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1.引言 數字電視機頂盒(SetTopBox,STB)是擴展電視機功能的一種新型家用電器,分為衛星數字電視機頂盒(DVB-S)、地面數字電視機頂盒(DVB-T)和有線數字電視機頂盒(DVB-C)三種。目前國內的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及在此系統上的開發工具,國內廠商將很難做到自主開發,必須高度依賴國外廠商的技術支持。本文采用國產的流媒體處理器―Hi2011和開源的嵌入式實時操作系統μC/OS-II進行了DVB-C數字電視機頂盒的設計和研究。 2.硬件架構設計 STB硬件方面的主要單元可分為接收廣播信號，并將其轉換為數字傳輸串流的前端芯片，即調諧器和調變/解調變器；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高端產品還會整合安全芯片、調制解調器（modem）或家庭網絡芯片，以及可錄像的硬盤（HDD）。STB對數字電視信號的處理過程為：電視射頻信號經Tuner（高頻頭）調諧，進行模數轉換，輸出36MHz的中頻數字信號送入OFDM解調模塊進行解調之后，變成TS流后經信道解碼得到MPEG-2TS流，經解復用模塊（集成解擾模塊）選出一路MPEG-2音視頻流和對應的數據信息，經信源解碼后得到所選節目的數字信息。然后將數字信息轉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方案；0.18μm工藝,工作頻率可達108MHz；三個脈寬調制輸出。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16位乘/累加操作的協處理器,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。 本系統硬件以Hi2011芯片為核心,配備一定的外圍設備和接口,構成DVB-C數據機頂盒的硬件部分。 3.軟件體系設計 DVB-C軟件體系采用分層結構,首先對系統的軟件進行分層,然后進行模塊化的層次劃分。 3.1 軟件層次結構 按照機頂盒軟件系統中不同軟件功能和作用,將軟件系統按層次進行劃分,可分為操作系統層、驅動層、中間層和應用層 其中操作系統層主要包括操作系統內核、硬件平臺抽象和操作系統抽象；硬件平臺抽象又叫硬件抽象層,主要是將CPU的相關操作和功能部分進行封裝,以提供給上層調用,從而避免直接與硬件直接相關性,同時為系統軟件的移植、操作系統的更換等帶來極大的方便；操作系統抽象主要是將與操作系統直接相關的操作進行抽象化、模塊化,以提供給應用程序簡單方便的接口,同時使軟件系統具有良好的可移植性。 在硬件平臺和軟件結構基本構建好以后,就選擇適合高效的多任務系統環境的嵌入式實時操作系統,而μC/OS-II采用基于優先級的多任務搶占式調度策略；內核短小,實時性好,能進行快速的上下文切換(小于5μs),效率高；內存要求低鑒于這些特點,在本系統中,選擇嵌入式實時多任務操作系統為μC/OS-II,作為該機頂盒的操作系統,并將其移植于Hi2011系統上,同時設計操作系統抽象層,封裝操作系統與用戶相關的操作。 3.2 操作系統 在硬件平臺和軟件結構基本構建好以后，就選擇適合該系統的嵌入式實時操作系統。在選擇嵌入式實時操作系統（real－timeoperationsystem，RTOS）時，應該具有以下特征的RTOS：基于優先級的多任務搶占式調度策略；內核短小，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，能夠為DVB-C提供高效的多任務環境，包括任務調度管理、時鐘管理、內存管理、中斷處理、通過信號量實現同步和互斥、以及通過消息隊列實現消息通信等等。比如μC/OS-II、μCLinux、Vxworks、OS20等操作系統，都具有上述特征。 在本系統中，選擇嵌入式實時多任務操作系統為μC/OS-II，作為該機頂盒的操作系統，并將其移植于Hi2011系統上，同時設計操作系統抽象層，封裝操作系統與用戶相關的操作。 3.3 軟件模塊和任務的劃分 根據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、解復用模塊、解擾模塊、節目存貯模塊、Flash模塊、音視頻操作模塊、用戶界面控制模塊、頻道轉換控制、系統升級模塊、EPG模塊、中文字體模塊和SDRAM模塊等。 