视频监控系统硬件设计的论文

1、存档日期:存档编号:徐 州 师 范 大 学 科 文 学 院 本科生毕业论文(设计论 文 题 目:视频监控系统硬件设计姓 名:朱 铖 娟学 号:078333112专 业 :自 动 化年 级 : 07自动化指 导 教 师:李 旭 超科文学院教务部印制摘 要随着电子技术, 多媒体技术和通讯技术的发展, 视频监控系统一直是人们关 注的焦点,视频监控系统在工业,军事,民用等领域得到广泛应用,视频监控具 有直观, 方便和信息内容丰富等优点, 为客户提供高品质的监控手段。 从落后的 现场监控到先进的远程监控控制, 从模拟监控到今天的数字化监控系统, 视频监 控技术正向网络化、移动化和智能化方向发展。随着嵌入

2、式处理器性能的提高和视频处理技术的发展, 视频采集监控系统不 再局限于高性能的 PC 平台,嵌入式与便携式平台有了快速发展。本文利用三个领域上的技术:嵌入式处理器中 ARM 处理器技术、数字视频 芯片和视频编码中的 H.264标准,实现了数字采集监控和存储系统。本文主要对视频监控系统硬件部分及视频采集进行研究, ARM 处理器采用 了 ARM9系列的 S3C2410,采用了 Linux 系统进行配合处理,设计了包括电源 电路、时钟电路、复位电路、存储模块、 JTAG 接口、 UART 串行调试接口、 USB 模块、以太网电路、视频接口电路。摄像头采用了 OV6620芯片。主要围绕三部 分展开介

3、绍:1. 硬件电路设计 2.嵌入式视频采集 3.嵌入式 Linux 移植及 H.264视频编码标准。关键词: ARM ;视频采集;嵌入式系统; H.264;视频监控AbstractWith the electronic technology, multimedia technology and communication technology developing, video surveillance system has still been the focus of attention and it is widely used in the industrial, military,

4、civil and other fields. Video monitoring with an intuitive, convenient and abundant information can provide customers with high quality control means. From backward to advanced field monitoring of remote monitoring control, from analog to today's digital surveillance systems, video surveillance

5、technology is being toward to network, mobile and intelligent direction.At the same time, improving the performance of embedded processors and video processing technology, video capture surveillance system is no longer limited to high-performance PC platform. Embedded and portable platform has rapid

6、 development.In this article, the technology has three areas: embedded processor ARM processor technology, digital video chips and video coding standard H.264 to achieve control of the digital acquisition and storage systems.This thesis focuses on video surveillance and video capture hardware of the

7、 system studied, ARM processor using the ARM9 series S3C2410 and taking a Linux system with the treatment. The design includes the power circuit design, clock circuit, reset circuit, memorymodule, JTAG interface, UART serial debug interface, USB module, Ethernet circuit, the video interface circuit.

8、 Camera uses the OV6620 camera chip. The paper mainly introduced around three aspects: 1. Hardware circuit design 2. Embedded video capture 3. Embedded Linux migration and H.264 video coding standard.Keywords: ARM; video capture; embedded systems; H.264; video surveillance目 录摘 要 . I ABSTRACT . I I1

9、绪 论 . 11.1视频监控系统的发展历史 . 1 1.2视频监控的现状与发展 . 3 1.3嵌入式系统的发展趋势 . 4 1.4本课题的主要工作 . 52 系统的硬件电路设计 . 62.1系统的工作原理 . 6 2.2ARM 嵌入式处理器简介 . 6 2.3嵌入式视频采集系统设计 . 9 2.4 视频监控系统硬件设计 . 13 2.5最小系统设计 . 13 2.6外围扩展电路 . 203嵌入式 LINUX 移植 . 243.1采用 L INUX 开发嵌入式系统的原因 . 24 3.2交叉编译环境的建立 . 26 3.3B OOT L OADER 系统引导代码 . 26 3.4L INUX 的

10、内核移植 . 27 3.5嵌入式文件系统 . 27 3.6驱动开发 . 294嵌入式视频软件设计 . 324.1 视频采集软件设计 . 32 4.2L INUX 下图像数据的 H.264压缩 . 32 4.3视频传输模块设计 . 385 结论与展望 . 395.1全文结论 . 39 5.2研究展望 . 39致谢 . 40参考文献 . 411 绪 论1.1 视频监控系统的发展历史视频监控系统主要经历了三个阶段 1:第一代 模拟闭路电视(CCTV 监控系统闭路电视系统可以视为单个行组合的模拟设备, 其中有摄像机、 监视器、 画面 分割器,切换器(包括矩阵,各种长时间模拟视频录像机、 云台镜头解码器

