基于DSP的視頻檢測(cè)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 摘要：提出一種視頻測(cè)和遠(yuǎn)程控制的嵌入式設(shè)計(jì)方法，解決了采用具有高性能的數(shù)據(jù)處理功能的DSP作為視頻檢測(cè)處理器的設(shè)計(jì)總是；同時(shí)，提出在嵌入式操作系統(tǒng)中通信平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了在嵌入式操作系統(tǒng)中PCI總線的設(shè)備驅(qū)動(dòng)以及通過(guò)PPP協(xié)議與Internet建立連接。

    關(guān)鍵詞：視頻檢測(cè) PCI總線 PPP協(xié)議

引言

隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)以及圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺(jué)和視頻檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能交通、設(shè)備制造等很多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的視頻檢測(cè)往往采用工控機(jī)作為其視頻處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。這種方法往往由于工控機(jī)處理速度的問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)不同方向同時(shí)進(jìn)行視頻檢測(cè)，而且由于視頻檢測(cè)處理過(guò)程需要占用大量的處理時(shí)間，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程控制功能。

目前在遠(yuǎn)程控制和通信方面，基于DOS和Windows操作系統(tǒng)的通信平臺(tái)得到普遍的引用，但是DOS操作系統(tǒng)作為單任務(wù)操作系統(tǒng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多任務(wù)功能和實(shí)時(shí)處理的要求；而Windows操作系統(tǒng)作為視窗操作系統(tǒng)，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性也無(wú)法與實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作相比擬。

本文提出一種以DSP作為視頻檢測(cè)處理芯片，以Linux為操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要包括視頻檢測(cè)卡和x86通信平臺(tái)的設(shè)計(jì)2個(gè)部分。視頻檢測(cè)卡主要包括模擬圖像采集、轉(zhuǎn)換、DSP視頻檢測(cè)3個(gè)部分，每塊交換參數(shù)檢測(cè)卡擴(kuò)充PCI總線接口，插在通信開(kāi)發(fā)平臺(tái)的PCI總線插口上，通過(guò)PCI總線同通信平臺(tái)交換數(shù)據(jù)。通信平臺(tái)處理多塊交通參數(shù)檢測(cè)卡的通信問(wèn)題，將視頻檢測(cè)卡通過(guò)PCI總線傳送過(guò)來(lái)的視頻檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給控制中心。系統(tǒng)的功能方框圖如圖1所示。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，視頻檢測(cè)卡功能主要分為：模擬圖像采集、模擬圖像A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩存以及DSP視頻檢測(cè)5個(gè)部分。視頻檢測(cè)卡流程如圖2所示。

本系統(tǒng)采用Philips公司的SAA7111A來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬圖像A/D轉(zhuǎn)換。該芯片可實(shí)現(xiàn)多路選通、鎖相與時(shí)序、時(shí)鐘產(chǎn)生與測(cè)試、ADC、亮色分離等功能。其輸出可以具有如下格式：YUV 4：1：1（12bit）、YUV 4：2：2（16bit）、YUV 4：2：2(CCIR-656)（8bit）等。由于DSP處理芯片和SA7111A的時(shí)序不同，可以通過(guò)CPLD進(jìn)行邏輯控制FIFO來(lái)完成數(shù)據(jù)緩存的功能。

DSP是實(shí)時(shí)信號(hào)處理的核心。本系統(tǒng)采用TI公司DSP芯片——TMS320C6211。該芯片屬C6000的定點(diǎn)系列，C6211在這個(gè)系列中是性價(jià)比最高的一種。C6211處理器由3個(gè)主要部分組成：CPU內(nèi)核、存儲(chǔ)器和外設(shè)。集成外設(shè)包括EDMA控制器、外存儲(chǔ)器接口（EMIF）、主機(jī)口（HPI）、多通道緩沖接口（McBSP）、定時(shí)器、中斷選擇子、JTAG接口、PowerDown邏輯以及PLL時(shí)鐘發(fā)生器。通過(guò)EMIF接口擴(kuò)充SDRAM，而PCI總線控制芯片的擴(kuò)展通過(guò)HPI接口。

PCI總線的接口芯片PCI9050，主要包括PCI總線信號(hào)接口和本地總線（LOCAL BUS）信號(hào)。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，只需將本地總線信號(hào)的接口通過(guò)電平轉(zhuǎn)換連接到DSP的HPI接口，同時(shí)擴(kuò)展PCI接口就可以完成其硬件電路設(shè)計(jì)。

2 通信開(kāi)發(fā)平臺(tái)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通信開(kāi)發(fā)平臺(tái)以x86為核心器件，擴(kuò)充PCI總線，通過(guò)Modem撥號(hào)，實(shí)現(xiàn)x86與Internet的連接。

