（通信与信息系统专业论文）基于dm642的网络数字监控平台设计与实现.pdf

摘要 中文摘要 随着网络技术、视频编解码技术和嵌入式操作系统的迅猛发展，世界将掀起 一股强大的视频数字化、网络化浪潮。对于公安、安防行业的发展，必须经历模 拟数字混合的阶段，但是最终的趋势必然是全面数字化，即视频在前端进行数字 化、网络化，采用嵌入式网络摄像机，利用网络进行传输，采用分布式存储系统， 模块化结构，完成视频监控任务。 为一个系统应用选择合适的d s p 芯片，除了要考虑d s p 芯片处理能力是否能 否满足系统指标之外，还需要考虑芯片自身的i o 配置是否利于系统的开发和升 级。美国德州仪器( t i ) 公司的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 是一款高性能的多媒体处理芯片， 当工作在7 2 0 姗z 频率的主频下，运算能力达到了5 7 6 0 m i p s ，可以同时满足多种 视频标准的编解码任务。此外，芯片上还集成了三个视频端口和一个网络端口等 丰富的片上外设，可以很容易的和外部设备进行无缝连接。因此，t m s 3 2 0 d m 6 4 2 芯片非常适合网络数字视频系统的应用。 本论文的主要任务就是开发和设计一个基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的网络数字监拦平 台，包括软硬件平台的设计和实现。硬件平台的任务，包括各模块核心器件的选 型、详细原理图的设计和绘制，以及各模块最终功能的测试。软件平台的任务， 包括硬件驱动程序的编写、在微驱动操作系统d s p b 1 0 s 上系统软件框架的设计、 ) 【d a i s 标准算法在系统软件上的集成，以及最终的系统软件调试。 最终，本论文开发出了一款稳定的网络数字监控平台。该平台外设丰富，方 便各种功能的扩展和升级，目前可以完成对两路模拟视频的输入，两个不同背景 现场的网络数字监控，且运行持久而稳定。该平台系统软件框架合理而稳健，各 种符合t i 公司) 【d 舡s 标准的视频算法可以非常方便的集成到系统软件中。集成了 0 b j e c tv i d e o 公司预警算法后的系统，更是添加了动目标识别和智能报警功能， 且报警方式多种多样，可广泛运用于银行、交通和机场等安防领域。 关键词：视频编解码，网络数字监控，t 淞3 2 0 d m 6 4 2 ，d s p b 1 0 s ，x d a i s a b s h a d a b s t r a c t w i t ht h cd e v e l o p m e mo fh l t e m e t ，d c oe i 啪d e d e o o d e ，锄dr 1 的s ，t h e f em u s tb c at r e n dt ot r a l l s f c ra n a l o gi n l a g es i 印a li n t od i 百t a _ li l n a g es i g n a l ，a n dt r a n s m i tt l l e d i 醇a lv i d e oo v c rb t c m c t hs e c i l f i t ys u r v e i l l a n c c ，b e f o r ew eg c tt l l e1 0 0 d i 西t i z c d v i d c os u n r e i l l a n c es y s t c m ，t l l e a f es c v e r a ls o l u t i o n sw l l i c ha r cp a n l yd i 垂t a l h o w c v e r ， i tc 锄ts t o pt h es e c l l r i t y 蹦r v e m a n c cs y s t 锄b e c o m i n gf i l n yd i 画t 砌t h a t sas o l u t i 彻 m a k et h ea n a l o gv i d e os i g n a l 仃a n s f o n ni i l t od i 西t a lv i d e os i 缈a l ，柚dt m s m “d i 西t a l v i d e oo v e fh l t e m c ti nt h e 丘t0 ft h es y s t e m t 1 l a t ，sas o l u t i o nu s e 坤c a l e m ， d i s t 抽u t c ds t o r a g es y s t e m ，a n dm o d u l 捌z e dc o n s t n l c t i o nt oa c h i c v et h ev i d e 0 s u e i u 柚c et a s k c h o o s i n gad s pd 雌f o r 吼a p p l i 铋t i o n ，y o us h o u l d h a v eat h 址w h e 恤e ft h e c o m p u t c rp o w c ro fd s p 啪s a t i s 毋t h es y s t e m ，a l l dw h e t h e rt l l eo n c h i pp e r i p h 盯a l s a r cs u j t e df o rt h eu p 孕a d ea l l dc x t e n do fm es y s t 锄1 m s 3 2 0 d m 6 4 2i sah i 曲 p e r f b r m a n c cm e d i ap m c c s s o rp r o v i d c db yt c x 勰h l s t n l m e th c o f p o r a t e d w h c n w i ) r l 渤ga tad o c kr a t eo f7 2 0 m i z ，d m 6 4 2c a l ie x e c i l t e5 7 6 0m i l l i o ni i i s t n i d i o n