（控制科学与工程专业论文）基于omap5912的电力载波视频监控系统设计.pdf

独创性声明 1 1 1 11 11 11 1 11i i iii iiil 18 7 9 7 9 4 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 期：塑! ! ：苎：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：麦壑趣导师签名：圣亟耋送日 期：! ! ：墨至! 摘要 目前视频监控正朝高清化、智能化和便捷化的方向发展，新的发展对传统 的视频监控系统提出了新的要求和挑战。 传统的闭路电视监控系统因其模拟信 号的单向流动以及信号在电缆中传输距离短等缺陷逐渐被数字监控系统取代。 目前流行的数字网络监控系统虽然很好地解决了视频监控中信号处理以及传输 的距离和速率等问题，但因为有线网络分布中的“最后一公里 问题，使得其 在终端布线安装成为一个弊端，特别是在那些已经完成的工程中再次布线问题 就尤为突出。无线网络的应用虽然很好地解决了网络终端布线的问题，但其信 号分布不均匀和信号盲点以及信号辐射等问题使得其应用范围有限。针对现状 本文将嵌入式双核技术与电力载波通信技术结合，设计了基于电力载波的视频 监控系统，该系统利用现有广泛分布的电力线网络进行视频数据的传输，为视 频监控提供了一种新颖便捷的方式，在安防监控方面将发挥巨大的作用。 论文首先分析了目前视频监控系统与电力载波技术发展的现状和优势，在 此基础上完成了电力载波的视频监控系统的硬件电路总体方案，并详细分析了 系统各个关键模块的功能和工作原理，设计了包括系统的最小系统电路、载波 模块电路、各种接口电路等系统的硬件电路。 然后，在o m a p 5 9 1 2 的硬件平台上进行了的软件开发，包括开发平台的搭 建、u 。b o o t 代码的配置移植、内核的裁剪和移植、d s p b i o s 的应用、u s b 摄 像头驱动程序等基本应用程序的设计 在此基础上，针对u s b 摄像头驱动设计，详细介绍了在u s b 设备驱动上对 视频图像采集应用程序的开发、在双核系统中如何对采集到的视频图像数据进 行处理、然后在控制平台利用b o a 建立嵌入式的w e b 服务器，完成上位机通过 浏览器对视频监控系统的访问。 最后，系统地测试了设计的软硬件平台的性能，对系统的特点及论文的研 究工作进行了总结和归纳，提出了系统存在的问题和改进方案，并就电力载波 视频监控系统的进一步开发和优化提出了建议。 关键词：电力载波，视频监控，双核处理器，w e b 服务器，l i n u x a b s t r a c t n o wt h ev i d e os u r v e i l l a n c ei sd e v e l o p i n g t ot h e d i r e c t i o no fi n t e l l i g e n t ， f a c i l i t a t i o na n dh i 矾d e f i n i t i o n , w h i c hc h a n g e st h et r a d i t i o n a lv i d e os u r v e i l l a n c eo f v i d e op r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o nm o d e s c c t vm o n i t o r i n gs y s t e mf o ri t st r a d i t i o n a l o n e w a yf l o wo fa n a l o gs i g n a l s ，t h es h o r td i s t a n c eo ft h es i g n a lt r a n s m i s s i o ni nt h e c a b l es e g m e n ta n do t h e rd e f e c t sh a v eb e e ng r a d u a l l yr e p l a c e db yd i g i t a lm o n i t o r i n g s y s t e m n o wt h ep o p u l a rd i g i t a ln e t w o r k s u r v e i l l a n c es y s t e mh a ss o l v e dt h ep r o b l e m s s u c ha st h ed i s t a n c ea n dt h es p e e di ns i g n a lt r a n s m i s s i o n b u tb e c a u s eo f t h ec a b l e n e t w o r kh a st h ep r o b l e mo f “l a s