一种嵌入式系统的硬件设计——网络视频监控

 一、引言

      应用嵌入式网络技术的监控系统是监控领域最新的发展趋势,嵌入式网络监控系统是电子技术、计算机技术、通信技术和自动化技术快速发展并相互结合的高新技术产品,嵌入式网络技术改变以往的监控系统体系结构,满足了现代监控系统的可扩展性、分布式、实时性等,可广泛应用在电信、电力、交通、银行、水利、智能大厦等领域。正是在这一背景下,本文设计了一种嵌入式网络化视频监控系统,该系统在32位高性能嵌入式处理器和专用视频压缩芯片的硬件平台上,采用MPEG-4编码技术,嵌入式Linux操作系统和流媒体技术进行设计。利用本系统可以进行网络数字化视频监控,具有体积小、图像质量稳定、远距离监控等优点,具有良好的应用与发展前景。 本文从视频监控技术的发展历史和嵌入式系统的现状入手,分析了嵌入式网络视频监控系统相关技术,对通用的嵌入式处理器和专用视频压缩芯片进行了深入的研究,给出了整个系统的设计方案和功能规划。基于上面的背景和对市场进行深入调查取证,研究了目前流行的嵌入式系统和MPEG-4专用视频压缩芯片方案,在嵌入式系统方面确定了在AT91RM9200芯片上构建嵌入式Web服务器的解决方案。

二、系统的总体设计
      整个网络视频监控系统采用C/S结构，从主体上分为两部分：服务器端和客户端。服务器端主要包括嵌入式处理器、摄像头及其他外围辅助设备，同时还包含运行在嵌入式平台上的采集、压缩与传输程序；客户端则是普通PC机，通过它进行图像接收与回放。网络视频监控系统的基本处理机理，即前端的视频监控服务器从现场的摄像头捕获实时的视频信息，压缩处理后再通过以太网传输到远端的监控终端上。
      系统的整体结构如图1所示，视频图像采集和打包发送在服务器端完成，图像的接收与回放将在客户端完成。

 

图1、系统结构图

三、系统的硬件设计

      系统采用模块化设计方案，主要包括以下几个模块：主控制器模块、存储电路模块、外围接口电路模块、电源和复位电路，如图2所示。

 

图2、系统硬件结构图

1、AT91RM9200主控器模块
      主控器模块是整个系统的核心，选用的是ATMEL公司的AT91RM9200。它是一款基于ARM920T 核的32位微控制器。该处理器最高运行频率可达到200MPS，它的低功耗、精简和全静态设计特别适合于对成本和功耗敏感的应用。AT91RM9200提供了丰富的片内资源，支持Linux，是本系统的合适选择。它能完成整个系统的调度工作，在系统上电时配置所有需工作的芯片的功能寄存器，完成视频流的编码，并通过以太网控制器控制物理层芯片发送视频码流。

       AT91RM9200微处理器最高主频为180 MHz，其双向、32位外部数据总线支持8／16／32位数据宽度，26位地址总线可以对最大64 MB空间进行寻址。片内集成了非常丰富的外围功能模块，包括内存管理单元(MMU)、内部包含16 KB的SRAM和128 KB的ROM，16 KB的数据缓存以及16 KB的指令缓存。其外部总线接口控制器(EBI)，支持SDRAM，静态存储器，Burst FLASH以及Compact FLASH。为了提高系统性能还扩展了以下外设；增强的时钟发生器与电源管理控制器(PMC)；系统定时器(ST)；实时时钟(RTC)；高级中断控制器(AIC)；4个32位PIO控制器；20通道的外设数据控制器(PDC)；10／100兆Base-T型以太网卡接口；4个通用同步／异步串行收发器(UASRT)以及JTAG／ICE接口等。

 

在系统中AT91RM9200需要1．8 V和3．3 V电源，另外，大部分外围器件需要3．3 V电源，小部分外围器件还需要5 V电源，假设输入电压为5 V直流稳压电源。为了得到可靠的3．3 V电压，此处选用的电压转换芯片是NCPlll7ST33T3，它的输入电压为5 V，输出电压为3．3 V，最大输出电流为0．8 A。同样，为了得到可靠的1．8 V电压，选用NCPlll7STl8T3，它的输入电压为5 V，输出电压为1．8 V，最大输出电流为0．8 A。由于3．3 V和1．8 V属于NCPlll7系列的2个固定输出电压，所以设计比较简单，只需要在电路中与芯片并联2个典型值为10 tlf、的滤波电容即可。