2.1 PCI總線設(shè)備驅(qū)動(dòng)

PCI設(shè)備有3種物理空間：配置空間、存儲(chǔ)器空間和I/O空間。配置空間是長(zhǎng)度為256字節(jié)的一段連接空間，空間的定義如圖3所示。在配置空間中只讀空間有設(shè)備標(biāo)識(shí)、供應(yīng)商代碼、修改版本、分類代碼以及頭標(biāo)類型。其中供應(yīng)商代碼用來(lái)標(biāo)識(shí)設(shè)備供應(yīng)商的代碼；設(shè)備標(biāo)識(shí)用來(lái)標(biāo)識(shí)某一特殊的設(shè)備；修改版本標(biāo)識(shí)設(shè)備的版本號(hào)；分類代碼用來(lái)標(biāo)識(shí)設(shè)備的種類；頭標(biāo)類型用來(lái)標(biāo)識(shí)頭類型以及是否為多功能設(shè)備。除供應(yīng)商代碼之外，其它字段的值由供應(yīng)商分配。

命令字段寄存器用來(lái)提供設(shè)備響應(yīng)的控制命令字；狀態(tài)字段用來(lái)記錄PCI總線相關(guān)事件（詳細(xì)的命令控制和狀態(tài)讀取方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)4）。

基地址寄存器最重要的功能是分配PCI設(shè)備的系統(tǒng)地址空間。在基地址寄存器中，bit0用來(lái)標(biāo)識(shí)是存儲(chǔ)器空間還是I/O地址空間?；刂芳拇嫫饔成涞酱鎯?chǔ)器空間時(shí)bit0為“0”，映射到I/O地址空間時(shí)bit0為“1”?；刂房臻g中其它一些內(nèi)容用來(lái)表示PCI設(shè)備地址空間映射到系統(tǒng)空間的起始物理地址。地址空間大小通過(guò)向基地址寄存器寫(xiě)全“1”，然后讀取其基地址的值來(lái)得到。

PCI設(shè)備的驅(qū)動(dòng)過(guò)程主要包括下面幾個(gè)步驟。

首先，PCI設(shè)備的查找。在嵌入式操作系統(tǒng)中一般提供相應(yīng)的API函數(shù)，在Linux操作系統(tǒng)中通過(guò)函數(shù)pcibios_find_device(PCI_VENDOR_ID,PCI_DEVICE,index,&bus,&devfn)可以找到供應(yīng)商代碼為PCI-ID，設(shè)備標(biāo)識(shí)為PCI-DEVICE的第n(index+1)個(gè)設(shè)備，并且返回總線號(hào)和功能號(hào)，分別保存于bus和devfn中。

第2步，PCI設(shè)備的配置。通過(guò)操作系統(tǒng)提供的API函數(shù)訪問(wèn)PCI設(shè)備的配置空間，配置PCI設(shè)備基址寄存器的配置、中斷配置、ROM基地址寄存器的配置等，這樣可以得到PCI的存儲(chǔ)器空間和I/O地址空閑映射，設(shè)備的中斷號(hào)等。在Linux操作系統(tǒng)中，訪問(wèn)PCI設(shè)備配置空間的API函數(shù)有pcibios_write_config_byte、pcibios_read_config_byte等，它們分別完成對(duì)PCI設(shè)備配置空間的讀寫(xiě)操作。

第3步，根據(jù)PCI設(shè)備的配置參數(shù)，對(duì)不同的設(shè)備編寫(xiě)初始化程序、中斷服務(wù)程序以及對(duì)PCI設(shè)備存儲(chǔ)空間的訪問(wèn)程序。

    2.2 遠(yuǎn)程控制與通信鏈路的建立

與Internet連接的數(shù)據(jù)鏈路方式主要有Ethernet方式和串行通信方式。Ethernet連接方式是一種局域網(wǎng)的連接方式，廣泛應(yīng)用于本地計(jì)算機(jī)的連接。通過(guò)Modem進(jìn)行撥號(hào)連接的串行通信方式，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信，下面詳細(xì)介紹串行通信接口協(xié)議方式。

串行通信協(xié)議有SLIP、CSLIP以及PPP通信協(xié)議。SLIP和CSLIP提供一種簡(jiǎn)單的通過(guò)串行通信實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝方式，通過(guò)RS232串行接口和調(diào)試解調(diào)器接入Internet。但是這種簡(jiǎn)單的連接方式有很多缺陷，如每一端無(wú)法知道對(duì)方IP地址；數(shù)據(jù)幀中沒(méi)有類型字段，也就是1條串行線路用于SLIP就不能同時(shí)使用其它協(xié)議；SLIP沒(méi)有在數(shù)據(jù)幀中加上檢驗(yàn)和，當(dāng)SLIP傳輸?shù)膱?bào)文被線路噪聲影響發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，無(wú)法在數(shù)據(jù)鏈路層檢測(cè)出來(lái)，只能通過(guò)上層協(xié)議發(fā)現(xiàn)。