11、和控 制器等。并不难找到此复杂系统的异常,需要对安装和布线大量工作、 维护和扩展系统 也是很难。系统不支持远程的传输图像,而且不能与其他系统结合,如门禁、 报警 系统的工作,已经变得越来越不能适应时代发展步伐。第二代 半数字式监控系统数字硬盘录像系统(DVR 第二代基于 PC 机监控系统 DVR 的出现使得计算机得到了普及应用。早期的 DVR 是基于硬压缩 x86 芯片卡和基于 Windows 98 操作系统的软件平台,其后逐渐发展 成一种特殊类型的监控设备数字硬盘录像机。 网络概念的渗透允许执行远程网络传 输等功能。但对于仍然使用集中式监视下,摄像机、编译 /解码器、视频设备如电缆没有任 何

12、改善,所以 DVR 数字监控系统是不完全正确。在安装、 维护、 升级、 扩展系统 方面,用户的问题都还不小。此外,基于 Windows 操作系统的稳定性差, DVR 可能 会导致系统出现紧急情况,需要更高的级别监测站点是一个很大的问题。第三代 全数字监控系统(DSS 第三代视频监控系统趋于网络化, 数字视频压缩、 传输、 存储为核心,以智 能图像分析为特点, 与警报系统、 门禁系统在一个平台上的结合引发了一场革命, 由 于发挥突出,视频监控很快得到保安行业和用户的注意。与传统的 CCTV 系统 (即 第一代和半数字监控系统 DVR(即第二代比,第三代监测系统基于 TCP/IP 网络 协议, 出

13、现了一个分布式的概念, 扩展到分散与集中的监视模式互补无限的延伸的监 测范围。 在硬件设备方面, 第三代系统中的应用有更高级的 D/A 和 A/D 转换设备视 频服务器或内置处理器的网络摄像机, 图像处理 包括集合、 压缩和协议转换和传输, 设置监测点到处使用互联网和局域网,即插即用,实现了图像收集、传输、录像,最终输出是在全程化数字的情况下完成,处理程序的系统固化及 DVR 系统也更稳定, 因此是真正意义的全数字化网络监控系统。特别是第三代数字监控系统具有以下突出的优点:1. 数据存储:使用 JPEG 议案, H.26x , MPEG 多媒体数字压缩技术,全数字视 频图像,存储在计算机的硬盘

14、上,可以存储为 1 个月或更长的时间不断,以避免定 期更换磁带的麻烦。数字数据存储可以保证长时间、 更稳定的数据,不容易损坏。 2. 数据查询:传统的模拟监控系统,当问题出现需要花很多时间看录像来查找 站点的记录 ,而数字视频监控系统使用计算机的索引就可以帮助用户在短时间内整 合到相应字段的记录,节省时间和精力,大大提高了工作效率。3. 录像的质量和图像质量:数字图像的图片显示是以循序渐进的方式,使用数 字视频可以使视频画质高度清晰、 确保图像屏幕信息。 使用该计算机还可以帮助图像 去噪、 锐化、处理,调整图像大小及使用高分辨率的计算机显示器,你可以看到高 质量的图像。 此外, 你还可以在同台

15、显示器上看到 4、 12、 16路 或更多视频图像。 4. 网络传输功能:数字监控系统是一种产品的完美结合在安防行业、 IT 行业 中, 所以它有相当一部分的功能在计算机网络上。 数字监控系统的抗干扰的能力, 不 易受传输的信号衰减影响和能加密传输,以便您可以在实时监测数千公里的数字信 息。 特别是在恶劣的条件或不利于直接亲自管理的情况下, 数字视频监控可以实现的 访问效果。跨域监测需求可以得到完美的解决。5. 系统集成:发展到第三代, 视频监控系统使门禁系统、 报警系统集成在一起。 数字视频数据、门禁数据和报警数据,通过计算机的操作,处理,数据之间的互动, 完善这三个系统,几乎可以解决所有用

16、户的需求。6. 扩充简易:数字视频监控系统的前端设备主要由网络摄像机和视频服务器组 成,他们很容易扩充,只要电源和网络接口就能够访问系统的扩展范围。7. 系统易于管理和维护:数字视频监控系统主要由电子设备, 集成度、 视频传 输使用有线或无线信道。以这种方式, 整个系统的设计是一个模块化的结构、 , 体积小、 便于安装、 使 用和维护。是的因为第三代数字监控系统存在很多优势,满足了信息化、智能化、网 络化发展,使数字监控系统取代模拟监控系统和 DVR 系统成为必然,慢慢地应用到 每个行业中。1.2 视频监控的现状与发展对国内和国外市场,主要有两种类型的监测产品:数字控制的模拟视频监控和 数字视

