基于SOPC的远程视频图像监控系统的设计

1、基于 SOPC 的远程视频图像监控系统的设计李晋,李绍荣电子科技大学光电信息学院,成都 (610054E-mail :摘 要:提出一种基于 SOPC 技术的远程视频图像监控系统的设计方案。 通过将 NiosII 软核 处理器、 用户自定义逻辑模块、 存储器、 I/O等集成到单块低成本的 FPGA 上, 组成一个 SOPC (片上可编程系统 ,实现远程视频图像监控系统。与传统的实现方案相比,该方案降低了 系统的成本,复杂性和功耗。关键词:远程视频监控, SOPC , NiosII中图分类号:TP334.221. 引言近几年来,在国民经济快速发展,人民生活质量普遍提高的背景下,在计算机、网络以 及

2、图像处理、 视频图像压缩等技术不断进步的基础上, 视频图像应用系统己经越来越厂泛的 出现于政府,学校,银行,军队和家庭等各种场合中,并且呈现多样化的发展走势,越来越 多的具有数字化、网络化、实时性等特性 1。SOPC 是 Altera 公司提出来的一种灵活、高效的 SOC 解决方案。它将处理器、存储器、 I/O 口、 LVDS 、 CDR 等系统设计需要的功能模块集成到一个 PLD 器件上,构建成一个可 编程的片上系统。它具有灵活的设计方式,可裁减、可扩充、可升级,并具备软硬件在系统 可编程的功能。 由于它可编程的灵活性和 IP(Intellectual Property功能模块的可重用性,

3、易于 保证产品的差异性和缩短面市时间, 它无需库存费用, 也无需一次性投片费用, 降低了投资 风险。 因此本设计采用了 Altera 公司的基于 NiosII 的 SOPC 系统平台。 NiosII 是一种可放入 PLD 的 CPU 软核 , 它是一种采用流水线技术、单指令流的 RISC 处理器,专门针对 Altera 的 PLD 及 SOPC 系统的设计思想作了优化,只占芯片内部很少一部分逻辑单元,成本很低 2。 2. 系统功能与结构远程视频图像监控系统的基本原理是 :视频图像信号经过镜头输入后。由图像传感器转 化为电信号 ,A/D转换器将模拟电信号转换为数字电信号,再经过编解码器按一定的编

4、解码 标准进行编解码后在 CPU 的控制下,按一定的网络协议送上局域网或 INTERNET , CPU 还 可以接收报警信号及向外发送报警信号,且按要求发出控制信号。根据系统的功能和要求,可分成四个模块:CCD/CMOS摄像头、图像获取处理模块、 控制监控模块和网络处理模块,如图 1所示。 3. 系统硬件部分设计系统的硬件设计原理框图如图 2所示。 图 2 系统硬件原理框图图 2中, Avalon 数据总线将 NIOSII 微处理器、 SDRAM 控制器、 Flash 接口模块、 DMA 控制器、网络接口模块、视频输入模块等连在一起构成片上可编程系统(SOPC 。Nios II处理器实际上是

5、ALTERA 公司提供的一个软核,通过下载到 FPGA 上就可以实 现一个 32位 RISC CPU。 DMA 控制器用来控制两个地址空间之间的 DMA 传输。 SDRAM 是系统运行的主存。 FLASH 用来存储程序,上电后加载到 SDRAM 。 I 2C 接口用来完成对 ADV7181的初始化工作。控制信号接口主要作为各种报警、指示及其它输入输出信号的控 制接口。3.1 模拟视频信号解码模块从摄像头输入的模拟视频信号转化成数字信号需要专门的视频解码芯片来完成, 本系统 采用 ADV7181视频解码芯片完成对模拟摄像头的视频数据进行解码的任务, 将 NTSC 制的 CVBS 等模拟信号转化成

6、符合 ITU-R656标准的 YCbCr 信号。3.2 视频输入模块模块的子模块结构示意图如图 3所示:经过解码的 4:2:2YCrCb 格式视频信号在 27 M Hz 像素时钟控制下输入 FIFO 缓冲器。 彩条测试信号模块在系统测试时 , 给出一个非常简单的测 试模块,可以模拟为信号源,以方便系统的调试。色度转换模块将 YCrCb 格式转换为 RGB 格式,并把它们的值写到 FIFO缓冲器中。 Avalon DMA把图像数据写到系统存储器 (SDRAM 中 , 当完成一帧写操作时 , 给 NiosII 处理器一个中断信号。 图 3 视频输入模块结构示意图YCrCb 到 RGB 的转换公式如

