單片機(jī)圖像采集與網(wǎng)絡(luò)傳輸

1.引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的普及，如何充分利用網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，已成為一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)。本文介紹一個(gè)用單片機(jī)與圖像采集模塊接口，嵌入TCP/IP協(xié)議棧，制作“網(wǎng)絡(luò)攝像頭”的方法。本網(wǎng)絡(luò)攝像頭在一個(gè)組播式視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)中，只作為組播源向以太網(wǎng)發(fā)送視頻圖像數(shù)據(jù)；其它監(jiān)控計(jì)算機(jī)則作為組播成員接收數(shù)據(jù)。整個(gè)視頻圖像發(fā)送和監(jiān)控系統(tǒng)在局域網(wǎng)中使用時(shí)，監(jiān)控接收端的PC機(jī)只要加入了組播組，不必知道網(wǎng)絡(luò)攝像頭的IP地址和 MAC地址，也不需要兩者的IP地址是在同一網(wǎng)段，均可接收到網(wǎng)絡(luò)攝像頭發(fā)出的圖像數(shù)據(jù)，使用起來(lái)相當(dāng)方便。

2. 硬件接口電路

網(wǎng)絡(luò)攝像頭的硬件接口電路如圖1所示。該電路采用的單片機(jī)是89C52芯片，另擴(kuò)展32K的外部存儲(chǔ)器，供網(wǎng)絡(luò)和圖像數(shù)據(jù)處理用。

圖1中的DB200是一個(gè)產(chǎn)品攝像模塊,它由微型攝像鏡頭、圖像緩存、時(shí)序發(fā)生、總線接口等電路構(gòu)成；其外接信號(hào)是一個(gè)16腳的插座（9 ~ 16腳分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)線D7 ~ D0，其它為地址、電源和讀寫(xiě)控制線）。

圖1中，U1、U4和DB200的片選信號(hào)由89C52的地址線A14、A15和74HC00的3個(gè)與非門(mén)提供：A15=0時(shí)選通U4；A15=1及A14=0時(shí)選通U1；A15=1及A14=1時(shí)選通DB200。DB200的第8腳接A13用來(lái)選擇其內(nèi)部寄存器。

RTL8019AS有3種工作方式：（1）跳線方式。（2）即插即用方式。（3）免跳線方式。RTL8019AS使用哪種工作方式由第65腳(JP)決定。為減少連線，我們采用跳線方式（把65腳接高電平）。這樣網(wǎng)卡的傳輸介質(zhì)、I/O基地址和中斷號(hào)就由74、77、78、79、80、81、82、 84、85等引腳狀態(tài)決定。

RTL8019AS的81、82、84、85（BD0-BD3）腳接低電平，對(duì)應(yīng)32個(gè)I/O寄存器地址范圍為300H - 31FH；78-80（BD4-BD6）腳接低電平，對(duì)應(yīng)中斷號(hào)為INT0（IRQ2/9）；74（BA14）、77（BD7）腳接低電平，為自動(dòng)檢測(cè)傳輸介質(zhì)方式。

RTL8019AS有20根地址（SA0-SA19）線，將其5、7、8、9、10（SA0-SA4）腳接89C52的A8-A12，將15、 16（SA8、SA9）腳接高電平來(lái)確?；刂窞?00H，其余地址線則全部接地。由于RTL8019AS的使能（AEN）信號(hào)是由89C52的 A15=1及A14=0時(shí)提供，因此我們可得出以下地址關(guān)系：
89C52：   A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9  A8   A7………A0
8019：                 SA4 SA3 SA2 SA1 SA0   …………
2進(jìn)制數(shù)：   1  0   0    0   0   0   0   0   0000 0000    16進(jìn)制數(shù)： 0X8000
2進(jìn)制數(shù)：   1  0   0    1   1   1   1   1   0000 0000    16進(jìn)制數(shù)： 0X9F00

可見(jiàn)，如果89C52輸出地址0X8000至0X9F00，均可選中RTL8019AS。由于RTL8019AS的SA9和SA8恒接高電平，當(dāng)89C52 的地址信號(hào)由0X8000至0X9F00變動(dòng)時(shí)，會(huì)有：SA9 SA8 SA7 SA6 SA5 SA4 SA3 SA2 SA1 SA0 =11 0000 0000 至 11 0001 1111，即對(duì)應(yīng)選擇RTL8019AS的I/O寄存器地址300H至31FH。

