大型儀器設(shè)備遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

摘要：為了有效地管理高校中分布范圍廣、運(yùn)行周期長(zhǎng)的大型實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，設(shè)計(jì)出一種采用嵌入式ARM處理器和DSP處理器雙核結(jié)構(gòu)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，詳細(xì)分析了視頻采集壓縮、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和設(shè)備上電檢測(cè)等主要硬件模塊的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程化監(jiān)控和自動(dòng)化管理功能，為高校設(shè)備管理提供了一種可行的解決方案。
關(guān)鍵詞：ARM；DSP；遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控；硬件設(shè)計(jì)

    目前，國(guó)家對(duì)高等教育的重視程度不斷提高，對(duì)高等院校的科研資金投入不斷增加。各類高校的科研條件得到很大的改善，許多高校都引進(jìn)或購(gòu)置了大型的實(shí)驗(yàn)用儀器設(shè)備。這些儀器設(shè)備往往較為昂貴，且對(duì)使用條件要求較高。高等院校及科研院所的實(shí)驗(yàn)室大多采用計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行管理，但此類管理系統(tǒng)一般都只局限于對(duì)設(shè)備賬目的日?；芾恚且环N靜態(tài)的管理。而對(duì)設(shè)備的使用狀態(tài)及完好情況、使用設(shè)備的計(jì)時(shí)收費(fèi)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)室電源系統(tǒng)的控制以及實(shí)驗(yàn)室安全等方面缺乏完整的監(jiān)控管理系統(tǒng)。因此，設(shè)計(jì)一種針對(duì)高校大型儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是很有意義的。通過(guò)這一系統(tǒng)，設(shè)備管理人員能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)化管理。當(dāng)設(shè)備故障時(shí)，亦可通過(guò)觀看先期存儲(chǔ)的使用狀態(tài)錄像來(lái)判斷故障原因，減少了維修時(shí)間和維修成本。

1 總體方案設(shè)計(jì)
1．1 處理器介紹
    數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)憑借強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力被廣泛應(yīng)用在視頻圖像處理等運(yùn)算密集的場(chǎng)合，而嵌入式微處理器(ARM)以其強(qiáng)大的控制能力廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等外圍控制的場(chǎng)合。在本系統(tǒng)中，以ARM作為主處理器芯片，完成各種控制和網(wǎng)絡(luò)傳輸功能；采用DSP作為從設(shè)備單元處理器，完成數(shù)據(jù)采集和分析處理的工作。ARM單元和DSP單元構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)的雙核架構(gòu)，并通過(guò)數(shù)據(jù)總線將DSP上處理的數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM進(jìn)行傳輸或存儲(chǔ)。
    本系統(tǒng)采用芯唐公司的NUC960作為主處理器芯片。NUC960是一款以16／32位ARM926EJ-S為內(nèi)核的精簡(jiǎn)指令集微處理器。該內(nèi)核提供了8 kb指令高速緩存和8 kb數(shù)據(jù)高速緩存，并包含一個(gè)完整的存儲(chǔ)器管理單元(MMU)。
NUC960集成了豐富的片上資源，包括10 M／100 Mb以太網(wǎng)MAC控制器、EBI總線單元和用于外圍設(shè)備通信的PCI總線接口等。NUC960提供嵌入式Linux系統(tǒng)所需的虛擬存儲(chǔ)功能，尤其適用于各種要求高性能和低功耗的嵌入式產(chǎn)品中。
    同時(shí)，本系統(tǒng)采用SPCT6100作為從處理器DSP芯片。SPCT6100是一款高性能多媒體數(shù)字信號(hào)處理器，主要用于監(jiān)控系統(tǒng)中的編解碼。它采用H．264視頻編解碼技術(shù)，并包含四路視頻輸入、一路音頻輸入和一路音視頻輸出。特別地，SPCT6100包含有兩種接口類型，即PCI(外圍器件接口)和HPI(主機(jī)接口)。通過(guò)這兩種接口，SPCT6100可以方便地集成到各種嵌入式系統(tǒng)中。
1．2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。NUC960上運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和網(wǎng)絡(luò)功能等；SPCT6100通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和傳輸。為了盡可能多的保留NUC960外圍接口，且考慮到芯片引腳特點(diǎn)，NUC960與SPCT6100之間采用PCI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

