（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式linux的水利防汛视频监控系统.pdf

摘要 本课题是南通市水利局委托项目。随着国民经济的迅猛发展，水利工程在国 民经济中所起的作用越来越大，防汛更是直接影响国民经济发展的一个重要方 面。本课题基于a r m 平台，采用嵌入式设计方式，实现实时监控，解决了人工 方式存在的观测数据误差大，系统维护难等问题。 本文在总结分析前人的研究成果的基础上，将先进的嵌入式技术、视频技术、 网络技术有效地结合在一起，提出了一种嵌入式网络视频监控系统的设计方案。 文章主要采用嵌入式处理器s 3 c 4 4 b o x 、视频编解码芯片z r 3 6 0 6 0 、t c p i p 协 议栈芯片w 3 1 0 0 a 作为硬件平台，嵌入式u c l i n u x 操作系统做为软件平台。文章 的研究重点为：系统的硬件平台设计；u c l i 肌x 在s 3 c 4 4 b o x 处理器上的移 植；f p g a 技术在系统中的应用。利用f p g a 技术，可以控制整个系统，方便调 试，并且提高了系统的保密性。 系统在a d s 和l i n u x 软件平台下开发并在硬件上得到实现，经完善后达到预期 效果，并运用到水利工程现场。本系统还可应用在相近行业的视频监控领域。 关键词：s 3 c 4 4 b o xu c l i n u x 异步f i f ow 3 1 0 0 az r 3 6 0 6 0 a b s t r a c t t h i ss u b j e c ti sap r o j e c tc o m m i s s i o n e db yn a n t o n gw a t e rb u r e a u w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , w a t e rc o n s e r v a n c yh a sp l a y e dam o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr o l e ，a n df l l r t h o r m o r o , f l o o dp r e v e n t i o ni so n e o f t h ea s p e c t st h a th a v ed i r e c t i m p a c to nd e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m y t h i ss u b j e c ti sb a s e d o na r mp l a t f o r m ， u s i n ga ne m b e d d e dd e s i g na p p r o a c ht oa c h i e v er e a l t i m em o n i t o r i n g , a n ds o l v e p r o b l e m st h a te x i s ti nm a n u a lm e t h o d ss u c ha so b s e r v a t i o n a ld a t ae r r o r s ，s y s t e m m a i n t e n a n c ed i f f i c u l ti s s u e sa n ds oo n i nt h i sp a p e r , a ne m b e d d e dv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nn e t w o r kw a s d e s i g n e d t h i sv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do nh i g hp e r f o r m a n c e e m b e d d e dp r o c e s s o rs 3 c 4 4 b o x ，v i d e od e c o d e r e n c o d e rz r 3 6 0 6 0 ，t c p i ps t a c k w 3 1 0 0 aa n du c l i n u xe m b e d d e do p e r a t es y s t e m t h ee m p h a s e so f t h ep a p e r ：t h e d e s i g no fs y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m ；t h et r a n s p l a n to fu c l i n u xo ns 3 c 4 4 b o x , t h ea p p l i c a t i o no f f p g a t e c h n o l o g y w i t ht h et e c h n o l o g yo ff p g a ，i tc a nc o n t r o lt h e w h o l es y s t e m ，m a k ed e b u g g i n