RTL8019AS的96腳（IOCS16B）接低電平，使其工作在8位總線模式；64腳接低電平，使用非AUI接口；31、32腳接高電平，屏蔽遠(yuǎn)程自舉加載功能；33腳所需復(fù)位信號(hào)，由89C52的P1.5提供；29、30腳對(duì)應(yīng)接89C52的讀寫(xiě)腳。

3. 軟件模塊設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)一般采用簡(jiǎn)化的TCP/IP協(xié)議棧。常用的有IP、ARP、UDP、ICMP、TCP以及HTTP等協(xié)議。為了嘗試實(shí)現(xiàn)一個(gè)最簡(jiǎn)易的嵌入式TCP/IP協(xié)議，我們選用UDP通訊方式。

UDP的通訊方式有3種：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、廣播和組播?？紤]到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊需要ARP協(xié)議來(lái)取得目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的物理地址，我們不用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊。至于廣播通訊和組播通訊，兩者都不需要ARP協(xié)議。但廣播方式有如下缺陷：（1）廣播數(shù)據(jù)報(bào)不能跨過(guò)路由器傳播；（2）廣播時(shí)本地子網(wǎng)的所有主機(jī)都會(huì)接收到廣播并作出響應(yīng)，既增加了非接收者的開(kāi)銷(xiāo)，保密性也不好。我們采用的組播方式不存在這些問(wèn)題，較適合作為網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的信息傳輸。

3.1 主程序工作流程

網(wǎng)絡(luò)攝像頭的圖像采集、打包、發(fā)送的軟件流程如圖2所示，對(duì)應(yīng)的主程序源碼見(jiàn)例程1。為了便于接收端正確判斷每幀圖像的開(kāi)始，主程序在發(fā)送1幀圖像數(shù)據(jù)前，先用Send_lwm( ) 函數(shù)發(fā)送特征字為“lwm”的4字節(jié)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)包（該函數(shù)從略），然后再發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。
void main(void)   //（例程1--循環(huán)采集和發(fā)送圖像數(shù)據(jù)的主程序）：
{  init_8019( );    // RTLS8019AS初始化。
     while(1)     // 循環(huán)采集和發(fā)送圖像：
  {  img_capture( );  //  采集1幀圖像。
    Send_lwm( );  // 發(fā)送圖像開(kāi)始的特征字“lwm”
    Send_img( );  // 發(fā)送1幀圖像數(shù)據(jù)。
  }
}

3.2  以太網(wǎng)控制芯片的初始化

RTL8019AS 芯片有32個(gè)寄存器地址，映射到4個(gè)頁(yè)面，每頁(yè)有16個(gè)寄存器。本系統(tǒng)只用0頁(yè)的14個(gè)（00-01H,04-0BH,0D-0EH,0F-10H）寄存器。程序先定義reg00－reg10, 然后用初始化函數(shù)init_8019( )對(duì)RTL8019AS各寄存器進(jìn)行配置：
#define  XBYTE ((unsigned char volatile xdata *) 0)
#define  reg00   XBYTE[0x8000]  //對(duì)應(yīng)300H  A15=1, A14=0,A13=A12=A11=A10=A9=A8=0
………………..
#define  reg10   XBYTE[0x9000]  //對(duì)應(yīng)310H  A15=1, A14=0,A13=0,A12=1,A11=A10=A9=A8=0
sbit   RST8019  = P1 ^ 5;      // RST8019AS的硬件復(fù)位端。
void  init_8019(void)           // （例程2--RTL8019AS的初始化）：
{  UINT C1; for(C1=0;C1<1000;C1++);  // 軟件延時(shí),確保芯片進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)
RST8019=1;   for(C1=0;C1<1000;C1++);  // 硬件復(fù)位、延時(shí)以確保芯片完全復(fù)位
RST8019=0;   for(C1=0;C1<1000;C1++);  // 硬件復(fù)位、延時(shí)以確保芯片完全復(fù)位
reg00=0x21;       // 選擇第0頁(yè)寄存器，并使芯片停止收發(fā)和DMA操作reg0e=0xC8;       // DCR： 采用普通、8位DMA方式
reg07=0xFF; reg0f=0x00;    // 清除和屏蔽所有中斷（本系統(tǒng)未采用中斷）  
reg0d=0xE0;       // TCR：采用普通發(fā)送模式、允許CRC產(chǎn)生和校驗(yàn)
}

