一種嵌入式網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計

1、一種嵌入式網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計一、引言 應用嵌入式網(wǎng)絡技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)是監(jiān)控領(lǐng)域最新的發(fā)展趨勢 , 嵌入式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)是電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)和自動化技術(shù)快速發(fā)展并相互結(jié)合的高新技術(shù)產(chǎn)品 , 嵌入式網(wǎng)絡技術(shù)改變以往的監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) , 滿足了現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)的可擴展性、分布式、實時性等 , 可廣泛應用在電信、電力、交通、銀行、水利、智能大廈等領(lǐng)域。正是在這一背景下 , 本文設計了一種嵌入式網(wǎng)絡化視頻監(jiān)控系統(tǒng) , 該系統(tǒng)在 32 位高性能嵌入式處理器和專用視頻一、引言應用嵌入式網(wǎng)絡技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)是監(jiān)控領(lǐng)域最新的發(fā)展趨勢 , 嵌入式網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)是電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)和自動化技術(shù)

2、快速發(fā)展并相互結(jié)合的高新技術(shù)產(chǎn)品 , 嵌入式網(wǎng)絡技術(shù)改變以往的監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) , 滿足了現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)的可擴展性、分布式、實時性等 , 可廣泛應用在電信、電力、交通、銀行、水利、智能大廈等領(lǐng)域。正是在這一背景下 , 本文設計了一種嵌入式網(wǎng)絡化視頻監(jiān)控系統(tǒng) , 該系統(tǒng)在 32 位高性能嵌入式處理器和專用視頻壓縮芯片的硬件平臺上 , 采用 MPEG-4編碼技術(shù) , 嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)和流媒體技術(shù)進行設計。利用本系統(tǒng)可以進行網(wǎng)絡數(shù)字化視頻監(jiān)控 , 具有體積小、圖像質(zhì)量穩(wěn)定、遠距離監(jiān)控等優(yōu)點 , 具有良好的應用與發(fā)展前景。 本文從視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展歷史和嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)狀入手 , 分析了嵌入式

3、網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù) , 對通用的嵌入式處理器和專用視頻壓縮芯片進行了深入的研究 , 給出了整個系統(tǒng)的設計方案和功能規(guī)劃?；谏厦娴谋尘昂蛯κ袌鲞M行深入調(diào)查取證 , 研究了目前流行的嵌入式系統(tǒng)和 MPEG-4專用視頻壓縮芯片方案 , 在嵌入式系統(tǒng)方面確定了在AT91RM9200芯片上構(gòu)建嵌入式 Web服務器的解決方案。二、系統(tǒng)的總體設計整個網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用 C/S 結(jié)構(gòu)，從主體上分為兩部分：服務器端和客戶端。服務器端主要包括嵌入式處理器、攝像頭及其他外圍輔助設備，同時還包含運行在嵌入式平臺上的采集、壓縮與傳輸程序；客戶端則是普通 PC機，通過它進行圖像接收與回放。網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本

4、處理機理，即前端的視頻監(jiān)控服務器從現(xiàn)場的攝像頭捕獲實時的視頻信息，壓縮處理后再通過以太網(wǎng)傳輸?shù)竭h端的監(jiān)控終端上。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，視頻圖像采集和打包發(fā)送在服務器端完成，圖像的接收與回放將在客戶端完成。圖 1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖三、系統(tǒng)的硬件設計系統(tǒng)采用模塊化設計方案，主要包括以下幾個模塊：主控制器模塊、存儲電路模塊、外圍接口電路模塊、電源和復位電路，如圖2 所示。圖 2、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖1、AT91RM9200主控器模塊主控器模塊是整個系統(tǒng)的核心，選用的是 ATMEL公司的 AT91RM920 0。它是一款基于 ARM920T核的 32 位微控制器。該處理器最高運行頻率可達到200MPS，它