gc o n v e n i e n ta n di m p r o v et h es e c r e c yo f s y s t e m t h es y s t e mw a sd e v d o p e du n d e rt h ep l a t f o r mo fa d sa n dl i n u x i tw a s i m p l e m e n t e di nh a r d w a r ea n dr e a c h e dt h ea n t i c i p a t e de f f e c t t h i ss y s t e mc a na l s ob e a p p l i e dt ot h ev i d e of r e q u e n c ym o n i t o r i n gf i e l do fc l o s et r a d e s k e y w o r d s ：s 3 c 4 4 b o x u c l i n u x a s y n c h r o n o u sf i f o w 310 0 az r 3 6 0 6 0 河海大学工学硕士论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 水利行业在中国有着悠久的历史。随着国民经济的迅猛发展，水利工程在国 民经济中所起的作用越来越大，防汛更是直接影响国民经济发展的一个重要方 面。由于防汛信息化水平不高，以往的人工观测数据误差大，系统维护难，易误 大事。一旦遇上反常气象，各大水库、水闸的防汛安全令人担忧，同时也给城市 防洪造成巨大压力。目前，国家提出了建设“数字水利”的目标。全面实施大 型水库远程视频实时监控系统建设。防汛抗洪工作逐步从被动抗洪向主动防汛转 变。为进一步提高防汛抗洪决策的有效性和可靠性，实施防汛远程视频实时监控 系统建设，可及时对可能或正在发生的汛情、险情、灾情进行动态监视，随时了 解现场情况，以便采取相应的预防和补救措施确保水库安全运行。对领导决策和 减少洪水灾害，缓解城市的防洪压力，保障人民生命财产的安全具有重要作用。 目前在全国各省市基本上都建立了本地的局域网，通过卫星线路连接到国家 水利部，构成了一个全国范围内的水利专网，为当前的水利防汛打下了扎实的基 础。国家水利部和一些流域机构、省、自治区、直辖市水行政主管部门、科研院 所和重点企业通过i n t e m e t 网的接入及应用均已建立了对外的网站。 水利部信息化工作领导小组于2 0 0 1 年4 月召开了全国水利信息化工作座谈 会，将水利信息化建设定名为“金水工程”。“金水工程”是从“九五”期间开 始实施的、覆盖水利信息化全局性的重大工程，“十五”期间要加快建设步伐， 今后一定时期内还要继续向纵深发展。 “金水工程”又称“国家防汛指挥系统工程”。计划用五年左右时间，搭建 一个先进、实用、高效、可靠并且具有国际先进水平的国家防汛抗旱指挥系统。 金水系统将覆盖7 大江河重点防洪地区和易旱地区，能为各级防汛抗旱部门及 时、准确地提供各类防汛抗旱信息，并能较准确地作出降雨、洪水和旱情的预测 报告，为防洪抗旱调度决策和指挥抢险救灾提供有力的技术支持和科学依据。 同时，视频监控近年来在各行各业得到了广泛的应用，生活中有小区安全监 控，电讯行业有机站监控，银行系统有柜员制监控，林业部门有火情监控，交通 方面有违章监控等等。从功能上讲，视频监控可用于安全防范、信息获取和指挥 调度等方面。随着我国信息化进程的推进和人民物质生活水平的提高，安全防范 系统越来越受到人们的重视。此外视频监控系统的图像编码标准己经从h 2 6 3 、 m p e g l 过渡到m p e g 2 ，现在正在向m p e g 4 、h 2 6 4 、j p e g 进发。因此设计出 一种图像效果好、功能强、价格低、性能可靠的数字化监控系统具有良好的应用 前景。开发基于嵌入式平台的多路j p e g 水利防汛视频监控系统正是为满足这一 河海大学工学硕士论文 第1 章绪论 需求所提出的”。 基于嵌入式平台的多路高质量的j p e g 方案到目前为止成熟的产品较少，课 题的主要任务是研究开发一种基于a r m s 3 c 4 4 b o x ，具有模数转换及以太网视 频传输能力的多路j p e g 水利防汛视频监控系统，并力求使该嵌入式视频监控系 统具有较高的性价比。 1 2 视频监控技术发展概述及国内外现状 视频监控随着社会的进步，近来越来越被广泛地应用到各个领域。同时随着 社会的发展，视频监控系统也随之经历了三个时代。( 1 ) 模拟时代：视频以模拟 方式采用同轴电缆进行传输，并由控制主机进行模拟处理。( 2 ) 半数字时代：视 频以模拟方式采用同轴电缆进行传输由多媒体控制主机或硬盘录像主机( d v r ) 进行数字处理与存贮。( 3 ) 全数字时代：视频从前端图像采集设备输出时即为 数字信号，并以网络为传输媒介，基于国际通用的t c p 婵协议，采用流媒体技 术实现视频在网上的多路复用传输，并通过设在网上的网络虚拟( 数字) 矩阵控 制主机( i p m ) 来实现对整个监控系统的指挥、调度、存贮、授权控制等功能。 此外报警、门禁、巡更等前端设备输出的数字信号也可由多网合一的方式通过网 络复用进行传输并在同一平台上进行管理与控制。 