一种嵌入式网络视频监控系统的硬件设计

1、一种嵌入式网络视频监控系统的硬件设计一、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

2、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

3、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

4、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 AT91RM920 0。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

5、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 81632 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

6、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)； 10100 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 JTAGICE接口等。在系统中 AT91RM9200需要 18 V 和 3 3 V 电源，另外，大部分外围器件需

7、要 33 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 33 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08 A 。同样，为了得到可靠的 18 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 08 A 。由于 3 3 V 和18 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

8、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 S29AL01

9、6D70TF。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 30V 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； RYBY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 16 MB(4Banks2M16bits) ，单片数据宽度是 16

10、 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 33V，常见封装为 54 脚 TSOP，兼容 LVTTL接口。支持自动刷新 (Auto-Re fresh) 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

11、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

12、、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 US B 主控制

13、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 Li

14、nux 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。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

15、( “ devvide00 ”， ORDWR)：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 offs et) ：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

16、RGB24，通过调用 L inux 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_se t ratio(&cmjpeg ，ratio ， 7rURE)实现。开始压缩： jpeg_start compress(&cmjpeg， TURE)；for(i-0,li ne-buf ；ibuf 0 。 (_dst_ptr)cmjpegdest) 一 buffer,size)；释放内存并销毁

17、 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 BS( 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。 BS 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PC192.168.0.5 ，此时就可以在IE 浏览