tm i l e ，w h i c hm a k et h et e r m i n a lw i r i n gi n s t a l l a t i o n b e c o m ead e f e c t , t h i sp r o b l e mp a r t i c u l a r l ys e r i o u si nt h ec o m p l e t e dp r o j e c t s t h e w i r e l e s sn e t w o r ki sag o o ds o l u t i o nt ot h en e t w o r kt e r m i n a lw i r i n gi n s t a l l a t i o n ，b u ti t s u n e v e nd i s t r i b u t i o ns i g n a l sa n dt h es i g n a ld e a ds p o t sm a k e i to n l yu s ei ns o m es p e c i a l s c o p e a c c o r d i n g t ot h ep r e s e n ts i t u a t i o nt h i sa r t i c l ep r o p o s e st h ep o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o nv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ，w h i c he m b e d d e dt h ed u a l c o r et e c h n o l o g y a n dt h ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h i sd e s i g nt a k e sa d v a n t a g eo ft h e w i d e l yd i s t r i b u t e do ft h ee x i s t i n gp o w e rl i n en e t w o r k ，u s i n gt h ep o w e rl i n en e t w o r k f o rt h ev i d e od a t at r a n s m i s s i o n t h i sd e s i g nn o to n l yp r o v i d e san o v e la n dc o n v e n i e n t w a y b u ta l s ow i l lp l a yah u g er o l ei nt h es e c u r i t ym o n i t o r i n g t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y s i st h es i t u a t i o na n da d v a n t a g e so ft h ev i d e os u r v e i l l a n c e a n dt h ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n , c o m p l e t e dt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ev i d e o s u r v e i l l a n c es y s t e ma n dd e t a i l e da n a l y z e dt h ek e ym o d u l e si nt h es y s t e m ，i n c l u d i n g t h em i n i m u ms y s t e mc i r c u i t ，t h ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nm o d u l ec i r c u i ta n ds o m e i n n 施c ec i r c u i t s t h e nd e s c r i b e dt h es o l f i w a r ed e s i g ni nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h e o m a p 5 912 ，w h i c hi n c l u d e dt h eb u i l d i n gt h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，u - b o o t m i g r a t i o n , c o r es y s t e mc u t