现今的视频监控系统已经步入了全数字时代。这将彻底打破“闭路电视系统” 模拟方式的结构，从根本上改变了视频监控系统从信息采集、传输处理、系统控 制的方式和结构形式，实现前端体化、传输网络化、处理数字化和系统集成化。 计算机技术、网络技术、以及网络基本建设，是网络视频监控系统的构建的 基石。与技术发展不同时期相适应，网络视频监控系统大致经历了三个发展阶段。 ( 1 ) 第一代网络视频监控系统 网络技术的发展和大规模的网络基本建设贯穿了整个2 0 世纪9 0 年代，网络 经济经过了热潮、短暂地衰落、到回归理性地发展，人们意识到：网络建设不是 网络经济的最终目的，内容服务才是推动网络理性发展的原动力，而视频服务将 成为内容服务的主力军。视频、图像是对客观事物形象、生动的描述，是直观而 具体的信息表达形式，是人类最重要的信息载体。同时，视频服务能最大限度地 “消耗”网络带宽资源，从而有效地推动网络基础建设的发展。 为了能够在网络上传输视频，有三个关键技术的问题需要突破：视频压缩算 法和标准、大规模专用数字图像压缩芯片技术、数字存储技术。 ( 2 ) 构建与模拟视频监控系统功能相当的第二代网络视频监控系统 很快，在工程实践中，人们意识到只有网络摄像机是很难构成完整的视频监 控系统的。在只有一个或几个监控点的简单应用中，用户通过i p 地址直接访问 网络摄像机，该方式是简单有效的。但是随着监控规模的扩大，没有统一的视频 资源管理机制带来的弊端就体现出来了。 ( 3 ) 第三代视频交换技术的出现，使得网络视频监控系统进入一个全新的 时代。第二代网络视频监控系统较好的解决了工程实践中遇到的一些困难，但是 它远远没有发挥网络的优势，而第三代视频交换系统，充分结合i p 网络的特点， 利用流媒体技术，具有光明的前景。第三代视频交换系统，将整个视频系统分为： 资源子网和交换子网两个部分。资源子网包括视频前端、视频资源及用户管理、 分布式存储子系统、远程软件浏览用户、硬件解码系统等；交换子网则是由视频 交换机构成的网络。 第三代视频交换系统比第一代、第二代网络视频监控系统提供了更低的运行 成本。在第一代、第二代网络视频监控系统中，系统的并发访问量由两个因素决 定：前端设备的处理能力和前端设备的接入带宽。 目前，在国内外市场上，模拟视频监控技术发展己经非常成熟、性能稳定， 在实际工程中得到广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛。 由于历史及观念上的原因，我国的视频监控技术较发达国家晚二三十年。但 是在二十世纪九十年代末，伴随着计算机技术、图像处理技术和网络技术的发展 普及，兴起了数字化网络视频监控系统的浪潮，也为中国新兴的专业网络视频监 控公司和企业带来了前所未有的挑战和机遇。 视频监控系统的网络化是远程视频监控系统今后发展的主要目标之一，系统 网络化将实现整个网络系统硬件和软件资源共享以及任务和负载共享。与网络技 术齐头并进的还有嵌入式技术。在硬件和软件方面嵌入式技术都有显著的提升。 曾经是嵌入式硬件平台的主要器件单片机( 微控制器) ，其高端应用正逐步被新型 的1 6 位、3 2 位的高性能微处理所取代。在存储器与外围设备领域，新兴的混合 型存储器容量加大，性能更好，正取传统存储器而代之。与此同时，嵌入式系统 的开发与调试工具也有了长足的进步。 视频监控系统成为多种技术的整合、嵌入式构架、适用和适应性更强以及不 同探测设备的整合输出。系统的结构将由集总式向集散式系统发展，集散式系统 采用多层分级的结构形式，将使整个网络系统硬件和软件资源以及任务和负载得 以共享，这也是系统集成与整合的重要基础。信息流数字化、编码压缩、开放式 的协议，具有微内核技术的实时多任务、多用户、分布式操作系统，以实现抢先 任务调度算法的快速响应，硬件和软件采用标准化、模块化和系列化的设计，系 统设备的配置具有通用性强、开放性好、系统组态灵活、控制功能完善、数据处 理方便、人机界面友好以及系统安装、调试和维修简单化，系统运行互为热备份， 容错可靠等功能。 系统集成化正是由于构建系统的各予系统均实现了网络化和 数字化，特别是使视频监控系统与弱电系统中其它各予系统间实现无缝连接，从 而实现了在统一的操作平台上进行管理和控制 1 8 】【1 9 】。 河海大学工学碗士论文 第1 章绪论 1 3 水利视频监控系统的功能要求 本课题是南通市水利局的委托项目。项目主要功能利用视频技术和计算机网 络技术对水库大坝等重要水利设施实行远程视频监控。可实时监控河流水库水位 情况，将被监控点实时采集的视频文件及时地传输给监控中心，实时动态地报告 被监测点的情况，及时发现问题并进行处理。 在每个监控点可以安装一个或数个监控摄像机，外围再各配备一台云台、防 护罩及云台控制器。每个视频采集点各匹配一台视频编解码器。视频编码器是集 视频采集、视频压缩编码、网络传输、w e bs e r v e r 、输入输出控制等功能于一体 的网络视频传输设备。监控摄像机用于各监控点实时视频信号。云台可以由控制 中心的计算机控制。用户可对摄像机进行水平3 6 0 度，垂直9 0 度及变焦控制。 本课题主要完成就是视频编码器部分。视频编码器可以按入各种模拟摄像 头，将模拟视频信号转换为压缩视频数据流，再通过网络传输到p c 上解码显示 或通过视频解码器还原为电视信号显示。