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1.引言 數(shù)字電視機頂盒(SetTopBox,STB)是擴展電視機功能的一種新型家用電器,分為衛(wèi)星數(shù)字電視機頂盒(DVB-S)、地面數(shù)字電視機頂盒(DVB-T)和有線數(shù)字電視機頂盒(DVB-C)三種。目前國內(nèi)的DVB-C機頂盒普遍采用外國廠商提供的流媒體處理器和與其捆綁銷售的操作系統(tǒng)及在此系統(tǒng)上的開發(fā)工具,國內(nèi)廠商將很難做到自主開發(fā),必須高度依賴國外廠商的技術(shù)支持。本文采用國產(chǎn)的流媒體處理器―Hi2011和開源的嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II進行了DVB-C數(shù)字電視機頂盒的設(shè)計和研究。 2.硬件架構(gòu)設(shè)計 STB硬件方面的主要單元可分為接收廣播信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字傳輸串流的前端芯片，即調(diào)諧器和調(diào)變/解調(diào)變器；后端芯片包括電視解碼器/編碼器、MPEG-2Transport、MPEG-2MP@ML或HL解碼器、微處理器、繪圖芯片、音頻處理器、音頻DAC、視頻DAC；以及DRAM/SDRAM、Flash等存儲、電源元件及其他標準離散元件。有的STB高端產(chǎn)品還會整合安全芯片、調(diào)制解調(diào)器（modem）或家庭網(wǎng)絡(luò)芯片，以及可錄像的硬盤（HDD）。STB對數(shù)字電視信號的處理過程為：電視射頻信號經(jīng)Tuner（高頻頭）調(diào)諧，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出36MHz的中頻數(shù)字信號送入OFDM解調(diào)模塊進行解調(diào)之后，變成TS流后經(jīng)信道解碼得到MPEG-2TS流，經(jīng)解復(fù)用模塊（集成解擾模塊）選出一路MPEG-2音視頻流和對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)信源解碼后得到所選節(jié)目的數(shù)字信息。然后將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出給模擬電視。 Hi2011處理器是北京海爾集成電路有限公司研發(fā)的一款流媒體處理器,該處理器具有的特點是：采用QFP160封裝；低功耗、高集成度和低成本的系統(tǒng)方案；0.18μm工藝,工作頻率可達108MHz；三個脈寬調(diào)制輸出。同時,該處理器集成了完全兼容51的CPU,工作時鐘13.5MHz至27MHz,四個時鐘的指令周期,完全兼容標準的8051指令；集成了DSP,可以實現(xiàn)16位乘/累加操作的協(xié)處理器,提高8051的運算性能。在該處理器上,還集成了MPEG解碼器、視頻播放、OSD和音頻播放等硬件模塊。 本系統(tǒng)硬件以Hi2011芯片為核心,配備一定的外圍設(shè)備和接口,構(gòu)成DVB-C數(shù)據(jù)機頂盒的硬件部分。 3.軟件體系設(shè)計 DVB-C軟件體系采用分層結(jié)構(gòu),首先對系統(tǒng)的軟件進行分層,然后進行模塊化的層次劃分。 3.1 軟件層次結(jié)構(gòu) 按照機頂盒軟件系統(tǒng)中不同軟件功能和作用,將軟件系統(tǒng)按層次進行劃分,可分為操作系統(tǒng)層、驅(qū)動層、中間層和應(yīng)用層 其中操作系統(tǒng)層主要包括操作系統(tǒng)內(nèi)核、硬件平臺抽象和操作系統(tǒng)抽象；硬件平臺抽象又叫硬件抽象層,主要是將CPU的相關(guān)操作和功能部分進行封裝,以提供給上層調(diào)用,從而避免直接與硬件直接相關(guān)性,同時為系統(tǒng)軟件的移植、操作系統(tǒng)的更換等帶來極大的方便；操作系統(tǒng)抽象主要是將與操作系統(tǒng)直接相關(guān)的操作進行抽象化、模塊化,以提供給應(yīng)用程序簡單方便的接口,同時使軟件系統(tǒng)具有良好的可移植性。 在硬件平臺和軟件結(jié)構(gòu)基本構(gòu)建好以后,就選擇適合高效的多任務(wù)系統(tǒng)環(huán)境的嵌入式實時操作系統(tǒng),而μC/OS-II采用基于優(yōu)先級的多任務(wù)搶占式調(diào)度策略；內(nèi)核短小,實時性好,能進行快速的上下文切換(小于5μs),效率高；內(nèi)存要求低鑒于這些特點,在本系統(tǒng)中,選擇嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)為μC/OS-II,作為該機頂盒的操作系統(tǒng),并將其移植于Hi2011系統(tǒng)上,同時設(shè)計操作系統(tǒng)抽象層,封裝操作系統(tǒng)與用戶相關(guān)的操作。 