基于AT91RM9200的嵌入式網(wǎng)絡攝像機的設計與實現(xiàn)

1． 引言
隨著通信技術和網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展，通過網(wǎng)絡遠程實時監(jiān)控重要場所已倍受人們關注，網(wǎng)絡攝像機在此背景下產(chǎn)生，并成為人們關注的焦點。網(wǎng)絡攝像機要將高清晰度的實時視頻信息通過互聯(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算法相結合的方案來實現(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)絡攝像機采用專用的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，而且實時性好，適用范圍廣。
2. 系統(tǒng)總體設計
系統(tǒng)總體設計包括硬件設計和軟件設計兩部分。硬件設計模塊主要包括微控制器模塊、壓縮編碼模塊、網(wǎng)絡接口模塊和相機控制模塊四部分。微控制器模塊主要由主控芯片、DataFlash和SDRAM(1)組成。其中，主控芯片是整個控制系統(tǒng)的核心，它負責整個系統(tǒng)的調度工作。DataFlash里固化了嵌入式Linux內核、及其文件系統(tǒng)、應用軟件和系統(tǒng)配置文件。SDRAM(1)作為內存供系統(tǒng)運行使用。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，負責將視頻流轉化為MPEG-4碼流。網(wǎng)絡接口模塊主要是配合主控芯片傳送MPEG-4碼流。相機的控制模塊主要由串口芯片組成，其完成轉發(fā)控制相機命令的功能。當系統(tǒng)啟動時，微控制器通SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）將Linux內核轉入SDRAM（1）中，系統(tǒng)從SDRAM（1）中啟動。系統(tǒng)啟動后，微控制器通過HPI(Host Peripherial Interface, 主機接口)控制MPEG-4編碼模塊。統(tǒng)結構如圖1所示。
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圖1 系統(tǒng)結構框圖
軟件設計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,它負責整個系統(tǒng)軟件的調度工作。MPEG-4壓縮編碼模塊主要負責模擬視頻流的采集，并將數(shù)字視頻流壓縮為MPEG-4數(shù)據(jù)流。CGI控制程序主要負責對攝像機的控制和對MPEG-4視頻流的相關設置。MPEG-4解碼程序主要負責對通過網(wǎng)絡得到的MPEG-4數(shù)據(jù)流的解碼工作。
3. 硬件設計
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，性價比高，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)上電時配置其他芯片的功能寄存器，在正常工作狀態(tài)下調度控制整個系統(tǒng)工作，通過片內以太網(wǎng)控制器控制物理層芯片發(fā)送碼流。
    AT91RM9200通過片內的SPI總線和SDRAM控制器實現(xiàn)對外圍DataFlash和SDRAM的控制，利用片內的USART實現(xiàn)對串口芯片的控制，通過片內的以太網(wǎng)控制器對片外網(wǎng)絡芯片進行控制。其控制原理圖如圖2所示。
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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)標準的16b/32b的雙向主機接口,分別用來與視頻采集芯片和微控制器芯片通信。同時，具有移動偵測、防偽水印、動態(tài)調整IP畫格比率、動態(tài)調整圖像質量等特性，支持D1、VGA、CIF、QVGA、QCI等五種分辨率模式。微控制器通過主機接口實現(xiàn)MPG440的初始配置，也由此接收MPEG-4碼流。壓縮編碼模塊的硬件設計原理如圖3所示。[!--empirenews.page--]
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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的上升沿時獲得YOUT的信號。TVP5150分場同步脈沖和行同步脈沖，分別對應其輸出端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，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PDMA控制器根據(jù)配置寄存器的設置準確發(fā)起對SDRAM(2)訪問，同時將得到的數(shù)據(jù)流輸送往HPI(主機總線接口,Host Peripherial Interface），以等待AT91RM9200通過DMA通道將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡。