17、频监控。数控仿真监测系统技术长时间的发展在实际工程是有非常广泛的应 用, 发展成熟及性能也是稳定, 但因为视频监控系统中的信息流形成不变量仍为模拟 视频信号, 系统的网络结构主要是一个单向的和方式集中的信息收集网络, 系统已发 展到很高的水平,没有太多的潜力可挖其限制仍然存在 ;数字监控系统技术是新的 兴起,解决模拟系统部分缺点且快速发展,但发展不成熟,需要更近一步完善。纵观 全局,数字监控系统是大势所趋,具有真正的研究价值 23。数字监控视频系统通常分为两类:一种基于 PC 的相结合的多媒体作品 ; 另一 种是嵌入式数字视频监控系统 4。数字视频压缩编码技术日趋成熟, 为基于 PC 机多媒体

18、监控创造了许多有利条件。 迅速崛起了新视频的视频监控系统, 替换一些视频矩阵图像分割器、 录像机为核心, 辅之以其他路由仿真模拟视频监控,主要的好处:(1 多媒体监控主机 PC 机结合视频矩阵、 分割、 录像机等多项功能, 极大地 简化的体系结构。(2 计算机网络技术、 数字多媒体远程网络监测没有距离限制。(3 使用大容量磁盘或光盘存储的结果, 您可以节省大量的磁带介质, 同时有利 于多媒体信息查询系统。但随着视频监控的发展,基于 PC机在实际工程的过程中,使用的视频系统不稳 定。嵌入式的系统是专用到计算机系统, 嵌入式系统的核心技术是一个新的技术发展 方向在计算机系统中嵌入对象。嵌入式系统定

19、义为:嵌入式的系统是“用于控制,监 视, 或者辅助操作机器和设备” , 国内公认的嵌入式的系统定义为 : “以应用为中心, 以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适应应用系统对功能,可靠性,成本,体积, 功耗等严格要求的专用计算机系统”。由于到嵌入式系统具有体积小、 性能、 低功耗、 高可靠性和面向行业应用的特点, 已经广泛应用于军工、消费类电子产品、信息家电、网络通信、工业控制等。嵌入式 的系统可以描述成无处不在,各种电子手表、电话、手机、 PDA 、洗衣机、电视、电 饭煲、 微波炉等日常生活用品都存在了嵌入式系统。1.3 嵌入式系统的发展趋势嵌入式信息家电产品, 参加的互联网时代不仅为嵌入式的

20、市场得到了一个很好的 前景,注入新的生命 ;也对嵌入式系统的技术,尤其是软件技术带来了新的挑战。 这包括:支持越来越多的功能密度、 灵活的网络连接、 轻量级的移动应用程序和 多媒体信息处理、,当然也要面对更激烈的市场竞争。1. 嵌入式的应用软件的开发需要强大功能的开发工具和对支持操作系统随着技术走成熟, 互联网的带宽增加, ICP 和 ASP 的互联网信息的内容日益丰 富,包括应用程序各不相同,如电话、 手机、 固定电话和冰箱、 微波炉功能嵌入 不再单一、 电气结构是更为复杂的电子设备。以满足应用程序的功能升级,设计师 一方面强大嵌入式处理器,增强处理能力对 32 位、 64 位 RISC 芯

21、片或信号处理 DSP ;同时使用实时多任务的编程技术和交叉开发工具技术控制复杂性、 简化应用 程序的设计,确保软件质量,并缩短开发时间。目前,海外的商业化嵌入式实时操作系统,适配已进入中国市场,微软、 QNX和 Nuclear 等其它产品。 我国自主开发的嵌入式系统软件产品, 如科银 (CoreTek 公 司的嵌入式的软件开发平台 DeltaSystem ,它不仅包括 DeltaCore 嵌入式实时操作 系统,也包括 LamdaTools 交叉开发工具套件、 测试工具、 应用程序组件等 ;此 外,中国科学院也推出霍本嵌入式操作系统 5。2. 网络互连的必然趋势为了满足嵌入分布式的处理结构和互联

22、网应用的需要, 面向 21 世纪的嵌入式系 统需要标准的一个或多个网络接口的通信。 对于外部网络的要求, 嵌入式的设备分布 需具有通讯接口, 对应需要 TCP/IP 协议系列软件的支持 ; 因为家电相互关联 (防 盗报警、 照明节能控制和电视设备终端的信息交换 协调工作的要求, 下一代嵌入 式的设备的试验场仪器要有 IEEE1394、 USB和可以与蓝牙或 IrDA 通信的接口同时 还需要提供相应的通讯组网络协议软件和驱动的物理层。 特定的编程模型支持应用软 件,如 Web 或无线 Web 编程模型,但还需要适当的浏览器,如 HTML、 WML 等 6。 3. 支持小型电子设备实现体积小、 低