视频编码器负责把摄像机的模拟视频信 号转变成数字信号，同时进行压缩，另外也传输控制信号，通过r j 4 5 接口连接 到监控管理中心，监控中心能看到各监控点的实时状况，监控人员可通过监控中 心局域网远程实时浏览视频图像、遥控云台。 本系统特点；采用视频编解码压缩技术、支持w e bs e r v e r ，b s 模式操作、 可通过互联网进行远程控制访问、支持t c p i p 协议、提供r s 2 3 2 接口、r j 4 5 以太网接口。 1 4 研究工作及本文的主要内容 本项目依据水利行业的特点，结合目前国内、外实现水利信息化的技术现状， 提出一种基于1 i n u x 嵌入式系统的水利防汛视频监控系统。系统具有体积小，集 成度高，可靠性强等特点，适合偏远山区和发达地区都适用的多媒体信息的采集、 传输和处理，实时性高。同时可以实现水利设施无人值守的目的，可以节省大量 的人力、物力和财力。 主要的研究工作： 1 分析和研究j p e g 的相关技术。 2 主要利用a r m 处理器、存储器、视频a d 芯片、j p e g 编解码芯片、t c p i p 协议栈芯片及其它相关元器件或模块构建了嵌入式硬件平台，并进行了简单的电 磁兼容设计。 3 基于w 3 1 0 0 a 芯片，构建t c ps e r v e r 。 4 通过分析嵌入式l i n u x 的应用技术，研究u c l i n u x 的技术特点，实现s 3 c 4 4 b o x 平台上的嵌入式u c l i n u x 操作系统的移植。 5 结合u c l i n u x 系统上应用程序设计特点，进行相关驱动程序的开发。 河海大学工学硕士论文第1 章绪论 本文的主要内容分为以下六个章节：其中第一章是绪论，结合课题要求，综 合论述了本文研究工作的意义和基于网络的远程视频监控系统的发展状况，目标 及全文的组织结构，简要分析了视频监控技术的历史和它的发展方向。第二章介 绍了课题的总体方案，选材依据，以及嵌入式c p u 基本系统和电源模块。第三 章重点介绍了视频采集与处理系统的设计，包括前端的a d 芯片s a a 7 1 1 3 、j p e g 的标准和应用，并分析了j p e g 编码特点，利用j p e g 芯片实现视频的编解码压 缩，以及在系统中引入f p g a 技术。第四章主要是基于w 3 1 0 0 a 芯片构建t c p s e r v e r 和简单介绍了t c p 的连接过程。第五章介绍了嵌入式操作系统u c l i n u x ， 研究了u c l i n u x 下的编程特点，在s 3 c 4 4 b o x 上移植操作系统和进行相应驱动程 序的开发。最后一章是总结与展望，总结了前面的工作，并对系统开发中出现的 问题和解决方法进行介绍，同时提出系统的改进意见。 第2 章水利视频监控系统的总体方案 2 1 方案论证 结合课题功能要求，系统由a r m 7 嵌入式芯片s 3 c 4 4 b o x ，视频a d 芯片 s a a 7 1 1 3 、j p e g 压缩芯片z r 3 6 0 6 0 、t c p i p 芯片w 3 1 0 0 a 、快速以太网物理层 芯片r t l 8 2 0 1 b l 以及f p g a 芯片e p f l 0 k 3 0 e t c l 4 4 构成。 考虑到系统的实时性要求，系统采用a r m 微处理器来代替单片机控制器， a r m 微处理相对于传统的单片机处理器功能更强大，芯片内部集成了一些控制 器，而且可以移植操作系统，方便、安全、高效、实时性好。此外，a r m 处理 器的功耗也比单片机低。 在视频采集处理方面，本系统采用了s a a 7 1 1 3 作为视频a d 芯片。s a a 7 1 1 3 兼容p a l 、n t s c 、s e c a m 多种制式，相对于其前代产品s a a 7 1 1 1 ，在功能上 进一步增强，在管脚数上却减少了，减少了制版的难度。 在视频编码方面，系统选用了j p e g 编码压缩方式。在编解码协议上，目前 多媒体通信系统中应用广泛的是h 2 6 3 协议。但h 2 6 3 协议必须采用c i f 格式， 图像质量受此限制。即使提高通信通道容量、优化编解码方案，也难以大幅度提 高图像质量。这一点h 2 6 3 协议不如m p f g 4 标准。m p f g 4 标准的图像质量较 好，但m p f g 4 标准在编解码过程中，时间上不对称，其编码时间远远大于解码 时间。若能有效地减少编码延时，可以在图像质量要求较高的多媒体通信系统中 得到较好的应用。j p e g 算法相对来说，比前两种算法优越。从系统的开发时间 上考虑，本课题选用了硬件j p e g 方式，使用z o r a n 公司的z r 3 6 0 6 0 芯片。相对 于软件j p e g 方式，硬件j p e g 方式可靠性高，开发时间短。 本系统选用w 3 1 0 0 a 芯片和r t l 8 2 0 1 芯片来构建t c ps e r v e r ，代替现在常用 的r t l 8 0 1 9 芯片。在系统设计时，也曾考虑过使用r t l 8 0 1 9 ，但是由于开发时 问有限，如果使用r t l 8 0 1 9 ，就要编写t c p | p 协议栈，耗时而且开发难度很大、 系统维护也困难。