当前市场海思主流芯片在安防监控中的几种应用方案

　　海思半导体在安防监控中应用的芯片有Hi3510、3511、3512、3515、3520等。3510是海思的早期产品(第1代)；3511和3512是目前的主流产品，均为ARM9架构(第2代)；3515和3520是最新的产品(第3代)。这里以应用广泛的Hi3512为例，介绍其功能特点以及它在安防监控中用于高清网络摄像机、网络DVR与DVS中的应用方案。

　　文/雷玉堂

　　海思半导体是专注于数字媒体、3G终端、数据通讯领域的芯片设计公司，为客户提供通信网络、无线终端、数字媒体等芯片及解决方案。在通信网络领域，海思半导体能够提供固网、光网络、无线网络、数据通信和网络安全系列化芯片，并成功应用在全球100多个国家和地区；在无线终端领域，还推出WCDMA手机芯片及解决方案；在数字媒体领域，已推出网络监控芯片及解决方案、可视电话芯片及解决方案、DVB芯片及解决方案、IPTV芯片及解决方案和数字电视芯片及解决方案等。

　　从商业监控的需求和特点出发，海思半导体为客户提供一整套低成本的、垂直化管理的、易开发的网络监控解决方案。该方案基于海思半导体的数字媒体处理器芯片，硬件实现H.264视频编解码算法，采用免费开源的Linux操作系统，还提供音频编解码库、底层驱动、媒体处理模块、MINIGUI界面开发、PC端H.264解码库等；更提供针对网络监控需求的各种网络应用环境的码流控制(VBR/CBR/UBR)、网络带宽侦测及自适应、PPPOE拨号、RTP/RTCP媒体通讯协议等功能。高集成度的芯片、硬件的H.264视频编解码算法、丰富的Linux网络资源可以为商业监控提供同时满足低成本、客户化定制、亲切操作界面等要求的系统解决方案。

　　海思半导体在安防监控中应用的芯片主要有：Hi3510、3511、3512、3515、3520等。Hi 3510是海思的一个早期产品(第1代)，主要用于网络摄像机，并不完全切合做DVR，不推荐使用；Hi 3511和3512是目前的主流产品(第2代)，均为ARM9架构，这两款的主要区别是单片Hi3511可做8路CIF格式DVR，单片Hi3512主要做4路CIF格式DVR和高清网络摄像机；Hi3515和3520是最新的产品(第3代)，3515可做8路CIF的DVR和百万像素摄像机，而3520由于采用ARM11架构，性能更强，单片就可用来做4路D1的DVR等。本文以应用广泛的主流芯片Hi3512为例，介绍其功能特点以及它在安防监控中用于高清网络摄像机、网络DVR与DVS中的应用方案。