為了節(jié)省資源，上述對(duì)RTLS8019AS的初始化中，凡是與發(fā)送無(wú)關(guān)的寄存器都沒(méi)有設(shè)置。發(fā)送時(shí)所要用的組播地址、物理地址和IP地址，則在打包時(shí)再封裝到各協(xié)議層數(shù)據(jù)包的頭部。

3.3  圖像數(shù)據(jù)的采集

負(fù)責(zé)圖像采集的DB200攝像模塊內(nèi)部有數(shù)據(jù)、狀態(tài)、采集控制和地址控制4個(gè)寄存器,表1是它們的尋址方式。對(duì)各寄存器的操作規(guī)則如下：

（1）寫(xiě)操作-對(duì)采集控制寄存器（CAP_CTRLr）D0位寫(xiě)1，可啟動(dòng)采集過(guò)程；對(duì)地址控制寄存器（CAP_INCr）D0位寫(xiě)一次1，其圖像緩存的地址就加1。

（2）讀操作-如果狀態(tài)寄存器（CAP_STAUSr）的D0=1，表示可以開(kāi)始圖像采集過(guò)程；D1=1表示已完成1幀圖像采集，可以讀取數(shù)據(jù)寄存器（CAP_DATAr）的圖像數(shù)據(jù)。

DB200工作的地址范圍是：1100 0000 0000 0000 ~ 1110 0000 0000 0000 = 0C00H ~ 0E00H。據(jù)此，我們可寫(xiě)出如下圖像采集函數(shù)（例程3）：
#define CAP_CONTROLr XBYTE[0X0C000]     //A15=1=A14, A13=0
#define CAP_STATUSr XBYTE[0X0C000]
void img_capture( )            // （例程3--圖像采集）：
{ while(!(CAP_STATUSr & 0x01));     // 檢查DB200是否準(zhǔn)備就緒？
 CAP_CONTROLr=0xff;        // 啟動(dòng)采集1幀圖像過(guò)程。
 while(!(CAP_CONTROLr & 0x02));     // 是否采集完1幀圖像？是就結(jié)束。
}
 img_capture( )函數(shù)只完成了1幀圖像數(shù)據(jù)的采集，采集好的數(shù)據(jù)存在DB200的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，留待Send_img( )函數(shù)讀取和發(fā)送。Send_img( )是以讀1行圖像數(shù)據(jù)就發(fā)送1行的方式工作。其源碼如下：
#define CAP_INCr  XBYTE[0X0E000]     //A15=1=A14,A13=1
#define CAP_DATAr  XBYTE[0X0E000]
extern  UCHAR xdata  outbuf[1520];
void Send_img( )           // （例程4--圖像數(shù)據(jù)的讀取和發(fā)送）：
{ UINT data Colon, Line ;
  for(Line=0;Line<288;Line++)        // 288行
  { for(Colon=0;Colon<385;Colon++)       // 385 列
   { databuf[Colon]=CAP_DATAr;     // 從 db200讀1個(gè)像點(diǎn)到databuf。
    CAP_INCr=0xff;        // db200圖像數(shù)據(jù)緩存地址加1。
   }
   udp_send(databuf, UDP_PORT, 386);        // 封裝并發(fā)送1行圖像數(shù)據(jù)。
  }
}

3.4  圖像數(shù)據(jù)的封裝

DB200采集完1幀圖像后，通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳送給89C52；89C52則將圖像數(shù)據(jù)按TCP/IP協(xié)議封裝成以太網(wǎng)幀（圖3），然后通過(guò)數(shù)據(jù)總線送給RTL8019AS；RTL8019AS則將以太網(wǎng)幀經(jīng)RJ45接口送到10M以太網(wǎng)上。

