[硕士论文精品]基于gprs视频数据传输终端的设计

摘要摘要随着通信技术的发展，远程监控系统被广泛地应用于各个领域，对多媒体监控系统的要求也越来越高，操作简单、实时可靠、多功能、数字化、经济实用的多媒体监控系统的开发和设计正越来越多地受到人们的瞩目。研制出一种通用的网络视频采集设备，将具有十分广泛的应用前景，以它为核心，结合不同的应用需求，可以构筑出各种各样的数字监控系统。本文所设计的系统正是基于目前广泛的应用背景和需求而提出的，并利用新一代的EI技术理念进行设计和开发。本系统在硬件上采用视频编码芯片ZR36060对数字视频信号进行编码，AT91作为控制器，NANDFLASH作为存储器，GPRS模块BENQM23A作为传输器件；在软件上采用UCOSII作为操作系统来调度任务。本论文分几个部分详细介绍了课题的研究内容。第一部分论述了课题开展的背景和研究意义，对监控系统的技术发展做了扼要的介绍，阐明了本文的研究意义，同时对论文的结构进行了安排。第二部分介绍了系统当前常用的设计方案，分析了系统的功能需求，提出总体框架设计，并对系统硬件和软件设计有了初步的规划。第三部分介绍了实现本系统硬件平台，是以AT91M40800为核心处理芯片的终端，总体上分为电源模块、CPU模块、GSM模块和视频模块。第四部分阐述了系统软件方面主要模块设计，以视频数据在NANDFLASH存储介绍了存储方面设计方法与实现过程，同时介绍了基于TCPUDP实现数据的传输。第五部分介绍了测试平台的搭建及对测试结果的进行分析。关键词监控系统；GPRS；ARMABSTRACTWITHTHEHIGHTECHCOMMUNICATIONDEVELOPMENT，THELONGRANGEMONITORSYSTEMHASBEENUSEDWIDELYINALLAREAS，SOPEOPLEHAVEHIGHERDEMANDFORTHEMEDIAMONITORSYSTEM,ANDPEOPLEARESHOWINGINCREASINGINTERESTINTHEDEVELOPMENTANDDESIGNOFASIMPLEOPERATION，MULTIFUNCTIONAL，DIGITALANDGOODPRICEMEDIAMONITORSYSTEMSODEVELOPINGONEUNIVERSALINTEMETVIDEOEQUIPMENTWILLHAVEAVERYBRIGHTAPPLICATIONFUTURE，IFWEBASEONTHATANDCONSIDERDIFFERENTAPPLICATIONREQUIREMENTS，WECANMAKEOUTALLKINDSOFDIGITALMONITORSYSTEMSTHESYSTEMWEHAVEHEREISBASEDONTHEWIDEAPPLICATIONBACKGROUNDSANDREQUIREMENTSNOWADAYS，ANDUSETHENEWGENERATIONOFEITECHNICALIDEATODESIGNANDDEVELOPTHISSYSTEMUSESVIDEOCODINGCHIPZR36060INHARDWARETOCODETHEDIGITALVIDEOSIGNAL，USEAT91ASCONTROL，NANDFLASHASMEMORY,GPRSMODULEBENQM23AASTRANSMISSIONEQUIPMENTINSOFTWARE，THISSYSTEMUSESLXCOSIIASOPERATIONSYSTEMTOREGULATETASKSTHISPAPERCOVERSSEVERALPARTSTOILLUSTRATETHESYSTEMINDETAILTHEFIRSTPARTINCLUDESTHEBACKGROUND，THESIGNIFICANCEOFTHESTUDYHEREIN，THEDEVELOPMENTOFMONITORSYSTEM，ALONG丽THTHECONSTRUCTOFTHISPAPERTHESECONDPARTISTOINTRODUCETHECURRENTLYADOPTEDDESIGNSCHEME，TOANALYZETHEFUNCTIONANDREQUIREMENTFORTHESYSTEM,ADDRESSTHEOVERALLFRAMEDESIGNANDPROVIDEADESCRIPTIONOFTHEINITIALDESIGNFORTHERELATEDSOFTWAREANDHARDWARETHETHIRDPARTISTOINTRODUCETHEHARDWAREBASEDONAT91M40800TODEAL诵T11CHIPSANDITSPOWERSUPPLYMODULE，CPUMODULE，GSMMODULEANDVIDEOMODULETHEFONHPARTISTOINTRODUCETHEMAINMODULEDESIGNOFSOFTWARE，BASEDONVIDEONUMBERTHROUGHNANDFLASHMEMORYANDINTRODUCETHEMEMORIZERDESIGNANDCOMETRUTHPROCESS，INTHEMEANTIME，ITINTRODUCESTHEDATATRANSMISSIONBASEDONTCPUDETHEFIFTHPARTISTOINTRODUCETHESETUPTESTFLATROOFANDANALYZETHETESTRESULTKEYWORDSMONITORSYSTEM；GPRS；ARM厦门大学学位论文原创性声明本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学术活动规范试行。