综合考虑，选用了w 3 1 0 0 a 来构建t c ps e r v e r ，采用r t l 8 2 0 1 来实现物理层连接。 在嵌入式系统的选择上，系统选用了u c l i n u x 操作系统，2 6 内核。严格意义 上讲，u c l i n u x 不是实时操作系统，但是这里选用实时性大大改进的2 , 6 内核。 在2 6 内核里，加入了内核抢占性，使重要的程序可咀抢占系统进程，极大地提 高了实时性。同时，相对于其他嵌入式系统， 如u c o si i 、w i n c e 等，u c l i n u x 比u c o si i 对设备的支持性更好，比w i n c e 开发方便，因为u c l i n u x 开源。 河海大学工学硕士论文 第2 章嵌入式网络视频监控系统设计与实现 2 2 系统总体框图的构建 本课题是基于嵌入式水利防汛视频监控系统，可以进行视频压缩、远程传输 等。按模块划分，系统分为四个基本系统，嵌入式c p u 基本系统、视频采集与 处理系统、以太网通信系统和系统电源模块。系统结构图如图2 1 所示。 视频采集与处理系统 嵌入式c p u 基本系统 以太网络通信系统 图2 1 系统结构图 根据系统要求，在每个监控地点放置2 3 个摄像头，用来监视水位信息。现 场信息通过摄像头，进入s a a 7 t13 芯片进行a d 转换，将模拟视频信息变成数 字信息，然后再经过z r 3 6 0 6 0 芯片进行j p e g 压缩，压缩数据送入s 3 c 4 4 b o x 。 s 3 c 4 4 b o x 将压缩数据经过w 3 i o o a 和r t l 8 2 0 1 ，通过r j 4 5 接口送至d 监控中心 进行观测，监控中心根据现场情况，来判断汛情。 2 3 嵌入式c p u 基本系统 基本系统系统由嵌入式c p u 芯片s 3 c 4 4 b o x 、f l a s h 芯片s s t v f l 6 0 1 、 s d r a m ：苞= 片h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 、串口芯片m a x 3 2 3 2 及j t a g 接口组成。基本系统 结构图如图2 2 所示。 口 塑塑盔兰三兰堡主堡兰 垫! 兰堂苎堕塑望塑些丝墨竺堂盐：i ! ! 翌 图2 2 嵌入式c p u 基本系统结构图 2 。3 1s 3 g 4 4 b o x 简介 本课题采用s a m s u z 礓公司的芯片s 3 c 4 4 b o x 作为c p u 核心器件。s 3 c 4 4 b o x 是s a m s u n g ( - - - 星) 公司一款基于a r m 7 t d m i 的s o c 芯片。它一方面具有 a r m 处理器的所有优点：低功耗、高性能；同时又具有非常丰富的片上资源， 非常适合嵌入式产品的开发。其特点如下“1 ： 采用a r m 7 t d m i 内核，i o 电压3 3 v ，内核电压2 5 v ； 内置锁相环( p l l ) ，系统主频最高达6 6 b 幢i z ； 4 种工作模式，可以实现电源管理以降低系统功耗； 8 k b 的系统高速缓存( c a c h e ) ，极大地提高了系统运行速度： 支持8 个m e m o r yb a n k ，最大外部存储空间达2 5 6 m b ，并支持s d r a m ； 内置彩色l c d 控制器； 2 路异步串口( u a r t ) ： 7 1 个通用i o 口； 8 通路模数转换器( a d c ) ； 实时时钟( r t c ) 和看门狗电路( w a t c h d o g ) 。 2 3 2 存储系统 本课题选用了s s t 的f l a s h 芯片s s t v f l 6 0 1 和现代公司的s d r a m 芯片 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 构成存储系统。 在系统中，f l a s h 用来存储系统程序。在系统复位的时候，程序指针被设置 为0 ，使程序跳转到0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 开始运行。此空间对应的是b a n k 0 ，系统的i i v l b 的线性f l a s h 和处理器的b a n k 0 相连接。在线性f l a s h 里存储的是供系统初始化 的程序，此程序负责处理系统的结构、工作模式以及自动检测嵌入式控制器的各 翌塑奎堂三兰堡圭丝壅 苎! 主壁垄塑堑望塑鉴丝墨竺丝盐皇苎翌 个硬件是否工作正常。系统经过初始化和硬件自检以后，此程序负责把存储在 1 6 m b 的非线性处理器的s y s t e m - b i n 文件复制到0 x c 0 0 0 0 0 0 地址( 此地址是系统 8 m b 的s d r a m 的首地址) 。然后，引导程序把程序指针指向0 】【c 0 0 0 0 0 0 地址， 系统开始运行“。 系统自举完成后，便将系统文件和用户应用程序复制到s d r a m 中执行。此 外，调试程序都在s d r a m 中进行，加快运行速度，提高f l a s h 的利用率。 2 3 。3 串口通信部分 课题采用了m a x i m 公司的m a x 3 2 3 2 芯片，可以用来实现一般远程控制。