首頁>>>技術(shù)>>>視像通信  視像通信產(chǎn)品

ARM9系列遠(yuǎn)程圖像無線監(jiān)控系統(tǒng)

何明聰 胡繼承 孫世磊 2010/01/28

  對圖像監(jiān)控系統(tǒng),用戶常常提出這樣的功能需求:希望能夠監(jiān)控距離較遠(yuǎn)的對象

  這些對象有可能分布在郊區(qū)、深山,荒原或者其他無人值守的場合;另外,希望能夠獲取比較清晰的監(jiān)控圖像,但對圖像傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求并不高,很明顯,用傳統(tǒng)的PC機(jī)加圖像采集卡的方式很難滿足這樣的需求。

  在嵌入式領(lǐng)域,ARM9系列微處理器在高性能和低功耗方面提供了最佳的性能,因此選用ARM9嵌入式處理器S3C2440設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)遠(yuǎn)程圖像光線監(jiān)控系統(tǒng)通過這個(gè)系統(tǒng),可以遠(yuǎn)在千里之外控制一個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集并回傳。如果這個(gè)攝像機(jī)有一個(gè)485接口的云臺,還可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制攝像機(jī)的取景角度、鏡頭拉伸、聚焦等功能.

  除了獲取圖像數(shù)據(jù).系統(tǒng)還提供了多路開關(guān)控制和數(shù)據(jù)采集功能,可以連接溫度、濕度等各類傳感器和控制紅外夜視燈等其他外部設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)。最后,通過GPRS或CDMA無線通信模塊及Internel互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳至任何地方

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  本系統(tǒng)采用三星公司的S3C2440嵌入式處理器和arm-linux2.4.26操作系統(tǒng);S3C2440使用ARM920T內(nèi)核,主頻是400MHz;除了集成通用的串口控制器、USB控制器、A/D轉(zhuǎn)換器和GPIO等功能之外,還集成了一個(gè)攝像頭接門(CAMIF)(這個(gè)接口是遠(yuǎn)程圖像采集的核心部分)。系統(tǒng)在S3C2440處理器的控制下,從CCD攝像機(jī)采集模擬視頻信號,然后經(jīng)過編碼、DMA傳輸?shù)絻?nèi)存緩沖,接著由軟件對內(nèi)存中的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和打包.最后通過通信單元將圖像以IP包的方式發(fā)送到監(jiān)控中心的服務(wù)器。整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理如圖1所示


  1.1 圖像采樣接口

  S3C2440的攝像頭接口(CAMIF)支持ITU-R BT.601/656

  YCbCr8比特標(biāo)準(zhǔn)的圖像數(shù)據(jù)輸入,最大可采樣4096×4096像素的圖像。攝像頭接口可以有兩種模式與DMA控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸:一種是P端口模式,把從攝像頭接口采樣到的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為RGB數(shù)據(jù),并在DMA控制下傳輸?shù)絊DRAM(一般這種模式用來提供圖像預(yù)覽功能);另一種是C端口模式,把圖像數(shù)據(jù)按照YCbCr4:2:0或4:2:2的格式傳輸?shù)絊DRAM(這種模式主要為MPEG-4、H.263等編碼器提供圖像數(shù)據(jù)的輸入)。上述兩種工作模式都允許設(shè)置一個(gè)剪輯窗口,只有進(jìn)入這個(gè)窗口的圖像數(shù)據(jù)才能夠傳輸?shù)絊DRAM。上述過程可用圖2說明。


  S3C2440的攝像機(jī)接口接收ITU標(biāo)準(zhǔn)的圖像數(shù)據(jù),不能直接接收CCD攝像機(jī)輸出的模擬視頻信號,因此還需要1片SAA7113視頻解碼芯片。SAA7113可以輸入4路模擬視頻信號,通過內(nèi)部寄存器的不同配置可以對4路輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)換,輸入可以為4路CVBS或2路S視頻(Y/C)信號,輸出8位“VPO”總線,為標(biāo)準(zhǔn)的ITU656、YUV 4:2:2格式。對SAA7113初始化需要通過I2C 總線進(jìn)行,而S3C2440內(nèi)部集成的I2C控制器正好可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程。S3C2440的攝像機(jī)接口與SAA7113的連接原理如圖3所示。