23、功耗和低成本为了满足此属性, 嵌入式产品被要求降低处理器性能, 有限内存容量, 多路复用 接口芯片。 这增加了嵌入式的软件设计的技术要求。 例如, 选择最佳的编程模型和持续改进的算法,使用 Java 编程模型、 性能优化系列仪器。因此,这两个软件人员 有丰富的经验,需要更多的嵌入式的软件技术,如 Java,如 Web 和 WAP 的发展。 4. 提供了先进的多媒体人机接口嵌入式的设备数以百万计的用户愿意接受的其中一个重要因素是使用自然的人 机交互界面, 如驱动程序处理的契合和高度自动化的汽车, 主要是通过方向盘的习惯、 踏板和操纵杆。人与信息终端需求和 GUI 屏幕中心多媒体接口进行交互。输入

24、、语 音拨号、彩色图形、 图像、 发送和接收电子邮件,取得了初步成效。目前一些先进 的 PDA 显示屏已实现汉字书写,语音短信发布,但远离语言同声传译,还有很长的 距离。1.4 本课题的主要工作本文主要工作是基于 ARM 的嵌入式视频监控系统硬件设计的研究与实现, 主要围 绕视频的采集与回放。安排工作如下:第一章 绪论, 介绍视频监控系统的发展历史以及现状与发展, 嵌入式系统的发展的 驱动。第二章 系统的硬件设计。第三章 嵌入式 Linux 移植。第四章 嵌入式视频软件设计。第五章 结论与展望。2 系统的硬件电路设计2.1 系统的工作原理本系统设计的硬件平台主要由三部分组成,监控前端视频服务器

25、、 USB 摄像头以 及远程客户机。 其中监控端视频服务器是基于 ARM9的 32位嵌入式系统, 视频服务器 主要由核心处理器部分和扩展部分组成。下图 2-1是系统工作的原理框图。 图 2-1 系统工作原理其工作原理:移植具有实现硬件功能的嵌入式 Linux 操作系统到系统平台中, 在 操作系统中编码驱动程序实现对摄像头的驱动控制, 系统平台中 Linux 操作系统启动 后加载摄像头驱动,用视频采集应用程序实现对视频信号的采集,处理器 S3C2410再对采集到的视频数据进行 H.264压缩, 最后通过网络通讯程序把压缩后的视频数据 发送出去, 远程端主机收到后可解压显示, 同时也可通过网络对系

26、统平台进行远程控 制。2.2 ARM嵌入式处理器简介ARM 系列嵌入式处理器是英国先进 RISC (Reduced Instruction Set Computer 机器公司(Advanced RISC Machines,简称 ARM 公司的产品。 ARM 公司是业界领先 的知识产权供应商,与一般的公司不同, ARM 公司既不生产芯片,也不销售芯片,而 是设计出高性能、 低功耗、 低成本和高可靠性的 IP 内核, 如 ARM 处理器内核 (ARM7TDMI 、ARM9TDMI 、 ARM10TDMI 等和 ARM 处理器宏核(ARM720T 、 ARM920T/922T/940T、 ARM10

27、20E/1022E等 ,授权给各半导体公司使用;半导体公司 (ARM公司合作伙伴 在 ARM 技术的基础上,根据自己公司的产品定位,添加自己的设计并推出各种嵌入式微 处理器 MPU 或微控制器 MCU 芯片产品; 最后有 OEM 客户采用这些芯片来构建基于 ARM 技术的最终应用系列产品。由上面可以得知, ARM 并不是一款处理器的名称,它只是一个公司的名称,或者 说是嵌入式处理器的内核名称。所以, ARM 嵌入式处理器应该理解为以 ARM 为内核的 嵌入式处理器。ARM处理器是精简指令集计算机(RISC 。 RISC 的概念源于斯坦福大学和伯克利 大学在 1980年前后进行的处理器研究计划。

28、最初 ARM 是 1983到 1985年间在英国剑 桥的 Acorn Computer 公司开发的。它是第一个为商业用途开发的 RISC 微处理器,同 后来的 RISC 体系结构有明显的不同。 1990年, ARM 特别为扩大开发 ARM 技术而成立 了独立的公司。从那以后, ARM 已被授权给世界各地的许多半导体制造厂。它已经成 为低功耗和追求成本的嵌入式应用的市场领导者。ARM微处理器主要包括 ARM7系列、 ARM9系列、 ARM9E 系列、 ARM10E 系列、 ARM11系列、 SecurCore 系列、 OptimoDE 系列、 StrongARM 系列、 XScale 系列, 以