电 路连接图如图2 3 所示。 v f c 图2 3 串口电路连接图 s 3 c 4 4 b o x 的u a r t 单元提供两个独立的异步串行i i o 口，都可以运行于中 断模式或d m a 模式。也就是说，u a r t 可以产生中断请求或d m a 请求，以便 于c p u 和u a r t 之间传递数据。它最高可支持1 l5 2 0 0 b p s 的传输率。s 3 c 4 4 b o x 中每个u a r t 通道包含两个用于接收或发送数据的1 6 位f i f o s 队列。 s 3 c 4 4 b o xu a r t 还支持可编程波特率、红外收发，1 2 位停止位，5 位、6 位、7 位或8 位的数据宽度及奇偶校验位。每个u a r t 包括一个波特率发生器、 数据发送器、数据接收器及控制单元。 内部数据通过平行总线到达发送单元后，进入f i f o 队列，然后再通过发送 移相器通过t x d n 引脚发送出去。但是为了与计算机通用串口兼容，还需要使用 m a x 3 2 3 2 芯片将3 _ 3 v 的t t l c m o s 电平转换成普通串行口兼容的信号，然后 用于与外设进行通信。数据接收的过程刚好相反，外部串口信号需先经过 m a x 3 2 3 2 作电平转换，然后由r x d n 进入接收移相器，经过转换后放到接收f i f o 队列中，最后到达数据总线，由c p u 进行处理或直接送到存储器中”“。 河海大学工学硕士论文第2 章嵌入式网络视频监控系统设计与实现 在本系统中，串口可以用来实现远程控制，以及u c a n u x 的烧录，内核启动 的验证等，对于调试和扩展都有很重要的作用。 2 4 电源模块 系统中s 3 c 4 4 b o x 的i o 电压为3 3 v ，内核电压为2 5 v ，网络芯片电压5 v ， 所以电源部分要包含三种电压，而且由于系统模拟地与数字地都存在，所以在设 计电路时，数字地部分与模拟地部分不能简单共地。具体电路如图2 4 所示。图 中采用a s l l l 7 5 0 芯片、1 3 d 1 1 1 7 3 3 芯片、i m l l l 7 - 2 5 芯片分别生成5 v 、3 3 v 和2 5 v 电压，并加上电容进行去耦。 图2 4 电源部分连接图 为了提高系统的可靠性，在设计电源部分时，考虑一些因素： ( 1 ) 对电源线和地线的处理： 在电源、地线之间尽可能加上去耦电容。 尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，对数字电路的p c b 用宽的地导线组成一个回路，即构成一个地网来使用。 用大面积铜层作地线用，在印制板上把没被用上的地方都与地相连接 作为地线用。 ( 2 ) 数字电路与模拟电路的共地处理 数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号 线尽可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，整个p c b 对外界只有一个 结点，在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连，只是在 p c b 与外界连接的接口处( 如插头等) 。数字地与模拟地有一点短接，注意， 只有一个连接点。 0 塑塑查堂三兰堡主堕塞 塑! 兰薹主竺! 璺垦塑苎蓬盟塑塑丝里! ! 笙 第3 章视频采集与处理系统的设计 3 1 视频采集与处理系统功能 e p f l 0 k 3 0 e t c l 4 4 图3 1 视频采集与处理模块结构图 视频采集与处理模块由视频a d 芯片s a a 7 1 1 3 、j p e g 压缩芯片z r 3 6 0 6 0 、 f p g a 芯片e p f l 0 k 3 0 e t c l 4 4 和嵌入式c p u 芯片s 3 c 4 4 b o x 组成。视频采集与 处理模块结构图如图3 1 所示。 s a a 7 1 1 3 支持4 路模拟输入，前端通过摄像头采集模拟视频，在s a a 7 11 3 中进行a d 转换，同时分离出行场同步信号供z r 3 6 0 6 0 使用。z r 3 6 0 6 0 将接收 到的视频信号进行压缩，然后再交给s 3 c 4 4 b o x 处理。z r 3 6 0 6 0 处于主工作模 式，需要外接一片f i f o ，这里选用f p g a 芯片e p f l 0 k 3 0 e t c l 4 4 来实现f i f o ， 主要考虑了系统的保密性和可扩展性。 z r 3 6 0 6 0 的时钟取自s a a 7 1 1 3 的l l c 输出引脚，满足时序要求。s a t r t , f r a m e 等为外部的控制输入信号，由a r m 控制“”“。 z r 3 6 0 6 0 的接口可分为视频接口、主机接口和代码接口三部分。视频信号由 视频接口输入输出接到s a a 7 1 1 3 的y 7 ：0 乖l 1u v 7 ：0 ，系统设置z r 3 6 0 6 0 为被 动同步方式时，同步信号由s a a 7 1 1 3 产生，即行同步信号h s y n c 接到s a a 7 1 1 3 的r t s i 引脚，场同步信号v s y n c 接到s a a 7 1 1 3 的r t s 0 引脚，奇偶场指示信 号f i 与s a a 7 1 1 3 的r t c o 引脚相连。