另外，该学位论文为课题组的研究成果，获得课题组经费或实验室的资助，在实验室完成。请在以上括号内填写课题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特别声明。声明人签名双喜馁州年孑月弓。日厦门大学学位论文著作权使用声明本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交学位论文包括纸质版和电子版，允许学位论文进入厦门大学图书馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。本学位论文属于1经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文，于年月日解密，解密后适用上述授权。2不保密，适用上述授权。请在以上相应括号内打“或填上相应内容。保密学位论文应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用上述授权。声明人签名球熬霞州年彳月乡D日第一一章绪论第一章绪论11课题背景和研究意义视频图像是对客观事物生动、形象的描述，是人类最重要的信息载体。研究表明，人类通过视觉所获取的信息约占到其获取的总信息量的70，视觉信息具有直观、可靠等一系列优越性N3。近年来，随着计算机网络、通信技术的飞速发展和人们生活水平的提高，整个世界对网络视频方面的投入逐年增加，相关应用也越来越广泛。监控系统是系统地对人、设备或场所进行监督、管理控制的一系列设备，是许多重要场所诸如邮电、银行、电力、交通、商场等需要信息广泛交流企业的生产与管理的必备系统。目前监控系统主要在以下领域中使用1工厂企业等的监视，如工厂生产过程、市场、营业厅、展览厅等的监视；2对交通运输的监视，如公共交通、铁路调度、铁路车站等的监视；3对机要部门的监视和报警，如银行、金库、档案室、博物馆等；4用于安全报警，如防盗、防火等的报警。在计算机未被广泛应用以及数字视频等理论研究尚未成熟之前，传统模拟监控系统占据了监控领域的主要位置乜3。模拟视频监控系统主要由摄像机、视频矩阵、监视器、录像机等组成，由视频线、控制线缆等连接。模拟视频监控系统有很多的缺陷1监控质量不高。模拟信号很容易受外界干扰，不够稳定、清晰。2监控的范围有限。其传输方式是模拟线路，不可能很长，且信号传输距离有限。3维护管理复杂。没有良好的用户操作界面，不便于用户操作。4建设成本较高。每个监控中心都需要许多监控设备，并且信息的存储方式是利用录像带、磁带等设备，所以存储设备成本也比较蒯朝。基于存在以上的缺点，近年来随着计算机技术以及网络的迅猛发展，传统的模拟视频监控系统己远远不能满足现在的生产和管理的监控需求。90年代末期，随着多媒体通讯技术和视频压缩编码技术的发展，数字视频监控系统迅速崛起。其优点如下基于GPRS视频数据传输终端的设计1PC机的多媒体监控主机综合了视频矩阵、图像分割器、录像机等的众多功能，使系统结构大为简化；2采用大容量磁盘阵列存盘器或光盘存储器，节省大量的磁带介质，同时有利于系统实现多媒体信息查询H1；3采用计算机网络、数字多媒体技术，远程网络监控实现真正意义上的远程。但其在实际工程使用过程中，也逐渐暴露出以下的不足1PC机用于24小时不间断工作时，其性能不很稳定；2基于PC机的视频监控录像系统，其软件的实现是在WINDOWS系列、UNIX、LINUX等通用操作系统上，硬盘上不仅要存储系统文件、应用软件和图像文件，且视频处理必须高密度输入大量数据，这样硬盘要进行多工工作，普通的硬盘极易产生系统的不稳定性，造成死机；3视频监控录像系统通常均为多路输入系统，视频采集卡可采用多卡方式，也可采用单卡方式。一般说，单卡方式集成度高，稳定性会优于多卡方式，很多采用一路一卡的方式很容易形成硬件冲突，其稳定性会有较大的影响。近两年随着远程监控系统被越来越多地应用于各个领域，对多媒体监控系统的要求也越来越高，操作简单、实时可靠、多功能、数字化、经济实用的多媒体监控系统的开发和设计正越来越多地受到人们的瞩目。基于嵌入式技术的多媒体远程监控系统应运而生。嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于PC中BIOS的工作方式。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。嵌入式系统有以下的优缺点1系统为专用系统，所以系统小，指令精简，处理速度快；2系统处理实时性好，性能稳定；3系统数据置于ROMFLASHMEMORY，调用速度快，不会被改变，稳定性好；4文件管理系统更适合于大量的视频数据；5在网络功能、音视频同步等方面不完全令人满意晦3。第一章绪论嵌入式系统因其本身体积小、实时性高、稳定性好和支持以太网等优点，在工控领域被广泛应用。为了解决基于PC的多媒体监控系统中存在的问题，将嵌入式技术和多媒体技术结合在一起实现了基于嵌入式技术的多媒体远程监控系统。