 

 

2、系统存储电路模块
      主控器还需一些外围存储单元如Nor Flash和SDRAM。Nor Flash 中包含Linux 的Bootloader、系统内核、文件系统、应用程序以及环境变量和系统配置文件等等，同时还预留了一部分空间作为用户使用；SDRAM读写速度快，系统运行时把它作为内存单元使用。为充分保证系统的可扩充性，系统设计采用了8M的Nor Flash和64M的SDRAM。
      在网络视频监控系统的设计中，Flash用于存放操作系统、文件系统和驱动程序等；SDRAM主要用作运行嵌入式操作系统、应用服务程序和临时存放视音频信息。Flash存储器选用的是Spansion的S29AL016D70TF。它是一个16 Mbit的Flash存储器，容量为2，097，152个字节；采用48脚TSOP封装和3．0V电源供电。S29AL016D70TF与Hi3510的接口连接框图如图3所示。其中。CE#管脚为芯片使能输入，由于此Flash用于存储引导程序，故此引脚连接EBICSlN#；OE#管脚为输出使能输入，连接EBIOEN；RY／BY为准备或忙输出管脚，悬空。

图3 Flash存储器接口设计框图

 

SDRDM存储器选用的是Hynix的HY57V281620ET，它的容量位是16MB(4Banks×2M×16bits)，单片数据宽度是16位，为了增大数据吞吐能力，选取两片SDRAM构成32位地址宽度，存储容量为32MB。HY57V281620ET的工作电压为3．3V，常见封装为54脚TSOP，兼容LVTTL接口。支持自动刷新(Auto-Refresh)和自刷新(Self-Refresh)。HY57V281620ET与Hi3510的接口连接框图如图4所示。

图4 SDRDM存储器接口设计框图

 

 

 

3、视频采集模块设计
      视频采集芯片选用Philips公司生产的SAA7113H，它是一款功能强大且操作简单的9位视频输入处理芯片，采用CMOS工艺，通过I2C总线与处理器或DSP连接可方便地构成应用系统。它内部包含四路模拟处理通道，可以选择视频信号源并可抗混叠滤波，同时还可以进行模数转换、自动箝位、自动增益控制(AGC)、时钟产生(CGC)、多制式解码，另外还可以对亮度、对比度和饱和度进行控制。设置SAA7113H芯片的工作时钟为24．576MHz，数据输出格式为4：2：2，帧频为25fps。视频采集芯片SAA7113H在上电后，并不是立即采集模拟视频信号进行A／D转换，它必须由Hi3510通过I2C总线对其内部寄存器进行初始化设置后，才能正常工作。视频采集芯片SAA7113H与Hi3510的接口连接框图如图5所示。 

图5视频采集电路原理框图

4、外围电路模块
      本设计用到的外设有USB接口，网卡接口，串行接口和JTAG接口。同时为保证系统将来的可扩展性，系统还预留了PC104接口和大量的GPIO接口。AT91RM9200处理器的片内以太网卡端口和网络物理层芯片DM9161E 的MII 接口通信。而且片内以太网卡内置了独立的双缓冲的读写DMA 通道，这样大大提供了数据的发送速度，同时不影响AT91RM9200 的正常运行。

为保证视频采集质量，监控系统选用了罗技等高端品牌的产品，然后摄像头通过专用的USB集线器与处理器单元的USB接口连接。在实时监控状态下，各个摄像头上捕获的图像数据通过USB集线器传输到视频监控系统的USB主控制器模块上，然后再由USB主控制器模块交由AT91RM9200处理器集中处理。AT91RM9200对采集到的图像进行实时编码压缩，编码之后的码流直接传输到发送缓冲区中，等候发送。最后由上层应用程序将处理后的视频数据通过以太网口进行发送。

 