z r 3 6 0 6 0 命令和状态寄存器通过主机接口 访问，它的d a t a 7 ：0 1 直接与a r m 连接。在本系统中，选择8 位代码主模式， ! ! 塑查兰玉兰堡主篓壅 茎! 童茎主! ! 墅堡堕竺垄箜塑塑竺里墨竺 在压缩状态下，己压缩数据经c o d e 7 ：0 】输出到f i f o 。在空闲状态下，f i f o 的数据总线接到c o d e 7 ：0 。z r 3 6 0 6 0 的控制信号由a r m 提供“2 ”1 。 3 2 视频采集系统设计与实现 3 2 1s a a 7 1 1 3 硬件电路设计 圈3 2s 从7 1 1 3 连接图 采用p h i l i p s 公司的s a a 7 1 1 3 芯片实现视频a d 转换。电路如图3 2 所示。 s a a 7 1 1 3 是飞利浦公司视频解码系列芯片的一种，在很多视频产品，如电视卡、 m p e g 一2 ，m p e g 4 中都有应用。s a a 7 1 1 3 主要作用是把输入的模拟视频信号解 码成标准的数字信号，相当于一种“a d ”器件。s a a 7 1 1 3 兼容全球各种视频标 准，在应用时必须根据本系统的视频标准来配嚣内部的寄存器，即初始化，否则 s a a 7 1 1 3 就不能按要求输出，可以说对s a a 7 1 1 3 进行研发的主要工作就是如何 初始化。对s a a 7 1 1 3 初始化需要通过1 2 c 线进行。 ( 1 ) s a a 7 1 1 3 特点嘲 河海大学工学硕士论文 第3 章基于j p e g 压缩算法的视频处理系统 s a a 7 1 1 3 是一种视频解码芯片，它可以输入4 路模拟视频信号，通过内部寄 存器的不同配置可以对4 路输入进行转换，输入可以为9 路c v b s 或2 路s 视 频( v c ) 信号，输出8 位“ 0 ”总线，为标准的i t u 6 5 6 、y u v 4 ：2 ；2 格式。 s a a 7 1 1 3 兼容p a l 、n t s c 、s e c a m 多种制式，可以自动检测场频适用的 5 0 或6 0 h z ，可以在p a l 、n t s c 之问自动切换。s a a 7 1 1 3 内部具有一系列寄存 器，可以配置为不同的参数，对色度、亮度等的控制都是通过对相应寄存器改写 不同的值，寄存器的读写需要通过1 2 c 总线进行。 s a a 7 1 1 3 的模拟与数字部分均采用+ 3 3 v 供电，数字i o 接e l 可兼容+ 5 v 正常工作时功耗0 4 w ，空闲时为0 0 7 w 。s a a 7 1 1 3 需外接2 4 5 7 6 m h z 晶体，内 部具有锁相环p l l ，可输出2 7 m h z 的系统时钟。芯片具有上电自动复位功能， 另有外部复位管脚c e ，低电平复位，复位以后输出总线变为三态，待复位信号 变高后自动恢复，时钟丢失、电源电压降低都会引起芯片的自动复位。 ( 2 ) s a a 7 11 3 寄存器简介p 5 1 s a a 7 1 1 3 的地址从0 0 h 开始，其中1 4 h 、1 8 h - 1 e h 、2 0 h 3 f h 、6 3 h f f h 均为保留地址，没有用到，0 0 h 、1 f h 、6 0 h - 一6 2 h 为只读寄存器，只有以下寄存 器可以读写：0 1 h - 0 5 h ( 前端输入通道部分) ，0 6 h 1 3 h 、1 5 h - 1 7 h ( 解码部分1 ， 4 0 h - 6 0 h ( 常规分离数据部分1 。 s a a 7 11 3 的寄存器配置通过1 2 c 总线来进行，遵从1 2 c 总线协议，下面从读、 写两个方面来说明操作的格式( 见表3 1 、表3 _ 2 ) 。 表3 1 对s a a 7 1 1 3 寄存器的写操作 ss l a v ea d d r e s swa c k ss u b a d d r e s s a c k s s rs l a v ea d d r e s sra c k s d a t aa c k - m p 其中： s ： s r ： s l a v ea d d r e s sw 通过3 ，3 k 电阻接地， s l a v ea d d r e s sr ： 通过3 3 k 电阻接地， a c k s ： a c k m ： s u b a d d r e s s ： p ： 表3 2 对s a a 7 1 1 3 寄存器的读操作 起始位，条件是s c l 高电平时s d a 有下降沿 重复设一个起始位 s a a 7 1 1 3 芯片地址+ 写标志，0 1 0 0 1 0 1 0 = 4 a h ( 若r t s 0 则为4 8 h s a a 7 1 1 3 芯片地址+ 写标志，0 1 0 0 1 0 1 i = 4 b h ( 若r t s 0 则为4 9 h s a a 7 1 1 3 产生的回应信号 主机产生的回应信号 寄存器地址 停止位，条件是s c l 高电平时s d l 有上升沿 河海大学工学硕士论文 第3 章基于j p e g 压缩算法的视频处理系统 对多个寄存器操作时，寄存器地址有自动加1 功能。 