它的主要原理是在监控现场采用嵌入式技术，将摄像机传送来的视频信号和麦克风采集的音频信号数字化后，由高效压缩芯片压缩，然后通过组播方式传送到网络上。利用嵌入式技术，采用专用芯片和实时操作系统，有效地提高了监控系统的稳定性和实时性，而且把多媒体数据压缩和网络传输功能集成到一个体积很小的设备内，可以直接连入以太网，达到即插即看，无需专人值守。这样不仅降低了系统的成本，而且极大地方便了整个监控系统的操作和维护。另一方面，视频压缩技术的发展，使得传输视频信号需要的带宽越来越低，而无线通信技术的发展，使得无线通信方式下传输的数据速率越来越快。将监控的功能和无线网络技术有效地结合，就拥有强大的技术优势，而这里面的核心部分就是一个可以直接连入无线网络的视频采集设备，提供实时的图像采集、压缩和传输的功能M3。研制出一种通用的网络视频采集设备，将具有非常广泛的应用前景，以它为核心，结合不同的应用需求，可以构建出各种各样的视频监控系统。本文所设计的系统正是基于上述的应用背景和需求而产生的，并利用新一代的EI技术理念进行设计和开发。12国内外视频数据传输终端的现状和发展121视频监控系统的现状在国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类产品。前者技术发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟系统部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。目前，视频监控系统正处在数控模拟系统与数字系统混合应用并将逐渐向数字系统过渡的阶段心1。目前国内监控系统产品有多种，其主要的差异就是所采取通信方式不同。用于监控管理的通讯方式有多种，一般可分为有线通讯方式，无线集群通信方式，GSM短消息通信方式和GPRS通信方式。基于GPRS视频数据传输终端的设计下面就以上几种通信方式作进行分析比较1、有线通讯方式有线通讯方式顾名思义就是通过有线方式来通讯，所以只适应于小范围小区域的监控系统，所以它无法解决城市布局迅速发展变化的要求。2、无线集群通讯方式无线集群通讯方式与GPRS通讯方式相比，有以下的缺点1由于专网的覆盖范围有限，不利于全局整体控制；2主要的服务业务是无线用户与无线用户之间的通信，对无线用户与有线用户之间的通信业务有较大的限制；3属于专用移动通信网，需要大量的建设资金投入，建设周期较长，保养与维护不便，这是它的最大缺点。3、GSM短消息通讯方式GSM短消息通讯方式能充分利用移动公网资源，相对集群通讯方式而言，它可以大大节约建设投资，降低维护成本，但它有几个较大的缺点1GSM短消息通讯方式为半双工通信方式，不能同时双向收发数据；2相对GPRS而言，它的平均传输时延较大；在重大节日等通信高峰期，容易发生信道堵塞，导致通信不畅。综上所述，GPRS比其他几种通讯方式更先进，基于GPRS的无线监控系统是目前最稳定的无线监控管理系统，具有以下显著优点1采用GPRS技术可以充分利用中国移动公网资源，将极大节约建设成本，缩短建设周期，整个系统的性能价格比高。2数据传输速率与其它通讯技术相比最快，最高可达1712KBS，通信传输时延较小最长不超过3秒。3通信服务质量安全可靠，通信资费根据实际数据通信流量计算，通信费用低廉。4监控覆盖范围广阔，系统规模扩展快速，整个系统维护方便，系统升级简单快速。5无线监控系统还可采用GSM短消息通讯方式，作为GPRS通讯万一中断后的备用手段。在正常情况下，无线监控系统采用GPRS通讯方式，当GPRS通信万第一。章绪论一中断后，立即切换成GSM短消息通讯方式，确保通讯畅通无阻口1。122视频监控系统的发展视频监控系统公认的发展方向是前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化H1。1、数字化随着时代的发展，我们的生活环境将变得越来越数字化。视频监控系统的数字化首先应该是系统中信息流包括视频、音频、控制等从模拟状态转为数字状态，根本上改变视频监控系统从信息采集、数据处理、传输、系统控制等的方式和结构形式。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频监控系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现管理和控制，这也是系统集成化的含义。2、网络化视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集总式向集散式系统过渡。集散式系统采用多层分级的结构形式，具有微内核技术的实时多任务、多用户、分布式操作系统以实现抢先任务调度算法的快速响应。组成集散式监控系统的硬件和软件采用标准化、模块化和系列化的设计，系统设备的配置具有通用性强、开放性好、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系统安装、调试和维修简单化，系统运行互为热备份，容错可靠等优点。系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。系统网络化将使整个网络系统硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享，这也是系统集成的一个重要概念跚。