5、的低功耗、精簡和全靜態(tài)設計特別適合于對成本和功耗敏感的應用。 AT91RM9200提供了豐富的片內(nèi)資源，支持 Linux ，是本系統(tǒng)的合適選擇。它能完成整個系統(tǒng)的調(diào)度工作，在系統(tǒng)上電時配置所有需工作的芯片的功能寄存器，完成視頻流的編碼，并通過以太網(wǎng)控制器控制物理層芯片發(fā)送視頻碼流。AT91RM9200微處理器最高主頻為 180 MHz，其雙向、 32 位外部數(shù)據(jù)總線支持 81632 位數(shù)據(jù)寬度， 26 位地址總線可以對最大 64 MB空間進行尋址。片內(nèi)集成了非常豐富的外圍功能模塊，包括內(nèi)存管理單元 (MMU)、內(nèi)部包含 16 KB 的 SRAM和 128 KB 的 ROM，16 KB 的數(shù)據(jù)緩

6、存以及 16 KB 的指令緩存。其外部總線接口控制器 (EBI) ，支持 SDRAM，靜態(tài)存儲器， Burst FLASH 以及 Compact FLASH。為了提高系統(tǒng)性能還擴展了以下外設；增強的時鐘發(fā)生器與電源管理控制器 (PMC)；系統(tǒng)定時器 (ST) ；實時時鐘 (RTC)；高級中斷控制器(AIC) ；4 個 32 位 PIO 控制器； 20 通道的外設數(shù)據(jù)控制器 (PDC)； 10100 兆 Base-T 型以太網(wǎng)卡接口； 4 個通用同步異步串行收發(fā)器 (UASRT)以及 JTAGICE接口等。在系統(tǒng)中 AT91RM9200需要 18 V 和 3 3 V 電源，另外，大部分外圍器件需

7、要 33 V 電源，小部分外圍器件還需要 5 V 電源，假設輸入電壓為 5 V 直流穩(wěn)壓電源。為了得到可靠的 33 V 電壓，此處選用的電壓轉(zhuǎn)換芯片是 NCPlll7ST33T3 ，它的輸入電壓為 5 V ，輸出電壓為 3 3 V ，最大輸出電流為08 A 。同樣，為了得到可靠的 18 V 電壓，選用 NCPlll7STl8T3 ，它的輸入電壓為 5 V ，輸出電壓為 1 8 V ，最大輸出電流為 08 A 。由于 3 3 V 和18 V 屬于 NCPlll7 系列的 2 個固定輸出電壓，所以設計比較簡單，只需要在電路中與芯片并聯(lián) 2 個典型值為 10 tlf 、的濾波電容即可。2、系統(tǒng)存儲電

8、路模塊主控器還需一些外圍存儲單元如Nor Flash和 SDRAM。 Nor Flash中包含 Linux的 Bootloader 、系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)、應用程序以及環(huán)境變量和系統(tǒng)配置文件等等，同時還預留了一部分空間作為用戶使用； SDRAM讀寫速度快，系統(tǒng)運行時把它作為內(nèi)存單元使用。為充分保證系統(tǒng)的可擴充性，系統(tǒng)設計采用了 8M的 Nor Flash 和 64M的 SDRAM。在網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計中，F(xiàn)lash 用于存放操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和驅(qū)動程序等； SDRAM主要用作運行嵌入式操作系統(tǒng)、應用服務程序和臨時存放視音頻信息。 Flash 存儲器選用的是Spansion 的 S29AL01

9、6D70TF。它是一個 16 Mbit 的 Flash 存儲器，容量為 2， 097，152 個字節(jié)；采用 48 腳 TSOP封裝和 30V 電源供電。 S29AL016D70TF與 Hi3510 的接口連接框圖如圖 3 所示。其中。 CE#管腳為芯片使能輸入，由于此 Flash 用于存儲引導程序，故此引腳連接 EBICSlN#；OE#管腳為輸出使能輸入，連接 EBIOEN； RYBY為準備或忙輸出管腳，懸空。圖 3 Flash存儲器接口設計框圖SDRDM存儲器選用的是 Hynix 的 HY57V281620ET，它的容量位是 16 MB(4Banks2M16bits) ，單片數(shù)據(jù)寬度是 16

