基于ARM的嵌入式无线视频监控系统的研究嵌入式课程论文

1、目录1.引言21.1课题研究的目的和意义21.2视频监控发展现状和趋势31.3嵌入式系统简介52.总体设计93. 系统硬件设计103.1 SlM200 GPRS无线通信模块103.2 JTAG调试端口113.3系统存储的扩展113.5 SD卡存储扩展122.6系统的抗干扰设计124. 系统软件设计124.1无线终端软件的软件设计124.2使用GPRS模块传输数据的程序设计135.结束语14参考文献14中南民族大学2013-2014学年第二学期课程论文课程名称： 嵌入式系统设计 学 院： 电子信息工程学院专 业： 通信与信息系统 姓 名： 学 号： 基于ARM的嵌入式无线视频监控系统的研究摘要：

2、结合实验室所做的系统，从软硬件两方面论述了以32位ARM微处理器为核心构建的无线视频监控系统。介绍使用UClinux 嵌入式操作系统的ARM微处理器控制GPRS模块进行无线网络传输的两种方法，并结合实际开发的无线视频监控器说明该系统的应用。关键字：ARM GPRS嵌入式系统无线图像传输视频监控 多线程1.引言随着嵌入式技术、视频压缩技术以及无线传输技术的发展，无线视频监控系统已成为 视频监控领域的发展趋势。嵌入式应用系统与无线网络互连的结合，是现 在乃至将来嵌入式应用的必然趋势。系统依托中国 移动的GPRS网，实现嵌入式发送端和接收端的可靠通信和无线图像数据传输。提供2种基于ARM的

3、 GPRS无线传输方案：使用ARM控制GPRS模块 实现在移动GPRS网内进行点对点的无线数据传输； 通过GPRs模块登录GPRS无线网关GGSN连接到Internet实现上网，传送的数据可被任何接入 Internet的具有公网IP的终端所接收。1.1课题研究的目的和意义随着电子技术、计算机技术和通信技术的发展，视频监控系统这一传统的安防手段，在工业、军事、民用领域有着广泛的应用，为这些行业的安全防范和环境监控起到了不可忽视的作用。视频监控具有直观、方便、信息内容丰富等优点，向用户提供高质量的监控图像和便捷的监控方式。视频监控为社会生产的顺利进行和人民生活的安全提供了保障，它已成为我们生产和生

4、活中必不可少的重要组成部分。当前视频监控系统正逐步由模拟化走向数字化，并向着视频音频的数字化、系统的网络化和管理智能化方向不断发展。具体来看，音视频编解码技术的发展使得数字化走向了成熟，目前基于MPEG-4或H264编码算法的数字系统己全面取代MPEGl系统。网络技术的快速发展，为组建大规模的远程视频监控系统创造了条件，网络用户可通过浏览器对信息进行远程监控和管理，系统的稳定性和安全性大大的提高。网络化的视频监控系统集半导体技术、图像压缩技术和网络传输于一体，代表了视频监控技术的发展趋势。在许多视频监控系统的解决方案中，系统采用专用的解压芯片或者是RISC嵌入式处理器与DSP处理器相结合的办法

5、实现。这样的系统开发周期长，成本高，阻碍了数字化监控的普及和应用。本课题通过对视频监控系统的性能需求分析和可行性研究，提出了一个基ARM和Linux的系统实现方案，方案采用ARM和软件压缩相结合实现视频图像的采集、压缩和传输，此系统具有低成本、高性能、可扩展等优点，有着广泛的应用前景。1.2视频监控发展现状和趋势视频监控技术伴随着主流设备的发展也经历了 3 大阶段的演进过程： 第一阶段，完全模拟视频监控时代。模拟监控技术发展较早，在20世纪90年代以前，系统以模拟设备为主。模拟视频监控系统一般由监控前端、传输设备、控制设备以及显示设备几个部分组成。监控前端一般为模

6、拟摄像机、云台、声光电报警设备和雨刷等。传输设备一般为传输视频的同轴电缆，远距离传输可采用模拟光纤或者利用光端机进行传输。控制设备主要是视频切换矩阵，采用键盘进行切换和控制，将需要监控的图像在指定的显示设备进行显示。显示设备主要包括图像的监视器、报警指示设备等。这类系统主要应用于小范围内的监控，如大楼监控等。监控图像一般只能在控制中心查看。有线模拟视频监控无法联网，只能以点对点的方式监视现场，并且布线工程量极大。第二阶段，半数字视频监控时代。20世纪90年代视频监控进入数字化阶段，随着计算机和多媒体处理技术的发展，人们利用多媒体控制主机或硬盘录像主机(DVR)进行数字化处理与存贮，将原来的磁带