13本论文的研究路线本文研究的内容主要有以下几个方面，第一是系统的整体方案设计；第二是系统硬件电路设计；第三是系统主要模块设计。本文各章的内容的安排如下第一章论述了课题开展的背景和研究意义，对监控系统的技术发展做了扼要的介绍，阐明了本文的研究意义，同时对论文的结构进行了安排。第二章介绍了系统当前常用的设计方案，分析了系统的功能需求，提出总基于GPRS视频数据传输终端的设计体框架设计，并对系统硬件和软件设计有了初步的规划。第三章介绍了实现本系统硬件平台实现，是以AT91M40800为核心处理芯片的终端，总体上分为电源模块、CPU模块、GSM模块和视频模块。第四章阐述了系统软件方面主要模块设计，以视频数据在NANDFLASH存储介绍了存储方面设计方法与实现过程，同时介绍了基于TCPUDP实现数据的传输。第五章介绍了测试平台的搭建及对测试结果的进行分析。第六章总结了本文所作的工作和研究成果，分析了系统仍然存在的不足，对系统的后续开发进行了展望。第二章系统总体方案分析与设计第二章系统总体方案分析与设计21系统总体方案选择嵌入式图像监控终端从图像的压缩方式角度来看，一般分为软件压缩和硬件压缩两种方案。软件压缩方案主要是指利用DSP或者高性能嵌入式处理器的强大运算性能来实现图像编码，即采用软件方式来实现图像压缩的，完全采用软件实现压缩一直是人们的愿望，因为软件有利于方案的升级，但是由于软件的运行速度相对硬件来说要慢得多，所以速度跟不上一直是该方案得瓶颈所在口3。硬件压缩方案主要是指利用ASIC芯片来完成图像的编码。硬件压缩一般是就某种特定的编码协议推出相应的ASIC芯片。下面我们结合两种相应的实现方案来阐述其优缺点，最后确定我们所采用的系统总体设计方案。211基于DSP图像压缩的方案DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构口3。ISP芯片具有专门的硬件乘法器，广泛采用了流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。与通用处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对比较弱，所以一般需要有一个通用微处理器来实现一些诸如网络数据传输等功能。图21是采用TMS320C6201跚高性能DSP和嵌入式CPU的嵌入式网络图像监控终端的硬件结构图对图21基于DSP的嵌入式网络图像监控终端的硬件结构酣103基于GPRS视频数据传输终端的设计采用DSP来实现压缩编码的方法比采用专用芯片的方法灵活，产品的升级或算法的更改方便，只需要下载新的程序代码就可以实现。但是该方案也有缺点1硬件方面需要在电路上增加时序逻辑电路CPLD和压缩编码DSP，设计起来电路比较复杂，而且其工作的频率非常高，在电路板布线时需要多方面的考虑，如高频辐射，信号完整性、串扰等，一般需要4层甚至更多层电路板才能满足要求。2软件方面要自己开发编码和解码算法，因此开发的周期会比较长，而且也不可靠和稳定，其可靠性和稳定性都需要较长时间测试和软件的优化，效果比较差。212基于ASIC嵌入式CPU的方案图像ASIC芯片种类较多，选用不同的压缩编码协议，就有不同的AISC芯片。他们的系统结构都有共同的特点，图22是基于ASIC压缩编码芯片的图像监控终端的结构框图。对图22基于ASIC压缩编码芯片的图像监控终端的硬件结构图N比较基于DSP图像压缩的方案与ASIC图像压缩的方案，差别主要就在于图像压缩模块和视频同步接口电路。另外ASIC图像压缩芯片还包括了视频同步信号的逻辑控制电路，这样使得视频接口电路得到了很大的简化。一般的图像压缩专用芯片提供了方便的数据缓冲接口，如PCI接口，使得基于PC机的设计非常方便；还有数据FIFO接口等，由于FIFO中的数据己经被压缩过，所以嵌入式CPU不需要太大的图像数据存储空间。综上所述，基于ASIC图像监控终端的设计方案，不仅简化系统硬件的电路设计，同时软件编程大大得到简化。而且ASIC图像压缩芯片都经过严格的测试，性能稳定，配置方便，这样我们所设计的系统具有良好的稳定性和可靠性N们。第一章系统总体方案分析与设计213本系统的总体方案设计经过两个方案的比较，结合我们本系统的需求，我们选择了后者设计方案，系统采用视频编码芯片ZR36060N嵌入式处理器ARMN23为核心处理器来实现。系统的结构如图23所示图23视频监控系统的结构框图模拟摄像头将被监控对象的光信号转换成电信号，并且将摄像头的所有像素对应的电信号组成一个符合电视标准的复合信号。CX25836N31的作用就是将模拟摄像头输出的标准电视信号转换成标准格式的数字信号，该解码器采用基于11位模数AD算法结构的芯片，并使用真10位数据通路来保持所有端到端的视频质量。其他功能还包括集成的抗混叠滤波器和自适应4H亮度和色度梳状滤波器，这两种滤波器分别用于改进视频解码处理能力和改进分色处理，以提供更清晰的视频图像。CX25836也可支持最多来自八个视频源的用户定义的程序，以及从多种消费电子设备捕获视频N引。ZR36060是ZORAN公司专为计算机视频采集与编辑应用而设计的，可以方便地实现对视频信号的实时压缩解压缩。在进行压缩时，ZR36060接收YUV422数字视频信号，将其编码为JPEG码流输出；在解压缩时，它接收JPEG码流，将其解码为YUV422数字视频信号输出。