无线数字视频监控系统设计-图文

2008芷第10期仪表技术与InstrumentTechnique2008No.10无线数字视频监控系统设计赵纯,王红亮(中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,中北大学电子与计算机科学技术学院,山西太原030051摘要:介绍了无线视频采集传输方案,利用CMOS微型数字图像传感器0V7660采样空间图像,DSP控制器TMS320DM642芯片根据OV7660同步时序控制图像数据采集,并实现基于H.263的实时编码压缩,压缩后的视频流经由基于TCP/IP协议的以太网无线传榆到远程监控中心,最后通过上位机处理软件解码还原图像。另外,对压缩后的视频数据还可以通过USB接口进行本地存储,便于校验和查询。采用软硬件相结合的方式,降低了系统开发成本。关键词:OV7660;TMS320DM642;实时压缩;无线传输中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1002—1841(200810—0046—03、DesignofWirelessDigitalVideoSurveillanceSystemZHAOChun,WANGHong-liang(KeyLabratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurement,MinistryofEducationNorthUnivereityofChina,SchoolofElectronicandComputerScienceandTechnology,Taiyuan030051,ChinaAbstract:Theprojectofvideoacquisitionandwirelesstransferswasintroducedindetail.TheimagewassampledbymicrodigitalCMOSsensorOV7660.Accordingtothesynchronaltimerof7660,DSPcontrolledthewholecapturingprocess.TheimagedatawascompressedinH263arithmeticbyDSP.Thecompressedimagedatawastransferredbymultimedianetworkbasedonpro—tocolTCP/1Ptoremotemonitorcenter.ThesoftwareontheremotePCdecodedthetransferreddataandshowedthevideointhescreen.Inaddition,thesystemcanstoreoriginvideoofYUVformatbyUSBinterfaceonlocal.Thecostofthesystemisreducedbythemethodofcombinationofhardwareandsoftware。Keywords:OV7660;TMS320DM642;realcompress;wirelesstransfers0引言图像监控技术的发展经历了3个主要阶段:模拟图像监控技术、基于PC的数字图像监控技术和基于嵌入式系统的数字图像监控技术。目前,国内还较多地使用本地模拟图像监控系统,能够保证采集到的图像清晰、不失帧,但存在传输距离小,系统可扩展性差,后期处理能力不强,无法实现图像数据的大容量存储,无法利用现有的网络等方面的局限…。基于这些考虑,一种应用于无线或有线的监控系统可有效降低这种局限性。它利用HPI接口可以实现监控系统的有线连接,利用无线发射芯片可以实现无线传输,避免了有线传输带来的弊端,如铺设视频线和视频线的维护等,可广泛应用于准实时性图像处理系统。1系统整体方案无线数字监控系统主要由4部分构成,分别为图像采集、图像压缩、图像传输和图像显示。系统结构框图如图1所示。图像采集前端采用微型数字图像传感器OV7660采样空间图像数据,通过USB通道传送数据至本地主机进行存储和实时显示;图像压缩主要采用TMS320DM642通用多媒体数字可编程处理器完成,采用低码率的H.263编码将采集到的YUV格式原始数据压缩为H.263格式的视频流;图像传输部分则完成图像数据由本地硬盘向远程监控中心的传输;图像显示部分可基金项目:国家自然科学基金资助(50535030收稿日期:2007—08—30收修改稿日期:2008—05—29将采集到的图像数据在远程浏览器上显示出来,供用户浏览、保存、编辑、打印等。一害焉磊蔼OV7660[JSB][本地PC图1系统结构框图2系统硬件设计无线数字监控系统的硬件构成如图2所示。