29、及 Cortex 系列等。ARM芯片还获得了许多实时操作系统供应商的支持, 比较知名的有:Windows SE 、 uCLinux 、 pSOS 、 Vxworks 、 ,Nucleus 、 uC/OS、 Palm OS等。在 ARM 内核中有四个功能模块,这四个模块分别用 T 、 D 、 M 和 I 来表示 13。 T:表示 Thumb ,该内核可从 16位指令集扩充到 32位 ARM 指令集。D :表示 Debug , 该内核中放置了用于调试的结构, 通常它为一个边界扫描链 JTAG , 可使 CPU 进入调试模式,从而可方便地进行断点设置、单步调试。M:表示 Multiplier ,是

30、8位乘法器。I:表示 EmbeddedICELogic ,用于实现断点观测及变量观测的逻辑电路部分,其 中的 TAP 控制器可接入到边界扫描链。1.ARM 体系结构(1 ARM微处理器支持 7种运行模式,如表 2-1所示。表 2-1 ARM微处理器运行模式 说明:ARM 微处理器的运行模式有两种方法改变一种是通过软件,另外一种改变 是通过外部中断或异常处理。大部分的应用程序是在用户模式下运行, 当处理器在用户模式下运行时, 一些被 保护的系统资源是不能被访问的。除了用户模式,剩下的 6 种模式称为非用户模式或特权模式;其中除用户模式 和系统模式另外 5种模式又称为异常模式, 常用于处理中断或异

31、常, 以及需要访问受 保护的系统资料等情况。(2两种处理器工作状态ARM 状态(执行 32位 ARM 指令和 Thumb 状态(执行 16位 Thumb 指令 。 (3嵌入式在线仿真调试ARM 处理器的体系结构都嵌入了在线仿真 ICE-RT 逻辑, 便于仿真调试芯片通 JTA 的方式,节省了费用一些价格昂贵的在线仿真器。(4灵活方便的借口ARM 体系结构具有协处理器接口,可以接协处理器 16个。既方便地扩充 ARM 指 令集, 可以使基本 ARM 处理器内核尽可能小, 也可以支持协处理器的软件仿真通过未 定义指令方式。(5低电压功耗的设计ARM 体系结构的处理器通常主要用于手持式嵌入式系统中,

32、 在设计中 ARM 体系结 构就比较注意功耗方面的设计。(6 RISC 型处理器结构ARM 采用 RISC 结构,在简化处理器结构,减少复杂功能指令的同时,提了高处 理器的速度。2.ARM 存储结构ARM 体系结构可以用两种方法存储字数据,称之为大端格式和小端格式。 大端格式 (big-endian : 字数据的高字节存储在低址中,而字数据的低字节则 存放在高地址中。小端格式(low-endian :与大端存储格式相反。低地址中存放的是字数据的低 字节,高地址存放的是字数据的高字节。3.ARM 异常中断ARM 有 7种异常:1. 复位 2.未定义指令异常 3.软件中断异常 4.数据中止(取 指

33、令存储中止 5. 数据中止 (访问数据存储器中止 6. IRQ异常 7. FIQ异常。2.3 嵌入式视频采集系统设计嵌入式视频监控系统的实现通过前端的采集, 经过网络传输, 然后到后台。 前端 采集的实现通过嵌入式平台,这里用普通的 PC 机作为后台的宿主机。下图 2-2为系 统主成框图。 目标机图 2-2 嵌入式视频采集系统框图嵌入式系统最为重要的是要选择合适的处理芯片, 所以本系统选择 S3C2410处理 器。S3C2410处理器是 Samsung 公司基于 ARM 公司的 ARM920T 处理器核, 采用 0.18um 制造工艺的 32位微控制器。该处理器拥有:独立的 16KB 数据 C

34、ache 和 16KB 指令 Cache , MMU ,支持 NAND 闪存控制器, TFT 的 LCD 控制器, 4路 DMA (直接存储器访问 , 3路 UART , 4路带 PWM 的 Timer , I/O口, RTC , Touch Screen 接口, 8路 10位 ADC , IIC-BUS 接口, IIS-BUS 接口, 2个 USB 主机, 1个 USB 设备, SD 主机和 MMC 接口, 2路 SPI 。 S3C2410处理器最高可运行在 203MHz 。S3C2410处理器的功能 12:(1 S3C2410芯片集成了大量的功能单元1. 内部电压 1.8V ,存储器电压

35、3.3V ,外部 I/O电压 3.3V , 16KB 数据 Cache ,16KB 指令 Cache , MMU 。2. 内置外部存储器控制器(芯片选择逻辑和 SDRAM 控制 。3. LCD控制器。4. 4个带外部请求线的 DMA (直接存储器访问 。5. 3个通用异步串行端口(IrDA1.0, 16-Byte Tx FIFO and 16-Byte Rx FIFO , 2通道 SPI 。6. 一个多主 I2C 总线,一个 I2S 总线控制器。7. SD主接口版本 1.0和多媒体卡协议版本 2.11兼容。8. 两个 USB HOST,一个 USB DEVICE(VER1.1 。9. 一个内部