t i n ga n dt r a n s p l a n t a t i o n , d s p b i o ss y s t e ma p p l i c a t i o n , t h e d r i v e rd e s i g no fu s bc a m e r aa n ds o m eb a s i ca p p l i c a t i o n s a f t e rc o m p l e t i o no ft h ea b o v ew o r k ，t h ei s s u ed e t a i l e dd e s c r i b e dt h ea p p l i c a t i o n o ft h ev i d e oi m a g ec a p t u r eo nt h eu s bd e v i c ed r i v e r , h o wt op r o c e s st h ed a t ao ft h e v i d e oi m a g ei nt h ed u a l c o r es y s t e m ，a n df i n a l l yc o m p l e t e dt h eh o s tc o m p u t e r u b r o w s e rt h ev i d e os u r v e i l l a n c et h r o u g ht h ee m b e d d e dw e bb o a s e r v e r f i n a l l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ma n dt h et h e s i sw o r ki ss u m m a r i z e d ，t h e s y s t e mp r o b l e m sa n dt h ei m p r o v e m e n tp r o g r a ma l ea l s op r o p o s e d a sw e l la s p r o p o s i n gs o m es u g g e s t i o no nf u r t h e rd e v e l o pa n ds y s t e mo p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，v i d e os u r v e i l l a n c e ，d u a l c o r e p r o c e s s o r ，w e bs e r v e r ，l i n u x 1 1 1 目录 第1 章绪论1 1 1 课题背景及研究意义1 1 2 国内外研究发展与现状l 1 2 1 视频监控系统的发展1 1 2 2 电力载波技术的发展2 1 2 3 目前研究现状4 1 3 论文研究的内容与结构6 第2 章系统总体设计及关键技术8 2 1 系统总体结构8 2 2 系统工作原理9 2 3 系统关键技术1 0 2 3 1 嵌入式技术1 0 2 3 2 视频处理技术。l l 2 4 本章小结1 2 第3 章系统硬件设计13 3 1 硬件总体设计1 3 3 2o s k 硬件电路1 5 3 2 1o m a p 5 9 1 2 电源电路1 5 3 2 2o m a p 5 9 1 2 外围核心电路1 8 3 2 3 串口和u s b 接口电路1 9 3 2 4 以太网模块电路2 0 3 3 电力载波电路设计2 l 3 4 本章小结2 3 第四章嵌入式系统软件平台的构建一2 4 4 1 交叉编译环境的搭建2 5 4 1 1 宿主机操作系统的安装和配置2 5 4 1 2 交叉编译工具安装一2 7 i v 4 2o s k 5 9 1 2 软件开发平台的构建2 7 4 2 1 引导代码b o o t l o a d e r 的移植2 8 4 2 2l i n u x 内核的移植2 9 4 2 3 文件系统的制作一3 1 4 3 软件平台测试3 3 4 4 本章小结3 3 第5 章系统应用软件的设计3 4 5 1u s b 摄像头视频采集处理3 4 5 1 1u s b 摄像头驱动程序移植3 5 5 1 2 视频数据采集3 8 5 2d s p b i o s 的应用4 0 5 3 视频数据处理4 3 5 4 嵌入式w e b 服务器的设计4 6 5 4 1 嵌入式w e b 服务器功能概述4 7 5 4 2b o a 服务器移植4 8 5 5 本章小结5 2 第6 章系统测试5 3 6 1 系统测试环境5 3 6 2 系统的运行。5 3 6 3 测试结果5 4 6 4 本章小结。5 5 第7 章总结与展望5 5 7 1 全文总结5 6 7 2 工作展望5 7 参考文献：5 8 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文6 l 致谢6 2 v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 随着社会经济的发展人们生活水平的提高，人们对于公共场所以及居住小 区的安防要求越来越高。