  SAA7113 的CE 引腳與S3C2440 的一個(gè)GPIO 引腳相連,這樣可以控制SAA7113的工作狀態(tài)。當(dāng)無須采集圖像時(shí),將該GPIO口輸出低電平,使SAA7113芯片處于低功耗狀態(tài),節(jié)省電能的消耗。對照圖2和圖3可以看出,SAA7113芯片就是圖2的“外部圖像傳感器”。它向嵌入式系統(tǒng)的攝像機(jī)接口提供了采樣到的標(biāo)準(zhǔn)ITU視頻數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過DMA的P端口或C端口控制傳輸?shù)搅藘?nèi)存,這樣就可以在內(nèi)存中對圖像數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的加工處理。

  1.2 圖像采樣接口的驅(qū)動

  按照Linux視頻設(shè)備驅(qū)動的模型V4L(video for Linux)編寫了SAA7113與S3C2440攝像機(jī)接口的驅(qū)動。驅(qū)動使用C端口模式與DMA進(jìn)行通信。采樣1幀圖像之前,首先設(shè)置采樣圖像的分辨率和剪輯窗口大小等參數(shù),然后設(shè)置DMA控制器訪問的視頻采樣輸出緩沖的內(nèi)存地址,接著就可以通過設(shè)置S3C2440的CAMIF接口控制寄存器啟動1幀圖像的采集。當(dāng)采集完1幀圖像時(shí),CAMIF接口會自動啟動1次C端口的DMA通信,把采集的圖像數(shù)據(jù)傳到內(nèi)存。傳輸結(jié)束后,會產(chǎn)生一個(gè)C端口的中斷,通知驅(qū)動1幀數(shù)據(jù)采樣和傳輸結(jié)束。具體來說,這個(gè)驅(qū)動需要實(shí)現(xiàn)以下功能:

  初始化S3C2440的CAMIF接口的時(shí)鐘寄存器。主要是根據(jù)SAA7113的外接晶振頻率設(shè)置攝像機(jī)時(shí)鐘分頻寄存器(CAMDIVN)。該寄存器的0~3位是分頻系數(shù),其計(jì)算方法是:

  CAMCLK_DIV=UPLL/(CAMCLK * 2)-1
  (初始化代碼略— — 編者注)

  配置CAMIF接口的采樣參數(shù)。主要是輸入源圖像數(shù)據(jù)的格式、輸出的圖像格式、采樣的窗口大小、DMA的訪問地址等參數(shù)。這里定義了一個(gè)結(jié)構(gòu),用于存儲與CAMIF接口相關(guān)的配置信息:

  struct s3c2440_camif_cfg_t {
  int src_x; //輸入的源圖像寬度
  int src_y; //輸入的源圖像高度
  int
  dst_x; //輸出的目標(biāo)圖像寬度
  int dst_y; //輸出的目標(biāo)圖像高度
  int dst_fmt;
  //輸出的目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)格式
  int pre_x; //預(yù)覽通道(P端口模式)輸出的圖像寬
  int pre_y;
  //預(yù)覽通道(P端口模式)輸出的圖像高
  int pre_fmt; //使用通道(P端口模式)時(shí)設(shè)為1
  __u16 bypass;
  //為1時(shí)表示不啟用按比例的圖像放大/縮小
  __u16 ycbcr; //輸入圖像的YcbCr順序
  struct s3c2440_camif
  *dev; //設(shè)備的系統(tǒng)信息
  };

