嵌入式智能網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控終端的研究與設(shè)計
歐揚 付保川 2010/02/01
1.引言
隨著電子、計算機技術(shù)的發(fā)展,視頻監(jiān)控系統(tǒng)正從模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)方向發(fā)展。從硬件形式上看,視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段:模擬視頻信號監(jiān)控、PC機加視頻卡的數(shù)字視頻監(jiān)控和基于嵌入式技術(shù)的數(shù)字視頻監(jiān)控;赑C機技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)采用在普通PC機中插接視頻采集卡的集成方式,由視頻卡完成圖像采集、數(shù)字化和數(shù)據(jù)壓縮,PC機通過網(wǎng)卡和通信設(shè)備實現(xiàn)互連。這一類系統(tǒng)目前已經(jīng)占據(jù)市場主流。隨著嵌入式芯片技術(shù)和嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展與成熟,基于嵌入式體系結(jié)構(gòu)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)由于具備體積小、性能穩(wěn)定、安裝方便等優(yōu)越性能,越來越受到人們的關(guān)注。對于嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究,國外起步早,已有產(chǎn)品性能較好,但價格昂貴,國內(nèi)用戶一般無法承受。我國是近幾年開始這方面研究的,從已有研究成果來看,其監(jiān)控終端更多的是將成像系統(tǒng)、視頻數(shù)字化系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)接口集成于一體[3],而其監(jiān)控的智能化程度還遠(yuǎn)沒有得到開發(fā)應(yīng)用。
基于當(dāng)前的應(yīng)用背景和技術(shù)支持,本文設(shè)計了一種新型的具有入侵掃描功能的嵌入式智能網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控終端,此監(jiān)控終端具備視頻采集、視頻檢測功能,帶有以太網(wǎng)接口、TCP/IP協(xié)議棧、WEB
Server,可直接與Internet互連,Internet上的授權(quán)用戶使用標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器就可以根據(jù)IP地址訪問此終端,查看檢測到的目標(biāo)圖像。相比傳統(tǒng)基于PC機+視頻采集卡模式的監(jiān)控終端,本終端體積小,成本低,安裝方便,系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小,具備智能檢測運動目標(biāo)功能,可以實現(xiàn)無人職守,非常適合家庭、住宅小區(qū)、銀行、倉庫等單位的安全防范。
2.系統(tǒng)組成與工作原理
為實現(xiàn)視頻實時檢測以及網(wǎng)絡(luò)傳輸功能,本監(jiān)控終端采用ARM+DSP的體系框架,系統(tǒng)組成如圖1所示,主要包括以ARM S3C4510B為核心的主控兼網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊,以SAA7111為核心的視頻采集模塊,以DSP
TMS320C6202為核心的視頻檢測模塊,以CPLD EPM7128為核心的控制模塊,以及電源管理模塊等。系統(tǒng)具備視頻采集、視頻檢測、圖像數(shù)據(jù)的打包、網(wǎng)絡(luò)傳輸、控制等功能。其工作流程是:主控CPU
S3C4510B上電初始化,SAA7111初始化,S3C4510B系統(tǒng)自檢、裝載TMS320C6202程序至RAM、啟動DSP,設(shè)定SAA7111初始參數(shù),攝像機的模擬信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、緩存后,DSP及其外圍電路對其進行運動目標(biāo)檢測,將檢測結(jié)果通過DSP的HPI接口傳遞給S3C4510B,S3C4510B對數(shù)據(jù)打包,建立套接字通訊服務(wù)器,等待連接進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。
3.硬件設(shè)計
3.1 S3C4510B及其外圍電路設(shè)計