7、存储方式转变成数字存储录像，进行模拟数字转换并录像和显示，集合了录像机、画面分割器等功能，跨出数字监控的第一步，基于PC的多媒体监控系统由此产生。由于传输依旧采用传统的模拟视频电缆，所以就叫做第二代半模拟半数字本地视频监控系统。而该系统视频前端(如CCD等视频信号的采集、压缩、通讯)较为复杂，稳定性、可靠性不高，功耗高，结构复杂，价格高昂。PC机也需专人管理，操作较为繁琐。图像传输仅局限在局域网内传输，传输距离明显受限，并且模拟视频信号的衰减很严重，传输距离不能超过1000m，否则必须采用光纤传输，图像质量受环境干扰也较大。第三阶段，全数字视频监控时代。从2004年开始，随着网络带宽的提高和成

8、本的降低、硬盘容量的加大和中心存储成本的降低，以及各种实用视频处理技术的出现，视频监控步入了全数字化的网络时代。近两年随着远程监控系统被越来越多的应用于各个领域，对视频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、经济实用的视频监控系统的开发和设计正越来越多地受到人们的瞩目。基于嵌入式技术的网络化视频监控系统应运而生。目前市场上的数字视频监控系统主要有三种，一种是基于PC机的远程视频监控系统，现场放置插有视频卡的PC机，视频的压缩与解压缩由视频卡来负责完成。其优点在于能实现在网上互联互通及授权客户直接访问，便于构建系统及方便联网，缺点是实用性较差，系统稳定性差，费用高，而且现场

9、不能脱离PC机。另一种是通过在现场设置视频网络编码器，将模拟视频编码后上网传输，并在监控端设置的对应解码器上将网上传输的数字视频信号解码后进行监控。其优点在于现场不需要PC机支持，系统稳定性提高。缺点是只能实现一对一传输，较难实现授权客户直接访问和联网。随着技术的进步，市场上出现了一种新型的网络化远程视频监控，即基于嵌入式视频服务器技术的远程网络视频监控。现场采用的网络监控产品主要包括：网络摄像机、网络服务器、网络视频接入器等。网络视频服务器解决了视频流在网络上的传输问题，从图像采集开始进行数字化处理、传输，这样使得传输线路的选择更加多样性，只要有网络的地方，就提供了图像传输的可能，现场无需P

10、C机支持。可采用流媒体技术实现视频在网上的多路复用传输。经过授权的监控者均可随时随地对其进行访问和管理，充分利用了网络资源，是视频监控系统的发展趋势的代表。嵌入式远程视频监控系统的国内外研究现况如下：在国外，视频监控业务主要为个人用户提供安全系统方案，基本定位在个人和住宅应用方面。国外研究的起步较早，并处于领先水平，已有成熟的嵌入式WEB摄像机产品。比如索尼公司的SVC-VL10N，松下公司的KX-HCM130，三星公司的SNC-100P，还有安特公司的ANT-NWC1050100，瑞典的AXIX系列等，这些产品性能普遍较好，但是价格也很昂贵，国内用户大多无法承受。国内在这方面的研究起步较晚，

11、大多数是代理国外厂商的现成产品，从事实际研究的单位不多。国内同类产品大多功能较少，播放速度较慢，播放效果较差，科技含量有待于进一步提高。另外，国内的视频监控业务主要集中在行业应用，如公安、交通、金融、楼宇等领域，行业用户已成为国内视频监控市场的主要增长点。目前，国内视频监控系统已经进入了一个高速的、全面发展的新时期，行业竞争日益激烈。尤其在当今的社会，平安城市建设已经成为社会治安防控体系的重头戏之一，也是构建“和谐社会”的重要举措。随着“3111”工程的深入开展，全国各地都在进行平安城市建设，有条件的地方和城市都在投资兴建城市社会治安视频监控系统，北京、上海、深圳、广州、昆明等城市都计划或已经