传统的文字声音等报警形式因其报警形式单一无法及 时获取犯罪分子的特征等缺点已经不能满足现代安防的需要。视频监控系统因 其采集的信息直观、准确、丰富、及时高效等特点被广泛应用到安防监控设备 中。随着信息技术和网络技术的发展视频监控已经从传统的闭路电视的模拟监 控系统向数字化网络化智能化的视频监控系统转变，而且随着监控设备的清晰 度要求的提高采集图像的像数也越来越高，在整个系统中传输处理的数据量也 越来越大，但是目前多数的网络视频监控系统都是采用单核处理器来完成其工 作，使得整个系统的硬件资源十分紧张，处理效果也不能满足监控系统发展的 需要，而且目前常用的网络视频监控系统的安装布线等都需要专业的人员来完 成，如何更好地使得数字网络视频监控系统变得更加方便智能是现在视频监控 的研究重点和发展趋势。 本系统采用嵌入式技术采集实时的视频信息、通过电力载波技术进行视频 数据信息的传输，系统综合了嵌入式技术的低功耗、稳定、易维护和电力载波 技术的安装方便、即插即用的特点，让整个视频监控系统的安装维护更加简单 方便符合现代视频监控技术发展的趋势，因而本系统具有很强的社会价值和经 济效益。 1 2 课题的国内外研究现状 1 2 1 视频监控系统的发展 随着科技的发展，视频监控系统经历了从第一代百分之百的模拟系统 ( v c r ) ，到第二代部分数字化的系统( d v r 1 w r ) ，再到第三代完全数字化的系统 ( 网络摄像机和视频服务器) 三个阶段的发展演变【1 1 囝。 2 0 世纪9 0 年代初，视频监控系统以闭路电视监控系统为主，也称为第一代 武汉理工人学硕士学位论文 模拟监控系统。系统的构成主要有模拟摄像机、视频切换矩阵、专用电缆、模 拟监视器、模拟录像设备和盒式录像带等【3 】。但是由于第一代模拟监控系统采集 的模拟信号和传输介质等因素使得它在信号传输距离、后期维护扩展以及同其 他安防设备( 如门禁、防护报警等) 集成都无法满足现代安防监控数字化的需 求，这些不足都限制了第一代视频监控系统的应用范围，而逐渐被新的视频监 控系统所取代。 2 0 世纪9 0 年代中期，随着数字多媒体技术以及p c 技术的飞速发展，视频 监控系统也由第一代模拟监控系统向第二代数字监控系统转变。第二代数字监 控系统与第一代的视频监控系统的最大不同就是它采集和传输的信号都是数字 信号而不是第一代系统的模拟信号，它的典型代表是d v r ( d i g i t a lv i d e o r e c o r d e r ) ，监控系统数字化对视频信号的传输和存储都造成了很大的变掣引，这 样监控系统就能将采集的视频信号存储在电脑硬盘而不是传统的录像带中，同 时也很方便地同其他的安防设备进行集成。数字监控系统不仅大大提高了视频 数据的存储能力同时也使得对视频信息的搜索和侦查变得容易。 2 0 世纪9 0 年代末，随着网络技术的发展视频监控系统也随之进入了网络化 时代。网络视频监控系统主要是针对网络环境而产生的，它克服了第一代模拟 视频监控系统和第二代数字监控系统无法通过网络来获取视频信息的缺点【5 】，用 户可以通过整个视频监控网路中的任何一台电脑来查阅、监视、管理实时的视 频信息。第三代网路视频监控系统的监控范围更大，而且可以与门禁、报警、 巡更语音、m i s 等系统无缝集成。并且随之科技的发展视频监控系统的价格也 在逐步下降，这样使得更多的监控系统走进了小区、家庭等场所 1 2 2 电力载波技术的发展 现在电力载波技术已经发展了很长的历史了，早在1 8 3 8 年英国人e d w a r d d a v y 就开始利用电力线去传播各地电报系统中电池电压的信号；1 9 0 5 年美国人 c h e s t e r t h o r a d s o n 申请了电力载波远程抄表系统的专利，但因为其技术不成熟还 需要另加线路才能在电力线上传播，最后没法在商业上得到广泛的应用【6 】。随着 技术的发展，到2 0 世纪5 0 年代低频高压电力载波技术已经在欧洲广泛地应用 于设备监控，语音传播等领域。从2 0 世纪5 0 年代到9 0 年代电力载波的信号传 播开始从高压线路逐渐向中低压电网转移，应用领域也发展到自动抄表、供电 管理、电网负荷的监控等方面。到2 0 世纪9 0 年代随着高新技术的飞速发展，i 2 武汉理工人学硕士学位论文 i n t e m e t 的快速普及，越来越多国际公司开始研究设计电力载波在低压线路高速 数据传播的产品。1 9 9 7 年英国联合电力公司的子公司n o r w e b 通讯公司和加拿大 n o r t e l ( 北电网络) 公司联合研发的数字电力载波技术d p l ( d i 西t a lp o w e rl i n e ) 实 现了在低压配电网上进行1 m b p s 的远程通讯，1 9 9 8 年3 月两家成了n o r w e b 合资公司进行该技术的市场推广。