本終端采用SAMSUNG公司開發(fā)的S3C4510B芯片作為主控制器。S3C4510B是一款高性能ARM體系結(jié)構(gòu)的32位嵌入式微處理器,具有很強的實時多任務(wù)支持能力和擴展能力,以及小體積、低功耗、高性能等系列特點。內(nèi)嵌雙通道緩沖DMA的以太網(wǎng)控制器和極強的外圍擴展能力是本次設(shè)計選擇它的重要原因。S3C4510B以及外圍芯片F(xiàn)lASH、SDRAM存儲器組成了整個系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)各模塊工作。本設(shè)計對S3C4510B內(nèi)部的SDRAM和ROM進行了擴充,F(xiàn)LASH選用MX29L3211,容量為4MB。外擴SDRAM選用MICRO的MT48LC4M16A2TG,容量為8MB。
S3C4510B與TMS320C6202的通信電路設(shè)計采用16位主機接口(HPI)來實現(xiàn),HPI利用并行總線接口技術(shù),使主控處理器可以在無需DSP干涉的情況下訪問DSP的內(nèi)部存儲器。在利用HPI實現(xiàn)主控處理器和C6202之間進行數(shù)據(jù)交換時,允許數(shù)據(jù)緩存、實時數(shù)據(jù)登錄和信息處理。本設(shè)計中,主機接口(HPI)主要實現(xiàn)以下兩個功能:第一,在系統(tǒng)啟動時,實現(xiàn)DSP的程序裝載。第二,在S3C4510B和TMS320C6202之間,進行控制信息的傳遞。S3C4510B響應(yīng)DSP的中斷信號,讀取圖像檢測結(jié)果,轉(zhuǎn)交于uClinux操作系統(tǒng),打包發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)。
3.2 視頻采集
本設(shè)計中所使用的圖像采集設(shè)備是CCD攝像頭,由于CCD攝像頭輸出的信號為模擬信號,系統(tǒng)選用PHILIP公司的SAA7111圖像解碼芯片,以此來完成圖像的數(shù)字化過程,以及對水平和垂直同步等信號的分離。
SAA7111有很多種功能供用戶選擇,功能的選定可以通過對寄存器的設(shè)置來完成。本系統(tǒng)的研究對象是基于256級的灰度圖像,輸入信號采用PAL體制,結(jié)合系統(tǒng)處理速度的具體要求,對芯片作如下配置:采用YUV4:2:2的信號格式,只取Y(亮度)信號,分辨率為256×256像素。選用I2C總線信號對SAA7111工作寄存器初始化,然后SAA7111開始實現(xiàn)反混迭濾波、線性相位鎖定、亮色分離、視頻A/D變換等功能,同時產(chǎn)生行同步信號HS、場同步信號VS、奇偶場標(biāo)志信號RTSO、像素時鐘信號LLC2、數(shù)字視頻信號,這些信號從芯片的管腳直接輸出,將模擬視頻信號解碼為標(biāo)準(zhǔn)的YUV格式的數(shù)字視頻信號[4]。在CPLD的控制下,將其存入FIFO幀存儲器中,通過DSP的DMA通道存入SDRAM,以便DSP進行圖像處理。
3.3 邏輯控制
本系統(tǒng)在實時圖像采集與檢測工作中,有大量邏輯轉(zhuǎn)換和讀寫等邏輯時序運算的問題,如FIFO的HF信號作為啟動DMA中斷的標(biāo)志信號,由SAA7111的CREE、HS、VS譯碼產(chǎn)生控制輸入數(shù)據(jù)緩沖FIFO器件的寫時序,以及由DSP的Cex信號譯碼產(chǎn)生的控制輸入數(shù)據(jù)緩沖FIFO器件的讀時序等。為解決以上邏輯轉(zhuǎn)換和時序產(chǎn)生的問題,系統(tǒng)設(shè)計采用可編程邏輯控制器件CPLD
,選用EPM7128SQC 100。該器件不僅滿足了相應(yīng)的邏輯時序設(shè)計的要求,而且還提供控制信號,通過編程實現(xiàn)系統(tǒng)各模塊所需要的選通、緩沖、讀/寫使能、數(shù)據(jù)總線和地址總線的切換等。
3.4 DSP外圍電路設(shè)計與視頻檢測
為了實現(xiàn)視頻檢測,采用TI公司的DSP芯片TMS320C6202,其內(nèi)部有8個并行處理單元,兩個16bit乘法器和6個算術(shù)邏輯單元,32bit外部存儲器接口(EMIF:External
Memory Interface),支持與異步外設(shè)、異步/同步FIFO、PCI橋以及外部主控處理器等的接口。此外,還有16bit的主機接口HPI、兩個多通道緩沖串口McBSP(多通道緩沖串口),它不僅可完成標(biāo)準(zhǔn)串口的全雙工串行通信,還支持多種通信協(xié)議下的直接接口。DSP不僅完成視頻實時檢測,還通過12C總線對SAA7111內(nèi)部的32個寄存器操作,完成初始化參數(shù)設(shè)置。
為了DSP程序快速、可靠運行,采用FLASH和高速SDRAM方式。其中,F(xiàn)LASH選用AMD公司生產(chǎn)的8MB的AM29LV800B,用于存儲程序和初始化數(shù)據(jù),通過DSP的EMIF導(dǎo)入C6202進行圖像處理操作。SDRAM
選用8MB的HY57V651620B,用于實時圖像數(shù)據(jù)的緩存。C6000系列的數(shù)字信號處理器的EMIF提供了對SDRAM的直接支持,接口十分方便。系統(tǒng)加電運行時,DSP自動將程序和初始化數(shù)據(jù)從FLASH裝入到高速SDRAM,裝入完畢,程序在高速SDRAM中全速運行。