  上述這些配置信息最終是與一系列的寄存器相關(guān)聯(lián)的。這個(gè)結(jié)構(gòu)為讀/寫寄存器提供了一個(gè)清晰的、集中的存儲緩沖。

  打開、關(guān)閉和控制攝像機(jī)的接口函數(shù)。這3個(gè)接口函數(shù)是按V4L規(guī)范編寫的,其原型如下:

 、 打開攝像機(jī)接口函數(shù):

  static int
  v4l_cam_open(struct video_device *v,int mode);

 、 控制攝像機(jī)接口函數(shù):

  static int
  v4l_cam_ioctl(struct video_device *v,unsigned int cmd,void *arg);

  ③ 關(guān)閉攝像機(jī)接口函數(shù):

  static void v4l_cam_close(struct video_device *v);

  中斷處理接口函數(shù)。該中斷處理函數(shù)在使用C端口模式完成1幀圖像采集后被調(diào)用。函數(shù)原型定義如下:

  static void
  s3c2440_camif_isr_c(int irq,void *dev_id,struct pt_regs *regs);

  讀取圖像數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)函數(shù)。該函數(shù)通過dev→rdy的值判斷1幀圖像有無采集轉(zhuǎn)換結(jié)束。如果該值置1,則表示采樣結(jié)束,這時(shí)就可以從圖像數(shù)據(jù)的緩沖中拷貝數(shù)據(jù)到用戶的存儲空間;如果為0,則函數(shù)進(jìn)入阻塞或返回EAGAIN標(biāo)志。順便提一下,dev→rdy的值是在中斷處理函數(shù)中設(shè)置的。(實(shí)現(xiàn)代碼略——編者注)

  1.3 圖像數(shù)據(jù)的壓縮

  S3C2440的CAMIF接口處理得到的1幀圖像數(shù)據(jù)比較大,還要經(jīng)過進(jìn)一步的壓縮才能適合進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。S3C2440處理器內(nèi)部沒有提供硬件的圖像壓縮編碼器,但因?yàn)樗闹黝l較高,可以使用軟件來進(jìn)行圖像壓縮?紤]到CPU的處理能力和對單幀采樣圖像的清晰度有較高的要求,采用基于離散余弦變換算法(DCT)的JPEG/MJPEG方式對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼。

  1.4 圖像數(shù)據(jù)的傳輸

  通信單元承擔(dān)了圖像的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。在本系統(tǒng)中,有兩種通信單元可供使用。一種是GPRS/CDMA無線傳輸模塊。它們通過串口與S3C2440處理器相連接,在以太網(wǎng)絡(luò)傳輸線纜難以鋪設(shè)的環(huán)境中可以使用這種通信方式。它的缺點(diǎn)是通信帶寬小,傳輸速度慢,但是如果對實(shí)時(shí)性要求不高,也能夠傳輸高清晰的靜態(tài)圖片。另一種通信單元是10MHz的CS8900a以太網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。它可與局域網(wǎng)相連接,然后將監(jiān)控圖像發(fā)送到局域網(wǎng)的監(jiān)控服務(wù)器或者通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上。這種通信方式速度高,實(shí)時(shí)性好,但監(jiān)控現(xiàn)場要安裝有線的以太網(wǎng)絡(luò)。

  1.5 攝像機(jī)云臺的控制

  攝像機(jī)的云臺控制接口采用RS485通信方式。因S3C2440內(nèi)部只有RS232的控制器,為此使用MAX485芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)RS232到RS485的轉(zhuǎn)換接口。該電路原理如圖4所示。


