两个手段。由于多媒体显示的清晰明确、多样化、信息量大,在乘客信息发布中尤为重要。多媒体播放平台作为乘客信息系统的重要组成部分,为乘客信息的发布提供了高效、快捷、丰富的手段,使乘客能快速便捷的获得有效信息。本文的研究就是基于乘客信息系统,针对现有的多媒体播放平台的不足,提出了一种新的解决方案。
1.2国内外现状
列车多媒体播放平台的视频传输有模拟传输和数字传输两套方案。其中模拟方案多使用双绞线传输模拟视频信号和音频信号。虽然双绞线传输方式具有一定的对抗外部电磁干扰的能力,同时差分传输方式能很好地解决串扰问题,但是实际应用中,模拟视频传输会产生信号衰减、相位偏移、线对传输延时等问题丨4],因此传输效果不佳。而数字化传输方案由于实时性强、图像失真小、抗千扰能力强、布线方便、综合成本低等优势,已经成为国内外列车视频传输的首选方案。
1. 3相关技术发展背景
1.3.1高清技术背景
标准清晰度是物理分辨率在1280X720P以下的一种视频格式。体地说,标准沾晰度能以720x480像素的3:2宽高比或640x480像素的4:3宽高比播出,顿率为每秒24、30或60帧。
1.3.2视频编解码技术
MPEG-2由ISO/IEC组织制定于1994年。MPEG-2主要应用在4-9Mbps下的全数字广播级视频传输,可支持的比特率在1.5-60Mbps之间。MPEG-2标准的系统功能是将一个或多个的视频、音频或其他的基本数据流合成单个或多个数据流,以适应存储和传输。MPEG-2是DVD的标准,同时也可为广播、有线电视、电缆网络和卫星直播提供数字视频。
MPEG-4是MPEG-2的升级。在相同的视频质量下,它比MPEG-2有更低的比特率。MPEG-4加入及扩充对虚拟现实模型语言的支持,面向对象的合成文件、数字版权管理和其他交互功能。MPEG-4还提供了用于误码检测和误码恢复的一系列工具,增强了鲁棒性。MPEG-4标准将各种多媒体应用集成到一个完整框架内,达到了为多媒体通信及应用环境提供标准算法及工具的目标,从而建立起一种能被多媒体捕获、传输、存储、检索等应用领域普遍采用的统一数据格式[7]。
2总体方案设计
2.1设计目标与要求
列车多媒体播放平台的功能结构示意图如图2.1所示。多媒体播放平台读取本地存储器中的预存视频或者接收来自车载服务器的实时视频,对视频进行编码后通过以太网总线将视频流传输到客室的解码卡。解码卡将视频流解码后在客室LCD上输出显示。
从功能结构示意图中可知,列车多媒体播放平台主要完成视频处理、视频显示、网络传输等几部分功能。其中视频处理功能包括格式转换、分辨率转换、视频叠加、视频编解码等;视频显示功能将高清视频输出显示;网络传输完成高清视频的接收和发送。以国内某城市地铁为例,列车多媒体播放平台釆用基于x86架构的ETX主板+基于DSP架构的视频编码卡形式,其功能框图如图2.2.所示。
3系统硬件设计与实现.............13
3.1 硬件总体方案............13
3.2最小系统设计............14
3.3 音视频接口电路设计............21
3.4存储接口设计............25
3.5通信接口设计............27
3.6其他重要接口设计............29
3.7电源电路设计............30
3.8PCB 设计............34
3.9本章小结............39
4系统软件设计与实现............40
4.1 系统软件总体方案............40
4.2系统启动过程分析............41
4.3系统开发环境搭建............44
4.4U-Boot 的建立............47
4.5内核的移W............48
4.6文件系统的构建............50
4.7本卷小结............51
5 系统调试与验证............52
5.1板长卡硬件调试............52
5.2 系统功能测试............58
5.3高低温测试............61
结 论
本文针对轨道交通乘客信息系统中多媒体播放平台新的功能需求,提出了一种蓰于数字媒体处理器芯片DM8168的解决方案,能实现多路全高清1080p输出的要求。本设计重点在于对该平台的硬件和底层软件的设计,所完成的工作和取得成果如下:
(1)通过调研,对当前轨道交通的列车多媒体播放平台现状进行了分析,提出了多路全高清输出的新功能需求。
(2)完成了方案的选型。比较了主流视频处理方案,选取了多核处理器SoC方案。对比了主流多核处理器的芯片,选取了德州仪器的DaVinci系列数字媒体处理器芯片TMS320DM8168,并对它的结构及性能进行了分析,提出了基于DM8168的列车多媒体播放平台设计方案。
(3 )阅读了大量的技术文档和应用手册,对DM8168的工作原理和DDR3存储器、NAND Flash,电源等芯片的使用方法进行了深入的理解和研究。
(4)独立完成了原理图设计。设计了基于DM8168的最小系统、音视频接口、存储接口、通信接口、电源等功能模块。
(5)独立完成了 PCB设计。在PCB设计时,重点考虑了商速信号完整性问题,对PCB的叠层、器件的布局、关键信号的走线进行了分析。
(6)对DM8168的启动过程进程了分析,完成了系统软件丌发环境的搭建。
(7)在软件幵发包EZSDK的莪础上,移植了引导程序U-Boot、Linux内核,构建了 JFFS2文件系统。
(8)对平台进行了硬件测试和系统功能验证,实现了多路1080p全商清视频输出的需求,并通过高低温实验验证了系统的稳定性。
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