图像传感器OV7660和多媒体数字信号处理器DM642的视频端口VP构成系统的图像采集部分。DM642完成图像预处理、图像压缩编码、网络协议栈等功能,其以太网媒体存取控制器EMAC和外加的以太网收发器LXT971A、变压器XFMR以及网络接口RJ一45构成了系统的网络传输部分。FLASH用来存储整个系统的程序代码和启动代码;SDRAM为程序、数据存储器;EEPROM用于存储OV7660的配置信息、IP地址、MAC地址等相关参数。2.1监控系统采集前端OV7660是一款1/5”低电压、完全可编程数字单片摄像芯片,数字视频输出端提供8位的数据输出格式,图像数据逐行输出到Y0~Y7。OV7660具有丰富的编程控制功能,可通过篓焉万方数据第lO期赵纯等:无线数字视频监控系统设计47VSYNC_.VP0(汀L1MTCLK4'--MTCLKPCLK----4*VPOCLK0MTXEN_.MTXENTPFOP_.TPFOPHREF-_■VPOCTL2MCOL●一MCOLTPFON--pTPFONY[7:0】VPOD[2:91MCRS+一MCRSTPFIP._TPFIPS10D..SDAMTXD[0:3]MTXD[0:3]TPFIN●_TPFIN7660岛OJC■一sCLMRcLK●一MRCLKTXP--bTXPMRXD[0:31MRXD[0:3】TXM--pTXMGPIFADR0●l_HCNTL0MRXER._MRXERRXP-RXPMRXDV._MRXDVGPIFADRl●-一HCNTLlRXMq--RXMCⅡm■一HR/W68013CTLl●—_百西豇MDCLK..MDCLK￥558RDY0q---HRDYMDl0t'MDl0R】45INT0+_HINTLXT971A叫25MHzPB[7:0】HD[7:0】DM642图2硬件框图SCCB对其图像帧频、曝光时间、增益控制、Gamma校正、图像开窗等进行设置。对于数字图像传感器芯片OV7660,要实现单芯片采集仅需要电压和时钟供给。该系统利用LDO线性稳压器产生1.8、2.5、2.8V电压;利用3.3V的24MHz晶振作为OV7660的外部输入时钟。处于工作模式时,0V7660产生VSYNC、HREF、PCLK3种同步信号,分别为场同步输出脉冲、行同步输出信号和用来锁存有效数据的时钟(当系统时钟为24MHz时,PCLK为24MHz,即像素时钟。当HREF为高电平、VSYNC为低、PCLK上升沿时,图像数据有效,这3种同步信号是图像数据获取、传输的状态信号口J。2.2DSP控制采集压缩模块该部分是整个系统的重点,数字图像的采集压缩控制电路如图2所示。以OV7660芯片作为图像采集芯片,DSP控制器采用TMS320DM642芯片,主频为600MHz.图像芯片所采集的图像数据按设定的频率(0.5—30I缈s,在DSP控制下,直接将其送到片外存储器,待压缩处理。压缩编码采用DSP芯片完成。由于视频处理中具有大量的数据,DSP芯片具有数据空间与存储空间分离,数据运算和数据存储同时进行以及快速访问片内空间等特点。2.3无线传输模块DM642片上集成了一个以太网媒体存取控制器(EMAC,采用标准的MII接口(MediaIndependentInterface可直接连接以太网收发器。系统采用LXT971作为物理层网络处理芯片,通过RJ一45接口与以太网相连。由于MII接口支持MAC,而DM642内部集成了以太网媒体存取控制器,所以LX'1971可以和DM642实现无缝连接。网络连接原理如图2所示。从DM642传输过来的数据通过LX7971转换为以太网物理层能接收的数据后,通过RJ一45传输到因特网。DM642的EMAC负责以太网数据帧收发,提供标准的MII接口,可与外置以太网收发器LXT971A直接相连。MDIO模块负责对LXT971A进行配置以及读取其工作状态。LXT971A可在外部连接25MHz有源时钟,以提供高达100Mbit/s的网络传输速率。在此基础上,LXT971A还负责提供EMAC部分的接收时钟MRCLK和发送时钟MTCLK.在LXT971A与RJ一45之间连接了一个隔离变压器￥558—5999一耵7,其主要作用是将外部线路与LXT971A隔离,防止信号干扰及外部冲击窜入烧坏元器件,从而实现带电插拔功能。2.4本地存储USB模块采用CY7C68013作为USB控制芯片,是可编程外围接口,其数据传输速度可以达到56MB/s,可以提供USB2.0的最大带宽。系统用TMS320DM642通过HPI接口与CY7C68013进行数据交换实现本地存储。该系统读取图像数据时采用的是GPIF模式,CY7C68013作为主机,是HPI的主控者,它可以通过HPI接口直接访问CPU的内存空间。