3.2 操作系統(tǒng) 在硬件平臺和軟件結(jié)構(gòu)基本構(gòu)建好以后，就選擇適合該系統(tǒng)的嵌入式實時操作系統(tǒng)。在選擇嵌入式實時操作系統(tǒng)（real－timeoperationsystem，RTOS）時，應(yīng)該具有以下特征的RTOS：基于優(yōu)先級的多任務(wù)搶占式調(diào)度策略；內(nèi)核短小，實時性好，能進行快速的上下文切換（小于5μs），效率高；開放源代碼，并且支持一系列的處理器芯片；低的內(nèi)存要求；具有可裁剪、可移植性。 因為這樣的RTOS是高效率的操作系統(tǒng)，能夠為DVB-C提供高效的多任務(wù)環(huán)境，包括任務(wù)調(diào)度管理、時鐘管理、內(nèi)存管理、中斷處理、通過信號量實現(xiàn)同步和互斥、以及通過消息隊列實現(xiàn)消息通信等等。比如μC/OS-II、μCLinux、Vxworks、OS20等操作系統(tǒng)，都具有上述特征。 在本系統(tǒng)中，選擇嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)為μC/OS-II，作為該機頂盒的操作系統(tǒng)，并將其移植于Hi2011系統(tǒng)上，同時設(shè)計操作系統(tǒng)抽象層，封裝操作系統(tǒng)與用戶相關(guān)的操作。 3.3 軟件模塊和任務(wù)的劃分 根據(jù)DVB-C硬件模塊的一致性可知,其軟件模塊主要包括初始化啟動模塊、端口處理模塊、解復(fù)用模塊、解擾模塊、節(jié)目存貯模塊、Flash模塊、音視頻操作模塊、用戶界面控制模塊、頻道轉(zhuǎn)換控制、系統(tǒng)升級模塊、EPG模塊、中文字體模塊和SDRAM模塊等。 依據(jù)DVB-C要實現(xiàn)的功能和模塊劃分,將系統(tǒng)的任務(wù)劃分為10個主要的任務(wù),并為每個任務(wù)分配不同的優(yōu)先級。每個任務(wù)都完成相應(yīng)的功能,并將任務(wù)的調(diào)度交于操作系統(tǒng)實現(xiàn)。其中系統(tǒng)的初始化啟動模塊和設(shè)備驅(qū)動模塊在主函數(shù)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)來實現(xiàn)其對應(yīng)的功能。具體劃分如下：Task2完成處理遠程電源管理、清屏、主菜單鍵和傳遞按鍵給鍵值處理模塊等功能；Task3完成系統(tǒng)的音視頻處理；Task4完成頻道更新；Task5處理頻道節(jié)目的編輯和刷新等；Task6調(diào)度開機LoGo；Task7處理機頂盒各種顯示任務(wù)；Task8調(diào)度游戲和日歷等；Task9處理各種表單,如節(jié)目單和解復(fù)用單等；Task10處理處理OSD和PMT。而Task1啟動其他任務(wù)和開機Logo。 3.4 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建 基于DVB－C的數(shù)字機頂盒的數(shù)據(jù)庫構(gòu)建，主要構(gòu)建本地臨時數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理兩個方面。其中本地臨時數(shù)據(jù)庫包括：節(jié)目表ProgramList、附加節(jié)目表TransponderList和節(jié)目數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，ProgramList和TransponderList的構(gòu)建在搜臺時完成，當用戶作頻道管理時，需要作相應(yīng)的更新并寫Flash即可。 數(shù)據(jù)庫管理主要是為管理和訪問各數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫管理分為頻點數(shù)據(jù)庫管理、節(jié)目數(shù)據(jù)庫管理和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理三個方面。頻點數(shù)據(jù)庫管理主要是完成對頻點數(shù)據(jù)的管理，包括頻點信息單元和數(shù)據(jù)塊頭、鏈表兩個方面。