10、 位，為了增大數(shù)據(jù)吞吐能力，選取兩片 SDRAM構(gòu)成 32 位地址寬度，存儲容量為 32MB。HY57V281620ET的工作電壓為 33V，常見封裝為 54 腳 TSOP，兼容 LVTTL接口。支持自動刷新 (Auto-Re fresh) 和自刷新 (Self-Refresh) 。HY57V281620ET與 Hi3510 的接口連接框圖如圖 4 所示。圖 4 SDRDM存儲器接口設計框圖3、視頻采集模塊設計視頻采集芯片選用 Philips 公司生產(chǎn)的 SAA7113H，它是一款功能強大且操作簡單的 9 位視頻輸入處理芯片，采用 CMOS工藝，通過 I2C 總線與處理器或 DSP連接可方便地

11、構(gòu)成應用系統(tǒng)。它內(nèi)部包含四路模擬處理通道，可以選擇視頻信號源并可抗混疊濾波，同時還可以進行模數(shù)轉(zhuǎn)換、自動箝位、自動增益控制 (AGC)、時鐘產(chǎn)生 (CGC)、多制式解碼，另外還可以對亮度、對比度和飽和度進行控制。設置 SAA7113H芯片的工作時鐘為 24 576MHz，數(shù)據(jù)輸出格式為 4：2：2，幀頻為 25fps 。視頻采集芯片 SAA7113H在上電后，并不是立即采集模擬視頻信號進行 A D 轉(zhuǎn)換，它必須由 Hi3510 通過 I2C 總線對其內(nèi)部寄存器進行初始化設置后，才能正常工作。視頻采集芯片SAA7113H與 Hi3510 的接口連接框圖如圖5 所示。圖 5 視頻采集電路原理框圖4

12、、外圍電路模塊本設計用到的外設有USB接口，網(wǎng)卡接口，串行接口和JTAG接口。同時為保證系統(tǒng)將來的可擴展性，系統(tǒng)還預留了PC104接口和大量的 GPIO接口。 AT91RM9200處理器的片內(nèi)以太網(wǎng)卡端口和網(wǎng)絡物理層芯片DM9161E的 MII接口通信。而且片內(nèi)以太網(wǎng)卡內(nèi)置了獨立的雙緩沖的讀寫DMA通道，這樣大大提供了數(shù)據(jù)的發(fā)送速度，同時不影響AT91RM9200的正常運行。為保證視頻采集質(zhì)量，監(jiān)控系統(tǒng)選用了羅技等高端品牌的產(chǎn)品，然后攝像頭通過專用的 USB集線器與處理器單元的 USB接口連接。在實時監(jiān)控狀態(tài)下，各個攝像頭上捕獲的圖像數(shù)據(jù)通過 USB集線器傳輸?shù)揭曨l監(jiān)控系統(tǒng)的 US B 主控制

13、器模塊上，然后再由 USB主控制器模塊交由 AT91RM9200處理器集中處理。 AT91RM9200對采集到的圖像進行實時編碼壓縮，編碼之后的碼流直接傳輸?shù)桨l(fā)送緩沖區(qū)中，等候發(fā)送。最后由上層應用程序?qū)⑻幚砗蟮囊曨l數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)口進行發(fā)送。四、軟件方案系統(tǒng)的應用軟件建立在 Linux 操作系統(tǒng)之上，嵌入式 Linux 具有許多優(yōu)點，如開放源碼，功能強大的內(nèi)核，支持多用戶、多線程、多進程、實時性好、功能強大穩(wěn)定；大小功能可定制等。本系統(tǒng)采用的嵌入式 Linux 系統(tǒng)是基于 2.6.21 的內(nèi)核，支持了內(nèi)核搶占式調(diào)度，同時調(diào)度周期為 1ms，因此大大保證了系統(tǒng)的實時性。此外，系統(tǒng)內(nèi)嵌的嵌入式 Li

