淺談AT91RM9200的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.引言

隨著通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控重要場所已倍受人們關(guān)注，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在此背景下產(chǎn)生，并成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是一種結(jié)合傳統(tǒng)攝像機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所產(chǎn)生的新一代攝像機(jī)，它可以將影像通過網(wǎng)絡(luò)傳至地球另一端，且遠(yuǎn)端的瀏覽者不需用任何專業(yè)軟件，只要標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器（如"Microsoft IE或Netscape）即可監(jiān)視其影像。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)要將高清晰度的實(shí)時(shí)視頻信息通過互聯(lián)網(wǎng)傳送到監(jiān)控終端，因其信息量巨大，所以必須壓縮。通常人們采用DSP與MPEG-4算法相結(jié)合的方案來實(shí)現(xiàn)，不僅編程工作量大，而且產(chǎn)品的成本高。本文所介紹的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采用專用的MPEG-4壓縮芯片、以嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，不僅開發(fā)便捷、成本低廉，而且實(shí)時(shí)性好，適用范圍廣。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。這兩部分工作是互相聯(lián)系的，需要交叉進(jìn)行，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是開發(fā)人員進(jìn)行的工作，他們將系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段得到的目標(biāo)系統(tǒng)的邏輯模型轉(zhuǎn)換為目標(biāo)系統(tǒng)的物理模型，該階段得到工作成果――系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書是下一個(gè)階段系統(tǒng)實(shí)施的工作依據(jù)。硬件設(shè)計(jì)模塊主要包括微控制器模塊、微控制器是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。

微控制器誕生于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，其成本越來越低，而性能越來越強(qiáng)大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無處不在，遍及各個(gè)領(lǐng)域。例如電機(jī)控制、條碼閱讀器/掃描器、消費(fèi)類電子、游戲設(shè)備、電話、HVAC、樓宇安全與門禁控制、工業(yè)控制與自動(dòng)化和白色家電（洗衣機(jī)、微波爐）等。壓縮編碼模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊和相機(jī)控制模塊四部分。

微控制器模塊主要由主控芯片、DataFlash和SDRAM（1）組成。其中，主控芯片是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度工作。DataFlash里固化了嵌入式Linux內(nèi)核、及其文件系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和系統(tǒng)配置文件。壓縮編碼模塊由視頻數(shù)據(jù)采集芯片、MPEG-4壓縮編碼芯片、SDRAM（2）組成，負(fù)責(zé)將視頻流轉(zhuǎn)化為MPEG-4碼流。網(wǎng)絡(luò)接口模塊主要是配合主控芯片傳送MPEG-4碼流。相機(jī)的控制模塊主要由串口芯片組成，其完成轉(zhuǎn)發(fā)控制相機(jī)命令的功能。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，微控制器通SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口）將Linux內(nèi)核轉(zhuǎn)入SDRAM（1）中，系統(tǒng)從SDRAM（1）中啟動(dòng)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，微控制器通過HPI（Host Peripherial Interface，主機(jī)接口）控制MPEG-4編碼模塊。統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

軟件設(shè)計(jì)部分主要包括嵌入式Linux移植、MPEG-4壓縮編碼模塊、CGI控制程序和MPEG-4解碼程序四部分。嵌入式Linux系統(tǒng)存放到由AT91RM9200控制的DataFlash里，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)軟件的調(diào)度工作。MPEG-4壓縮編碼模塊主要負(fù)責(zé)模擬視頻流的采集，并將數(shù)字視頻流壓縮為MPEG-4數(shù)據(jù)流。CGI控制程序主要負(fù)責(zé)對攝像機(jī)的控制和對MPEG-4視頻流的相關(guān)設(shè)置。簡稱CGI.在物理上是一段程序，運(yùn)行在服務(wù)器上，提供同客戶端HTML頁面的接口。這樣說大概還不好理解。那么我們看一個(gè)實(shí)際例子：現(xiàn)在的個(gè)人主頁上大部分都有一個(gè)留言本。留言本的工作是這樣的：先由用戶在客戶端輸入一些信息，如名字之類的東西。接著用戶按一下"留言"（到目前為止工作都在客戶端），瀏覽器把這些信息傳送到服務(wù)器的CGI目錄下特定的cgi程序中，于是cgi程序在服務(wù)器上按照預(yù)定的方法進(jìn)行處理。在本例中就是把用戶提交的信息存入指定的文件中。然后cgi程序給客戶端發(fā)送一個(gè)信息，表示請求的任務(wù)已經(jīng)結(jié)束。此時(shí)用戶在瀏覽器里將看到"留言結(jié)束"的字樣。整個(gè)過程結(jié)束。MPEG-4解碼程序主要負(fù)責(zé)對通過網(wǎng)絡(luò)得到的MPEG-4數(shù)據(jù)流的解碼工作。