36、定时器和 4个 PWM 定时器。10. 看门狗定时器。11. 117个通用 I/O。12. 56个中断源。13. 24个外部中断。14. 电源控制模式:标准、慢速、休眠、掉电。15. 8通道 10位 ADC 和触摸屏接口。16. 带日历功能的实时时钟。17. 芯片内置 PLL 。18. 设计用于手持设备和通用嵌入式系统。19. 16/32位 RISC 体系结构,使用 ARM920T CPU核的强大指令集。20. 带 MMU 的先进的体系结构支持 WinCE 、 EPOC32、 Linux 。21. 指令缓存(Cache 、数据缓存、写缓存和物理地址 TAG RAM ,减小了对主存 储器带宽和性

37、能的影响。22. ARM920T CPU核支持 ARM 调试的体系结构。23. 内部先进的位控制器总线(AMBA (AMBA2.0, AHB/APB 。(2系统管理1. 小端 /大端支持。2. 地址空间:每个 BANK128MB (全部为 1GB 。3. 每个 BANK 可编程为 8/16/32位数据总线。4. 固定起始地址 BANK0到 BANK6。5. BANK7可编程 BANK 起始地址和大小。6. 一共 8个存储器。7. 前 6个存储器 BANK 用于 ROM 、 SRAM 和其它。8. 两个存储器 BANK 用于 ROM 、 SRAM 、和 SDRAM (同步随机存储器 。9. 支持

38、等待信号用以扩展总线周期。10. 支持 SDRAM 掉电模式下支持自刷新。11. 支持不同类型的 ROM 用于启动(NOR/NAND Flash、 EEPROM 和其它 。摄像头的组成包括传感器 (Sensor 、 数字信号处理器 (Digital Signal Processor 即 DSP 、镜头(lens 、外壳模具、 USB 的连线,还有电路板及阻容等周边器件。我 们选择 USB 的标准是需要有较高的清晰图以及较好的图像画面。 而这里面最关键的选 择是传感器、 DSP 以及镜头的选择 7。传感器器件属于将光信号转换成电信号器件,目前常见的主要有两种分别为 CCD 、 COMS 。 CC

39、D 是由一种特殊的半导体材料组成,即大量的光敏元件构成。它的优 点是成像像素较高, 有很好的清晰度, 同时速度对光线方面要求不大; 缺点是制造的 工艺复杂、成品率不高,而且技术垄断使得它的造价比较贵,功耗也大,故它主要用 于高档次数码摄像机、数码照相机。另一方面 COMS 主要是由硅和锗两种元素构成半 导体,它的成像方面稍差,同时光线也不是很好,速度也慢,也没有 CCD 省电。不过 它有个优点就是造价便宜,通常用在低档相机、数码摄像头或玩具方面。综合考虑, 本系统选用 COMS 传感器。摄像头的镜头在光线方面是最为重要的,这里有玻璃镜片、塑胶镜片和化合物 3种材料。玻璃镜片造价高,塑胶镜片便宜

40、,化合物较少用,故本系统选用的材料是塑 胶镜片。目前市面上的数字摄像头芯片种类很多,性能各异,这些摄像头中 Omni Vision 公司生产的 OV 系列产品应用最为广泛。 OV 系列产品的种类也很多,根据本系统的功 能特点, 需选择一款具有彩色成像功能的芯片。 我们选用 OV6620芯片, 它价格便宜、 性能不过剩、封装较为常见。2.4视频监控系统硬件设计利用 S3C2410强大的扩展功能, 根据系统的实际需要, 设计如图 2-3所示的硬件 系统。在处理器丰富资源的基础上进行了相关的配置和扩展,平台配置了 64Mbytes8位的 NAND 闪存和 64Mbytes32位的 SDRAM , 通

41、过以太网控制器芯片 CS8900A 扩展了一 个网口,另外引出一个串行接口和两个 HOST/DEVICE USB 接口。通过在 USB 接口上外 接一个带 USB 口的数码摄像头, 将采集到的视频图像数据放入存储器缓冲区中, 或者 用 H.264压缩处理程序处理缓冲区的图像数据并保存,数据可存储在 NAND 闪存中等 待远程主机的访问, 也可以通过 CS8900A 扩展的网络接口将视频数据直接发送到远程 网中的控制主机上。 图 2-3 视频监控系统硬件框图2.5 最小系统设计嵌入式系统的硬件平台结构主要分为两大部分:一部分为系统的主板,为基于 ARM 的最小系统,包括 ARM CPU 、 Fl

