基于DSP的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

實(shí)現(xiàn)任意遠(yuǎn)距離場景的實(shí)時(shí)監(jiān)控，主要解決遠(yuǎn)程場景圖像的獲取和回傳問題。利用計(jì)算機(jī)作為遠(yuǎn)程場景圖像獲取、利用Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)圖像信息的回傳是一種有效的選擇，但必須在控制方和被控制方各設(shè)置一臺(tái)計(jì)算機(jī)及Modem，費(fèi)用較高，當(dāng)遠(yuǎn)程場景無人值守時(shí)，遠(yuǎn)程場景中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的維護(hù)以及計(jì)算機(jī)的開關(guān)機(jī)等問題非常復(fù)雜，而且遠(yuǎn)程場景中計(jì)算機(jī)與Internet網(wǎng)絡(luò)專線連接，在目前情況下不一定都能得到滿足。另外，也可以采用電話線作控制線路，微波信道作圖像回傳通路，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程場景中實(shí)時(shí)圖像的監(jiān)測控制1，但遠(yuǎn)程場景與控制中心必須在視距范圍之內(nèi)。如果遠(yuǎn)程場景離監(jiān)控中心很遠(yuǎn)，采用基于DSP的系統(tǒng)作圖像獲取、圖像壓縮和圖像回傳，利用電話線作傳送通路，不但費(fèi)用低廉，而且方便可靠，不管被監(jiān)控場景在任何地方，只要電話線能到達(dá)，就可以對其實(shí)行圖像監(jiān)測和控制。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成與功能

基于DSP的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分組成，即遠(yuǎn)程無人值守監(jiān)控系統(tǒng)和監(jiān)控中心，它們通過電話線相連，如圖1所示。

1.1 遠(yuǎn)程無人值守監(jiān)控系統(tǒng)

主要功能是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程場景圖像的采集、圖像的數(shù)字化(A/D)、圖像的壓縮(JPEG格式)和回傳、攝像系統(tǒng)云臺(tái)方位及攝像鏡頭的控制、自動(dòng)開機(jī)和關(guān)機(jī)等功能。其中圖像的壓縮和回傳、攝像系統(tǒng)云臺(tái)方位及攝像鏡頭的控制等功能由DSP(TMS320-C30)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程場景的壓縮圖像信息通過Modem，從電話線路傳回控制中心。

1.2 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心通過Modem從電話線路上接收遠(yuǎn)程場景的壓縮圖像(JPEG格式)信息，并通過熵譯碼、解量化、反DCT變換和Y U V到RGB變換，將圖像從計(jì)算機(jī)的顯示器上輸出。

監(jiān)控中心根據(jù)需要可以將遠(yuǎn)程監(jiān)控圖像(JPEG格式)存儲(chǔ)起來，自動(dòng)生成監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)庫，以備查詢。

監(jiān)控中心還負(fù)責(zé)生成控制命令，實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開機(jī)、關(guān)機(jī)、攝像系統(tǒng)云臺(tái)方位及攝像鏡頭調(diào)節(jié)等控制?？刂泼?除開機(jī)命令用電話振鈴信號外)通過Modem，以數(shù)字命令代碼形式傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的Modem中，再由DSP進(jìn)行相應(yīng)處理，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)動(dòng)作。

2 DSP圖像壓縮及控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程無人值守監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)攝像系統(tǒng)的控制及圖像數(shù)字化和圖像壓縮功能。

攝像系統(tǒng)的控制包括云臺(tái)的上、下、左、右移動(dòng)，攝像鏡頭的聚焦(遠(yuǎn)/近)、場景拉遠(yuǎn)(近)、光圈大(小)的調(diào)節(jié)等功能。攝像系統(tǒng)的控制命令由監(jiān)控中心生成，DSP系統(tǒng)將其譯碼后，分兩個(gè)部分，分別送入云臺(tái)和鏡頭驅(qū)動(dòng)控制電路。由于云臺(tái)一般采用24V直流(交流)、鏡頭采用9～12V直流控制，因此，云臺(tái)和鏡頭電力的供給直接通過繼電器由電源部分提供，驅(qū)動(dòng)控制電路通過控制相應(yīng)的繼電器開關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)控制云臺(tái)和鏡頭作相應(yīng)的動(dòng)作，如圖2所示。

遠(yuǎn)程無人值守監(jiān)控系統(tǒng)最重要的功能是及時(shí)將被監(jiān)測場景中的圖像信息回傳至監(jiān)測中心。為了使系統(tǒng)靈活地安裝在需要的地方，本系統(tǒng)采用電話線路作被監(jiān)測場景中圖像的回傳通路，而電話線只能傳送64Kbps以下速率的數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)圖像每秒的數(shù)據(jù)率在200Mbit以上(640寬×480高×24每象素×30幀頻)，即使一幀靜態(tài)圖像需要的數(shù)據(jù)也能達(dá)到7Mbit以上。因此，不能利用電話線傳實(shí)時(shí)圖像，而傳送被監(jiān)測場景的靜態(tài)圖像，也必須先進(jìn)行數(shù)字圖像的壓縮處理，將數(shù)據(jù)率壓縮到較低的水平上(一般為幾十Kb)，再經(jīng)Modem，送到電話線路上傳輸。

