基于ARM的視頻監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)、軍事、民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，為這些行業(yè)的安全防范和環(huán)境監(jiān)控起到了不可忽視的作用。視頻監(jiān)控系統(tǒng)正逐步由模擬化走向數(shù)字化，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展和多媒體視頻編解碼技術(shù)的日益成熟，高性能、復(fù)雜的視頻流壓縮算法在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用成為了現(xiàn)實(shí)。如今監(jiān)控系統(tǒng)多采用專用處理器或RISC嵌入式處理器與DSP相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)，本文探討的是用ARM處理器與軟件壓縮相結(jié)合的辦法實(shí)現(xiàn)。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

首先需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體規(guī)劃，將系統(tǒng)劃分成幾個(gè)功能模塊，確定各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)方法。整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，從主體上分為兩部分：服務(wù)器端和客戶端。服務(wù)器端主要包括S3C2410平臺(tái)上運(yùn)行的采集、壓縮、傳輸程序，客戶端是PC機(jī)上運(yùn)行的接收、解壓、回放程序。視頻監(jiān)控終端從現(xiàn)場的攝像頭捕獲實(shí)時(shí)的視頻信息，壓縮之后通過以太網(wǎng)傳輸?shù)揭曨l監(jiān)控服務(wù)器上。

如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（圖1）所示，視頻圖像采集和打包發(fā)送在服務(wù)器端完成，圖像的接收解包和回放將在客戶端完成。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，主要包括以下幾個(gè)模塊：主控制器模塊、儲(chǔ)存電路模塊、外圍接口電路模塊、電源和復(fù)位電路，如圖2所示。

S3C2410主控器模塊

主控器模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，采用的S3C2410處理器是Samsung公司基于ARM920T處理器核的16/32位微控制器，該處理器最高運(yùn)行頻率可達(dá)到203MHz，它的低功耗、精簡和全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適合于對(duì)成本和功耗敏感的應(yīng)用。S3C2410提供了豐富的片內(nèi)資源，支持Linux，是本系統(tǒng)的合適選擇。它能完成整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度工作，在系統(tǒng)上電時(shí)配置所有需工作的芯片的功能寄存器，完成視頻流的編碼，并通過以太網(wǎng)控制器控制物理層芯片發(fā)送視頻碼流。

系統(tǒng)存儲(chǔ)電路模塊

主控器還需一些外圍存儲(chǔ)單元如Nand Flash，和SDRAM。Nand Flash 中包含Linux 的Bootloader、系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序以及環(huán)境變量和系統(tǒng)配置文件等；SDRAM讀寫速度快，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)把它作為內(nèi)存單元使用。設(shè)計(jì)采用了64M的Nand Flash和64M的SDRAM。

外圍電路模塊

本設(shè)計(jì)用到的外設(shè)有USB接口，網(wǎng)卡接口，RS232接口和JTAG接口。

視頻監(jiān)控終端的USB主控制器模塊通過專用的USB集線器與多個(gè)USB攝像頭相連。在實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)下，各個(gè)攝像頭上捕獲的圖像數(shù)據(jù)通過USB集線器傳輸?shù)揭曨l監(jiān)控終端的USB主控制器模塊上，然后再由USB主控制器模塊交由S3C2410處理器集中處理。S3C2410對(duì)采集到的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)編碼壓縮，編碼之后的碼流直接傳輸?shù)桨l(fā)送緩沖區(qū)中，等候發(fā)送。

本設(shè)計(jì)采用CS8900A擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口，它是CIRRUS LOGIC公司生產(chǎn)的16位以太網(wǎng)控制器，通過內(nèi)部寄存器的設(shè)置來適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。S3C2410通過地址、數(shù)據(jù)、控制線以及片選信號(hào)線對(duì)CS8900A網(wǎng)絡(luò)芯片進(jìn)行控制和通信。CS8900A與S3C2410的連接如圖3所示，CS8900A由S3C2410的nGCS3信號(hào)選通，CS8900A的INTRQ0端用來產(chǎn)生中斷信號(hào)，與S3C2410的16位數(shù)據(jù)總線相連，地址線使用了A[24:0]。

CS8900A以太網(wǎng)控制芯片通過DMA通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。首先設(shè)置好傳輸控制和傳輸?shù)刂芳拇嫫鞯膮?shù)，依次從指定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域讀取數(shù)據(jù)，送入內(nèi)部發(fā)送緩沖器中，用MAC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝發(fā)送。一組數(shù)據(jù)發(fā)送完后，請(qǐng)求DMA中斷，由S3C2410進(jìn)行處理。

RS-232接口與PC機(jī)串行總線相連，通過PC機(jī)對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)信息顯示和控制。而JTAG接口主要是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，還可將程序燒寫到Flash中。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)控終端的軟件設(shè)計(jì)主要完成兩方面的工作：

（1）在硬件上搭建一個(gè)軟件平臺(tái)，搭建嵌入式Linux軟件開發(fā)平臺(tái)需要完成UBOOT移植、嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核移植以及嵌入式Linux操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)等工作。

（2）在軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，開發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用程序。借助交叉編譯工具,開發(fā)視頻監(jiān)控終端上運(yùn)行的采集、壓縮、傳輸程序。

構(gòu)建基于S3C2410的Linux平臺(tái)

Linux具有許多優(yōu)點(diǎn)，如開放源碼；功能強(qiáng)大的內(nèi)核，支持多用戶、多線程、多進(jìn)程、實(shí)時(shí)性好、功能強(qiáng)大穩(wěn)定；大小功能可定制；支持多種體系結(jié)構(gòu)。