　　1、海思半导体主流芯片的功能特点

　　(1)海思主流芯片Hi3512的主要特点

　　①CPU内核

　　? ARM926EJ-S，16KB指令Cache和16KB数据Cache

　　? 内嵌2KB指令紧耦合存储器

　　? 哈佛结构的32位RISC处理器

　　? 内置MMU，支持多种开放式操作系统

　　? 工作频率可达到264MHz

　　②视频编解码及视频处理性能

　　? H.264 Main Profile@Level3.0编解码

　　? H.264 Baseline Profile@Level3.0编解码

　　? MJPEG/JPEG Baseline编解码

　　? 双码流编码（H.264/MJPEG）

　　? 具备320fps@CIF编解码能力

　　? 主码流编解码90fps@D1+子码流编码90fps@QCIF

　　? 支持1.3M pixels@30fps~3M pixels@5fps

　　? 支持JPEG抓拍3M Pixels@5fps

　　? CBR/VBR码率控制，32kbit/s～20Mbit/s

　　③图形处理

　　? De-interlace前处理

　　? 视频、图形缩放

　　? 4个区域的前处理OSD叠加

　　? 4层视频后处理OSD硬件图像叠加

　　? 对比度拉升、色彩增强

　　? 4个区域的视频遮挡

　　? 宏块级的SAD、MV信息输出，支持灵活的运动侦测

　　? 空域、时域去噪

　　④音频编解码

　　? 可以通过ARM内核实现多种音频、语音编解码功能

　　? 最多16路音频实时编码

　　? 支持双向语音对讲

　　⑤安全引擎

　　? 硬件实现AES/DES/3DES多种加解密算法

　　? 数字水印技术

 
　　⑥各种接口

　　视频接口：? 输入：- 2路BT.656/601 YCrCb 4:2:2，8bit，54MHz

　　- 1路SMPTE296M 720P高清接口，Y/C 4:2:2，16bit

　　- CCD和CMOS数字接口

　　? 输出：1路BT.656 YCrCb 4:2:2, 8 bits

　　音频接口：? 2个I2S音频接口

　　? 8/16/32位采样位宽，采样率可配置（4KHz～48KHz）

　　外围接口：? PCI接口

　　- 符合PCI V2.3通讯协议标准

　　- 兼容miniPCI

　　- 支持主从模式

　　? 3个UART接口、IR接口、I2C接口、SPI主从接口、GPIO接口

　　? SDIO2.0接口

　　? USB 1.1 Host接口、USB 2.0 OTG接口

　　? 1个MII接口，支持10/100 Mbit/s网络扩展

　　? 支持RTC，RTC可独立供电

　　外部存储器接口：? DDR2 SDRAM接口

　　- 32/16 bit数据位宽

　　- 最大支持512MByte

　　? NOR Flash接口

　　- 8 bit数据位宽

　　- 2个片选，每个片选最大支持32MByte

　　⑦SDK

　　? 提供基于Linux SDK包

　　? 提供H.264的高性能PC解码库

　　⑧芯片物理规格

　　? 功耗：- 600mW典型功耗

　　- 支持多级省电模式

　　? 工作电压：- 内核电压：1.2V

　　- IO电压：3.3V，容限电压为5V

　　- DDR2 DRAM接口电压：1.8V

　　? 封装：- 441 pin TFBGA封装

　　- 0.8mm管脚间距，19mm×19mm

　　(2)Hi3512的功能框图

　　图1、海思主流芯片Hi3512的功能框图

 
　　由图可知，Hi3512是一款基于ARM9处理器内核以及视频硬件加速引擎的高性能通信媒体处理器，具有高集成、可编程、支持H.264和MJPEG等多协议的优点，可广泛应用于实时视频通信、数字图像监控、网络摄像机等领域。

　　视频处理单元能够支持H.264 Main Profile、Baseline Profile、MJPEG、JPEG等多种协议的实时编解码；支持H.264编解码90fps@D1；支持高清1.3M Pixels@30fps，支持最大300万像素的Jpeg抓拍。H264 Main Profile强大的编码算法极大的提高了视频质量，并且能够灵活的提供场编码或者帧编码，为客户支持不同的显示终端提供了方便；视频处理单元还支持双码流编码，即MJPEG和H264可以同时编码。

　　图形处理单元能够提供De-interlace算法处理、灵活的运动检测；支持视频、图形缩放；支持OSD。

　　此外，其丰富的外围接口方便满足设备规格需求，有效降低整机BOM成本。

　　Hi3512主要用于作高清网络摄像机(IP Camera)、网络DVS（Digital video server）及DVR （Digital video recorder）。下面分别介绍用Hi3512构成这三者的板卡解决方案。

　　2、海思半导体在高清网络摄像机中的应用方案

　　海思半导体2006年推出的SoC芯片Hi3510就集成了H.264编解码、强大的网络功能和丰富的接口扩展，极大节省了IP+Camera.HTMIP Camera整机BOM成本，带动了监控前端设备一体化进展。目前已出现完全一体的IP Camera，集成了高灵敏度的图像传感器、灵活的云台功能、高效的H.264视频压缩标准、强大的网络功能。国内已有终端厂家推出了一体的IP Camera并投放欧美市场，其精致小巧的外形深受欢迎。如海思半导体的合作伙伴广州麦电科技今年6月份已发布基于Windows Mobile手机的H.264解码器，后续会推出支持多种手机平台和操作系统的解码库或提供定制服务。

　　海思半导体的单片Hi3512在高清IP Camera中应用的板卡解决方案如图2所示。图3是这种CCD网络摄像机的结构示意图。

　　图2、单片Hi3512在高清IP Camera中应用的板卡解决方案

　　图3、Hi3512在CCD网络摄像机中的结构示意图

　　这种网络摄像机方案的特点是：①2M Pixels@15fps或1.3M Pixels@30fps；②高清720P@30fps+QVGA@30fps；③D1实时MJPEG/H.264双码流；④双向语音对讲+回波抵消；⑤PC端600fps高性能H.264解码库等。

　　高清网络摄像机的优势是高清解析度，如何将这种优势应用在实际项目中，就要从芯片部分开始考虑，贴近安防应用开发，才能使高清网络摄像机有更广泛的应用。而高清网络摄像机的芯片发展趋势不能简单看成是网络摄像机的发展，更值得关注的是怎样实现应用体验与现实的结合，并完善产品系列配套。

　　一般，传统监控的CCD摄像机都用统一BT.656转CVBS的接口，视频压缩芯片只要对应地接BT656的芯片就能满足传感器接入的问题。而高清时代，CCD和CMOS网络摄像机竞相推出，各厂家都有自己的接口标准，即使表面上物理接口是一样，但内部数据都不同，因而需要与图像传感器原厂对接。在这方面需要芯片厂商与传感器厂商进行协调合作才会有比较好的效果。因此，在百万像素级传感器还没有统一数字接口时，其编解码芯片是必须要考虑的。如海思半导体的第3代产品Hi3515和Hi3520，就把SONY的720P CCD这种原来需要CPLD转接的接口直接定义到了芯片里面，由于该CPLD的实现需要SONY原厂提供帮助，这样就直接帮助一些客户解决了原来不可获取的问题，同时每台百万像素网络摄像机都可以节省一颗CPLD本身的成本。