从此很多的国际大公司也开始逐步推出自己 的产品，如：美国的i n t e l l o n 、西班牙的d s 2 公司、i n a r i ( i n t e l o g i s ) 公司、以色列 的i t r a n 、m a i n n e t 公司、韩国的x e l i n e 公司、瑞士的a s c o m 公司、德国的 s i e m e n s 公司、p o l y t r a x 公司等1 7 j 。 目前的电力载波的通信协议主要有x 1 0 、c e b u s 、l o n 、p l c b u s 以及 h p a ( h o m ep l u gp o w e r l i n e a l l i a n c e ) 等，其中x - 1 0 是世界上第一个利用电力线来 实现电灯等家用电器控制的规范【8 】。h p a 协议是i n t e l l o n 、思科、英特尔、惠普、 松下和夏普等1 3 家公司为创建共同的家用电力线网络技术标准，并且在2 0 0 1 年6 月2 6 号发布了h p a 的第一个版本h o m e - p l u g1 0 t 9 1 。 电力载波技术的实际应用中德国走在了世界的前列，德国最大的电力公司 r w e 公司在2 0 0 0 年5 月开始利用电力载波技术采集电力线数据，2 0 0 1 年5 月 瑞士的电信设备公司亚斯康于德国最大电力供应商莱茵一威斯特伐利亚发电厂 合作【i o 】，开始为德国的用户提供通过电力线上网服务。， 国外的电力载波技术发展到现在已经有数百万的产品应用于办公和家庭的 网络互联，各大公司也相继推出了各自的产品。如表1 1 所示。 我国的电力线载波技术研究起步比较晚。1 9 9 7 年中国电力科学研究院开始 研究电力载波技术，最初的主要目的是将其用于对传输速率要求比较低低压远 程抄表系统，直到1 9 9 9 年5 月才展开高速电力载波系统的研发工作，2 0 0 0 年同 韩国k e y i n 公司共同开发的载波模块速率可达到1 m b i t s 。福建省电力试验研究 院在全国首先推出应用于电力线上网的电力线调制解调器，传输速度达到 1 0 m b i t 1 1 】。2 0 0 3 年国家自然科学基金资助了两个低压电力线通信课题：华北电 力大学的“宽带电力线通信技术研究”和哈尔滨理工大学的“低压电力线载波 通信环境的理论分析和仿真分析 。 目前国内的很多高等院校和公司企业都开始了对电力载波通信技术的深入 研究，研究范围涵盖了高低压通信设备的研发、内部的耦合、电磁辐射干扰、 载波组网等各个方面，并且取得了丰富的成果。其中清华大学对电网高频噪声 和高频阻抗进行了分析【1 2 】【1 3 】；华中科技大学进行了低压电力网高频载波通信信 道模块研究和o f d m 同步问题研究等【1 4 】【1 5 1 ；西安交通大学对电力线信道理论信 3 武汉理工大学硕士学位论文 道容量进行了研究【1 6 】；浙江大学对信号在低压电力线中的传输特性和网络结果 进行了分析【1 7 1 。国内也有很多的企业也在电力载波技术展开了研究和应用如： 东软、福星晓程、弥亚微电子、青岛鼎信、许继集团等都相继推出了自己的产 品并且针对我国的电力网络设计出适合需要的电力载波产品。以中电飞华为代 表的企业已经开始了在电力载波上网的实际应用，目前在北京已经开通了5 个 实验小区，为电力载波技术的实际应用获得了大量的资料，但是要大范围的推 广还需要企业对生产运营成本以及对环境电网的影响等做出更详尽的评价和研 究，电力载波技术的发展应用还有很长的路要走。 表1 1 国际主要载波芯片 。公司名称芯片速率相关产品应用范围 国内外众多厂商生产的电力 i n t e l l o n 1 4 m b p s 、8 5 m b p s 线以太网桥、电力线路由器样家庭网络 品、评估板 m a x i m 1 4 m b p s 提供样品、评估板家庭高速网络接入 c o n e x a n t 1 4 m b p s 提供样品、评估板家庭高速网络接入 国内外众多厂商生产用于家 d s 2 4 5 m b p s 、2 0 0 m b p $ 庭网络及中低压高速接入系 家庭高速网络接入 统产品 用于家庭网络及中低压高速 x e l i n e 2 4 m b p s 家庭高速网络接入 接入产品 r r r a n 2 5 m b p s 有产品用于商业化网络运行家庭高速网络接入 s p i d c o n 2 2 4 m b p s 样机 家庭高速网络接入 1 2 3 目前研究现状 我国的视频监控技术经过奥运会、上海世博会以及高速铁路的洗礼，目前 已经进入了高速发展阶段，特别是全国平安城市计划的实施市场前景广阔。中 国电信打造的“全球眼”全新数字网络化的视频监控系统已经成功在多个城市运 行如：巢湖市的治安网络视频监控系统、荆门市荆门电信“全球眼”视频监控系统 等。