被監(jiān)控場景靜態(tài)圖像的壓縮主要由TMS320-C30實(shí)現(xiàn)。TMS320-C30是32位浮點(diǎn)運(yùn)算DSP芯片，每秒可以執(zhí)行3300萬次全浮點(diǎn)運(yùn)算，允許在不考慮溢出的情況下處理很寬的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍，特別適合快速的DCT運(yùn)算。它具有大的尋址空間、多處理器接口、片內(nèi)與片外可設(shè)置等待狀態(tài)、兩個(gè)外部接口、兩個(gè)計(jì)時(shí)器、兩個(gè)串口及多中斷結(jié)構(gòu)，具有多樣化的尋址方式、靈活的指令集，非常利于實(shí)現(xiàn)JPEG快速壓縮處理。TMS320-C30芯片功能及外部接口如圖3所示。

TMS320-C30主要負(fù)責(zé)對數(shù)字圖像進(jìn)行JPEG格式壓縮處理、對模擬圖像A/D轉(zhuǎn)換的控制、對系統(tǒng)關(guān)閉電路的控制、對攝像系統(tǒng)(包括云臺(tái)及鏡頭)的控制、從Modem接收監(jiān)控中心的控制命令以及從Modem上將壓縮后的圖像傳送到監(jiān)控中心。TMS320-C30及其外圍功能框圖如圖4所示。

圖像的JPEG格式壓縮由TMS320-C30軟件實(shí)現(xiàn)，主要包括RGB至YUV變換、DCT變換、量化、分組、Zig-Zag行程掃描及熵編碼等功能。由于人眼對亮度較為敏感，而對色度敏感性較低，因此，系統(tǒng)中先將RGB圖像變換成YUV圖像，然后采用Y U V為4 1 的方式進(jìn)行下一步的編碼。由于人眼對圖像的低頻部分較為敏感，而對圖像的高頻部分不敏感，因此，先將YUV圖像以8×8的塊進(jìn)行DCT變換，然后以小的量化步長對低頻分量進(jìn)行量化，用大的量化步長對高頻分量進(jìn)行量化，使8×8DCT塊中出現(xiàn)盡量多的0，同時(shí)對圖像視覺質(zhì)量的影響基本保持不變。為了使愈低頻的分量，愈先被掃描，而愈高頻的分量愈后被掃描，系統(tǒng)采用Zig-Zag行程掃描方式。最后，進(jìn)行行程編碼和Huffman編碼，實(shí)現(xiàn)對一幀圖像的JPEG壓縮，其流程如圖5所示。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉電路

由于遠(yuǎn)程監(jiān)測控制系統(tǒng)放置在無人值守的環(huán)境下，因此，在不使用時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)；而當(dāng)需要使用時(shí)，必須能自動(dòng)開機(jī)。因此，在系統(tǒng)中設(shè)置系統(tǒng)電源開關(guān)（開啟／關(guān)閉）電路。

3.1 系統(tǒng)開啟電路

基于DSP的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)利用電話振鈴信號，作為系統(tǒng)開啟命令信號，其實(shí)現(xiàn)方法如圖6(系統(tǒng)開啟電路部分)所示。

當(dāng)電話振鈴信號到來時(shí)，電話線路上的90V振鈴交變信號，經(jīng)耦合器T1后，再經(jīng)過一個(gè)橋電路B1及濾波電路后，變成一個(gè)直流的信號，加在可控硅Q1的G端上，打開可控硅Q1。動(dòng)力電(220V交流)經(jīng)變壓器T2、橋電路B2和可控硅Q1后，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的直流電源，為整個(gè)系統(tǒng)提供電源。此時(shí)，系統(tǒng)的電源又反過來保持可控硅Q一直處于開啟狀態(tài)，從而保持整個(gè)系統(tǒng)處于開啟工作狀態(tài)。

3.2 系統(tǒng)關(guān)閉電路

當(dāng)用戶使用完控制系統(tǒng)后，需要關(guān)閉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，由監(jiān)控中心發(fā)送一個(gè)"關(guān)閉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)"命令，DSP系統(tǒng)收到該關(guān)閉命令后，輸出一個(gè)"用戶關(guān)機(jī)命令"(低電平有效)，送到與非門U1，U1輸出高電平，通過R10，使三極管Q2處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)繼電器KR接通，使可控硅Q1的K、A兩端直接相連，導(dǎo)致可控硅Q1進(jìn)入高阻狀態(tài)，從而切斷動(dòng)力電，將系統(tǒng)電源關(guān)閉。另外，在出現(xiàn)誤操作，如用戶掛機(jī)時(shí)，未先發(fā)"關(guān)閉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)"命令；或一個(gè)非法用戶無意中打開了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，隨后掛機(jī)；DSP系統(tǒng)都可以偵測到對方掛機(jī)信號，輸出一個(gè)"自動(dòng)復(fù)位關(guān)機(jī)命令"(低電平有效)，送到U1，U1同樣輸出一個(gè)高電平，通過R10、Q2、Q1，將系統(tǒng)電源自動(dòng)關(guān)閉。關(guān)閉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)電路如圖6(系統(tǒng)關(guān)閉電路部分)所示。

本文介紹的基于DSP的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，其核心主要是TMS320-C30 DSP芯片，該DSP芯片的32位全浮點(diǎn)快速運(yùn)算及靈活的中斷和串口通信，非常有利于DCT的快速運(yùn)算要求，使數(shù)據(jù)圖像的壓縮時(shí)間與電話線的數(shù)據(jù)傳送速率相匹配，非常適用于任意距離、無人值守環(huán)境并對遠(yuǎn)程場景圖像質(zhì)量要求不太高的情況下使用，只要被監(jiān)控場景下有電話線路，即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測控制，是一種廉價(jià)且有效的遠(yuǎn)程無人值守環(huán)境下的監(jiān)控系統(tǒng)。