12、安装监控摄像头20万只以上。广阔的市场前景伴随着各项新技术的日益发展与成熟，这使得嵌入式视频监控系统的研究与开发具有重大的现实意义。1.3嵌入式系统简介嵌入式系统(Embedded System)是计算机的一种应用形式，通常指嵌入在宿主设备中的微处理机系统。它所强调的是：隐藏计算机的常见形式，辅助寄宿主设备，使宿主设备的功能智能化。据此，通常把嵌入式系统定义为一种以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可以剪裁，适用于系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统011。嵌入式系统有如下共同点：(1)功能专一：专门为某一特定应用系统而设计；(2)结构紧凑：嵌入式系统结构必须特别的紧

13、凑，从而达到小体积，高性能，低成本，低功耗；(3)智能灵活及实时性：要对不同的情况做出不同的反应，同时必须实时地给出计算的结果并进行实时控制。嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，自底向上包含有3部分，如图11所示。图1-1嵌入式系统结构图(1)硬件环境硬件环境是整个嵌入式操作系统和应用程序运行的硬件平台，不同的应用通常有不同的硬件环境。在做嵌入式设计的时候要根据不同的性能需求设计不同的底层硬件。(2)嵌入式操作系统嵌入式操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用，保证系统的运行以及各种操作的实现。它为应用程序提供了一个软件平台。嵌入式操作系统具有相对不变性。(3)嵌入式应用程序运用程序运行于操

14、作系统之上，利用操作系统提供的机制完成特定功能的嵌入式应用。不同的系统需要设计不同的嵌入式应用程序。1.3.1 嵌入式系统硬件硬件是嵌入式系统开发中的实体。嵌入式系统的硬件通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备等组成。(1)嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的最大不同点在于嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，并具有高效率、高可能性等特征。嵌入式处理器可分为：嵌入式微处理器EMPU(EmbeddedMicroprocessorUnit)：嵌入式微处理器在功能上与标准的微处

15、理器基本一样，但为了实际应用要求，将嵌入式微处理器装配在专门设计的主板上，只保留和嵌入式应用有关的主板功能，这样可以大幅度减小系统的体积和功耗。目前主要的嵌入式处理器类型有PowerPC、MIPS、ARMStrong-Arm等。嵌入式微控制器MCU(Micro controllerUnit)：又称单片机，芯片内部集成了ROM、RAM、总线、定时器计数器、AD、DA等各种必要功能和外设。嵌入式微控制器的最大特点就是单片化，体积大大减少，使得成本和功耗下降，而可靠性、技术保密性获得提高。比较有代表性的如MCS-51、P51XA、68K系列和AVR系列等。嵌入式DSP(EDSP-Embedded D

16、igital Signal Processor)：DSP是专门用于数字信号处理方面的处理器，由于DSP在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。嵌入式DSP比较有代表性的产品是11公司的TMS320系列和Motorola公司的DSP56000系列。嵌入式片上系统SOC(System On Chip)：由于集成电路设计和工艺技术水平的提高，目前已经可以将原先由许多集成电路(IC)集成的电子系统集成在一个单片上，构成所谓系统芯片。SOC把系统的处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合，在一个或若干个单片上完成整个系统的功能，这样，应用系统电路板

17、变得非常简洁，体积大大减小，功耗大大降低，而同时性能和可靠性得到很大提高。比较典型的SOC产品是Philips的SmartXA。(2)嵌入式外围设备指在一个嵌入是硬件系统中，除了中心控制部件以外的完成存储、通信、保护、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可以分为以下3类：(1)存储类型：主要的储存器有静态易失型存储器(RAM，SRAM)、动态存储器(DRAM)、非易失型存储器(ROM，EPROM，EEPROM，FLASH)。其中，FLASH(闪存)可擦写次数多，存储速度快，容量大及价格便宜等优点在嵌入式领域得到广泛的应用。(2)接口类型：目前存在的所有接口在嵌入式领域中都有其广泛

18、的应用，但是以下几种接口，其应用最为广泛，包括RS232串行接口、IRDA(红外线接口)、SPI(串行外围设备接口)、，2C(现场总线)、USB(通用串行接口)、Ethemet(以太网接口)和普通并口。(3)显示类型：CTR，LCD和触摸屏等外围显示设备。1.3.2 嵌入式系统软件开发平台目前，用于嵌入式环境的嵌入式操作系统比较多的有：微软的WindowsCE、Intergrated System公司的PSOS，美国Alamerda公司的VxWorks以及加拿大QSSL公司开发的QNX都是比较流行的嵌入式操作系统，但是开源并且免费的的嵌入式系统只有Linux和gCOS-II。Windows C

