摘要：設計了一種基于嵌入式開發平臺的網絡視頻監控系統的設計與實現方案，系統基于ATMEL公司生產的AT91RM9200微處理器為核心。本文給出了系統的整體結構框圖，分析和設計了系統的存儲模塊、視頻采集模塊、外圍電路模塊。給出了軟件設計方案。測試結果表明該方案可滿足當前多種場合的視頻監控的要求。

關鍵詞：AT91RM9200  嵌入式系統   視頻監控 

Hardware Design of One Kind of Embedded Network Video Monitoring System
Li Qian

(Shandong Vocational College of industry    Shandong-zibo 256414)

Abstract：The article introduces a design and implementation scheme of network  video monitoring system based on embedded development platform. The system takes AT91RM9200 microprocessor made in ATMEL's company as the core,and gives out holistic block diagram，analysis and design of the system memory modules,video capture modules, peripheral circuit modules and software design.Test results show that the program meets a variety of occasions, the current video surveillance needs.

Keywords: AT91RM9200  Embedded System  Video Monitoring

一、引言

應用嵌入式網絡技術的監控系統是監控領域最新的發展趨勢,嵌入式網絡監控系統是電子技術、計算機技術、通信技術和自動化技術快速發展并相互結合的高新技術產品,嵌入式網絡技術改變以往的監控系統體系結構,滿足了現代監控系統的可擴展性、分布式、實時性等,可廣泛應用在電信、電力、交通、銀行、水利、智能大廈等領域。正是在這一背景下,本文設計了一種嵌入式網絡化視頻監控系統,該系統在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,嵌入式Linux操作系統和流媒體技術進行設計。利用本系統可以進行網絡數字化視頻監控,具有體積小、圖像質量穩定、遠距離監控等優點,具有良好的應用與發展前景。

本文從視頻監控技術的發展歷史和嵌入式系統的現狀入手,分析了嵌入式網絡視頻監控系統相關技術,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,給出了整個系統的設計方案和功能規劃。基于上面的背景和對市場進行深入調查取證,研究了目前流行的嵌入式系統和MPEG-4專用視頻壓縮芯片方案,在嵌入式系統方面確定了在AT91RM9200芯片上構建嵌入式Web服務器的解決方案。

二、系統的總體設計
 

整個網絡視頻監控系統采用C/S結構，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。網絡視頻監控系統的基本處理機理，即前端的視頻監控服務器從現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傳輸到遠端的監控終端上。

系統的整體結構如圖1所示，視頻圖像采集和打包發送在服務器端完成，圖像的接收與回放將在客戶端完成。
 

                                             圖1、系統結構圖

三、系統的硬件設計

系統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、系統硬件結構圖

1、AT91RM9200主控器模塊

主控器模塊是整個系統的核心，選用的是ATMEL公司的AT91RM9200。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，它的低功耗、精簡和全靜態設計特別適合于對成本和功耗敏感的應用。AT91RM9200提供了豐富的片內資源，支持Linux，是本系統的合適選擇。它能完成整個系統的調度工作，在系統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，并通過以太網控制器控制物理層芯片發送視頻碼流。
 

AT91RM9200微處理器最高主頻為180 MHz，其雙向、32位外部數據總線支持8／16／32位數據寬度，26位地址總線可以對最大64 MB空間進行尋址。片內集成了非常豐富的外圍功能模塊，包括內存管理單元(MMU)、內部包含16 KB的SRAM和128 KB的ROM，16 KB的數據緩存以及16 KB的指令緩存。其外部總線接口控制器(EBI)，支持SDRAM，靜態存儲器，Burst FLASH以及Compact FLASH。為了提高系統性能還擴展了以下外設；增強的時鐘發生器與電源管理控制器(PMC)；系統定時器(ST)；實時時鐘(RTC)；高級中斷控制器(AIC)；4個32位PIO控制器；20通道的外設數據控制器(PDC)；10／100兆Base-T型以太網卡接口；4個通用同步／異步串行收發器(UASRT)以及JTAG／ICE接口等。
 

在系統中AT91RM9200需要1．8 V和3．3 V電源，另外，大部分外圍器件需要3．3 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直流穩壓電源。為了得到可靠的3．3 V電壓，此處選用的電壓轉換芯片是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0．8 A。同樣，為了得到可靠的1．8 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0．8 A。由于3．3 V和1．8 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2個典型值為10 tlf、的濾波電容即可。
 

2、系統存儲電路模塊
 

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、系統內核、文件系統、應用程序以及環境變量和系統配置文件等等，同時還預留了一部分空間作為用戶使用；SDRAM讀寫速度快，系統運行時把它作為內存單元使用。為充分保證系統的可擴充性，系統設計采用了8M的Nor Flash和64M的SDRAM。
 

在網絡視頻監控系統的設計中，Flash用于存放操作系統、文件系統和驅動程序等；SDRAM主要用作運行嵌入式操作系統、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S29AL016D70TF。它是一個16 Mbit的Flash存儲器，容量為2，097，152個字節；采用48腳TSOP封裝和3．0V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；RY／BY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16MB(4Banks×2M×16bits)，單片數據寬度是16位，為了增大數據吞吐能力，選取兩片SDRAM構成32位地址寬度，存儲容量為32MB，HY57V281620ET的工作電壓為3．3V，常見封裝為54腳TSOP，兼容LVTTL接口。支持自動刷新(Auto-Refresh)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連接可方便地構成應用系統。它內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轉換、自動箝位、自動增益控制(AGC)、時鐘產生(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，數據輸出格式為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轉換，它必須由Hi3510通過I2C總線對其內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、外圍電路模塊