　　3、海思半导体在网络DVR中的应用方案

　　随着百万像素网络摄像机的发展，对核心构建的芯片编码要求越来越苛刻，在更高压缩比的前提下实现更贴近现实的场景。如海思百万像素解决方案就可以实现720P@2Mbps的压缩率，比一般产品动辄要3～4Mbps才能实现提升了至少50%的压缩比，实际2Mbps的码率还有另外一个含义(目前D1 DVR的存储码流就是2Mbps为主)，它意味着用户可以不增加网络和存储成本的情况下升级到720P的体验。随着3G网络的兴起，对各种网络的适配也是其重要的发展方向。如Hi3512/Hi3515支持多码流的编码方式，尤其是低码流的满足，能够支持在30～128Kbps之间的手机低带宽下实现QCIF、QQVGA～CIF/QVGA的全实时编码，以方便对全系统的搭配。

　　网络摄像机可以同模拟摄像机一样布置调试，会扭转用户对网络摄像机使用难的状况。为了实现对这个系统的搭配，只有前端是远远不够的，必须要有后端芯片技术的处理。由于百万像素网络摄像机经过网络过来的数据是IP包，人是不能直接感受这些数据的，后端的系统将会存储为我们常见的格式以方便调用，同时要把这些数据解码，把这些数据变成我们可以感受的视频和声音，然后在通过模拟输出接入到监视器等显示设备上。

　　如果没有考虑到这点需求的解决方案做的高清系统，常常遇到要么解码性能不够，要么是解码后不知道怎么样输出，又或者都实现了，但是要很多外围芯片甚至FPGA拼接起来，这样代价昂贵，不符合工程成本的利益。因此，现在芯片要实现更多功能的集成，如果只是简单少量点的需求，或者已经有了大平台，用户希望满足高清网络视频上电视墙的需求，采用具有单路解码效果的芯片即可。对中小型项目和大项目的分级点而言，要达到傻瓜式的智能化应用，可用混合型DVR来解决。考虑到把多台百万像素网络摄像机的大量数据流进行管理和存储会消耗非常大的网络搬运和PCI搬运，这对CPU来说是非常大的考验，这就是Hi3520芯片为什么要集成双核CPU和千兆网口的原因。

　　同时要做到对多路百万像素网络摄像机的图像实现解码(也就是模拟摄像机和DVR中常用的实时预览)，就需要解决方案的性能足够强大和灵活，所以Hi3520方案与传统很多方案编码是编码，解码是解码不同，可以灵活地在总性能设置编解码分配，使得它可以很容易地均衡DVR性能。解码后要能输出，在标清时代，芯片的级联都是通过PCI来实现的，一个PCI能传2～3个D1的未压缩码流，但是在高清时代就不行了，高清解码数据通过PCI是传不到显示芯片上的，所以很多方案就会对高清图像进行缩放再输出，这样最后的效果就不能体现到真正高清效果。具有海思专利的高清级联通道的解决方式的推出零时延的多片传输效果，和芯片集成的高清的VGA输出匹配，加上DHCP技术，就可以轻松实现对高清像素网络摄像机的智能化的平台管理。

　　用单片Hi3512构成的4路CIF DVR板卡解决方案如图4所示。这种方案的特点是：①H.264/MJPEG；②编码4路CIF@120fps；③网传4路QCIF@120fps；④解码4路CIF@120fps；⑤同步音频+双向语音对讲等。

　　图4、用单片Hi3512构成的4路CIF DVR板卡解决方案

　　用2片Hi3512还可实现4路D1 DVR，该方案的特点是：①H.264/MJPEG；②编码4路D1@120fps；③网传4路QCIF@120fps；④解码2路D1@60fps；⑤同步音频+双向语音对讲等。

　　用3片Hi3512能实现8路D1 DVR，该方案的特点是：①H.264/MJPEG；②编码8路D1@240fps；③网传8路QCIF@240fps；④解码1路D1@30fps；⑤同步音频+双向语音对讲等。

　　用4片Hi3512可实现16路D1 DVR，该方案的特点是：①H.264/MJPEG；②编码16路D1@480fps；③网传16路QCIF@480fps；④解码4路D1@120fps；⑤同步音频+双向语音对讲等。

　　4、海思半导体在NVS中的应用方案

　　用单片Hi3512构成的1～4路D1 DVS板卡解决方案如图5所示。该方案的特点是：①H.264/MJPEG；②编码D1@90fps；③小码流QCIF@90fps；④同步音频+双向语音对讲等。

　　图5、单片Hi3512实现1～4路D1 DVS板卡解决方案

　　结束语

　　本着互惠互利、共同发展的原则，海思半导体与美国、日本、欧洲及国内的业界同行建立了良好的战略伙伴关系，拥有成熟稳固的晶圆加工、封装及测试合作渠道。 历经17年的发展与积累，海思半导体致力于为客户提供品质好、服务优、快速响应客户需求的芯片及解决方案；以客户需求为己任、持续为客户创造价值。