19、E是一种32位的多任务操作系统，它经过压缩，可以移植，能够开发多种企业和客户类设备。WindowsCE包含了InternetExplorer的版本，可以和Intemet实现连接、同步交换信息。pSOS系统是一个模块化、高性能的实时操作系统。该系统提供了一个基于开放系统标准的，完全的多任务环境。pSOS拥有集成的开发工具平台，其开发平台可以运行在UNIX或者DOS的计算机上，通过串口或TCPIP网络与其相连。pSOS是一个经过多个应用领域验证的多任务内核，提供一种及时应答、高效的机制与用户的实时应用系统协调合作。开发者可以利用它来实现从简单的单个独立设备到复杂的、网络化的多处理系统。VxWork

20、s是美国WindRiver System公司推出的个实时操作系统。由于其良好的可靠性和实时性被广泛的应用在通信、军事、航空、航天等高技术领域中。目前VxWorks是市场占有率最高的实时操作系统，并且被认为是最优秀的操作系统，同时其价格也是最昂贵的。Lynx提供了高度集成的基于存储管理单元MMU的存储器保护和虚拟寻址以及良好的实时响应，具有高效访问和优秀的性能。Lynx提供全部存储器管理部件支持，保证应用不受其他系统和软件部分的误码或者数据干扰，从而实现更加安全和过硬的应用性能。0nx是建立在微内核和完全地址空间保护基础之上的实时操作系统，实时、稳定、可靠、强壮，具有模块化程度高、剪裁自如、易于

21、扩展的特点。Linux是可以运行于个人电脑上的类UNIX系统。嵌入式Linux则是指对Linux实行小型化裁剪后，以便固化在容量仅为几百K字节或几M字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统。嵌入式Linux的开发和研究是目前操作系统领域的一个热点，具有稳定、高效、易定制、易裁剪、硬件支持广泛以及源代码免费开放等特征。ucOS-II是一种占先式、多任务、移植性非常强的、免费公开源代码的微控制器嵌入式实时操作系统。自1992年诞生以来，已经在照相机、医疗器件、音像设备、发动机控制和工业机器人等多个领域得到了应用。它一方面相对GNU下Linux衍生出来的嵌入式操作系统

22、来说，更为小巧且移植方便，实时性更好，更适合工业控制领域使用；另一方面，由于免费且开放源代码，相比其他商业实时嵌入式操作系统来说成本很低，非常适合开发实用简约的嵌入式控制程序。然而，pCOS-II操作系统中并没有集成TCMP协议栈，因而无法适应嵌入式设备网络化的需要，必须使用外挂的TCPIP协议栈或者根据硬件平台和实际应用重新设计并实现新的协议栈。1.3.3 嵌入式应用软件嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来达到用户预期目标的计算机软件，由于用户任务可能有时间和精度上的要求，因此有些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统的支持。嵌入式应用软件和普通应用软件有一定的区别，

23、它不仅要求其准确性、安全性和稳定性等方面能够满足实际应用的需要，而且还要尽可能地进行优化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。1.3.4 嵌入式系统的发展趋势随着市场对超微型嵌入式应用技术和产品的要求不断增长，以及半导体技术和系统设计方法的进步，嵌入式系统在目前的发展形势下，表现出以下几大趋势：(1)可靠性和应用水平越来越高，网络化已是一种明显的走向。(2)所集成的部件越来越多，从意义上讲只是单片集成电路，从功能上讲可以说是多功能集成电路了。(3)功耗越来越低，和模拟电路结合越来越多。2.总体设计系统框图如2-1所示，发送端为体积很小的嵌入式设备，接受端为手持机或PC机，通过移动GPS无线网

24、和nternet传递图像信息。图2-1 系统框图3. 系统硬件设计系统的发送端硬件部分是基于飞利浦LPC2210位微处理器的嵌入式系统，主要负责图像数据的 读取、无线网络传输和一些控制任务 发送端的基本组成部分如图3-1整个外围电路。包括：嵌入式摄像模块、GPRS无线通信模块、JTAG 调试端口、系统存储扩展、NAND FLASH存储扩展和SD卡存储扩展。图3-1基于ARH微处理器的发送端硬件结构图3.1 SlM200 GPRS无线通信模块GPRS最高理论速度为1712k bs，通过GPRS网 进行数据传输需要使用G P R S模块。SIMCOMSIM200是四频率段GSMGPRS模块，非常适