42、ash 、 SDRAM 、串口、键盘等最基本的东西;另一 部分为系统的扩展版,提供了用于完成各个不同硬件的功能模块。S3C2410需要 3.3V 和 1.8V 两种供电电压,为简化系统电源电路设计,整个系统 的输入电压为高质量的 5V 直流稳压电源。VDD3.3V 提供给 VDDMOP 、 VDDIO 、 VDDADC 和 VCC 引脚, VDD1.8V 提供给 VDDi 、 VDDRTC 引脚。5V 的输入电压到 3.3V 和 1.8V 的电压转换是通过 DC-DC 转换器完成的。在系统 中 1.8V 电源和后备的电源一起提供 RTC 所要的电压, 当系统工作 1.8V 电压有效, 即 使系

43、统掉电,后备电池也可为 RTC 电路提供所需的电源。电源电路如图 2-4所示。 图 2-4 电源电路设计图时钟管理模块同时拥有两个锁相环,一个称为 MPLL ,拥有 FCLK 、 HCLK 和 PCLK ; 另一个称为 UPLL , 用于 USB 设备。 对时钟的选择是通过 S3C2410引脚上 OM3:2实现 的, 当 OM3:2=00时, MPLL 和 UPLL 都选择外部振荡器; 当 OM3:2=01时, MPLL 的 时钟选择外部振荡器, UPLL 选择外部时钟源; OM3:2=10时, MPLL 的时钟选择外部时钟源, UPLL 选择外部振荡器; OM3:2=11时, MPLL 和

44、UPLL 都选择外部时钟源。 本系统采用 OM3:2都接地的方式,即采用外部振荡器提供系统时钟。 S3C2410处理器内部带有片上振荡器是双锁相环电路, 所以通常外部都接频率比较低的有源晶 振或晶体振荡器。此外, S3C2410内部带有实时时钟电路,需要外接 32.768kHz 的晶 体振荡器。本设计使用无源晶体振荡器 X2(12MHz和 X3(32.768kHz作为主振荡器和 慢时钟振荡器, 振荡器产生的主时钟和慢时钟经过微处理器内部 2个锁相环和分频器 后, 产生系统所需的各种主时钟、 外设时钟以及 USB 器件工作时钟。 同时不管使用有 源晶振或晶体振荡器, 都要考虑晶振的温度稳定性是否

45、满足处理器的要求。 时钟电路 设计如图 2-5所示。 图 2-5 时钟电路设计图系统复位模块提供给 ARM 启动信号,是整个系统运行的开端。 ARM 的复位信号为 RESET , 如果它有效, 系统复位将由内部产生。 本系统利用容阻电路设计的复位电路。 如图 2-5所示, 该复位电路的工作流程为:在系统上电时, 通过电阻 R108向电容 C162充电,当 C162两端电压未达到高电平的门限电压时, RESET 端输出是高电平,系统 处于复位状态;当 C162两端的电压达到高电压的门限电压时, RESET 端输出是低电 平, 系统进入正常状态。 当用户重复按下复位键时, C162两端的电荷被释放

46、掉, RESET 端输出为高电平,系统进行复位状态,再重复上面的充电过程。两级非门电路的作用是除去按钮的抖动和对波形整形:nRESET 的输出状态与 RESET 是相反的,作用在低电平复位器件;可以通过对 R108和 C162参数的调整,可 以对复位状态的时间进行调整。复位电路如图 2-6所示。 图 2-6 复位电路设计图本系统存储器模块包括 SDRAM 存储器和 nor Flash存储器两个部分。SDRAM 存储器的作用是存放系统运行时的程序和数据, 掉电后该部分程序和数据 会丢失。 设计中使用 2片数据宽度为 16位的 SDRAM 并行运行作为一个 32位数据宽度 的 SDRAM 模块,以

47、充分发挥微处理器 32位数据宽度的高性能。所使用的芯片是 K4S561632C-TC75芯片,其存储容量为 32MB ,工作电压为 3.3V, 支持自动刷新和自刷 新, 16位数据宽度。32位的 SDRAM 存储器系统是由两片 K4S561632C-TC75并联构建成,其中一片是 高 16位, 而另一片则是低 16位, 把两片 K4S561632C-TC75作为一个整体配置到 Bank6中,就是将 S3C2410的 nGCS6接到两片 K4S561632C-TC75的 /CS端;高位的 K4S561632C-TC75的 CLK 端接 S3C2410的 SCLK1端, 而低位的 K4S56163

48、2C-TC75的 CLK 端接 S3C2410的 SCLK0端;两片 K4S561632C-TC75的 CKE 端接 S3C2410的 SCKE 端; 两片 K4S561632C-TC75的 /RAS、 /CAS、 /WE端分别接 S3C2410的 nSDRAS 端、 nSDCAS 端、 nDWE 端; 两片 K4S561632C-TC75的 A12A0接 S3C2410的地址总线 ADDR14ADDR2; BA1、 BA0分别接 S3C2410的地址总线 ADDR25、 ADDR24;高 16位片的 DQ15DQ0接 S3C2410的数据总线的高 16位 DATA31DATA16,低 16位