14、nux 系統(tǒng)實現(xiàn)了對所有硬件設備的驅(qū)動支持，如基于 Flash 的文件系統(tǒng)、網(wǎng)卡驅(qū)動程序、 USB驅(qū)動程序等等，完全保證了系統(tǒng)的可用性。在本系統(tǒng)中，軟件設計可分為 3 部分：視頻圖像數(shù)據(jù)采集、圖像數(shù)據(jù)的 JPEG壓縮以及系統(tǒng)平臺的網(wǎng)絡通信。1、視頻圖像數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)首先加載 USB攝像頭驅(qū)動程序，接著就是編寫一個對視頻流采集的應用程序。攝像頭中的各種 I O口的控制主要依靠 Vide04Linux 提供的應用程序接口函數(shù)實現(xiàn)，主要有 Open、Read、Write 等。 V4L下的視頻采集 1。在本系統(tǒng)中，將有關(guān)攝像頭的各種數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)封裝成了一個類，主要用到的一些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)定義如下：open

15、( “ devvide00 ”， ORDWR)：設備的打開。close(fd)：設備的關(guān)閉。mmap(void+addr，size t len ，int prot ，int flags ，int fd ，off_t offs et) ：設備緩沖區(qū)到內(nèi)存空間的映射。munmap(void*addr,size t len)：采集工作結(jié)束后取消mmap和 mbuf 的綁定。ioctl(int Rl， jnt cmd ， ) ：控制 I/O 的通道。2、Linux 下圖象數(shù)據(jù)的 JPEG壓縮由于視頻信息數(shù)據(jù)量過大，因此必須在視頻傳輸前對圖像數(shù)據(jù)進行壓縮處理。在本系統(tǒng)中，攝像頭采集過來的圖像數(shù)據(jù)格式為

16、RGB24，通過調(diào)用 L inux 下的 Libjpeg 庫來實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的編碼，把 RGB24圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 JPEG 格式。下面簡述下整個壓縮處理過程：首先初始化 JPEG壓縮的圖片格式，調(diào)用jpeg_set defauhs(&cmjpeg) ，接著初始化 JPEG壓縮圖片質(zhì)量，通過 jpeg_se t ratio(&cmjpeg ，ratio ， 7rURE)實現(xiàn)。開始壓縮： jpeg_start compress(&cmjpeg， TURE)；for(i-0,li ne-buf ；ibuf 0 。 (_dst_ptr)cmjpegdest) 一 buffer,size)；釋放內(nèi)存并銷毀

17、 cmjpeg 變量： jpeg_destory_compress(&cmjpeg)jpeg_buff_free(&emjpeg)；最后返回 return size；返回值 size 標記了緩沖區(qū)中視頻數(shù)據(jù)的實際長度。3、系統(tǒng)網(wǎng)絡通訊的實現(xiàn)本系統(tǒng)采用 BS( 瀏覽器 / 服務器 ) 模式的通信構(gòu)架。用戶只需在遠程客戶機安裝一個普通的瀏覽器軟件，其他大部分工作由Web服務器完成。 BS 模式開發(fā)的監(jiān)控軟件，降低了對系統(tǒng)軟件的要求，避免了用戶對客戶端的安裝和設置，實現(xiàn)了軟件安裝的簡單化、自由化。視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對 USB攝像頭的驅(qū)動程序，這樣上層視頻采集程序可以直接通過標準的 Video4Linux 接口函數(shù)訪問 USB攝像頭設備，捕獲實時的視頻流，放入上層緩沖區(qū)，同時通知上層服務器軟件處理。系統(tǒng)中內(nèi)置了一個完整的基于網(wǎng)絡的多用戶視頻服務器軟件，這樣當服務器軟件監(jiān)聽到有網(wǎng)絡客戶連接時，立即啟動采集進程從緩沖區(qū)中把處理后的視頻流數(shù)據(jù)讀出，然后發(fā)送給相應的客戶連接。同時為了保證監(jiān)控客戶端的簡單性與統(tǒng)一性，本系統(tǒng)中的客戶端可以直接使用 IE 軟件，即用戶打開端的 IE 軟件后，直接在地址欄內(nèi)輸入需要訪問的設備 IP 地址或者域名，如PC192.168.0.5 ，此時就可以在IE 瀏覽