　 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，當緩沖器填滿時，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與主機通信過程由AT91RM9200讀信號CFRD和寫信號CFWE控制。
3.3網(wǎng)絡模塊
網(wǎng)絡模塊硬件設計原理如圖4所示。
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圖4 網(wǎng)絡模塊電路
AT91RM9200的在片以太網(wǎng)卡端口和網(wǎng)絡物理層芯片DM9161E的MII接口通信。發(fā)送數(shù)據(jù)時，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引腳對應連接，作為數(shù)據(jù)發(fā)送通道，以DM9161E的時鐘信號REF_CLK發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收端ERX 0～ERX1與DM9161E的RXDO～RXD1引腳對應連接，作為數(shù)據(jù)接收通道。管理時鐘信號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。
片內以太網(wǎng)卡通過DMA通道進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，不影響AT91RM9200的正常運行。首先正確設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)，送入內部發(fā)送緩沖器中，由MAC對數(shù)據(jù)進行封裝發(fā)送，同時記錄已傳送字節(jié)數(shù)，直到數(shù)據(jù)塊發(fā)送完畢。當發(fā)送完一組數(shù)據(jù)后，發(fā)出DMA中斷請求，由AT91RM9200進行相應的處理。整個網(wǎng)絡子系統(tǒng)電路由AT91RM9200控制和調度。
4．軟件設計
嵌入式Linux系統(tǒng)主要由四個部分組成：引導內核啟動的文件（bootloader）、Linux內核文件（kernel）、虛擬磁盤文件（ramdisk）、用戶空間文件（user）。它們分別被放在DataFlash內的四個分區(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，移植完成后不需要動態(tài)改變，使用較節(jié)省空間的ROMFS只讀文件系統(tǒng)；user模塊內放置一些可以動態(tài)更新的配置文件等，需要進行較多的讀寫操作，所以使用支持動態(tài)擦寫保存的JFFS2文件系統(tǒng)[1]。
Linux移植技術已經(jīng)成熟，本文不作詳細的闡述。下文主要介紹MPEG-4壓縮編碼模塊和CGI模塊的程序設計。[!--empirenews.page--]
4.1 MPEG-4壓縮編碼模塊程序設計
該模塊主要完成MPG440和TI5150相關寄存器的配置，并保證MPEG-4碼流的正常輸出。當嵌入式Linux系統(tǒng)啟動后,首先配置MPG440的相關寄存器，其初始化完成后，通過I2C總線對TVP5150進行初始化配置[2]。當系統(tǒng)開始壓縮編碼時，MPEG-4碼流接收存儲程序由MPEG-440的數(shù)據(jù)流緩沖器標志信號控制。當1024b緩沖器滿時，RISC_INT0置于低電平，微控制器通過DMA通道從MPG440的HPI口將碼流送到PC機端。MPEG-4壓縮編碼模塊程序流程如圖4所示。
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圖5 MPEG-4壓縮編碼模塊程序流程圖
4.2 CGI程序模塊設計
CGI（Common Gateway Interface）是外部擴展應用程序與WWW服務器交互的一個標準接口。本系統(tǒng)CGI的工作過程：在PC機端的IE瀏覽器中輸入網(wǎng)絡攝像機IP地址，嵌入式網(wǎng)絡服務器根據(jù)請求，將相應的控制頁面反饋給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的事件，如調節(jié)MPEG-4相關屬性、相機的相關操作等。CGI控制原理如圖5所示。

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圖6 CGI控制原理圖
CGI模塊的設計主要包括三部分：嵌入式web服務器的配置、html頁面的編寫、CGI程序的設計。
嵌入式web服務器采用的是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)的默認配置反饋給客戶端。
CGI程序采用的是C語言和shell腳本相結合的方式， 具體編寫過程，與通常的了Linux下編程相同。限于篇幅，不再贅述。
4.3 MPEG-4解碼程序
映佳科技已提供供二次開發(fā)的MPEG-4解碼插件OCX，OCX在PC機端注冊后，OCX函數(shù)可方便地被網(wǎng)頁調用，從而實現(xiàn)在PC機端觀看實時圖像。
5 總結
　本文介紹了一種利用AT91RM9200、TVP5150，MPG440和DM9161E等芯片設計的嵌入式網(wǎng)絡攝像機。經(jīng)測試，該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、實時性好、圖像質量出色。該產(chǎn)品可廣泛應用于交通監(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域。