依據DVB-C要實現的功能和模塊劃分,將系統的任務劃分為10個主要的任務,并為每個任務分配不同的優先級。每個任務都完成相應的功能,并將任務的調度交于操作系統實現。其中系統的初始化啟動模塊和設備驅動模塊在主函數中調用相應的函數來實現其對應的功能。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完成系統的音視頻處理；Task4完成頻道更新；Task5處理頻道節目的編輯和刷新等；Task6調度開機LoGo；Task7處理機頂盒各種顯示任務；Task8調度游戲和日歷等；Task9處理各種表單,如節目單和解復用單等；Task10處理處理OSD和PMT。而Task1啟動其他任務和開機Logo。 3.4 數據庫構建 基于DVB－C的數字機頂盒的數據庫構建，主要構建本地臨時數據庫和數據庫管理兩個方面。其中本地臨時數據庫包括：節目表ProgramList、附加節目表TransponderList和節目數據結構，ProgramList和TransponderList的構建在搜臺時完成，當用戶作頻道管理時，需要作相應的更新并寫Flash即可。 數據庫管理主要是為管理和訪問各數據庫里的數據，數據庫管理分為頻點數據庫管理、節目數據庫管理和系統數據庫管理三個方面。頻點數據庫管理主要是完成對頻點數據的管理，包括頻點信息單元和數據塊頭、鏈表兩個方面。節目數據庫管理主要管理節目信息單元和數據塊頭、鏈表，由于節目數據庫的數據量十分龐大，因此，在定義節目數據庫的結構時，不能將節目信息置于一個結構中，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循環來實現的,所以研究手動搜臺。在搜臺之前,首先搜索各種節目信息表,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：提供每個節目(service_id)的包括音視頻pid等信息；SDT：提供節目的屬性信息,包括節目名字、節目運行狀態等屬性,在PAT之后搜索；NIT：提供網絡的信息,包括網絡標識號和網絡名稱,保存在頻點數據庫中；NIT還提供此網絡下其他頻點的參數信息,根據這個可以增加頻點數據庫。 采用搜索算法思想為：首先調用驅動層封裝好的相應API,設定Tuner頻點、符號率等參數,根據數據更新的方式決定是否要清除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表獲得網絡信息,更新TransponderList,最后成功返回。 3.6 系統主函數實現 μC/OS-II操作系統是使用標準C語言編寫的，因此，整個系統軟件中，又且僅有一個main()函數。在本系統中，也只有一個main()函數。在實現main()時，必須考慮系統的效率。在本系統設計中，采用了Task1來開啟其他任務的方式，來減少主函數的代碼，提高主函數的運行效率。其代碼如下： main() {… OSInit();//操作系統初始化 sys_init();//系統初始化 System_mail_Set=OSMboxCreate(0);//系統消息初始化 sysflag=OSFlagCreate(0x81,&err_main);//系統標志初始化 OSTaskCreate(task1,(void*)&Task1_Stk[TASK1_STK_SIZE-1],TASK1_PRIO);//任務調度開始 OSStart();//操作系統開始 …} 4.系統調試 本系統的調試按照嵌入式系統基本原理和DVB-C的基本特點,將調試分為主板調試、系統軟硬件調試和系統軟硬件驗證等。 硬件方面,主要是驗證硬件電路與設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定可靠性。在調試時,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。 本文創新點： 本文提出了DVB-C機頂盒軟件層次結構和軟件模塊層次結構,這些結構有效地提高了系統軟件開發效率。通過基于Hi2011的DVB-C數字電視機頂盒研發項目的應用設計,研究實踐表明,本文從系統的軟件層次和結構、搜臺算法和數據庫構建的實現等方面給出了較優的解決方案。 本項目應用后已累計有21萬元的經濟效益。 |