sp c r s e c o n d ha d d i t i ，t h e r ea r cl o t so fp e r i p b e r a l sw h i c hc a nb e 舀u e l e 豁i n t e r f a c et o c x t e m a ld e v i c c s e g g ，t h e r c 甜e t h r e ev i d c op o n s 强do n e 锄a c p o n d m 6 4 2 肚a c o n d u s i o n ，d m 6 4 2i ss u i t a b l ef o rn e 呐o r kd i 西t a l d e os y s t e m 拍em a i nt a s ko f l i sp a p c ri st 0d e v e l o p 锄dd c s j 印an e t w o r kd i 西t a lv i d e o s u r v e i i l a n c ep l a t f b 姗b a s e do nd m 6 4 2 ，i n d u d i l l g h a r d w a r ea l l ds o f t w a r ce n v 加姗e n t f o rh a r d w a r e ，丘0 mt h ek e yc h j p ss e l e c t i 伽t oh a r d w a r es c h e m a t i cd i a 口a md e s i 弘o f e a c hm o d u l ew n lb ei n t m “c c di nt h i sp a p c r ，姐da l s 0t h e 甑a lt e s t i n go fe a c hm o d u l e f o rs o f t w a r c ，t l l eh a r d w a 圮d r i v c rd e s i g n ，t h es y s t e ms o f t w a r c 劬m e w o r kd e s i g nb 硒e d t h ed s p b i o s ( am i n ir 1 d s0 ft d ，m cm e 铲a t i o no fx d 越sa l g o r i t h m ，彻dt h e 丘n a l t c s 血g w i l lb ei n t m d u c e di nt l l i sp a p c rs t e pb ys t e p a tl a s t ，as t a b l en e t w o f kd i 酣a lv i d c os u n ，e i l l a n p l a t f o 皿i sr c a l i z e dt h m u g h t l l i sp a p e r t h e r ca r ea b u n d a n tp e r i p h e r a l sw h i c hc a nb eu s e dt ou p 掣a d ea n dc x t e n dt h e s y s t e mf l l n c t i o 嬲o nt h ep l a t f o n n a n dt h ep l a t f o m 啪s u p p o nt w oa n a l o gv i d e 0 i n p u t st of i n i s ht w ob a c k g m u n ds t a g cv i d e os u r v e i l l a n c ct a s j 【st h m u g hi n t e m e ta tt h i s a b s t m c t 恤n e t h es y s t e ms o f t w a r e 矗a m e w o 嫩i si e a s o n a b l e 柚ds t t o n 目y ，a n dv 村i o u sx d a i s s t a i l d a r dv i d e oa 1 9 0 r i t l l i i l sc a nb ce a s i l yi n t e 伊a t e dt ot h es y s t c ms o f 研a r e 0 b j e c tt a r g c t i d e n t i f i c a t i o na n di n t e l l i g e n ta i a n nf i l n c t i o na r ea d d e dt ot h es y s t e mb yi n t e 黟a t i n gt h e 0 vh bo fo b i e c tv i d e oc o r p o r a t i o ni l l t ot h cs y s t c ms o f t w a r c m a 蚰e rt oa l a 肌o fm e s y s t e mi sv a r i o u s ，a i l dt h cs y s t c mc a i lb ew i d e l ya p p l i e dt 0s e c i l r i t ys u n r e i l l a i l c ea r e 硒 s u c h 硒b a j l k s ，t r a n s p o n a t i o na n da i r p o n k e y w o r d s ： 、，i d e oe n c o d e ，d e c o d e ，v i d c os u r 、r e i u a n c e ，t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ， d s p b 1 0 s ，x d a i s h i 图目录 图1 1 图1 2 图1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图4 1 图4 - 2 图4 3 图4 4 图帖 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图目录 基于v c r 的模拟监控系统 基于d v r 的模拟监控系统 基于嵌入式技术的网络数字监控系统 系统结构框图 2 2 r f 5 软件参考框架的典型应用 r f 5 基本的数据处理元素 任务级的s c o m 通信。 