PPP（Point to Point Protocal，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議）修改了SLIP協(xié)議中的缺陷。PPP中包含3個(gè)部分：在串行鏈路上封裝IP數(shù)據(jù)報(bào)的方法；建立、配置及測(cè)試數(shù)據(jù)鏈路的鏈路控制協(xié)議（LCP）；不同網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議（NCP）。PPP相對(duì)于SLIP來(lái)說(shuō)具有很多優(yōu)勢(shì)；支持循環(huán)冗余檢測(cè)、支持通信雙方進(jìn)行IP地址動(dòng)態(tài)協(xié)商、對(duì)TCP和IP報(bào)文進(jìn)行壓縮、認(rèn)證協(xié)議支持（CHAP和PAP）等。圖4為PPP數(shù)據(jù)幀的格式。

PPP的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)2個(gè)后臺(tái)任務(wù)來(lái)完成。協(xié)議控制任務(wù)和寫(xiě)任務(wù)。協(xié)議控制任務(wù)控制各種PPP的控制協(xié)議，包括LCP、NCP、CHAP和PAP。它用來(lái)處理連接的建立、連接方式的協(xié)商、連接用戶的認(rèn)證以及連接中止。寫(xiě)任務(wù)用來(lái)控制PPP設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)報(bào)的發(fā)送過(guò)程，就是通過(guò)寫(xiě)任務(wù)往串行接口設(shè)備寫(xiě)數(shù)據(jù)的過(guò)程，當(dāng)有數(shù)據(jù)報(bào)準(zhǔn)備就緒，PPP驅(qū)動(dòng)通過(guò)信號(hào)燈激活寫(xiě)任務(wù)，使之完成對(duì)串行接口設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程。PPP接收端程序通過(guò)在串行通信設(shè)備驅(qū)動(dòng)中加入“hook”程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。在串行通信設(shè)備接收到1個(gè)數(shù)據(jù)之后，中行設(shè)備的中斷服務(wù)程序（ISR）調(diào)用PPP的ISR。當(dāng)1個(gè)正確的PPP數(shù)據(jù)幀接收之后，PPP的ISR通過(guò)調(diào)度程序調(diào)用PPP輸入程序，然后PPP輸入程序從串行設(shè)備的數(shù)據(jù)緩存中將整個(gè)PPP數(shù)據(jù)幀讀出，根據(jù)PPP的數(shù)據(jù)幀規(guī)則進(jìn)行處理，也就是分別放入IP輸入隊(duì)列或者協(xié)議控制任務(wù)的輸入隊(duì)列。

PPP現(xiàn)在已經(jīng)廣泛為各種ISP（Internet Sever Provider）接受，而Linux操作系統(tǒng)下完全支持PPP協(xié)議。在Linux下網(wǎng)絡(luò)配置過(guò)程中，通過(guò)1個(gè)Modem建立與ISP的物理上的連接，然后在控制面板（Control Panel）里面選擇Netowrks Configuration。在接口（Interface）里面加入PPP設(shè)備，填入ISP電話號(hào)碼、用戶以及密碼，同時(shí)將本地IP和遠(yuǎn)端IP設(shè)置為0.0.0.0，修改/ETC/PPP/OPTION，加上DEFAULTROUE，由ISP提供缺省路由，這樣就完成了設(shè)備的PPP數(shù)據(jù)鏈路設(shè)置過(guò)程，可以通過(guò)Internet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)方法已成功應(yīng)用于智能交換系統(tǒng)的交通參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)中。在該系統(tǒng)中，采用4塊DSP視頻檢測(cè)卡實(shí)現(xiàn)4個(gè)不同路面區(qū)域的交通參數(shù)檢測(cè)，同時(shí)采用Linux作為通信平臺(tái)的操作系統(tǒng)；通過(guò)PPP協(xié)議建立與監(jiān)控中心的連接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對(duì)各個(gè)視頻檢測(cè)卡的遠(yuǎn)程控制。

本文提出的視頻檢測(cè)和遠(yuǎn)程控制的嵌入式系統(tǒng)；通過(guò)PPP協(xié)議建立與監(jiān)測(cè)中心的連接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對(duì)各個(gè)視頻檢測(cè)卡的遠(yuǎn)程控制。

本文提出的視頻檢測(cè)和遠(yuǎn)程控制的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，充分利用了DSP的高性能的數(shù)據(jù)處理功能和嵌入系統(tǒng)操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)穩(wěn)定的特點(diǎn)，采用PPP協(xié)議建立與Internet的連接，實(shí)現(xiàn)視頻檢測(cè)的遠(yuǎn)程控制。這種DSP信號(hào)處理與嵌入式操作系統(tǒng)相結(jié)合的模式，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、產(chǎn)品制造、智能交通等的視頻檢測(cè)領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。