这样覆盖整个城市的网络视频监控系统不仅为公安机关的案件侦破提供了 4 武汉理工大学硕士学位论文 全面的资料同时对于犯罪分子也起到了很好的威慑作用。同时随着嵌入式技术 的发展，视频监控产品也越来越多地采用这种性能稳定、功耗低、维护简单的 嵌入式系统。如山东大学的李尚达等人开发的基于嵌入式的网络视频监控系统 【l 引，系统实现了在嵌入式技术平台上搭建网络视频监控系统，实现了对视频数 据的实时传输且无明显的抖动延时。该系统的缺点是只能在现场的局域网络中 实现视频监控无法在通过公共网关来访问服务器、对采集到的视频数据也未能 做出相应的处理同时在对实时数据传输方面也有待改进。而本文的视频监控系 统是基于t i 的o s k 5 9 1 2 硬件平台的双核系统，首先它在a r m 端运行与硬件平 台适应的l i n u x 操作系统，并在系统上面搭建相应的模块如：视频采集模块、网 络服务模块、双核通讯模块等，来实现对整个系统的控制功能。同时在其d s p 端对采集到的视频数据进行压缩处理使得庞大的视频数据得以在网络上实时流 畅传输，并且能在进一步的研究中对视频信息进行智能化的处理让整个系统更 加智能化。采用该硬件平台能发挥a r m 在系统控制的巨大优势弥补其数据处理 方面的不足，同时又能充分发挥d s p 在数据处理方面的强大优势，能大大地提 高整个系统的性能，符合现代视频信息高清大流量的发展方向。 电力载波技术上目前已经从原来单一的远程抄表等低流量的数据传输逐步 转向网络视频多媒体等大数据量传输上来。如武汉大学的李黄清和孙云连等研 究的电力载波通信在家庭网络中的应用【1 9 】，虽然在电力载波技术上还有很多的 问题要解决，但它为家庭网络多媒体的传输和控制提出了一个新的、方便、廉 价的解决方案。随着技术的发展欧美等地已经有将电力载波技术用家庭局域网 组网的电力猫，并且已经能够满足日常的使用需要，已经有主流的产品进入到 家庭的应用中。目前国内t - p l i n k 等公司也相应突出了自己基于电力载波技术的 电力宽带猫，分别有1 4 m b p s 、8 5 m b p s 、2 0 0 m b p s 等不同型号的产品。 虽然网络视频监控系统已经发展到了很高的水平，但其网络分布自生的局 限性如：“最后一公里”问题、无法利用现有的网络需要另外布线等因素也限制了 它的发展。目前对于有线网络无法覆盖或难以布线的场所我们常常采用的方式 就是利用无线网络来弥补，但无线网络发射的信号无法保证均匀覆盖整个空间， 并且在遇到墙壁的阻挡或者角落等地方容易出现信号急剧减弱和信号盲点等问 题，如果加强信号的发射功率又会对信号覆盖下的人造成辐射影响。上述情况 表明目前常用的有线和无线的网络都无法很完美地完成信号终端的信号传递。 基于上述国内外的技术的发展现状以及现有网络终端的不足，根据我国现 有网路的发展和人们对于安防产品的需求，开发设计了基于嵌入式平台和电力 5 武汉理上人学硕士学位论文 载波技术的视频监控系统，该系统利用双核系统平台解决了大量视频信息采集、 存储和传输的问题。同时利用电力载波技术来进行视频数据的传输，解决了网 络覆盖中“最后一公里”和无线网络覆盖的缺陷，很方便地将视频监控终端同互联 网联接起来。本方案不仅运用成本低、有较好的扩展性，同时能够更广泛地延 伸视频监控的范围，并且与电力载波技术即插即用的特点融合起来，让视频监 控的安装使用更加简单方便。 1 3 论文研究的内容与结构 根据当前视频监控系统的需求，以及嵌入式技术、网络多媒体技术的发展， 本文充分利用了视频监控技术和电力载波技术，设计了一种实时性强、安装使 用方便的电力载波视频监控系统。本文主要是围绕以下几个方面进行研究： ( 1 ) 基于o m a p 5 9 1 2 双核处理器的控制电路设计，主要包括最小系统的设 计；外部存储器的扩展的设计；电源管理电路的设计；u s b 接口、串口、以太 网接口设计等；电力载波模块的硬件电路分析，主要是对其主控芯片功能的研 究，以及其电器隔离电路和抗干扰电路的分析等。 ( 2 ) 搭建基于o m a p 5 9 1 2 的软件开发平台，完成交叉编译环境的搭建，然 后分别对u b o o t 、l i n u x 内核、文件系统等进行配置和移植，为下一步应用设计 准备好开发环境；嵌入式d s p b i o s 的移植，为保证a r m 和d s p 双核之间的 任务调度以及数据交换搭建应用平台。 ( 3 ) u s b 摄像头的驱动以及视频图像的采集处理，其中包括了u s b 设备驱 动的开发、基于v i d c 0 4 l i n u x 的视频采集程序开发以及在d s p 端的基于h 2 6 4 视频数据处理等。 ( 4 ) 完成对嵌入式w e b 服务器的设计，其中包括了w e b 服务器平台的搭建、 平台上数据的传输等。 本论文的主要内容安排如下： 第1 章：绪论。