7、下 :R = 1.164(Y - 16 + 1.596(Cr - 128G = 1.164(Y - 16 - 0.813(Cr - 128 - 0.392(Cb - 128B = 1.164(Y - 16 + 2.017(Cb - 1283.3 网络接口模块本模块主要完成 NiosII 处理器与 DM9000网络控制器的接口连接。输入输出端口分为 两部分, 一部分是模块与 Avalon 总线的连接信号, 另一部分是模块与 FPGA 外部的 DM9000连接的信号。 DM9000是 DAVICOM 公司的一款是一款低功耗高性能的网络控制器,内部 包括一个 10/100M PHY和 4K 双字节

8、SRAM 。 DM9000提供 8位、 16位、 32位不同的微控 制器接口,因此可以方便的与 Nios II处理器连接。3.4 SOPC系统模块生成用 SOPC Builder可以进行系统模块硬件设计和底层软件生成。进行硬件模块设计时, SOPC Builder提供图形化配置界面,备有一些常用外设的 IP 模块 , 如 SRAM 、 Flash RAM、 UART 、 Ethernet Interface、 Interval timer、 Parallel I/ O 等。用户还可以加入自己的外设设计 文件。 对于本设计来说, 就是将在前面提到的视频输入模块和网络接口模块以用户自定义接 口的方

9、式添加进来, SOPC Builder 可以进行系统配置以及生成 , 系统配置除了对外设设置外 还包括启动程序、中断向量表、系统启动地址等的设置。具体如图 4所示。图 4 构建完成的 Nios II系统模块 4. 系统软件部分设计SOPC 系统的软件开发是在 NiosII IDE(集成开发环境中进行的。 NiosII IDE基于开 放式的、可扩展的 Eclipse IDE工程以及 Eclipse C/C+开发工具工程。目前 NiosII 的软件开发都是在 HAL (hardware abstraction layer的基础上进行的。图 5给出了基于 HAL 系统的结构示意图。 HAL 系统库是

10、一个轻量级的运行环境, 提供了简单的 和硬件通讯的设备驱动程序 3。 图 5 基于 HAL 系统的结构示意图软件设计包括嵌入式操作系统的移植、网络协议栈设计、应用级代码编写等部分。 4.1 uC/OS-II操作系统移植uc/OS-II 操作系统是美国人 Jean Labrosse 于 1992 年开始编写的,它是一种适合于小 型、 微控制器的可剥夺实时操作系统。 uc/OS 的内核除了没有网络协议栈之外, 也没有文件 系统,但是本设计中并不需要对视频图像数据按文件方式保存,因而使用 uc/OS-II 可以满 足需要 4。uc/OS-II 在设计时就充分考虑到在不同平台上移植的需求, 将同平台相

11、关的部分局限在 一个很小的范围内,对于不同的平台只需对下面一些函数和宏进行重写。 OS_ENTER_CRITICAL 和 OS_EXIT_CRITICAL :这是两个宏,用来进行临界段保 护。在本设计中使用汇编代码开关中断来实现。 OS_TASK_SW :这是一个用于进行任务切换的宏。本设计中利用 C P U 的软件中 断方式实现。 也就是说调用此宏产生软件中断, 然后由相应的中断处理程序来具体实现任务 上下文保护和任务切换。 OSIntCtxSw:实现中断级任务切换,用纯汇编实现。 OSCtxSw:实现用户级上下文切换,用纯汇编实现。 OSTickISR:为系统定时器中断的处理函数,用纯汇编

12、实现。 OSTaskStkInit:用来在创建任务时,对任务堆栈进行初始化。OS_CFG.H 用来配置内核,用户根据需要对内核进行定制,设置系统的基本情况; INCLUDES.H 为系统头文件,包括了整个实时系统所需要的内核以及用户的头文件。 uC/OS-II编程模型如图 6所示,基本原则就是创建一系列任务,然后运行它们。 图 6 uC/OS-II编程模型 4.2网络协议栈设计本系统选择 LwIP 作为系统的网络协议栈。LwIP (light weight IP是瑞士计算机科学院 (Swedish Institute of Computer Science的 Adam Dunkels等开发的一

13、套用于嵌入式系统的开放源代码 TCP/IP协议栈。 LwIP 既可以移 植到操作系统上, 又可以在无操作系统的情况下独立运行。 LwIP 实现的重点是在保持 TCP/IP协议主要功能的基础上减少对 RAM 的占用,一般它只需要几十 K 的 RAM 和 40K 左右的 ROM 就可以运行,这使 LwIP 适合在低端嵌入式系统中使用 5。 LwIP 的特性如下 :(1支持多网络接口下的 IP 转发;(2支持 ICMP 协议;(3包括实验性扩展的的 UDP(用户数据报协议 ;(4包括阻塞控制, RTT 估算和快速恢复和快速转发的 TCP 协议 (传输控制协议 ;(5提供专门的内部回调接口 (Raw API用于提高应用程序性能;(6可选择的 Berkeley 接口 API(多线程情况下 ;(7在最新的版本中支持 PPP ;(8新版本中增加了的 IP fragment的支持;(9支持 DHCP 协议,动态分配