3 2 2s a a 7 1 1 3 的初始化编程 s a a 7 1 1 3 的寄存器的读写是通过1 2 c 总线进行的。下面给出的是在本例中， s a a 7 1 1 3 的初始化函数： s t a t i ci n ts a a 7 1 1 3 h _ i n i t ( i n tt y p e ) ( u n s i g n e dc h a rs t a t u s ； u n s i g n e di n tr c g ； i 2 c _ _ w r i t e ( 0 x 0 1 ，o x 0 8 ) ； i n c r e m e n td e l a y i f ( t y p e = 一c v b s ) i 2 c _ w r i t e ( 0 x 0 2 ，0 x c o ) ；a n a l o gi n p u tc o n t r o l1 e l s e i 2 c _ w r i t e ( o x 0 2 ，0 x c 9 ) ；a n a l o gi n p u tc o n t r o l1 ( s v i d e oi n ) i 2 e _ w f i t e ( 0 x 0 3 ，0 x 3 3 ) ；a n a l o gi n p u tc o n t r o l2 i 2 cw d t “0 x 0 4 , 0 x 0 0 ) ； a n a l o gi n p u tc o n 订o l3 i 2 ew r i t e ( 0 x 0 5 ，o x o o ) ； i a n a l o gi n p u tc o n t r o l4 i 2 e _ w r i t e ( 0 x 0 6 ，0 x e 9 ) ； h s y n cs t a r t i 2 c _ w r i t e ( 0 x 0 7 ，0 x 0 d ) ；h s y n cs t o p i 2 c _ w r i t e ( 0 x 0 8 ，0 x 9 8 ) ； s y n cc o n t r o l i f ( t y p e = 一c v b s ) i 2 c _ w r i t e ( 0 x 0 9 ，0 x 0 1 ) ； l u m i n a n c ec o n t r o l e l s e i 2 cw r i t e ( 0 x 0 9 ，0 x 8 1 ) ； l u m i n a n c ec o n t r o l ( s - v i d e o ) i 2 cw r i t e ( 0 x 0 a ，0 x 8 0 ) ；l u m i n a n c e b r i g h t n e s s i 2 c _ w r i t e ( 0 x 0 b ，0 x 4 7 ) ； l u m i n a n c ec o n t r a s t i 2 c _ w r i t e ( o x o c ，0 x 4 0 ) ；c h r o ms a t i 2 c _ w r i t e ( 0 x 0 d ，0 x 0 0 ) ；n c h r o mh u e i 2 c _ w r i t e ( 0 x 0 e ，0 x 0 1 ) ； c h r o mc o n t r o l i 2 c _ w r i t e ( 0 x 0 f , 0 x 2 a ) ；c h r o mg a i nc o n t r o l i 2 c _ w r i t e ( 0 x 1 0 ，0 x 0 0 ) ； f o r m a t d e l a yc o n t r o l i 2 c _ w r i t e ( 0 x 11 ，0 x 0 c ) ； o u t p u tc o n t r o l1 i 2 c _ w r i t “o x l 2 ，0 x 7 b ) ；o u t p u tc o n t r o l2 i 2 c _ w r i t e ( 0 x 1 3 ，0 x 0 0 ) ；o u t p u tc o n t r o l3 i 2 e _ w r i t e ( 0 x l5 ，0 x 0 0 ) ；v g a t es t a r t i 2 e _ w d t e ( 0 x 1 6 ，0 x 0 0 ) ； v g a t es t o p 4 翌童查兰三堂堡圭堕苎 塑! 兰茎主! 堕垦塑簦垦堕塑塑竺里! ! 丝 i 2 cw r i t e ( 0 x 1 7 ，0 x 0 0 ) ； m s b sf o rv g a t ec o n t r o l i 2 c 1 w r i t e ( 0 x 4 0 o x 0 2 ) ； s i l c e rc o n t r o l f o r ( r e g = 0 x 4 1 ；r e g n t s c e l s e r e t u r np a l ；h 5 0 h z 一 p a l 通过初始化操作，s a a 7 1 1 3 可以自动检测场频，标准的i t u6 5 6 格式输出， 色度、亮度、对比度控制与i t u6 5 6 标准相符。 3 3 视频信号的编解码处理系统研究与设计 3 3 1j p e f i