主要分析了课题研究意义，国内外电力载波和视频监控的 发展状况，分析基于电力载波的视频监控系统的优势，并对本文的主要工作和 文章的结构进行规划安排。 第2 章：系统的总体设计及关键技术。首先对系统的总体结构进行分析并 对系统的工作原理进行详细地说明，然后分别对本文涉及的关键技术：嵌入式 技术、视频处理技术、电力载波技术分别进行分析研究。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章：系统硬件设计。介绍了系统的总体硬件设计方案，然后分别介绍 了o s k 硬件电路和电力载波电路，其中包括：o m a p 5 9 1 2 电源电路、o m a p 5 9 1 2 外围核心电路、串口和u s b 接口电路、以太网模块电路、电力载波核心电路等。 第4 章：嵌入式系统软件平台的构建。分别介绍了交叉编译环境的搭建， o k s 5 9 1 2 软件开发平台的构建：引导代码的移植、内核的裁剪移植以及文件系 统的制作。最后对软件平台进行测试。 第5 章：系统应用软件的设计。主要介绍了在l i n u x 平台上对u s b 摄像头 的驱动开发和视频图像信息的采集、d s p b i o s 的应用和d s p 端的视频图像的压 缩处理以及嵌入式w e b 服务器的设计和实现。最后对系统部分功能进行监测调 试。 第6 章：系统测试。介绍了系统测试的环境以及硬件电路的链接、系统测 试过程和结果。 第7 章：总结与展望。简要地总结了本文的主要工作和研究成果，并对系 统设计中的不足提出了意见和建议，并对系统的进一步开发提出了说明和研究 方向。 7 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章系统总体设计及关键技术 基于电力载波技术的视频监控系统是一个较为复杂的系统工程，它涉及的 知识和技术广泛，其核心关键技术有嵌入式技术、视频处理技术、力载波通讯 技术。但在实际的系统设计开发过程中还包括整个系统硬件平台的设计和调试、 软件系统平台的裁剪和移植、外围设备的驱动设计、应用软件的设计、上位机 监控界面的设计和系统的整体调试。其中任何一个步骤出现问题都会影响整个 系统的运行，因此整个系统的设计开发部仅仅是单个知识的集成而是一个相互 融合的综合系统工程。 2 1 系统总体结构 本系统的软硬件系统结构如图2 1 所示，硬件部分主要由两部分组成：系统 控制模块和信号传输模块。系统控制模块主控芯片是t i 公司生产的新一代多媒 体双核芯片o m a p 5 9 1 2 ，芯片集合了低功耗、高性能的a r m 9 2 6 e j s 微处理器 和被广泛应用的1 m s 3 2 c 0 5 5 x d s p 内核组成的双核处理器。控制模块主要负责 视频数据的采集和压缩处理等：信号传输模块由i n t e l l o n 公司的i n t 5 5 0 和 i n t l 2 0 这两块主要芯片组成，主要负责将控制模块处理后的视频数据进行电力 载波帧的处理并通过电力线进行传输。 软件部分主要有根据本系统的硬件系统结构裁剪的l i n u x 操作系统和在 d s p 端的d s p b i o s ；底层的各种驱动程序，如u s bh o s t 、摄像头驱动等；运 用层中的主要有视频数据的处理、双核间的数据交换调度和数据的传输等；其 它的还包括硬件系统启动的初始引导代码b o o t l o a d e r ( u b o o t ) 的设计、整个系 统的根文件系统的配置移植等。 整个系统中软硬件是相互依存紧密联系的，系统各个模块间合理的调度配 合才能实现系统稳定高效地运行。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 系统工作原理 图2 1 视频监控系统的总体框图 整个系统是以嵌入式的双核系统为核心，以l i n u x 为操作系统，在该系统上 进行视频的采集、处理以及同电力载波模块的通讯。系统的工作过程如下： 首先，控制模块加载摄像头的驱动并采集视频数据，a r m 端将采集到的视 频信息交给d s p 端进行数据的处理，然后d s p 将处理后的视频数据返还给a r m 端，a r m 将处理好的视频数据传输给电力载波模块，载波模块将数据在电力线 上进行传输。上位机监控端通过电力载波模块接收在电力线上传输的视频数据， 并将其处理后在监控界面上显示，同时上位机可以通过电力载波模块对前端的 视频采集系统进行相应的控制和调整。 9 武汉理t 大学硕士学位论文 2 3 系统关键技术 电力载波视频监控系统涉及到通讯、计算机、嵌入式技术和图像处理等领 域，在整个系统中主要需要解决的是嵌入式技术、视频采集处理技术、解决这 些技术是整个系统成功的关键。 2 3 1 嵌入式技术 电力载波视频监控系统是嵌入式系统和电力载波系统结合的产物。