節(jié)目數(shù)據(jù)庫管理主要管理節(jié)目信息單元和數(shù)據(jù)塊頭、鏈表，由于節(jié)目數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)量十分龐大，因此，在定義節(jié)目數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)時，不能將節(jié)目信息置于一個結(jié)構(gòu)中，以免超出編譯器的64KB的界線。 3.5 搜臺模塊 搜臺十分重要,不僅要找出頻道列表,還要解析出一定程度的各頻道的相關(guān)信息。搜臺算法分為手動搜臺和自動搜臺算法。因為自動搜臺是通過手動搜臺對頻率的for循環(huán)來實現(xiàn)的,所以研究手動搜臺。在搜臺之前,首先搜索各種節(jié)目信息表,因此搜索各種表時的順序十分重要,這將影響到搜索節(jié)目的時間和效率。在搜臺時,有以下幾種搜索表：PAT：提供PMT的pid,所以要先于PMT的搜索；PMT：提供每個節(jié)目(service_id)的包括音視頻pid等信息；SDT：提供節(jié)目的屬性信息,包括節(jié)目名字、節(jié)目運行狀態(tài)等屬性,在PAT之后搜索；NIT：提供網(wǎng)絡(luò)的信息,包括網(wǎng)絡(luò)標識號和網(wǎng)絡(luò)名稱,保存在頻點數(shù)據(jù)庫中；NIT還提供此網(wǎng)絡(luò)下其他頻點的參數(shù)信息,根據(jù)這個可以增加頻點數(shù)據(jù)庫。 采用搜索算法思想為：首先調(diào)用驅(qū)動層封裝好的相應(yīng)API,設(shè)定Tuner頻點、符號率等參數(shù),根據(jù)數(shù)據(jù)更新的方式?jīng)Q定是否要清除ProgramList和TransponderList,然后搜索解析PAT表,PAT表解析完后對Program逐個解析PMT表和SDT表,所有的Program都完成后,解析NIT表獲得網(wǎng)絡(luò)信息,更新TransponderList,最后成功返回。 3.6 系統(tǒng)主函數(shù)實現(xiàn) μC/OS-II操作系統(tǒng)是使用標準C語言編寫的，因此，整個系統(tǒng)軟件中，又且僅有一個main()函數(shù)。在本系統(tǒng)中，也只有一個main()函數(shù)。在實現(xiàn)main()時，必須考慮系統(tǒng)的效率。在本系統(tǒng)設(shè)計中，采用了Task1來開啟其他任務(wù)的方式，來減少主函數(shù)的代碼，提高主函數(shù)的運行效率。其代碼如下： main() {… OSInit();//操作系統(tǒng)初始化 sys_init();//系統(tǒng)初始化 System_mail_Set=OSMboxCreate(0);//系統(tǒng)消息初始化 sysflag=OSFlagCreate(0x81,&err_main);//系統(tǒng)標志初始化 OSTaskCreate(task1,(void*)&Task1_Stk[TASK1_STK_SIZE-1],TASK1_PRIO);//任務(wù)調(diào)度開始 OSStart();//操作系統(tǒng)開始 …} 4.系統(tǒng)調(diào)試 本系統(tǒng)的調(diào)試按照嵌入式系統(tǒng)基本原理和DVB-C的基本特點,將調(diào)試分為主板調(diào)試、系統(tǒng)軟硬件調(diào)試和系統(tǒng)軟硬件驗證等。 硬件方面,主要是驗證硬件電路與設(shè)計電路的一致性和電路的各個輸入/輸出口的電流、電壓特性,另外就是測試硬件的抗干擾能力和穩(wěn)定可靠性。在調(diào)試時,采用外加干擾源的方式,測試控制器的抗干擾能力。 軟件方面,主要是驗證軟件的正確性。將軟件下載到DVB-C的Flash中,并連接有線電視信號到DVB-C,再連接到模擬電視機上,然后觀看通過遙控器測試驗證軟件的正確性。 本文創(chuàng)新點： 本文提出了DVB-C機頂盒軟件層次結(jié)構(gòu)和軟件模塊層次結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)有效地提高了系統(tǒng)軟件開發(fā)效率。通過基于Hi2011的DVB-C數(shù)字電視機頂盒研發(fā)項目的應(yīng)用設(shè)計,研究實踐表明,本文從系統(tǒng)的軟件層次和結(jié)構(gòu)、搜臺算法和數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的實現(xiàn)等方面給出了較優(yōu)的解決方案。 本項目應(yīng)用后已累計有21萬元的經(jīng)濟效益。 |