49、片的 DQ15DQ0接 S3C2410的数据总线的低 16位 DATA15DATA0;高 16位片的 UDQM 、 LDQM 分别接 S3C2410的 nWEB3、 nWEB2,低 16位片的 UDQM 、 LDQM 分别接 S3C2410的 nWEB1、 nWEB0。同时需 要一些阻和电容来达到电压匹配和减小串扰作用。 SDRAM 存储器的电路图设计如图2-7所示。 图 2-7 SDRAM电路设计图nor Flash 存储器用于存储系统运行所需的程序和重要数据,即使掉电,程序和 数据也不会丢失。 本系统采用芯片 SS139VF160, 它的存储容量为 16M 位, 将 S3C2410的 nG

50、CS0接到 SS139VF160的 CE 端; SS139VF160的 OE 端和 WE 端分别接到 S3C2410的 nOE 端和 nWE 端;地址总线 A19A0与 S3C2410的地址总线 ADDR20ADDR1相连; 16位数据总线 DQ15DQ0与 S3C2410的低 16位数据总线 XDATA15XDATA0相连。 nor Flash 存储器设计如图 2-8所示。图 2-8 nor Flash电路设计图JTAG 是 IEEE 的标准规范,主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试,是 调试、 开发嵌入式系统的一种简洁高效的手段。 它有 14针接口和 20针接口, 本设计 选用了 2

51、0针接口。 标准的 JTAG 接口是 4线分别是 TMS (模式选择 、 TCK (测试时钟 、 TDI (测试数据输入 、 TDO (测试数据输出 。JTAG 调试接口需注意以下几点:(1尽可能按照标准的 20针口设计,即使用了 14针口的也要对应 20针口。 (2 nTRST 和 nRESET 信号不用时,要将这两个引脚用 10K 的电阻拉高,否则这两个引脚信号不确定,造成调试器不能连接目标系统。 (3 JTAG 上的输出信号都要用 10K 电阻拉高。JTAG 接口电路如图 2-9所示。 图 2-9 JTAG电路设计图RS-232C 标准采用的负逻辑的方式,标准逻辑“ 1”对应 -5V -

52、15V 电平, “ 0”对 应 +5V+15V电平;而 S3C2410的系统 LVTTL 的标准逻辑“ 1”对应 23.3V 电平, “ 0” 对应 00.4V 电平,即 RS-232C 标准所定义的高、低电平信号与 LVTTL 所定义的高、 低电平信号完全不一样 , 很明显, 必须要经过信号电平转换才能使两者进行通信, 目 前比较常用的是 MAX3232芯片,它的工作电压是 3.3V 。 UART 串行调试接口设计如图 2-10所示, RXD 端、 TXD 端、 RTS 端、 CTS 端分别为数据接收、数据发送、请求发送、 清除发送。 图 2-10 UART串行调试接口电路图2.6 外围扩展

53、电路USB 工作原理:USB 通用串行总线规范是以 Intel 为主,并由康柏、微软、 IBM 、 DEC 及日本 NEC 等共同制定的串行接口规格。 USB2.0规范向下兼容 USB1.1,数据的传输率达 120240Mbps ,为大数据量高速实施传输提供了强有力的通信方式,支持宽带数字摄 像设备及下一代扫描仪、扫描机及存储设备。USB 特点包括:高速数据传送、高自由度连接 /拓扑结构、带电插拔 /即插即用、 内置电源供给、支持多种传输模式USB 连接的建立是通过 ARM 发送命令来实现的, 这就允许 ARM 在决定与 USB建立 连接之前完成初始化程序。而 USB连接可以重新初始化而不需要

54、拔出。S3C2410内部集成一个 USB HOST 模块和 USB DEVICE 模块,采用的协议是 USB1.1协议,本系统选用的摄像头通过 HOST 端口来获得视频的信息,完成图像的信息的输 入, 同时 HOST 和 DEVICE 端口都可由 S3C2410的 CPU 直接驱动。 USB 模块如图 2-11 所 示。图 2-11 USB电路设计图大多数 ARM 都内嵌一个以太网控制器, 支持媒体独立接口和带缓冲 DMA 接口, 可 在半双工或全双工模式下提供 10M/100Mbps的以太网接入。 本系统采用 CS8900A 芯片, 它是一种集域网处理芯片, 在嵌入式中非常常见, 内部集成在 RAM 、 10BAST-T 收发滤 波器, 并且提供 8位或 16位接口。 CS8900网卡的工作原理:CS8900与 AR