基于ARM的视频监控终端的设计与实现

1、基于ARM的视频监控终端的设计与实现引言视频监控系统在工业、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。视频监控系统正逐步由模拟化走向数字化，随着半导体技术的飞速发展和多媒体视频编解码技术的日益成熟，高性能、复杂的视频流压缩算法在嵌入式系统中的应用成为了现实。如今监控系统多采用专用处理器或RISC嵌入式处理器与DSP相结合的方法实现，本文探讨的是用ARM处理器与软件压缩相结合的办法实现。视频监控系统总体设引言视频监控系统在工业、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。视频监控系统正逐步由模拟化走向数字化，随着半导体

2、技术的飞速发展和多媒体视频编解码技术的日益成熟，高性能、复杂的视频流压缩算法在嵌入式系统中的应用成为了现实。如今监控系统多采用专用处理器或RISC嵌入式处理器与DSP相结合的方法实现，本文探讨的是用ARM处理器与软件压缩相结合的办法实现。视频监控系统总体设计首先需要对系统进行总体规划，将系统划分成几个功能模块，确定各个模块的实现方法。整个视频监控系统采用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S3C2410平台上运行的采集、压缩、传输程序，客户端是PC机上运行的接收、解压、回放程序。视频监控终端从现场的摄像头捕获实时的视频信息，压缩之后通过以太网传输到视频监控服务器上

3、。如系统结构图（图1）所示，视频图像采集和打包发送在服务器端完成，图像的接收解包和回放将在客户端完成。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、储存电路模块、外围接口电路模块、电源和复位电路，如图2所示。S3C2410主控器模块主控器模块是整个系统的核心，采用的S3C2410处理器是Samsung公司基于ARM920T处理器核的16/32位微控制器，该处理器最高运行频率可达到203MHz，它的低功耗、精简和全静态设计特别适合于对成本和功耗敏感的应用。S3C2410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

4、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。系统存储电路模块主控器还需一些外围存储单元如NandFlash，和SDRAM。Nand 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；SDRAM读写速度快，系统运行时把它作为内存单元使用。设计采用了64M的Nand Flash和64M的SDRAM。外围电路模块本设计用到的外设有USB接口，网卡接口，RS232接口和JTAG接口。视频监控终端的USB主控制器模块通过专用的USB集线器与多个USB摄像头相连。在实时监控状态下，各个摄像头上

5、捕获的图像数据通过USB集线器传输到视频监控终端的USB主控制器模块上，然后再由USB主控制器模块交由S3C2410处理器集中处理。S3C2410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。本设计采用CS8900A扩展网络接口，它是CIRRUS LOGIC公司生产的16位以太网控制器，通过内部寄存器的设置来适应不同的应用环境。S3C2410通过地址、数据、控制线以及片选信号线对CS8900A网络芯片进行控制和通信。CS8900A与S3C2410的连接如图3所示，CS8900A由S3C2410的nGCS3信号选通，CS8900A的INTRQ0端用来产生中断信号

6、，与S3C2410的16位数据总线相连，地址线使用了A24:0。CS8900A以太网控制芯片通过DMA通道进行数据的传输。首先设置好传输控制和传输地址寄存器的参数，依次从指定的数据存储区域读取数据，送入内部发送缓冲器中，用MAC对数据进行封装发送。一组数据发送完后，请求DMA中断，由S3C2410进行处理。RS-232接口与PC机串行总线相连，通过PC机对嵌入式系统进行相关信息显示和控制。而JTAG接口主要是对系统进行调试，还可将程序烧写到Flash中。系统的软件设计视频监控终端的软件设计主要完成两方面的工作：（1）在硬件上搭建一个软件平台，搭建嵌入式Linux软件开发平台需要完成UBOOT移

7、植、嵌入式Linux操作系统内核移植以及嵌入式Linux操作系统的设备驱动程序的开发等工作。（2）在软件平台的基础上，开发系统的应用程序。借助交叉编译工具,开发视频监控终端上运行的采集、压缩、传输程序。构建基于S3C2410的Linux平台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；支持多种体系结构。（1）键入命令make menuconfig，对内核进行配置，选择YAFFS文件系统，支持NFS启动，系统使用的是USB接口的摄像头，故要启用USB设备支持模块，包括USB设备文件支持模块、USB主控制器驱动模块等。此外，

8、USB摄像头属于视频设备，为了使应用程序能够访问它，还需要启用Video4Linux模块。（2）用make dep命令生成内核程序间依赖关系。（3）make zImage命令生成内核映像文件。（4）make modules和make modules_install命令生成系统可加载模块。这样就生成了zImage内核映像文件，把它下载到目标平台的Flash中。本设计采用USB外置摄像头，在内核配置时要求以模块形式加载。首先要完成驱动程序，驱动中需要提供基本的I/O操作接口函数open、read、write、close的实现，对中断的处理实现，内存映射功能以及对I/O通道的控制接口函数ioctl等

9、，并把他们定义在struct file_operations中。这样当应用程序对设备文件进行诸如open、close、read、write等，系统调用操作时，嵌入式Linux内核将通过file_operations结构访问驱动程序提供的函数。接着把USB驱动程序编译成可以动态加载的模块，这样摄像头就可正常工作了。视频监控终端软件的设计视频监控终端软件按功能分为三部分：视频采集、压缩、传输。这个软件的开发都是基于先前配置好的嵌入式内核。(1）视频采集部分使用Video4Linux接口函数访问USB摄像头设备，捕获实时的视频流。首先完成v4l_struct数据结构的定义，如设备基本信息，图像属性，

10、各个信号源属性等；采集模块一方面通过USB集线器采集USB摄像头中的图像，另一方面启动多个采集线程，分别在不同的端口上监听，一旦有请求连接，采集线程立即从设备缓冲区中把视频流数据读出，放入到视频处理缓冲区中进行下一步的处理。(2）视频数据的压缩部分在视频监控系统中，大量的数据需要通过网络传输，为了保证传输质量和传输实时性，就需要在传输之前进行编码压缩以减少数据量，本文采用MPEG-4编码标准进行数据压缩。在网络上可以下载到开源的xvidcore软件作为视频压缩的核心算法，xvidcore是一个高效的、移植性很强的多媒体编码软件，将它在PC机上进行交叉编译，生成的文件拷贝到目标系统下。(3) 视频数据传输部分传输模块的作用在于把压缩之后的视频流传送到远程的PC机客户上，视频流数据的传输是基于TCP/IP协议。视频传输采用了标准的RTP传输协议。RTP是目前解决流媒体实时传输问题的最好办法，在Linux平台上进行实时流媒体编程，需要使用一些开放源代码的RTP库，如LIBRTP、JRTPLIB等。定义一种较为简单的握手协议：PC机端的采集程序不停地发请求数据包到采集终端，采集终端把已经捕