從圖3可以看到，每個(gè)以太網(wǎng)幀的最大長(zhǎng)度為1518字節(jié)，最小為64字節(jié)。其數(shù)據(jù)部分最大為1500字節(jié)，最小為46字節(jié)。每個(gè)UDP數(shù)據(jù)傳輸前，必須加上 8字節(jié)的UDP頭來(lái)構(gòu)成UDP數(shù)據(jù)報(bào)；再加上20字節(jié)的IP頭來(lái)構(gòu)成IP數(shù)據(jù)報(bào)；最后加上14字節(jié)的幀頭來(lái)構(gòu)成以太網(wǎng)幀。這就是所謂的數(shù)據(jù)包封裝。為了避免分段操作的麻煩，UDP數(shù)據(jù)報(bào)的最大長(zhǎng)度應(yīng)為1500 - 28=1472字節(jié)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們采用每行圖像數(shù)據(jù)（385字節(jié)）封裝一個(gè)包的方式傳輸數(shù)據(jù)。
void Data_send( UINT src_port, UINT datalen)    // （例程5--UDP數(shù)據(jù)報(bào)封裝）：
{ UDP_HEADER xdata * udp;    
 udp = (UDP_HEADER xdata *)(outbuf + 34); // 34=14（以太網(wǎng)幀頭長(zhǎng)）+ 20（IP報(bào)頭長(zhǎng)）  udp->dest_port = 2001;      // 目的端口號(hào)
 udp->source_port = 20011;     // 源端口號(hào)
 udp->length = 8 + datalen;     // UDP包總長(zhǎng)= UDP頭長(zhǎng)度+數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
udp->checksum = 0;       // 不校驗(yàn)UDP數(shù)據(jù)報(bào)
 ip_pack(outbuf, dest_ipaddr, udp->length); // 封裝IP包
}
void ip_pack(UCHAR xdata * outbuf, ULONG dest_ipaddr,  UINT datalen)//（例程6-封裝IP包）
{   IP_HEADER xdata * ip;    static UINT ip_ident;  // datalen為UDP數(shù)據(jù)報(bào)總長(zhǎng)度
   ip = (IP_HEADER xdata *)(outbuf + 14);    // 14字節(jié)為以太網(wǎng)幀頭長(zhǎng)度。
   ip->ver_len = 0x45;    ip->type_of_service = 0;  // 版本號(hào)和服務(wù)類(lèi)型。
   ip->total_length = 20 + datalen;        // 數(shù)據(jù)報(bào)總長(zhǎng)=IP頭長(zhǎng)度+數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
ip->identifier = ip_ident++;        // IP數(shù)據(jù)報(bào)序列號(hào)。
   ip->fragment_info = 0;                // IP數(shù)據(jù)報(bào)不分段。
   ip->time_to_live = 32;                // 生存時(shí)間。
   ip->protocol_id = UDP_TYPE;          // 協(xié)議類(lèi)型為UDP=17。
   ip->header_cksum = 0;          // 校驗(yàn)和清0。
 ip->dest_ipaddr = 0xEA050607L;    // 0xEA050607L=234.5.6.7 為目標(biāo)組播地址
 ip->source_ipaddr = 0xD224446FL;     // 0xD224446FL=210.36.68.111為本地IP地址
   ip->header_cksum = ~cksum(outbuf + 14, 20);  // 計(jì)算20字節(jié)的IP數(shù)據(jù)報(bào)頭校驗(yàn)和
 eth_send(outbuf,  34 + datalen);     // 封裝以太網(wǎng)幀并發(fā)送。
}

在上述例程5和例程6中，UDP的校驗(yàn)和是可選的，IP頭的校驗(yàn)和是必需的。例程5將UDP檢驗(yàn)和置為0，例程6則用cksum( )函數(shù)來(lái)計(jì)算IP頭校驗(yàn)和。本地IP地址可取任意有效值。

3.5  以太網(wǎng)幀的封裝和發(fā)送

從圖3可知，以太網(wǎng)幀封裝就是要將目的MAC地址、源MAC地址和所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類(lèi)型放到待發(fā)送的IP數(shù)據(jù)報(bào)前（成為以太網(wǎng)幀頭）。因?yàn)槲覀円M(jìn)行的是組播發(fā)送，所以目的MAC地址也必須是組播的MAC地址；而本地的源MAC地址我們就用01:02:03:04:05:06。