    在本系統(tǒng)中，從外接的CCD攝像頭采集到的視頻模擬量信號(hào)經(jīng)由A／D轉(zhuǎn)換進(jìn)入SPCT6100進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。NUC960通過(guò)PCI總線讀取經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)字量信號(hào)，并將壓縮的數(shù)據(jù)通過(guò)校園網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)阻塞或服務(wù)器故障時(shí)，NUC960可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地的存儲(chǔ)器芯片上。設(shè)備管理人員可以通過(guò)Web-server查看設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行畫面，也可以調(diào)取存儲(chǔ)在服務(wù)器上的設(shè)備早期運(yùn)行畫面。
    考慮到本系統(tǒng)主要面向高校實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備，為了方便校園信息化管理，NUC960擴(kuò)展的UART串口可以連接讀卡器，系統(tǒng)可以通過(guò)讀取校園卡來(lái)記錄使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備人員的信息。另外，本系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了設(shè)備上電檢測(cè)的功能，即當(dāng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備開(kāi)始上電運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)才開(kāi)始處理和存儲(chǔ)視頻信號(hào)；當(dāng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)停止處理數(shù)據(jù)。這樣即可消除大量的冗余數(shù)據(jù)，節(jié)省服務(wù)器開(kāi)銷。
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2 主從處理器接口設(shè)計(jì)
    在使用ARM和DSP的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如何高效方便地實(shí)現(xiàn)ARM控制器和DSP之間的數(shù)據(jù)通信是很重要的一部分。
    PCI總線即外圍部件互聯(lián)總線，是先進(jìn)的高性能32／64位地址數(shù)據(jù)復(fù)用局部總線，可同時(shí)支持多組外圍設(shè)備。PCI局部總線不受制于處理器，為中央處理器及高速外圍設(shè)備提供一座橋梁。PCI總線的運(yùn)行速度快，它采取總線主控的方式來(lái)加速執(zhí)行高吞吐量、高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。P CI總線的存取延遲時(shí)間極小，它獨(dú)特的同步操作功能可以保證處理器能與總線主控同時(shí)操作而不必等待后者的完成。另外，PCI總線還具有可擴(kuò)展性強(qiáng)和支持線性突發(fā)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。
    很多DSP芯片采用HPI口來(lái)與外部總線進(jìn)行通信，如果要和CPU進(jìn)行通信，則一般要通過(guò)增加PCI總線控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。而SPCT6100內(nèi)部已經(jīng)集成了PCI總線接口，通過(guò)PCI總線接口能夠?qū)Ρ忍亓鲾?shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并實(shí)現(xiàn)與NUC960主處理器單元的無(wú)縫對(duì)接。SPCT6100的PCI總線上32位地址／數(shù)據(jù)復(fù)用引腳及其他大部分控制引腳與NUC960的相應(yīng)引腳可以直接相連。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3．1 電源模塊
    在本系統(tǒng)中，ARM處理器NUC960需要兩種電壓，一種是1．8 V的內(nèi)核電壓，另一種是3．3 V的I／O電壓；而DSP處理器SPCT6100需要3種電壓，即1．2 V的內(nèi)核電壓、2．5 V的DDR驅(qū)動(dòng)電壓和3．3 V的I／O電壓。然而，在外圍設(shè)備中，許多器件還要求5 V供電，例如USB接口和電流檢測(cè)電路等。因此，為了便于電源管理，本系統(tǒng)采用5 V電源輸入。由于輸入電壓和輸出電壓之間的壓差并不接近，如果采用LDO型線性穩(wěn)壓器作為輸入端電源芯片，則功率消耗較大，并不合適。本系統(tǒng)采用TPS54386作為輸入端電源芯片，經(jīng)過(guò)外接合適的電感和濾波電容能夠同時(shí)得到3．3 V和1．8 V兩種電壓。TPS54386是DCDC轉(zhuǎn)換芯片，其輸出電流可以高達(dá)3 A，且工作效率高，工作狀態(tài)穩(wěn)定，能夠適合本系統(tǒng)的要求。另外，可以使用LDO型電源芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)3．3 V到2．5 V和1．8 V到1．2 V的電平轉(zhuǎn)換。
3．2 存儲(chǔ)器模塊
    NUC960內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是無(wú)法滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求的，為了滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的需要，本系統(tǒng)擴(kuò)展了Flash和SDRAM兩種存儲(chǔ)器。
    NOR Flash是Flash的一種，它的寫入和擦除速度較慢，但隨機(jī)讀取速度快。NOR Flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來(lái)尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個(gè)字節(jié)。NOR Flash最大的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行，這樣應(yīng)用程序可以直接在Flash內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。本系統(tǒng)所用的NOR Flash容量為2 Mx16 bits，用來(lái)存放系統(tǒng)啟動(dòng)代碼、操作系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)。由于NUC960自身EBI接口支持?jǐn)U展Flash，因此電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單。
    和Flash不同，SDRAM不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，但可讀可寫，且存取數(shù)據(jù)的速度很快，因此SDRAM在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。為了充分發(fā)揮32位CPU的數(shù)據(jù)處理能力，本系統(tǒng)采用兩片16位數(shù)據(jù)寬度的SDRAM并聯(lián)構(gòu)建32位的存儲(chǔ)器系統(tǒng)，其中一片作為高16位，另一片作為低16位，兩片SDRAM均與NUC960的EBI總線連接，可滿足系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜的運(yùn)行要求，電路如圖2所示。