25、用干 PDA S、智能手机及其它手持设备。模块通过串口使 用A T指令集与微处理器通信，除了串口发送、串 口接收之外，微处理器与GPRS之间还有一些硬件 握手信号，为了简化微处理器的控制，在满足系统能要求情况下，系统硬件设计时仅使用了数据载波检测和终端准备就绪信号。 3.2 JTAG调试端口采用ARM公司提出的标准20脚JTAG仿真调试 接口，JTAG信号的定义及与LPC2210的连接如图3-2-1图中，JTAG接口上的信号nTRST连接到LPC2210芯 片的TRST引脚，达到LPC2210内部JTAG接口电路 复位的目的(但不控制CPU复位)。跟通用的JTAG 接口不同的是，LPC2210

26、增加了一个RTCK引脚，在 RTCK脚接一个4.7k 的下拉电阻，使系统复位后 LPC2210内部JTAG接口使能，这样就可以直接进行JTAG仿真调试了。若在程序中通过设置PINSEL2寄 存器来使LPC2210内部JTAG接口禁能，则JTAG口将不能进行仿真调试。另外，在TRACESYNC引脚通过接一个47kf2的下拉电阻可以在系统复位时使能跟踪调试端口，禁能时(不下拉接地)方可使P116- P125口作IO。图3-2-1 JTAG接口电路3.3系统存储的扩展系统扩展了2M NOR FLASH和8M PSRAM用 来存储系统。为方便程序的调试及最终代码的固化应用，使用了LPC2210的Ban

27、k0和Bank1地址空间，在使用JTAG调试程序时，分配SRAM为Bank0地址，因为Bank0可以进行异常向量表的重新映射操作。当最终代码固化到FLASH时，分配FLASH为Bank0地址，SRAM为Bank1地址，因为Bank0可以用来引导程序运行。 NOR FLASH SST39VF160可以用来存放BootLoader程序，以便于加载并引导存放在NAND-FLASH中的tic-Linux操作系统。3.4 NAND FLASH存储扩展将移植的u c-L i n u x操作系统存放在扩展的 NAND FLASH (K9F1 20 8U0A)中，由于K9F1 208UOA芯片操作有特定的时序

28、要求，所以使 用了一个可编程逻辑器件ATF1 6LV8产生合适的片 选信号(F-nCS)、读使能信号(F-nOE)和写使能信号(F-nWE)。3.5 SD卡存储扩展为能实现24h的长时间监控，系统具有SD卡接口，支持SDMMc的读写。SDMMC卡可以采用SD 总线访问，也可以采用SPI总线访问，由于LPC2210 微控制器有SPI接口而没有SD总线接口，所以直接使用SP10与其连接。2.6系统的抗干扰设计系统的抗干扰措施主要集中在如何制作抗干扰 的PCB板上。例如系统中包含3个晶振，LPC2210的 1 1.0592MHz晶振，W99685BS的12MHz晶振，网卡的20MHz晶振，所有这些信

29、号线走线要尽可能短，并适当加大线宽。每个晶振外壳必须接地，同时在数据总线和地址总线上串接2 20 Q的电阻，可有效抑制高频数据线和地址线的信号反射现象。4. 系统软件设计4.1无线终端软件的软件设计无线终端是典型的嵌入式系统，目标代码运行在LPC2210上面。在构架的嵌入式开发平台上，选用安装了ARM-gcc编译环境的Red-Hat 9为开发调试环境，以UC-linuxt为嵌人式实时操作系统来开发应用程序。无线终端应用软件采用linux多线程技术，终端软件由7个模块组成，如下图4-1所示。图4-1 终端软件结构图当系统上电启动uc-1inilx之后，即开始启动终 端应用软件主线程。然后主线程分

30、别创建各个子 线程。软件运行时，串口侦听子线程不断地侦听串 口以获取来自GPRS模块的AT命令，若收到命令， 则通知命令解析子线程进行处理，在将用户命令解析之后，主线程根据命令内容控制CAMERA模块和数据传输模块拍摄图片，并经由GPRS通信网络将图像数据传送到用户手机或者internet的服务器上。4.2使用GPRS模块传输数据的程序设计在进行GPRS传输操作之前需对模块进行设置，主要有：设置通信波特率；设置接人网关；设置移动终端类别；测试GPRS服务是否开通，激活GPRS功能。这些设置都在主程序的初始化代码段完成。使用GPRS进行数据的无线传输可以通过两种移动分组路由，路由可以分为内部PLMN数据传送路由和互联PL