上面說(shuō)到，“IP組播地址”范圍是224.0.0.0到239.255.255.255。而以太網(wǎng)幀用到的“MAC組播地址”范圍是 01:00:5E:00:00:00－01:00:5E:7F:FF:FF 。MAC組播地址的構(gòu)成方法是：前3個(gè)字節(jié)固定用01:00:5E，后3個(gè)字節(jié)則用IP組播地址的后3個(gè)字節(jié)。所以我們用234.5.6.7作IP組播地址時(shí)，對(duì)應(yīng)的MAC組播地址就是 01:00:5E:05:06:07。

在下面的程序中，RTL8019AS用查詢(xún)方式進(jìn)行發(fā)送操作。
UCHAR code dest_hwaddr[6] = { 0x01, 0x00, 0x5E, 0x05, 0x06, 0x07}; // 目標(biāo)MAC組播地址
UCHAR code my_hwaddr[6] =  { 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06 }; // 源MAC地址
void eth_send(UCHAR xdata * outbuf,  UINT Data_len)  // （例程7--以太網(wǎng)幀封裝和發(fā)送）：
{ UINT i , send_len;  ETH_HEADER xdata * eth;   eth = (ETH_HEADER xdata *)outbuf;
 for(i=0;i<6;i++)         
 { eth->dest_hwaddr[i]= dest_hwaddr[i];     // 裝入目的MAC地址。
  eth->source_hwaddr[i]= my_hwaddr[i];     // 裝入源MAC地址。
 }
 eth->frame_type = IP_PACKET;       // 數(shù)據(jù)類(lèi)型為IP數(shù)據(jù)報(bào)
// send_len為實(shí)際要發(fā)送的以太網(wǎng)幀長(zhǎng)度，它不能小于60字節(jié)：
 send_len = (Data_len>=60) ? Data_len : 60 ;
 reg00=0x22;         // 選擇0頁(yè)寄存器，啟動(dòng)芯片。
 while( reg00 & 0x04 );      // 原來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送完沒(méi)有？完了往下執(zhí)行
 reg08=0x00;  reg09=0x40;     // 設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)開(kāi)始地址為4000H。
//設(shè)置（RBCR0-1）遠(yuǎn)端DMA傳送數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度（高、低字節(jié)）：
 reg0a=(unsigned char)(Data_len); reg0b=(unsigned char)(Data_len>>8);
 reg00=0x16;      // 設(shè)置遠(yuǎn)端DMA寫(xiě)，啟動(dòng)遠(yuǎn)端DMA傳送數(shù)據(jù)到發(fā)送緩沖區(qū)
 for(i=0;i<Data_len;i++) reg10=outbuf[i];   // 往RTL8019AS的I/O端口傳送圖像數(shù)據(jù)
 reg04=0x40;           // 設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)開(kāi)始地址高字節(jié)
//設(shè)置（TBCR0-1）發(fā)送字節(jié)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)長(zhǎng)度（高、低字節(jié)）：  
 reg05=(unsigned char)(send_len); reg06=(unsigned char)(send_len>>8);  
 reg00=0x26;         // 啟動(dòng)本地DMA操作，向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。
}

上述程序先設(shè)置好遠(yuǎn)端DMA開(kāi)始地址(RSAR)和遠(yuǎn)端DMA數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)(RBCR)，并設(shè)置遠(yuǎn)端DMA寫(xiě)( reg00=0x16)，就可以把圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)入RTL8019AS的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。給出發(fā)送緩沖區(qū)首地址和數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度后，啟動(dòng)發(fā)送命令 (reg00=0x26), RTL8019AS就會(huì)按以太網(wǎng)協(xié)議將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

4. 結(jié)束語(yǔ)

TCP/IP協(xié)議較復(fù)雜，嵌入式系統(tǒng)自身的資源又很有限，動(dòng)輒幾十K的TCP/IP協(xié)議棧，使很多入門(mén)者望而卻步。其實(shí)要在嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議，只不過(guò)就是編制各個(gè)符合TCP/IP協(xié)議規(guī)則的軟件模塊罷了。根據(jù)自己系統(tǒng)的具體情況編制專(zhuān)門(mén)的功能模塊，也可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)簡(jiǎn)化的TCP/IP協(xié)議棧。本文在此給出了一個(gè)可供借鑒的實(shí)例。

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