3．3 A／D轉(zhuǎn)換電路
    本系統(tǒng)使用CCD攝像頭進(jìn)行視頻信號(hào)的采集，CCD攝像頭的成像分辨率較CMOS攝像頭更為清晰。通過(guò)CCD采集到的視頻模擬量信號(hào)經(jīng)過(guò)BNC(同軸電纜卡環(huán)形接口)送入A／D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理。[!--empirenews.page--]
    TW9910是一款適用于便攜設(shè)備的低功耗視頻解碼芯片，可以將模擬量視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為8位或16位4：2：2YCbCr格式數(shù)字量輸出。TW9910還包括檢測(cè)和處理VBI信號(hào)的電路。在本系統(tǒng)中NUC960通過(guò)SPI口讀寫TW9910各個(gè)寄存器的值，復(fù)位信號(hào)可以初始化控制寄存器的值。本系統(tǒng)采用8位數(shù)字量輸出的形式，將TW9910的高8位輸出引腳與SPCT6100的其中一路視頻信號(hào)總線相連。A／D轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

3．4 電流檢測(cè)電路
    為了減少服務(wù)器的存儲(chǔ)開(kāi)銷，也同時(shí)為了減少網(wǎng)絡(luò)占用率，本系統(tǒng)特別設(shè)計(jì)了一種電流檢測(cè)電路來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)用電設(shè)備的開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)。
    大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備采用220 V交流電源供電，因此，本系統(tǒng)采用5A／2．5 mA的交流電流互感器作為前端檢測(cè)元件，當(dāng)設(shè)備上電運(yùn)行和停止使用時(shí)可以檢測(cè)到電流的變化。電流互感器二次側(cè)的電流流過(guò)負(fù)載電阻可以轉(zhuǎn)換為電壓值，再經(jīng)過(guò)由放大器搭建成的比較器即可產(chǎn)生ARM處理器能夠識(shí)別的開(kāi)關(guān)量。如圖4所示，本系統(tǒng)用到了兩個(gè)運(yùn)算放大器：前一個(gè)運(yùn)放用來(lái)加強(qiáng)帶載能力，比直接加電阻負(fù)載的相位差小，動(dòng)態(tài)范圍大。負(fù)載電阻采用變阻器以滿足各類設(shè)備的不同額定電流要求。后一個(gè)運(yùn)放用作比較器，正向輸入端輸入的電壓信號(hào)與反向輸入端分壓電路電壓值比較并輸出相應(yīng)的電壓開(kāi)關(guān)量?？紤]到輸出端是直接連接到ARM的GPIO口，因此宜采用不高于5 V的單電源供電運(yùn)算放大器。