内核级的i c c 对象通信 系统软件框图 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4系统硬件结构框图 1 m s 3 2 0 d m 6 4 2 结构框图 模拟视频放大电路 视频解码芯片( t v p 5 1 5 0 a ) 与d m 6 4 2 的硬件连接 s d m w 与d m “2 的硬件连接 f i s h 与d m 6 4 2 的硬件连接 r 1 与d m 6 4 2 的硬件连接。 i j a 与d m 6 4 2 的硬件连接 u h ) s 与c p i j d l 的硬件连接 2 2 d m 6 4 2 片上e m a o a d i o 模块 物理接口收发器( p h y ) 与d m 6 4 2 的硬件连接 d s p 仍i o s 微实时操作系统。 视频驱动器的类驱动( a a s sd r i v e f ) 视频驱动器的微驱动( m i n i d 凼“) v c a pa n o c 0 函数 v c a p 眈e o 函数 驱动程序的调用流程 系统软件框图 诊断程序结果输出 系统软件流程 m a 缸o 函数流程图 2 3 2 3 2 4 2 4 4 4 4 6 4 6 5 3 5 3 5 4 5 5 t a s k d i a 鲫o s i i c 线程流程图 t a s l 血p u t 线程流程图 网络模块流程图 5 6 5 7 笱拍s弘努n缸铊 图目录 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图5 l 图5 2 图5 3 t a s k c o 仃o l 线程流程图 基于j p e g 算法的远程网络监控 o v 算法系统软件框架 r u km a n a g e m e n t t o o l 中的背景帧 o v 算法中规则皿u k ) 的设置 系统捕获的报警信息 i 5 7 5 8 5 9 6 1 6 2 6 3 表目录 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表4 1 表目录 锁相环( p u ) 控制器的倍频参数选择 b o a t m o d e 选择 鲫输入时钟选择1 8 e m l f 扩展空间使用情况2 1 i c s 5 0 1 a ( p l l ) 倍频参数选择2 8 m d c o n 仃o l c h 0 函数的c 玎证参数定义3 9 v i 缩略表 缩略表 b g a b a g 喇a r r a y c 5 0 0 0t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 c 6 0 0 0t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 c c s c o d ec o m d o s e rs t u d i o c g lc o m m o ng a t e w a yj n t e 砌c e d s p d i g i t a ls i g n a ip r o s s o r d v r d i g i 协iv j d r e c o r d e r e d ce ) ( t e m a id e v i c ec o n t r o l e d m ae n h a n dd j r e c tm e m o r y a c c e s s e f se m b e d d e df i i es y s t e m e m a ce t h e m e tm a c e m l fe x t e ma lm e m o r yi n t e 柏c e g p i o g e n e 忸ip u 巾o s el n p u u t p u t h w lh a r d w a 怕i m e r 九j d l i a l g a 1 9 0 n 廿1 ml n s 协n c e l c ci n t e r c e c o m m u n i c a t i o n i c e l l c e i n t e 如 1 0 m i n p u to u t p u tm o d e i j p e gj o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p m b xm a h b o x m c a s pm u n i d l ec h a n n e i 芦山d i os e r i a ip 0 r t m c um i c r oc 0 n l r o e ru n n m d f o m a n a g e m e mo a t al n p u u t p u t m m e d i al n d e d e n d e n ti n t e r f a c e o v o b j e c t d e o p l l p h a s el o c k e dl d o d o o s q u a t yo f s e r v e r r f 5r e f e r e n c e f r a m e w o r k s 5 f l t cr ea i1 1 m e rc i o c k s c o m s ”c h r o n i z e dc 0 m m u n i c a t j o n s d r a m s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o 吖 s e ms e m a d h 0 怕 s p ls e r i a lp e r i d h e r a l i n t e r f a c e s w l s o f i v i f a 怕l n i e n u p t 缩略表 t i1 e x a si n s t r u