四、软件方案

      系统的应用软件建立在Linux操作系统之上，嵌入式Linux具有许多优点，如开放源码，功能强大的内核，支持多用户、多线程、多进程、实时性好、功能强大稳定；大小功能可定制等。本系统采用的嵌入式Linux系统是基于2.6.21的内核，支持了内核抢占式调度，同时调度周期为1ms，因此大大保证了系统的实时性。此外，系统内嵌的嵌入式Linux系统实现了对所有硬件设备的驱动支持，如基于Flash的文件系统、网卡驱动程序、USB驱动程序等等，完全保证了系统的可用性。
      在本系统中，软件设计可分为3部分：视频图像数据采集、图像数据的JPEG压缩以及系统平台的网络通信。

<!-- pagebreak -->

1、视频图像数据采集的实现
      首先加载USB摄像头驱动程序，接着就是编写一个对视频流采集的应用程序。摄像头中的各种I／O口的控制主要依靠Vide04Linux提供的应用程序接口函数实现，主要有Open、Read、Write等。V4L下的视频采集1。在本系统中，将有关摄像头的各种数据和结构封装成了一个类，主要用到的一些系统调用函数定义如下：
open(“／dev／vide00”，O—RDWR)：设备的打开。
close(fd)：设备的关闭。
mmap(void+addr，size—t len，int prot，int flags，int fd，off__t offset)：
设备缓冲区到内存空间的映射。
munmap(void*addr,size t len)：采集工作结束后取消mmap和mbuf的绑定。
ioctl(int Rl，jnt cmd．．．，)：控制I/O的通道。

 

2、Linux下图象数据的JPEG压缩
      由于视频信息数据量过大，因此必须在视频传输前对图像数据进行压缩处理。在本系统中，摄像头采集过来的图像数据格式为RGB24，通过调用Linux下的Libjpeg库来实现视频数据的编码，把RGB24图像数据转换为JPEG格式。下面简述下整个压缩处理过程：首先初始化JPEG压缩的图片格式，调用jpeg_set—defauhs(&cmjpeg)，接着初始化JPEG压缩图片质量，通过jpeg_set—ratio(&cmjpeg，ratio，7rURE)实现。
      开始压缩：jpeg_start—compress(&cmjpeg，TURE)；for(i--0,line--buf；i<_height；i++，line+=_width*3)jpeg_write—seanlines(&cmjpeg，&line，1)；
      压缩完成：jpeg_finish—eompress(&cmjpeg)；
      将压缩得到的数据拷贝到jpeg数据变量中：
memepy(new一>buf 0。((_dst_ptr)cmjpeg．dest)一>buffer,size)；
      释放内存并销毁cmjpeg变量：jpeg_destory_compress(&cmjpeg)
jpeg_buff_free(&emjpeg)；
      最后返回return size；返回值size标记了缓冲区中视频数据的实际长度。

 

 

3、系统网络通讯的实现
      本系统采用B／S(浏览器/服务器)模式的通信构架。用户只需在远程客户机安装一个普通的浏览器软件，其他大部分工作由Web服务器完成。B／S模式开发的监控软件，降低了对系统软件的要求，避免了用户对客户端的安装和设置，实现了软件安装的简单化、自由化。
      视频监控系统实现了对USB摄像头的驱动程序，这样上层视频采集程序可以直接通过标准的Video4Linux接口函数访问USB摄像头设备，捕获实时的视频流，放入上层缓冲区，同时通知上层服务器软件处理。
      系统中内置了一个完整的基于网络的多用户视频服务器软件，这样当服务器软件监听到有网络客户连接时，立即启动采集进程从缓冲区中把处理后的视频流数据读出，然后发送给相应的客户连接。同时为了保证监控客户端的简单性与统一性，本系统中的客户端可以直接使用IE软件，即用户打开PC端的IE软件后，直接在地址栏内输入需要访问的设备IP地址或者域名，如192.168.0.5，此时就可以在IE浏览器中显示当前的实时采集图像。

 

 

五、结论
      本系统采用嵌入式Linux，操作系统和ARM核处理器的硬件平台相结合，视频信号从前端图像采集设备输出时即为数字信号，以网络为传输媒介，并基于国际通用的TCP／IP协议，使用流媒体技术实现视频信号在网络上的传输，构成了一个高质量、监控方式灵活、可靠性好和具有易于扩展架构的网络视频监控系统。ARM处理核和Linux。相结合，很好地体现了整个监控小型化、数字化、网络化、低功耗的优点。系统电路板现已成功配置和运行，调试结果表明，整个系统具有稳定可靠、安装简便、成本低廉等特点，可广泛使用在家庭、银行、超市、公共场所等。