  圖4中RS485的數(shù)據(jù)流方向由GPE13口的電平進(jìn)行控制。

2.系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

  系統(tǒng)軟件包含下位機(jī)軟件、服務(wù)器軟件和客戶端軟件。下位機(jī)軟件部署在遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控設(shè)備上。這個(gè)軟件作為一個(gè)Linux的守護(hù)進(jìn)程啟動,負(fù)責(zé)壓縮采樣到的圖像數(shù)據(jù),并把壓縮后的圖像打包,然后通過Socket通信方式上傳到監(jiān)控服務(wù)器。如果使用GPRS/CDMA無線傳輸模塊,上位機(jī)軟件在系統(tǒng)啟動完成后,就自動進(jìn)行PPP撥號,建立起一條TCP/IP的通信管道?蛻舳塑浖渴鹪谝慌_連接到互聯(lián)網(wǎng)的PC機(jī)上,它提供給最終用戶瀏覽監(jiān)控畫面,設(shè)置監(jiān)控參數(shù)等功能。服務(wù)器軟件也部署在一臺連接到互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)上。這臺計(jì)算機(jī)在互聯(lián)網(wǎng)上有固定的IP或者域名,服務(wù)器軟件作為一個(gè)后臺進(jìn)程啟動,為客戶端和遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控設(shè)備之間的通信起到一個(gè)橋梁的作用。因?yàn)檫h(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的IP地址是動態(tài)的,無法被客戶端直接尋址,因此就需要服務(wù)器作為雙方通信的中間橋梁。

  下位機(jī)軟件通過驅(qū)動程序提供的接口,在遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控設(shè)備中完成硬件的初始化、控制等功能,同時(shí)又負(fù)責(zé)圖像的壓縮和傳輸。它是所有設(shè)備的控制中樞,因此這里著重描述下位機(jī)軟件的工作流程,如圖5所示。


  為了省電,一些像SAA7113、攝像機(jī)和夜視紅外燈等大功耗的器件和設(shè)備只有在需要時(shí)才工作,所以這些設(shè)備在初始化時(shí)都是斷開電源的。

  下位機(jī)程序讀取保存在設(shè)備上的設(shè)備ID號(該ID號是唯一的),以及監(jiān)控服務(wù)器的域名/IP地址和端口,然后下位機(jī)程序作為Socket連接的客戶端主動與監(jiān)控服務(wù)器進(jìn)行連接。連接成功之后,送出設(shè)備的ID號。這時(shí)如果有監(jiān)控的客戶端想要查看某個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的圖像,只要向監(jiān)控服務(wù)器發(fā)出請求,告訴服務(wù)器要連接的設(shè)備ID號,服務(wù)器就會根據(jù)這個(gè)ID號對應(yīng)的Socket句柄,為客戶端和遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備建立一個(gè)Socket連接通道。

3.總結(jié)

  遠(yuǎn)程圖像無線監(jiān)控系統(tǒng)在高壓輸電線路的覆冰監(jiān)測中得到了成功的應(yīng)用。在野外全天候環(huán)境下,適時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測高壓輸電線路覆冰厚度,同時(shí)發(fā)出預(yù)警處理信息,從而有效地避免了斷纜事故的發(fā)生。

  遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)以及LSI、VLSI集成電路的發(fā)展而發(fā)展的,而基于ARM9嵌入式處理器的本系統(tǒng)正是這些技術(shù)學(xué)科相互交叉和融合發(fā)展的集中體現(xiàn)。實(shí)踐證明,ARM9處理器的低功耗、高性能和多功能的特性滿足了遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控的許多特殊需求,是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控的很好選擇。

21ic



相關(guān)閱讀:
通過集成濾波器實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量模擬視頻重建 2010-01-28
多媒體網(wǎng)絡(luò)視頻會議業(yè)務(wù)的現(xiàn)狀與未來 2010-01-26
探究視頻轉(zhuǎn)碼技術(shù)與系統(tǒng)要求相匹配 2010-01-25
基于多核媒體處理器 實(shí)施HD視頻轉(zhuǎn)碼標(biāo)準(zhǔn)戰(zhàn)略 2010-01-25
通過改善視頻和編解碼器接口降低DVR系統(tǒng)成本 2010-01-25

分類信息:  視像通信_與_國防  視像通信_與_視頻監(jiān)控技術(shù)