在ZR36060完成图像的压缩和编码后，ARM将数据按照事先确定的协议进行封装，传送给通信模块，实现数字图像的远程传输。22总体框架设计嵌入式系统由微处理器系统和外部设备组成，微处理器系统是整个系统的核基于GPRS视频数据传输终端的设计心，由硬件部分和软件部分组成。其中软件完成终端设备的图像数据的采集压缩等功能，外部设备是USB摄像头、GPRS无线网络模块，其他控制信号等，它们响应微处理器发出的控制指令，执行所相应的操作或任务。嵌入式监控系统的设计分为硬件平台设计，系统软件平台设计和应用软件设计，整个系统架构如图24所示。I通讯模块TL数据管理通信协议高级应用TI实时操作系统UC。S1LTI引导程序B。OTLOADERTI硬件平台ARMAT91M40800TI模拟摄像头图24嵌入式监控系统架构图23系统硬件构成如图25所示为典型嵌入式系统硬件结构模型。此系统主要由微处理器MPU、外围电路及外设组成，微处理器为ARM嵌入式处理芯片，如ARM7TDMI系列的微处理器等N射。MPU为整个嵌入式系统的核心，决定了整个系统功能和应用领域。外围电路主要由电源管理模块、时钟模块、闪存，随机存储器RAM及只读存储器ROLD组成，根据微处理器的不同而不同。这些设备是一个微处理器正常工作所必要的设备。外部设备将根据需要定制，如通用通信接口USB，RS一232，RJ一45等，输入输出设备，如键盘、LCD等N钔。第一章系统总体方案分析与设计图25典型嵌入式系统硬件结构N力231嵌入式硬件系统各部分功能介绍嵌入式处理系统主要包括嵌入式微处理器、存储设备、模拟电路和电源电路、通信接口及外设电路。1嵌入式微处理器常用的基于ARM内核的微处理器主要有ARM7，ARM9，ARML1等。嵌入式微处理器主要有以下几个特点对实时多任务有很强的支持能力，能够顺利完成多任务并且有较短的中断响应时间，使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。可扩展的处理器结构。能迅速地开发出满足应用的最高的嵌入式微处理器。具有功能很强的存储区保护功能。嵌入式系统的软件结构已模块化，设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。嵌入式微处理器必须功耗很低。2各类存储器当前，存储器的类型主要有ROM只读存储器、FLASH闪存、SRAID静态存储器、DRAM动态随机存储器和SDRAM同步动态随机访问存储器。其中SRAM运行速度比DRAM快，但耗电多；DRAM需要周期性刷新，且存储密度比SRAM高得多；而SDRAM是众多DRAM种类中的一种，它能够工作在比普通存储器更高的时钟频率下。3模拟电路及电源电路此部分主要处理外部模拟信号输入输出及电源电路管理。4接口控制器及接插件基于GPRS视频数据传输终端的设计外部接口电路主要由以下几个部分组成I0通用I0接口，便于与外部通信。AD，DA如果输入信号为模拟信号，采用AD变换器将模拟信号转变为数字信号输入到微处理器中；如果需要输出到模拟信号，则需要AD变换器将数字信号转换为模拟信号。键盘和LCD提供人机交互接口。存储器接口管理外部存储器设备。232本系统的硬件结构图嵌入式视频监控系统要求能够实时采集压缩图像数据并通过网络实时传输，数据运算量大对处理器要求高。根据上述的基本要求，本系统采用以下设备1CPU采用ATMEL的AT91M40800，它基于ARM7TDMI内核，内含高性能的32位RISC处理器、16位高集成度指令集、8KB片上SRAM、可编程外部总线接口、3通道16位计数器定时器、32个可编程IO口、中断控制器、2个USART、可编程看门狗定时器、主时钟电路和DRAM时序控制电路，并配有高级节能电路；同时，可支持JTAG调试，主频可达到40MHZ；2SRAID采用16位宽度的IS61LV25616AL，2M字节；3NORFLASH采用SST39VFL601，2M字节，为16位存储器；4NANDFLASH采用三星存储器K9F1208UOM，容量为64M字节，由于其控制线非总线型，需要较多的10口来完成，它的数据线为并行8位，其他均为控制线，分别为地址锁存ALE，命令所存CLE，片选CE，读使能RE，写使能WE，READYBUSYRB，这样，一共需要14个GPIO。可以考虑在设计中使用CPLD作为CPU总线与NADNFLASH的接口转换N81。硬件结构如下图26视频监控系统硬件结构图第二章系统总体方案分析与设计24系统软件设计ADSL2是一个使用方便的集成开发环境，它是由ARM公司提供的专门用于ARM相关应用开发和调试的综合性软件。为了便于开发和支持网络功能，本文采用ARM公司提供的ADSL2作为应用软件的开发环境。在本系统中选择嵌入式实时操作系统LACOSII作为系统软件平台，主要用C语言完成对数据的透明传输。241LACOSI实时操作系统概述及选择的理由1LACOSII概述UCOSII是用C语言和汇编语言编写的。其中大部分代码都是用C语言编写的，只有极少部分与处理器密切相关的代码是用汇编语言编写的，用户可以把它移植到各类8位、16位和32位嵌入式处理器上N引。ILCOSII是一个公开源代码的实时操作系统内核，它提供了实时系统所需的基本功能。核心部分代码只有83KB，短小精悍。