本設計用到的外設有USB接口，網卡接口，串行接口和JTAG接口。同時為保證系統將來的可擴展性，系統還預留了PC104接口和大量的GPIO接口。AT91RM9200處理器的片內以太網卡端口和網絡物理層芯片DM9161E 的MII 接口通信。而且片內以太網卡內置了獨立的雙緩沖的讀寫DMA 通道，這樣大大提供了數據的發送速度，同時不影響AT91RM9200 的正常運行。

為保證視頻采集質量，監控系統選用了羅技等高端品牌的產品，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。在實時監控狀態下，各個攝像頭上捕獲的圖像數據通過USB集線器傳輸到視頻監控系統的USB主控制器模塊上，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到發送緩沖區中，等候發送。最后由上層應用程序將處理后的視頻數據通過以太網口進行發送。

 四、軟件方案

統的應用軟件建立在Linux操作系統之上，嵌入式Linux具有許多優點，如開放源碼，功能強大的內核，支持多用戶、多線程、多進程、實時性好、功能強大穩定；大小功能可定制等。本系統采用的嵌入式Linux系統是基于2.6.21的內核，支持了內核搶占式調度，同時調度周期為1ms，因此大大保證了系統的實時性。此外，系統內嵌的嵌入式Linux系統實現了對所有硬件設備的驅動支持，如基于Flash的文件系統、網卡驅動程序、USB驅動程序等等，完全保證了系統的可用性。

在本系統中，軟件設計可分為3部分：視頻圖像數據采集、圖像數據的JPEG壓縮以及系統平臺的網絡通信。

1、視頻圖像數據采集的實現

先加載USB攝像頭驅動程序，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實現，主要有Open、Read、Write等。V4L下的視頻采集1。在本系統中，將有關攝像頭的各種數據和結構封裝成了一個類，主要用到的一些系統調用函數定義如下：

pen(“／dev／vide00”，O—RDWR)：設備的打開。

lose(fd)：設備的關閉。

map(void+addr，size—t len，int prot，int flags，int fd，off__t offset)：

設備緩沖區到內存空間的映射。

unmap(void*addr,size t len)：采集工作結束后取消mmap和mbuf的綁定。

octl(int Rl，jnt cmd．．．，)：控制I/O的通道。

2、Linux下圖象數據的JPEG壓縮

由于視頻信息數據量過大，因此必須在視頻傳輸前對圖像數據進行壓縮處理。在本系統中，攝像頭采集過來的圖像數據格式為RGB24，通過調用Linux下的Libjpeg庫來實現視頻數

據的編碼，把RGB24圖像數據轉換為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，調用jpeg_set—defauhs  (&cmjpeg)，接著初始化JPEG壓縮圖片質量，通過jpeg_set—ratio (&cmjpeg，ratio，7rURE)實現。

開始壓縮：jpeg_start—compress(&cmjpeg，TURE)；for(i--0,line--buf；i<_height；i++，line+=_width*3)jpeg_write—seanlines(&cmjpeg，&line，1)；

壓縮完成：jpeg_finish—eompress(&cmjpeg)；

將壓縮得到的數據拷貝到jpeg數據變量中：

memepy(new一>buf 0。((_dst_ptr)cmjpeg．dest)一>buffer,size)；

釋放內存并銷毀cmjpeg變量：jpeg_destory_compress(&cmjpeg)

jpeg_buff_free(&emjpeg)；
 

最后返回return size；返回值size標記了緩沖區中視頻數據的實際長度。

3、系統網絡通訊的實現

本系統采用B／S(瀏覽器/服務器)模式的通信構架。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。B／S模式開發的監控軟件，降低了對系統軟件的要求，避免了用戶對客戶端的安裝和設置，實現了軟件安裝的簡單化、自由化。

視頻監控系統實現了對USB攝像頭的驅動程序，這樣上層視頻采集程序可以直接通過標準的Video4Linux接口函數訪問USB攝像頭設備，捕獲實時的視頻流，放入上層緩沖區，同時通知上層服務器軟件處理。

系統中內置了一個完整的基于網絡的多用戶視頻服務器軟件，這樣當服務器軟件監聽到有網絡客戶連接時，立即啟動采集進程從緩沖區中把處理后的視頻流數據讀出，然后發送給相應的客戶連接。同時為了保證監控客戶端的簡單性與統一性，本系統中的客戶端可以直接使用IE軟件，即用戶打開PC端的IE軟件后，直接在地址欄內輸入需要訪問的設備IP地址或者域名，如192.168.0.5，此時就可以在IE瀏覽器中顯示當前的實時采集圖像。

五、結論

本系統采用嵌入式Linux，操作系統和ARM核處理器的硬件平臺相結合，視頻信號從前端圖像采集設備輸出時即為數字信號，以網絡為傳輸媒介，并基于國際通用的TCP／IP協議，使用流媒體技術實現視頻信號在網絡上的傳輸，構成了一個高質量、監控方式靈活、可靠性好和具有易于擴展架構的網絡視頻監控系統。ARM處理核和Linux。相結合，很好地體現了整個監控小型化、數字化、網絡化、低功耗的優點。系統電路板現已成功配置和運行，調試結果表明，整個系統具有穩定可靠、安裝簡便、成本低廉等特點，可廣泛使用在家庭、銀行、超市、公共場所等。

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[作者簡介]

李倩 (1982－)，女，漢族，山東淄博人，研究生，山東工業職業學院電氣工程系電力電子教研室助教，主要從事電子，通信的研究和教學工作。
通信地址：山東省淄博市高新開發區張北路69號山東工業職業學院電氣工程系，郵編256414，電話：13589599646，E-mail：wuyulunbi_1982@126.com