HPI接口的硬件连接如图2所示。CY7C68013的地址线与HCNTL[1:0]引脚相连,可以通过对不同地址的访问,来实现对HPI的3个寄存器的访问。HR/w与CTL0相连,CTL0作为HPI接口的读写选通信号。HRDY与输入信号线RDY0连接,用于查询HPl接口是否己经准备好进行1次数据传输。HINT作为外部中断信号,与CY7C68013的INrIU相连。3系统软件设计系统的软件部分主要由DSP控制采集压缩程序、USB读取本地数据的固件程序和驱动程序以及图像解码显示软件3部分构成。DSP程序可以很好地控制0V7660实时采集图像数据,将捕获到的图像压缩为H.263格式视频流;USB固件程序和驱动程序完成对压缩后数据的回读和本地存储。图像采集软件完成图像的捕获并由用户选择保存成BMP文件或YUV视频流;图像解码显示软件可以使通过GPRS模块传输至远程计算机上的压缩后文件解码并显示出来。3.1视频采集压缩DSP程序DSP程序功能包括OV7660芯片初始化、寄存器设置及H.263压缩编码实现。通过TMS320DM642的SDA、SCL控制IIC总线对图像传感器0V7660的寄存器进行初始化设置,完成对图像芯片的初始化,数据输出格式、分辨率、亮度、色度、曝光时间等设置。H.263压缩编码的实现过程是DSP程序的重点。在编码万方数据InstrumentTechniqueandSensorOct.2008初始化阶段,预先在SDHAM中开设3个帧缓冲区,分别用于保存当前编码帧、当前编码图像重建帧、参考图像帧的数据。内部存储器用于保存编码过程中频繁访问的数据,每次处理从外部输入帧缓冲区读人的Ⅳ个宏块,对每个宏块进行运动估计和补偿、DCT变换、量化、编码,同时重建当前宏块。编码流程如图3所示。初始化编码器参数编码块组层7++从SDRAM读人当前要编编码块组中的每一宏块码的一帧图像到帧缓冲区●●更新块组量化参数l编码图像层l+——叫!岛匠多读入当前编码的块组数据到片内缓冲区山YI.......................~发送当前帧的编码数据●更新图像量化参数值图3编码器编码流程图TI推出的基于C64x的图像库函数,包括压缩/解压、图像分析、图像滤波/格式转换3大类,该系统使用的函数有8×8块DCT和IDCT,8×8块SAD和16×16块SAD.另外,利用流水处理提高了程序的并行性。3.2USB固件程序USB接口的功能主要是读取压缩后数据到本地计算机进行存储,读数模式采用GPIF.固件程序作为连接硬件和软件的一个桥梁,由以下几部分组成:(1USB2.0接口的初始化程序设计。通过对CY7C68013寄存器进行设定,使其工作频率为48MHz;同时通过对CY7C68013的IFCONFIG寄存器设定,使其CY7C68013工作在从GPlF方式下。(2GPIF读数程序。对DSP压缩后数据根据同步信号进行逻辑控制,编写GPIF波形,避免数据丢失。(3主程序设计。在主程序中,还要给出USB控制传输的固件应答程序及相应的中断初始化。3.3视频解码还原通过VisualC++6.0实现图片的解码、图片的显示及视频流的播放。4结束语系统采用0V7660直接输出数字信号,集成度高,实现单芯片采集;采用DSP芯片DM642进行基于H.263的视频压缩处理,因其具有可编程性,便于系统的改进和升级。USB接口传输速度高,实现视频的本地存储;以太网无线传输模块完成数字视频的无线传输.为野外和恶劣环境工作提供了方便。该方案结构合理,各部分模块功能明确,可广泛应用于无线或有线的监控系统,如无人值守的仓库、机房、变电所、事故现场等。参考文献:(上接第45页该项目采用控件MSComm实现串行通信"o,把MSComm控件加到VC++程序中,在对话框中创建通信控件MSComm,这种方法简单易用。数据库对采集的数据进行存储,以便对机动车尾气含量情况进行分析,同时数据库可以简化一些用户的操作,还可以对存储的数据进行选择和查找,根据系统的功能需要,数据库软件采用了Access2000。采用基于Windows的窗口化程序设计方法,上位机软件系统见图5,包括串口通信、数据库管理、显示监控界面、报表输出等功能模块。文中仅介绍与串口通信相关的程序流程。首先,上位机完成串口的初始化,在需要采集数据时,上位机先通过串口发送命令,然后发控制符确定是进行远程控制还是接收所有数据,最后接收下位机发送来的数据(一组或多组,在传输完成后关闭串L]。此后,上位机根据用户设定的采集周期,等待一段时间后进行下一次数据采集。该例中的远程控制仅包括更改下位机的系统时间和存储数据的时间间隔。该系统可以进行人机交互,采集尾气含量。4结束语该Zigbee无线传感网