PCOSII提供了嵌入式操作系统的基本功能，内核简单高效，实时性好啪1。PCOSII的软件体系包括应用程序软件、与应用相关的代码、与处理器无关的代码和与处理器相关的代码。应用程序软件是用户根据实际需求编写的代码。与处理器无关的代码就是通常所说的操作系统内核，它为1TCOSII提供所有的系统服务，并将应用系统和底层硬件有机的结合成一个实时系统。要使同一个内核能适用于不同的硬件体系，就需要在内核和硬件之间添加一个中间层，这就是与处理器相关的代码乜。2选择嵌入式实时操作系统PCOSII作为系统软件平台的理由陋刭结构简单采用C语言和汇编语言编写，结构非常简洁，可读性强；容易移植很容易移植到各种微处理器上，用户只需做一点工作；适于学习很容易学习。242系统软件流程系统软件主要包括四大块内容系统启动加载程序、嵌入式实时操作系统UCOSII、基于PCOSII的系统应用程序以及网络应用部分。系统的软件模型如图27所示基于GPRS视频数据传输终端的设计应用程序网络或非网络TCPIP栈LWIP1TCOS11操作系统AR91M40800GPRS模块图27嵌入式系统软件模型1在终端应用程序中，首先进行初始化，包括对嵌入式操作系统，系统软、硬件的初始化，等初始化完成后，开始创建系统任务，启动操作系统，启动任务。通过任务问的通信来完成任务间的状态切换心劓。终端应用程序总体流程图如下开始嵌入式处理器硬件、操作系统初始化启动系统硬件创建系统任务启动多任务操作系统用户应用程序主函数磊赢I孓系舭务任务状态切换图28终端应用程序总体流程243系统软件功能模块系统的软件设计基于嵌入式1TC0SII操作系统平台，系统软件结构模块如图29所示第二章系统总体方案分析与设计图29视频终端软件结构模块整个系统根据功能分为3个独立的模块，各功能模块功能说明如下蚓啪31视频音频采集模块。该模块用于完成对视频音频信号的采集，将摄像头采集到的信号以文件的形式保存或者放入缓冲区供其它模块使用。2图像压缩模块。该模块用于完成对图像数据的压缩处理，读取由视频采集模块产生的缓冲区数据，对其进行压缩处理后再以文件的形式保存或者将压缩数据放入缓冲区供其它模块使用。3网络传输模块。该模块用于完成对视频数据的网络传输，读取由缓冲区里的视频数据，并将其封装，通过通讯模块传输到网络上。监控系统直接将图像信号采集编码，无需计算机的协助即可独立进行工作，并通过GPRS无线接入模块与INTERNET进行连接。整个系统具有如下的特点1设备硬件核心采用基于ARM系列的AT91M40800嵌入式芯片，系统软件使用嵌入式PCOS系统，使得系统本身具有强大的处理功能；2视频采集采用通用外置摄像头进行，使视频采集的通用性更好，软硬件设计容易，成本更低；3软件部分采用模块化设计，各模块均可作为独立的子系统存在，增强的系统通用性、可升级性和可维护性；4采用JPEG图像压缩方式，适合无线网络传输的需要；5联网方便，安装简易，充分利用GPRS永远在线等优点。基于GPRS视频数据传输终端的设计第三章系统硬件电路设计31电路方框图设计在第二章中，我们已经确定了系统的总体方案。按照功能实现的不同，我们将系统的硬件实现分为以下几个模块ARM处理器模块，图像采集模块，图像压缩模块，图像传输模块和其他模块等。视频终端总的硬件框图如下图31视频终端总的硬件框图下面结合各个模块的特点详细介绍各个模块的硬件电路设计口钉。311设备总体方框图设计其整机的工作原理介绍如下终端主机板总体上分为电源模块、CPU模块、GSM模块、接口模块和视频模块五个主要模块。其中，每个模块内部又可以分为几个小模块。具体来说，电源模块可以分为GSM电源、视频模块电源等模块；CPU模块可以分为CPU、存储器、看门狗模块；接口控制模块可以分为LED灯控制、外部信号锁存以及视频信号输入等模块。各个模块之间的通信是按照不同的通信协议来实现的。图32所示为各模块之间连接关系。第三章系统总体方案分析与设计图32视频终端硬件原理框图312各功能模块方框图设计1电源模块电源模块的主要功能是为CPU模块、GSM模块、视频系统以及接口模块提供供电电压。其中，包括为CPU模块提供33V的供电电压、为GSD模块提供42V的供电电压、为232转换芯片等部分提供5V供电电压以及为视频系统供电等。图33所示为电源模块的硬件原理框图。图33视频终端电源模块原理框图基于GPRS视频数据传输终端的设计在上图中，输入电压的范围是7“40V，经过一些保护及滤波等电路，通过5V转换电路来给系统提供5V供电电压。使用5V电压供电的设备和模块主要有调度终端和232转换芯片。当然，为了给供电电压为33V和42V的模块供电，还需要将5V分别转化为33V和42V。由于摄像头的工作电压为12V，所以，还需要将输入电压转化为12V后给摄像头供电。也正因为摄像头的工作电压为12V，所以，在系统的输入电压小于113V时，摄像头是无法正常工作的。2CPU模块CPU模块主要由CPU系统、外部复位系统和可编程逻辑系统三部分组成，其中，CPU系统主要包括CPU及外围电路、存储器等；外部复位系统主要是由一个外部看门狗组成。在电路设计上，我们除了利用该看门狗来复位终端外，还利用它来对终端进行低压保护。图34所示为CPU模块的原理框图。