構(gòu)建嵌入式Linux開發(fā)平臺(tái)需要先構(gòu)建交叉編譯環(huán)境，如圖4所示。一套完整的交叉編譯環(huán)境包括主機(jī)和目標(biāo)機(jī)。在開發(fā)中主機(jī)是一臺(tái)裝有紅帽公司的FedoreCore 2操作系統(tǒng)的PC機(jī)，目標(biāo)機(jī)是基于S3C2410的視頻監(jiān)控終端。選用的交叉編譯器是GCC3.3.4 for ARM版，嵌入式Linux內(nèi)核源代碼包版本號(hào)為2.6.8RC。

2.6.8RC版的Linux內(nèi)核源代碼包中包含了所有的功能模塊。系統(tǒng)中只用到了其中的一部分。因此，編譯內(nèi)核之前首先要配置內(nèi)核，裁減掉冗余的功能模塊，經(jīng)過定制的內(nèi)核才符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)。具體步驟如下：

（1）鍵入命令make menuconfig，對(duì)內(nèi)核進(jìn)行配置，選擇YAFFS文件系統(tǒng)，支持NFS啟動(dòng)，系統(tǒng)使用的是USB接口的攝像頭，故要啟用USB設(shè)備支持模塊，包括USB設(shè)備文件支持模塊、USB主控制器驅(qū)動(dòng)模塊等。此外，USB攝像頭屬于視頻設(shè)備，為了使應(yīng)用程序能夠訪問它，還需要啟用Video4Linux模塊。

（2）用make dep命令生成內(nèi)核程序間依賴關(guān)系。

（3）make zImage命令生成內(nèi)核映像文件。

（4）make modules和make modules_install命令生成系統(tǒng)可加載模塊。

這樣就生成了zImage內(nèi)核映像文件，把它下載到目標(biāo)平臺(tái)的Flash中。

本設(shè)計(jì)采用USB外置攝像頭，在內(nèi)核配置時(shí)要求以模塊形式加載。首先要完成驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)中需要提供基本的I/O操作接口函數(shù)open、read、write、close的實(shí)現(xiàn)，對(duì)中斷的處理實(shí)現(xiàn)，內(nèi)存映射功能以及對(duì)I/O通道的控制接口函數(shù)ioctl等，并把他們定義在struct file_operations中。這樣當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進(jìn)行諸如open、close、read、write等，系統(tǒng)調(diào)用操作時(shí)，嵌入式Linux內(nèi)核將通過file_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動(dòng)程序提供的函數(shù)。接著把USB驅(qū)動(dòng)程序編譯成可以動(dòng)態(tài)加載的模塊，這樣攝像頭就可正常工作了。

視頻監(jiān)控終端軟件的設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)控終端軟件按功能分為三部分：視頻采集、壓縮、傳輸。這個(gè)軟件的開發(fā)都是基于先前配置好的嵌入式內(nèi)核。

(1）視頻采集部分

使用Video4Linux接口函數(shù)訪問USB攝像頭設(shè)備，捕獲實(shí)時(shí)的視頻流。首先完成v4l_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義，如設(shè)備基本信息，圖像屬性，各個(gè)信號(hào)源屬性等；采集模塊一方面通過USB集線器采集USB攝像頭中的圖像，另一方面啟動(dòng)多個(gè)采集線程，分別在不同的端口上監(jiān)聽，一旦有請(qǐng)求連接，采集線程立即從設(shè)備緩沖區(qū)中把視頻流數(shù)據(jù)讀出，放入到視頻處理緩沖區(qū)中進(jìn)行下一步的處理。

(2）視頻數(shù)據(jù)的壓縮部分

在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，大量的數(shù)據(jù)需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，為了保證傳輸質(zhì)量和傳輸實(shí)時(shí)性，就需要在傳輸之前進(jìn)行編碼壓縮以減少數(shù)據(jù)量，本文采用MPEG-4編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。在網(wǎng)絡(luò)上可以下載到開源的xvidcore軟件作為視頻壓縮的核心算法，xvidcore是一個(gè)高效的、移植性很強(qiáng)的多媒體編碼軟件，將它在PC機(jī)上進(jìn)行交叉編譯，生成的文件拷貝到目標(biāo)系統(tǒng)下。

(3) 視頻數(shù)據(jù)傳輸部分

傳輸模塊的作用在于把壓縮之后的視頻流傳送到遠(yuǎn)程的PC機(jī)客戶上，視頻流數(shù)據(jù)的傳輸是基于TCP/IP協(xié)議。視頻傳輸采用了標(biāo)準(zhǔn)的RTP傳輸協(xié)議。RTP是目前解決流媒體實(shí)時(shí)傳輸問題的最好辦法，在Linux平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)時(shí)流媒體編程，需要使用一些開放源代碼的RTP庫，如LIBRTP、JRTPLIB等。定義一種較為簡單的握手協(xié)議：PC機(jī)端的采集程序不停地發(fā)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包到采集終端，采集終端把已經(jīng)捕獲的圖像打包返回給主機(jī)。每個(gè)RTP信息包被封裝在UDP消息段中，然后再封裝在IP數(shù)據(jù)包中發(fā)送出去。接收方自動(dòng)組裝接收到的數(shù)據(jù)幀，還原成視頻數(shù)據(jù)。

結(jié)束語

本文介紹了一種基于ARM的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用軟壓縮算法，討論了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)和市場上其它視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比，開發(fā)周期短，價(jià)格低廉，適用于對(duì)視頻圖像要求不太高的場合。