其中的 嵌入式系统是一个高度集成的软硬件结合的系统平台，它主要由四大部分组成： 操作系统、m c u 、外围设备以及上层应用软件业内定义嵌入式系统通常都是： “以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积和功耗有严格需求的专用计算机系统。”随着技术的不断发 展嵌入式系统正朝着智能化、网络化、低功耗及低成本等方向发展【2 0 】 2 1 】。 嵌入式系统是针对特定的环境定制的专用系统，跟我们常用的p c 机和其他 的数字产品相比它有独特的自身特点。嵌入式系统有如下几个显著的特点【2 2 】： ( 1 ) 高实时性高可靠性 高实时性是嵌入式系统的基本要求，系统要求能对外部的异步事件做出迅 速的反应；同时嵌入式系统的运行基本是无人看守维护的状态，这就需要一个 能够对事件进行实时调度同时稳定性高的操作系统。对于系统的上层运用软件 要求固化在处理器内部的存储空间或者存储芯片中，程序代码要求高质量、高 可靠性以提高运行速度，满足现场需要。 ( 2 ) 专业性强 嵌入式系统都是根据某个特定功能和应用场所的需要开发的，系统一般会 对软硬件资源进行严格的控制以降低成本，这就需要嵌入式系统开发中必须根 据实时的需要对软硬件系统进行合理的利用。系统开发完成后不支持后期用户 对系统软件功能的修改，保证了系统的专用性。 ( 3 ) 低功耗 嵌入式系统都是高度集成的系统，常用在依靠电池供电的便携式系统中， 低功耗的系统能延长系统的使用时间。另外嵌入式系统一般是长期不间断地运 行，低功耗能够减少系统的散热量保证系统的稳定运行。 1 0 武汉理工人学硕士学位论文 2 3 2 视频处理技术 目前的视频编码技术不断发展成熟，已经有多种视频编码标准在不同的产 品中得到应用。视频编码技术的发展与技术标准的制定离不开两大组织的长期 努力：国际电信联 , 器( i n t e m a t i o n a l t e l e e o m m u n i c a t i o n u n i o n ：i t u ) 和活动图像专家组 ( m o v i n g p i e t u r ee x p e r t s g r o u p ：m p e g ) 2 3 1 ，i t u 和m g e g 标准的发展如图2 2 所示， 这两大组织一直致力于视频处理技术的制定并对目前的标准进行改进与创新。 目前主流的视频处理标准主要有h 2 6 x 、m p e g x 以及j p e g 等。 1 9 9 0 年i t u t 制定了针对可视电话和视频会议等要求实时编解码和低延迟 的视频压缩标准h 2 6 1 视频编码标准。h 2 6 1 是第一个在业界得到广泛应用的视 频编码标准，到目前仍然在广泛地应用中，是视频压缩编码的一个重要里程碑。 随后的19 9 1 年，活动图像专家组( m p e g ) 在h 2 6 1 的基础上提出了m p e g - 1 的 视频编码标准，它相对于h 2 6 1 标准有更高的压缩比，主要应用于家用的v c d 的视频压缩中。1 9 9 4 年i t u t 和i s o 共同制定并提出了音视频压缩标准 m p e g 2 。m p e g 2 扩展了m p e g 1 的技术标准，它能支持高分辨率图像同时提 出了通用的编码方法并将不同的编码率定义了不同的档次和等级。m p e g 2 能够 满足不同分辨率的图像处理，广泛地应用于多媒体、视频图像、数字电视、广 播通信等领域。1 9 9 6 年i t u t 制定了更低比特率的视频压缩标准h 2 6 3 ，它在 同等视频质量前提下输出码率比h 2 6 1 的一半还要低，同时在h 2 6 1 的基础上加 入了新的技术，如：运动补偿、高级预测模式、非限制的运动矢量等，提高了 编码效率和纠错能力。后来新的h 2 6 3 + 和h 2 6 3 + + 等技术再次提升了h 2 6 3 的 编码技术使得应用范围更加广泛。2 0 0 0 年由i s o i e c l 4 9 9 6 制定了m p e g - 4 新国 际标准，它比m p e g 1 和m p e g 2 有更低的输出率并且更加注重在多媒体系统 的交互性和灵活性。目前m p e g 4 已经广泛地应用于数字电视、多媒体监控、 基于内容的检索等领域。随后丌u 和i s o i e c 联合制定了面向未来i p 和无线环 境的视频压缩标准h 2 6 4 ，它比目前所有的压缩标准的压缩率都要高( 比h 2 6 3 和m p e g 。4 节约5 0 的码率) ，并且有很高的抗误码能力，能够适应各种恶劣的 通信信道中，h 2 6 4 的优越表现让其有非常广阔的应用前景和发展潜力在视频 处理的研究方面我国的“数字音视频编码技术标准工作组 也制定了a v s 标准， 它比m p e g 2 的编码率提高了2 3 倍，a v s 主要应用于数字电视广播、m t v 等 系统中。 武汉理t 大学硕士学位论文 i u t - t 标准 n 2 6 1h 2 6 3h 2 6 3 +h 2 6 3 + + i