O纠NAN础1看门狗BOAT9LM40800G爿NORFLASHG纠竺I图34CPU模块原理框图现在将各个部分芯片的功能和特性介绍如下1CPU部分CPU采用32位的AT91M40800芯片，它具有丰富的IO端口、3个定时器计数器和2个异步串行通信口，晶体频率110592MHZ。工作电压是33V，当给CPU供电时，CPU开始工作。晶振按照晶振频率输出正弦信号到相应的CPU管脚。数据线，地址线，WR、RD信号线上有方波输出，各个I0口经程序设置处于相应的状态高或低电平。AT91M40800有以下几个优点AT91M40800有32根地址线，32根数据线，寻址空间大。有2个UART串口和IO口。在系统中，采用CPU的UARTO作为和GSM模块通信的串口；采用CPU的UARTL作为和调试通信的串口；其他的I0口作为系统中各个模块的控制口、检测口等。2存储器部分第乏章系统总体方案分析与设计存储器部分主要由两块FLASH和一块SRAM组成。程序是放在其中一块NORFLASH中的，同时该FLASH还存放一些终端的配置信息等，该FLASH采用的是芯片SST39VFL601；由于终端还有拍照功能，还需要将图片信息保存下来，所以，就到了另外一块NANDFLASH，该FLASH的容量较大，采用的是芯片K9F1208UOM。SRAM采用16位宽度的IS61LV25616AL。在系统程序运行时用示波器可以观察到的数据、地址线，读、写信号线，片选引脚上有方波输出。3看门狗电路部分看门狗电路用来监控系统程序的稳定性，当系统出现异常情况，无法给看门狗及时复位时，将造成看门狗的内部计数器计数溢出，看门狗将会送出一个复位信号RESET给CPU，使其复位。在本系统中，看门狗模块采用的是ASM706RESA芯片。此外，该看门狗电路还具有低压检测功能。通过这个功能，我们可以检测终端的5V电压VCC是否过低，如果过低的话，就通过一定的外围电路来复位CPU，这样就起到保护终端的作用。当系统正常工作时，CPU会及时的给看门狗清零，这样看门狗就不会输出复位信号。而当CPU由于某种故障而没有给看门狗输出清零信号时，看门狗就会在复位脚第7脚输出低电平给CPU，从而造成系统复位；而当由于某种原因使的终端的VCC跌落到某个值时，通过看门狗及其外围电路，也可以将CPU复位。3GSM模块电路中，GSM模块采用BENQM23A模块。他具有GPRS功能。GSM模块的工作电源是32V42V。在供电的情况下给PWON引脚拉低至少120MS才能使GSM模块开始工作。图35为GSM模块小板的原理框图。卜蒯BBENQYOYIY2Y3Y4Y5Y6Y7151681920嚣2324IN04UVIUV24U、】3UV4二广UV5UV6畸IN7卫325串口通讯模块DGM图321视频编码模块CPU系统提供2个UART，这2个串口分别有以下用途1与GSM的通信的串口用CPU的UARTO和GSM模块通信。2备用调试串口VD、NVD3457D6VD7采用CPU的UARTL为调试串口用，PC端的信号要经过RS232转换，转换芯片采用SP202EEN。具体实现电路如图322所示。27一如一一一鲫一；勰I鉴蛰篙H监鬻一H一髓眦一咖一一嗍一一一一一一一一一一一螂耻啪一一一西I盆丽一觚一一一一一一噩一一基于GPRS视频数据传输终端的设计U301SP202EENC3011二1LIOIU4、C，。2一图322RS232电平转换模块DGND326GSM模块电路中，GSM模块采用的是BENQM23A模块。对于它的复位也是通过CPU的P4脚来控制的，下面将结合GSM模块给出这方面实现的具体电路图。图323为GSM模块的具体实现电路图。图323GSM模块327视频信号输入接口控制终端有四路视频信号输入口，这些信号都是模拟信号。在上面已经提到了，在具体应用中，还需要将这些视频信号进行转换和编码的。图324所示为模拟视频输入电路。一一尹一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一舢一一一一呦一吣一瞄舢瞄一一一一一一一一一一一一一一一一一一一，丁莲釜莲一第三章系统总体方案分析与设计图324模拟视频输入电路33关键技术控制在硬件电路方面，主要的关键技术有以下几点1、模拟视频信号在电路板上的传输问题。由于模拟视频信号比较容易受到干扰，所以，在将它们输送到视频AD转化前，需要对信号做必要的处理。在我们的电路中，主要是对模拟视频信号进行了RC耦合处理。2、摄像头的供电电压范围问题。由于摄像头的工作电压是12V左右，所以，当终端的输入电压小于113V时，摄像头拍出来的照片是异常的。当然，这其中可能有两方面的原因一是摄像头本身就已经不工作了，所以，拍出来的视频图像在进行AO转化前就已经是异常的了；二是摄像头还是可以拍照，但是，拍出来的照片不是很清楚，结果这样的视频信号经过AD转化和编码后，解码出来的图像是异常的。3、终端抗干扰问题。由于终端在平时的应用中，所处的工作环境都比较恶劣。所以，终端的抗干扰性能就显的非常的重要。由于许多的干扰主要都是从电源线束和接口线束串进去的，所以，为了增强终端的抗干扰性能，我们在终端的输入输出信号部分增加了一些磁铢、光藕等器件。4、终端的稳定性问题。终端有时候无法正常复位。在我们整个样机调试过程中，发现了很多个造成这个问题的原因，这些原因主要有一是CPU的复位信号和供电不同步；二是复位信号没有上拉，造成阻抗不匹配，导致CPU无法复位。