3.硬件設(shè)計(jì)

3.1微控制器模塊

微控制器是本系統(tǒng)的核心部件，選用的是ATMEL公司的AT91RM9200.它是一款基于ARM920T核的32位微控制器。其主頻為180MHz，處理速度快，功能強(qiáng)，性價(jià)比高，能很好滿足嵌入式Linux系統(tǒng)的需求。它在系統(tǒng)中的主要作用是在系統(tǒng)上電時(shí)配置其他芯片的功能寄存器，在正常工作狀態(tài)下調(diào)度控制整個(gè)系統(tǒng)工作，通過片內(nèi)以太網(wǎng)控制器控制物理層芯片發(fā)送碼流。

AT91RM9200通過片內(nèi)的SPI總線和SDRAM控制器實(shí)現(xiàn)對外圍DataFlash和SDRAM的控制，利用片內(nèi)的USART實(shí)現(xiàn)對串口芯片的控制，通過片內(nèi)的以太網(wǎng)控制器對片外網(wǎng)絡(luò)芯片進(jìn)行控制。其控制原理圖如圖2所示。

圖2控制原理圖

3.2壓縮編碼模塊

壓縮編碼模塊包括模擬視頻采集模塊和MPEG-4壓縮模塊。視頻采集芯片采用TI公司的TVP5150，數(shù)據(jù)壓縮芯片采用映佳公司的MPG440.TVP5150輸入端可是兩種混合視頻信號也可是S-Video端子的視頻信號，支持NTSC、PAL、SECAM等3種制式，其輸出的數(shù)據(jù)色彩格式可以為8bit 4：2：2數(shù)字信號或者8bit同步ITU-R BT.656數(shù)字信號。MPG440芯片具有符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的16b/32b的雙向主機(jī)接口，分別用來與視頻采集芯片和微控制器芯片通信。同時(shí)，具有移動(dòng)偵測、防偽水印、動(dòng)態(tài)調(diào)整IP畫格比率、動(dòng)態(tài)調(diào)整圖像質(zhì)量等特性，支持D1、VGA、CIF、QVGA、QCI等五種分辨率模式。微壓縮編碼模塊的硬件設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

圖3壓縮編碼電路

TVP5150的AI模擬輸入口與模擬攝像頭輸出端連接，向視頻處理芯片傳送模擬視頻信號。模擬信號經(jīng)過采樣處理之后通過YOUT0~YOUT7引腳送到MPG440，采樣數(shù)據(jù)在PCLK的上升沿有效，MPG440的VIDEO_CLK在收到PCLK的上升沿時(shí)獲得YOUT的信號。TVP5150分場同步脈沖和行同步脈沖，分別對應(yīng)其輸出端VSYNC、HSYNC.MPG440正是根據(jù)與之相連的VSYNC和HSYNC信號線來實(shí)現(xiàn)圖像的場同步和行同步操作。MPG440的視頻輸入數(shù)據(jù)線DATA_TV0~DATA_TV7與TVP5150的YOUT0~YOUT7相連。MPG440在接收數(shù)據(jù)的同時(shí)，將其得到的數(shù)據(jù)流傳送給MPEG-4壓縮編碼單元，編碼后的MPEG-4數(shù)據(jù)流暫存到SDRAM（2）中。MPG440片內(nèi)PDMA控制器根據(jù)配置寄存器的設(shè)置準(zhǔn)確發(fā)起對SDRAM（2）訪問，同時(shí)將得到的數(shù)據(jù)流輸送往HPI（主機(jī)總線接口，Host Peripherial Interface），以等待AT91RM9200通過DMA通道將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。

MPG440通過HPI與AT91RM9200通信，AT91RM9200將MPG440的寄存器、存儲空間等資源作為其本身內(nèi)存尋址訪問。MPG440由AT91RM9200選通線NCS4來選通，其在AT91RM9200尋址空間中的地址段為0X50000000到0X5FFFFFFF.通過對MPG440一系列寄存器的設(shè)置，可以訪問MPG440系統(tǒng)存儲空間。MPG440中斷信號RSC_INT0從通用I/O引腳的PB29輸入，當(dāng)緩沖器填滿時(shí)，RSC_INT0引腳置低提示AT91RM9200通過DMA通道提取MPEG-4數(shù)據(jù)流。編碼后視頻數(shù)據(jù)讀取過程和MPG440與主機(jī)通信過程由AT91RM9200讀信號CFRD和寫信號CFWE控制。