考慮到圖像數(shù)據(jù)采集與DSP處理時的速度匹配問題,系統(tǒng)在圖像采集模塊和DSP模塊間采用了數(shù)據(jù)緩沖FIFO器件,經(jīng)圖像采集模塊產(chǎn)生的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)首先緩沖至FIFO中,然后利用FIFO的HF等信號作為啟動DSP中DMA中斷的標(biāo)志信號,在此基礎(chǔ)上,利用FIFO的HF啟動DSP的DMA通道將圖像數(shù)據(jù)傳送至DSP擴展的SDRAM中,從而有效地減少了由圖像數(shù)據(jù)輸入引發(fā)的DSP中斷的次數(shù),提高了DSP中斷的效率。
由于圖像采集模塊的SAA7111提供給DSP的數(shù)據(jù)是TTL電平,其邏輯高電平為5V,而DSP的I/O的邏輯高電平是3.3V,因此在SAA7111輸出的圖像數(shù)據(jù)和DSP的I/O之間還需增加LVTH162245電平轉(zhuǎn)換器件,以滿足數(shù)據(jù)電平轉(zhuǎn)換的需要。
本設(shè)計中采集的是灰度圖像,為了實現(xiàn)入侵掃描功能,要求能夠存儲兩場圖像。考慮到檢測實時性要求,采用基于幀間差分的變化檢測。檢測運動目標(biāo)時,考慮到對目標(biāo)大小的選擇性以及為了克服光照變化引起的虛警報,
在幀間差分基礎(chǔ)上,引入圖像塊概念,將圖像分成M個n×n的子塊,判斷每一子塊圖像是否發(fā)生變化,統(tǒng)計發(fā)生變化的子塊數(shù)目,判斷式為:
敏感項,α為抑制系數(shù),N為檢測區(qū)域內(nèi)的像素數(shù)目。采用這種塊比較法,閾值取值范圍大大減小,易于確定,而且對運動目標(biāo)的大小也有一定的選擇性。在檢測每一子塊圖像是否發(fā)生變化時,引入光照敏感項,避免了因光照變化引起的虛警。這種方法對光線變化有一定的自適應(yīng)性,擴展了系統(tǒng)的動態(tài)適用范圍。
3.5 網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計
S3C4510B集成了以太網(wǎng)的MAC接口控制器,因此對外界的網(wǎng)絡(luò)接口只需要添加物理層芯片和RJ-45接口。這一部分電路在S3C4510B應(yīng)用手冊上有詳細(xì)的電路設(shè)計參考。本系統(tǒng)選用的物理層芯片是LXT970A(10/100MB),本監(jiān)控終端通過RJ-45接口可以方便地接入以太網(wǎng)。
4.軟件設(shè)計
本終端選用uClinux嵌入式操作系統(tǒng), uClinux可移植性很強,支持多任務(wù),具有完備的TCP /IP協(xié)議棧,同時對其他許多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都提供支持,這對于開發(fā)網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用程序比較方便。本終端軟件部分的設(shè)計主要包括uClinux操作系統(tǒng)的平臺移植以及uClinux下各硬件設(shè)備的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的開發(fā)。
本終端軟件包括視頻采集、視頻檢測、主控程序和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葢?yīng)用程序,為了保證系統(tǒng)硬件的正常工作,其中還包括硬件初始化程序、以及為各種設(shè)備編寫的底層驅(qū)動程序。驅(qū)動程序中需要完成的任務(wù)包括:對設(shè)備以及對應(yīng)資源初始化和釋放;讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)并回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù)等。編寫的底層驅(qū)動程序包括:C6202,S3C4510B內(nèi)部串口、網(wǎng)絡(luò)接口芯片LXT970A等。嵌入式操作系統(tǒng)啟動時先加載設(shè)備驅(qū)動程序,完成設(shè)備的初始化工作,然后調(diào)用應(yīng)用程序完成相應(yīng)功能。
5.結(jié)束語
本文設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控終端,可以自動檢測入侵目標(biāo)并將檢測到的視頻數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)進行網(wǎng)絡(luò)傳輸。本監(jiān)控終端體積小,安裝方便,組網(wǎng)靈活,真正實現(xiàn)無人職守,可應(yīng)用于住宅小區(qū)、銀行、倉庫等單位的安全防范。隨著家庭局域網(wǎng)的普及,其在家庭遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控方面必然有著廣泛的應(yīng)用前景。
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