基于GPRS视频数据传输终端的设计第四章系统主要模块设计41图像存储访问策略详细设计图像监控终端在功能上要求能够掉电存储大容量的图像视频数据，在第二章的方案设计中，选用64M字节的NANDFLASHK9F1208UOMYIBO。本节均是针对该型号FLASH来设计，设计策略和其结构有密切关系汹1。本节详细描速了有关图像视频数据在该FLASH上存储访问的完整策略。411NANDFLASH结构说明本设计选用64M2M字节的三星NANDFLASHK9F120SUOMYIBO，该FLASH具有以下特性电源供电27V36V；结构存储单元阵列64M2MBYTE数据寄存器512168BIT自动编程和擦写页编程51216BYTE块擦写16K512BYTE528字节的页读操作FLASH以PAGE为单位，每个PAGE大小为51216字节，可以对一个PAGE连续读操作；32个PAGE合成为一个BLOCK；最小的擦除单位为BLOCK，每1024个BLOCK组成一个PLANE。整个FLASH共4个PLANE，4096个BLOCK，128K个PAGE允许同时对四个PLANE中的四个PAGE擦写操作，该FLASH在写操作上速度为NORFLASH快得多。由于NANDFLASH均会产生位反转，如果一个BLOCK中有一个位发生反转，如果对数据高可靠性要求的场合，需要标注该BLOCK为坏块，在以后的使用不在使用该BLOCK。但是由于本应用中存储的数据均为图像数据，发生位反转对图像数据影响非常小，故在整个设计中不考虑位反转及坏块的检测工作。412I心IDFLASH存储区域策划为了描述方便并符合习惯，下文中称“BLOCK”为扇区。NANDFLASH的第一个扇区为高可靠性扇区，本扇区存储单元不会发生位反转，因而该扇区可以用来存储高可靠性的数据，本设计中，该扇区用于存储文件索引第四章系统主要模块设计头信息。其余的4095个扇区作为数据存储区，用于存储图像数据。由于图像数据有多种格式，图像大小不一样，图像数据以文件的格式存储在FLASH中。为了操作方便，以扇区为最小分配单位，即一个文件无论大小，至少需要一个扇区作为存储空间，如果该扇区中有没用使用的页面，这些页面也不能为其他文件所使用。在图像文件内，图像以帧为单位存储，每条帧以7E作为封装标志。图像编码有可能要跨PAGE存储，也允许帧编码跨BLOCK存储。主机在接收到从视频采集器送来的帧编码，先将其在SRAM中缓存，然后开始再启动对FLASH的存储操作。413NANDFLASH图像文件设计1NANDFLASH图像文件索引设计以每一次启动视频采集器所采集到的图像数据为一个文件。文件头信息存储在NANDFLASH的第一个BLOCK中。由于一个BLOCK也只有16K大小的容量，所以图像数据以顺序连续结构存储，不提供物理逻辑映射关系。文件索引区中的每条记录对应一个文件。文件索引区中的记录大小固定，不随文件大小而变化。但是，图像文件大小可以相差很大，为了能够快速访问到文件，文件索引头中需要记录以下信息文件起始扇区号L“40952字节；文件的大小扇区数2字节；文件总共帧数2字节；文件的建立时间年1月1日1时1分1秒1；文件的中止时间年1月1日1时1分1秒1；文件属性所对应的图像质量和触发采集的原因图像分辨率1图像来源1图像事件类型采集持续时间3；图像记录的结构每条记录均以7E为标志封装，对于不同的数据，记录结构也不一样；A普通数据7E校验和80H帧序号1数据属性1总包数1当前包数1视频数据N7EB帧编码第一帧在视频数据的开头部分存在额外的图像属性描述数据基于GPRS视频数据传输终端的设计CHR9采集时间6BYTE图像格式1BYTE即分辨率帧率1BYTE图像事件类型1BYTE其中采集时间年1月1日1时1分1秒1帧记录格式为7E校验和80HCHR9帧序号1数据属性1总包数1当前包数1图像序号4视频数据N7E为了能够快速访问到每个扇区中的任意一条记录，需要将每条记录的部分信息形成索引信息，通过该信息能够了解到该扇区中的每一条记录的起始位置，记录长度以及该记录的部分属性该帧是图像中的第几帧。索引信息如下记录帧数标明该记录是一副图像中的第几帧，从1开始记。一个字节表示；记录起始位置该记录本扇区中的起始位置，016K，29节；记录长度本记录的长度。允许一条记录跨扇区存储，29节。上述可见，每条记录需要5个额外字节来索引。每个扇区中的索引信息存放在空余的512字节空间中，可以连续访问，速度也较快。这样在需要访问记录时，先读取额外空间的索引信息，根据索引信息可以定位到该扇区中的任何一条记录，并且可以查找出任意一副图像的起始帧。为了能够更快的索引到帧编码的第一帧位置及信息，在每个扇区的索引字段前增加本扇区中关于帧编码第一帧的详细信息帧信息采集时间6BYTE图像格式1BYTE艮O分辨率图像事件类型1BYTE，共8个字节；索引位置该记录对应于本扇区记录索引中的条数。2层次程序设计通过模块化将图像存储访问的功能划分如下NFDRV对NANDFLASH的最原始的访问操作，包括读取、写入扇区等操作；NF_INDEX基于索引的NANDFLASH访问，寻址等功能设计；IMAGE_BOX基于索引的黑匣子业务存储访问接口。1NF_DRV接口设计。每个扇区的每个页面的16字节的空闲区域共512字节用作存储该扇区内所有图像帧的属性存储区，虽然该空闲区域分散在各个页面里，但是可以对一个扇区中的所有该区域连续读操作。所以在访问上