3．5 外圍接口設(shè)計(jì)
    NUC960的另一大特點(diǎn)就是提供了豐富的外圍設(shè)備接口，在本系統(tǒng)中主要用到了網(wǎng)絡(luò)通信接口、USB接口和UART串口等。
    NUC960內(nèi)置以太網(wǎng)MAC控制器，該控制器具有相應(yīng)的DMA控制器，發(fā)送和接收FIFO，支持IEEE802．3協(xié)議，可以以半雙工或全雙工模式工作在10 M／100 Mb／s的傳輸速度上。本系統(tǒng)采用IP101作為物理接口收發(fā)器，向網(wǎng)絡(luò)層提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口。它提供了一個(gè)硬件中斷用以指示連接狀態(tài)、速度狀態(tài)和全／半雙工狀態(tài)。
    同時(shí)，NUC960集成了USB2．0主設(shè)備控制器和USB2．0從設(shè)備控制器，可以支持USB0和USB1兩個(gè)設(shè)備。其中USB1只能作為主設(shè)備，而USB0則可以配置為主設(shè)備或者從設(shè)備。在本次設(shè)計(jì)中，NUC960的2個(gè)USB2．0接口均配置為主設(shè)備。USB0用作預(yù)留的USB設(shè)備擴(kuò)展接口，可以方便系統(tǒng)后期軟件開(kāi)發(fā)時(shí)掛載U盤使用：USB1則用于與外圍設(shè)備SD卡進(jìn)行通信，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不佳或接收不到服務(wù)器的應(yīng)答信息時(shí)，系統(tǒng)可以將壓縮的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到位于本地的SD卡中以作備用，防止數(shù)據(jù)丟失。
    NUC960處理器片上還集成了3個(gè)串口，可以支持6至8位的數(shù)據(jù)傳送，其波特率可通過(guò)編程設(shè)置，另外也支持奇偶校驗(yàn)和幀出錯(cuò)檢查功能。本設(shè)計(jì)使用了其中兩個(gè)串口，串口0用于當(dāng)系統(tǒng)調(diào)試時(shí)與計(jì)算機(jī)連接進(jìn)行通信；串口1用于與讀卡器進(jìn)行通信，讀取使用設(shè)備者的相關(guān)身份信息。

4 結(jié)論
    本文提出了一種采用ARM和DSP雙核結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高校大型實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并對(duì)視頻畫面進(jìn)行壓縮、存儲(chǔ)和傳輸。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)畫面以25幀／秒的頻率進(jìn)行采集，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境良好的情況下，用戶可以通過(guò)Web-server觀看設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行畫面；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)阻塞時(shí)，系統(tǒng)在本地存儲(chǔ)壓縮圖像，每張圖片的存儲(chǔ)間隔最快可以達(dá)到1min，設(shè)備運(yùn)行的歷史圖像可以保存30天，基本滿足了高校實(shí)驗(yàn)室的管理要求。為了減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，系統(tǒng)通過(guò)電流檢測(cè)來(lái)選擇是否處理和存儲(chǔ)監(jiān)控畫面。另外，利用擴(kuò)展的讀卡器來(lái)記錄設(shè)備使用者的信息，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的自動(dòng)化管理。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性較高?？紤]到SPCT6100最多能同時(shí)輸入4路信號(hào)，在今后的優(yōu)化過(guò)程中，亦可以考慮實(shí)現(xiàn)多路監(jiān)控，以便達(dá)到系統(tǒng)精簡(jiǎn)和成本節(jié)約的目的。