3.3網(wǎng)絡(luò)模塊

網(wǎng)絡(luò)模塊硬件設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

圖4網(wǎng)絡(luò)模塊電路

AT91RM9200的在片以太網(wǎng)卡端口和網(wǎng)絡(luò)物理層芯片DM9161E的MII接口通信。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先置發(fā)送使能信號ETXEN有效。數(shù)據(jù)發(fā)送端ETX0~ETX1與DM9161的ETXO~ETX1引腳對應(yīng)連接，作為數(shù)據(jù)發(fā)送通道，以DM9161E的時(shí)鐘信號REF_CLK發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收端ERX 0~ERX1與DM9161E的RXDO~RXD1引腳對應(yīng)連接，作為數(shù)據(jù)接收通道。管理時(shí)鐘信號EMDC和管理數(shù)據(jù)輸入輸出信號EMDIO用來芯片控制參數(shù)的寫入和讀取。DM9161E的MDINTR端用來產(chǎn)生中斷信號。

片內(nèi)以太網(wǎng)卡通過DMA通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，不影響AT91RM9200的正常運(yùn)行。首先正確設(shè)置傳送控制寄存器和傳送地址寄存器的傳送數(shù)據(jù)塊字節(jié)數(shù)、數(shù)據(jù)塊存儲首地址等參數(shù)，隨后依次從指定數(shù)據(jù)存儲區(qū)地址讀取1024b數(shù)據(jù)，送入內(nèi)部發(fā)送緩沖器中，由MAC對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝發(fā)送，同時(shí)記錄已傳送字節(jié)數(shù)，直到數(shù)據(jù)塊發(fā)送完畢。當(dāng)發(fā)送完一組數(shù)據(jù)后，發(fā)出DMA中斷請求，由AT91RM9200進(jìn)行相應(yīng)的處理。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)電路由AT91RM9200控制和調(diào)度。

4.軟件設(shè)計(jì)

嵌入式Linux系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成引導(dǎo)內(nèi)核啟動(dòng)的文件（bootloader）、Linux內(nèi)核文件（kernel）、虛擬磁盤文件（ramdisk）、用戶空間文件（user）。它們分別被放在DataFlash內(nèi)的四個(gè)分區(qū)模塊中。根據(jù)不同模塊的具體功能采用不同的文件系統(tǒng)：bootloader、kernel、ramdisk，移植完成后不需要?jiǎng)討B(tài)改變，使用較節(jié)省空間的ROMFS只讀文件系統(tǒng)；user模塊內(nèi)放置一些可以動(dòng)態(tài)更新的配置文件等，需要進(jìn)行較多的讀寫操作，所以使用支持動(dòng)態(tài)擦寫保存的JFFS2文件系統(tǒng)。inux做嵌入式的優(yōu)勢，首先，Linux是開放源代碼的，不存在黑箱技術(shù)，遍布全球的眾多Linux愛好者又是Linux開發(fā)者的強(qiáng)大技術(shù)支持；其次，Linux的內(nèi)核小、效率高，內(nèi)核的更新速度很快，linux是可以定制的，其系統(tǒng)內(nèi)核最小只有約134KB.第三，Linux是免費(fèi)的OS，在價(jià)格上極具競爭力。Linux還有著嵌入式操作系統(tǒng)所需要的很多特色，突出的就是Linux適應(yīng)于多種CPU和多種硬件平臺，是一個(gè)跨平臺的系統(tǒng)。到目前為止，它可以支持二三十種CPU.而且性能穩(wěn)定，裁剪性很好，開發(fā)和使用都很容易。

Linux移植技術(shù)已經(jīng)成熟，本文不作詳細(xì)的闡述。下文主要介紹MPEG-4壓縮編碼模塊和CGI模塊的程序設(shè)計(jì)。

4.1 MPEG-4壓縮編碼模塊程序設(shè)計(jì)

該模塊主要完成MPG440和TI5150相關(guān)寄存器的配置，并保證MPEG-4碼流的正常輸出。當(dāng)嵌入式Linux系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先配置MPG440的相關(guān)寄存器，其初始化完成后，通過I2C總線對TVP5150進(jìn)行初始化配置。當(dāng)系統(tǒng)開始壓縮編碼時(shí)，MPEG-4碼流接收存儲程序由MPEG-440的數(shù)據(jù)流緩沖器標(biāo)志信號控制。

MPEG-4壓縮編碼模塊程序流程如圖4所示。

圖5 MPEG-4壓縮編碼模塊程序流程圖

4.2 CGI程序模塊設(shè)計(jì)

CGI（Common Gateway Interface）是外部擴(kuò)展應(yīng)用程序與WWW服務(wù)器交互的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口。本系統(tǒng)CGI的工作過程：在PC機(jī)端的IE瀏覽器中輸入網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)IP地址，嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器根據(jù)請求，將相應(yīng)的控制頁面反饋給IE瀏覽器，用戶填寫表單，然后提交，CGI程序提取表單的信息，根據(jù)不同信息來分別處理相應(yīng)的事件，如調(diào)節(jié)MPEG-4相關(guān)屬性、相機(jī)的相關(guān)操作等。CGI控制原理如圖5所示。

圖6 CGI控制原理圖

CGI模塊的設(shè)計(jì)主要包括三部分：嵌入式web服務(wù)器的配置、html頁面的編寫、CGI程序的設(shè)計(jì)。

嵌入式web服務(wù)器采用的是Apache，其配置是以配置文件的形式提供，放在Ramdisk中/etc/httpd/conf/目錄下。其配置主要涉及以下三個(gè)方面：

1配置根文件的路徑："DocumentRoot /home/httpd/html"，html頁面必須放到此目錄下。

2配置CGI外部程序所放的路徑："ScriptAlias /cgi-bin/ home/httpd/cgi-bin/".

3配置環(huán)境變量："SetEenv D_LIBRARY_PATH=/lib：/usr/local/lib：/usr/lib"，該變量將會被傳送到CGI腳本和SSI頁面，以保證CGI程序能正確找到所依賴的庫。

網(wǎng)頁編寫采用html與shtml相結(jié)合的方式。html的解析速度較快，shtml可以在普通網(wǎng)頁中嵌入外部CGI程序，通過這種方式將系統(tǒng)的默認(rèn)配置反饋給客戶端。

CGI程序采用的是C語言和shell腳本相結(jié)合的方式，C語言是一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言。它既具有高級語言的特點(diǎn)，又具有匯編語言的特點(diǎn)。它可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)語言，編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計(jì)語言，編寫不依賴計(jì)算機(jī)硬件的應(yīng)用程序。因此，它的應(yīng)用范圍廣泛，不僅僅是在軟件開發(fā)上，而且各類科研都需要用到C語言，具體應(yīng)用比如單片機(jī)以及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。具體編寫過程，與通常的了Linux下編程相同。

4.3 MPEG-4解碼程序

MPEG4于1998年11月公布，原預(yù)計(jì)1999年1月投入使用的國際標(biāo)準(zhǔn)MPEG4不僅是針對一定比特率下的視頻、音頻編碼，更加注重多媒體系統(tǒng)的交互性和靈活性。MPEG專家組的專家們正在為MPEG-4的制定努力工作。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于視像電話（Video Phone），視像電子郵件（Video Email）和電子新聞（Electronic News）等，其傳輸速率要求較低，在4800-64000bits/sec之間，分辨率為176X144.MPEG-4利用很窄的帶寬，通過幀重建技術(shù)，壓縮和傳輸數(shù)據(jù)，以求以最少的數(shù)據(jù)獲得最佳的圖像質(zhì)量。與MPEG-1和MPEG-2相比，MPEG-4的特點(diǎn)是其更適于交互AV服務(wù)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控。MPEG-4是第一個(gè)使你由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)（不再只是觀看，允許你加入其中，即有交互性）的動(dòng)態(tài)圖像標(biāo)準(zhǔn)，它的另一個(gè)特點(diǎn)是其綜合性。從根源上說，MPEG-4試圖將自然物體與人造物體相溶合（視覺效果意義上的）。MPEG-4的設(shè)計(jì)目標(biāo)還有更廣的適應(yīng)性和更靈活的可擴(kuò)展性。映佳科技已提供供二次開發(fā)的MPEG-4解碼插件OCX，OCX在PC機(jī)端注冊后，OCX函數(shù)可方便地被網(wǎng)頁調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)在PC機(jī)端觀看實(shí)時(shí)圖像。

5總結(jié)

本文介紹了一種利用AT91RM9200、TVP5150，MPG440和DM9161E等芯片設(shè)計(jì)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。經(jīng)測試，該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、實(shí)時(shí)性好、圖像質(zhì)量出色。該產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于交通監(jiān)控和工業(yè)監(jiān)控以及家庭監(jiān)控、視頻會議話等眾多領(lǐng)域。