m e n t si n c o 帕0 r a t e d u a r tu n i v e r s a ia s y n c h r o n o u sr e c e j v e rt r a n s m m e r v c a pv i d e 0c a d t u r e v c r v i d e oc a s s e n er e r d e r v u w v e r y - l o n g - i n s t n j c t l o n _ w o r d x 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：鍪整嗍沸乡月2 汨 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘厂允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盟导师签名： 日期：们年f 月1 饵 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 监控技术从2 0 世纪8 0 年代进入我国以来，就在安防、政府、交通、银行、 教育等社会各个领域发挥着极其重要的作用。与此同时，从早期的纯模拟系统到 使用d v r 的数字模拟混合系统，再到如今的网络数字化系统，视频监控技术也 得到了长足的发展。然而，伴随着城市的现代化建设和经济的快速发展，对城市 各行业系统的视频监控工作又提出了许多新的要求和课题，与此同时，计算机技 术、网络技术、音视频处理技术以及通讯技术的发展也为现代城市实施数字化的 网络监控提供了有力的技术保证和条件，建设一套技术先进，质量可靠，经济实 用，方便管理的智能型数字化网络监控系统，成为一个城市系统维护社会秩序， 打击违法犯罪，保障公民生命财产，促进经济建设的重要手段，也是一个城市现 代化建设的重要标志。 监控技术一直在飞速发展，单从技术层面上来看，主要经历了三个不同的发 展阶段： 基于磁带录像机c r d c oc a 豁e t t er e c o r d c r ) 的模拟监控系统 图1 1 - 基于v c r 的模拟监控系统 在2 0 世纪9 0 年代初以前，这种系统通常由一些带同轴电缆输出的模 拟摄像机和用于记录模拟视频的v c r ，以及用以观察视频图像的模拟监视 器组成，也称为第一代模拟监控系统。视频图像未经过压缩，直接以模拟 方式传输，一般传输距离不能太远，主要应用于小范围内的监控，监控图 像一般只能在控制中心查看。在比较大型的系统中，画面分割器或多路复 学圃| | 一 = 二i | i | | | 一 瓣=五| | 电子科技大学硕士学位论文 用器也常会被安装在摄像机与v c r 之间。画面分割器多路复用器使v c r 同时录制多路摄像机画面成为可能，但这样会降低帧率。 基于数字视频记录( d v rd i 西t a l d r e c o r d e f ) 的模拟监控系统 这种系统于2 0 世纪9 0 年代中期，随着数字视频压缩编码技术的发展 而产生，实际上是采用了数字视频记录的模拟监控系统。这种系统在早期 仅仅是将原先用于模拟视频记录的录像带用硬盘取代，再把模拟视频信号 转换为数字信号并被压缩，这样便可以在硬盘上保存更长时间的重要视频 资料。这种系统发展到后期，也有一些具有网络接口的d v r 设备出现( 比 如说p c 、工业专用机箱等) ，它们可以利用自身携带的以太网接口，通过 计算机网络将视频信号传送到远端的电脑进行监控。但是，这种系统往往 需要远端的电脑安装特殊的w i n d o w s 客户端软件才能监控视频，而且很难 达到实时性监控。 图1 2 基于d v r 的模拟监控系统 基于嵌入式技术的网络数字监控系统 图1 3 基于嵌入式技术的网络数字监控系统 2 0 世纪9 0 年代末，随着网络技术的发展，以及嵌入式w 曲服务器技 术的进步，而产生了网络数字视频监控技术。其主要原理是：视频服务器 内置一个嵌入式w 曲服务器，采用嵌入式实时多任务操作系统。摄像机等 2 窜憋 一 一 一辩一婚 一 一溢鼬一 一 一盈一w一 一 西m 一 一 一酱一h* 一 盈e 墨i 三 一 灞 | 8 一 一 瀵一一 i 一 第一章绪论 传感器传送来的视频图像信息通过嵌入式视频编码器直接转换成数字信 号，并通过内部总线传送到内置的w 曲服务器。网络上用户可以直接用浏 览器观看w 曲服务器上的视频图像，授权用户还可以控制传感器的图像获 取方式。甚至有些摄像机自身就具备了网络模块，直接将摄像机采集的信 号转化为数字视频信号后，通过网络模块发送给远程的客户端，俗称网络 摄像机( i pc 锄e r a ) 。这类系统可以直接连入以太网，省掉了各种复杂的 电缆，具有方便灵活、即插即看等特点，与此同时，用户也无需使用专用 软件，仅用浏览器即可。 基于嵌入式技术的网络数字监控系统有着非常明显的优点：第一，这种系统 的硬件是一个与微处理器和嵌入式操作系统捆绑较为紧密、功能专一、专门设计 的非常利于视频处理的独立设备，不像插卡系统那样易于受通用计算机系统中其 它软硬件的影响，因此性能上更稳定；第二，数字化视频图像可以在计算机网络( 局 域网或广域网1 上进行传输，基本上不受距离限制，信号不易受干扰，可大幅度提 高图像品质和稳定性，而且无需额外布线，很好的复用了当前的计算机网络；第 三，可实现数字化存储，经过压缩的视频数据可存储在磁盘阵列中或保存在光盘 中，保存和查询十分简便快捷。 由此可知，伴随着嵌入式技术和网络技术的迅猛发展，从以前的模拟监控到 现在的数字监控；从落后的现场监控到先进的远程监控；从有人值守监控到现在 的智能型监控，视频监控正朝着数字化、网络化、智能化方向蓬勃发展。 1 2 研究动机 本论文的主轴是利用德州仪器( ) 公司的一款多媒体d s p 处理芯片 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，设计出一款智能化的网络数字监控平台。另外，本论文还将对 德州仪器( 1 1 ) 公司的r e f c r e n c cf r a l n e w o r l 硌5 程序框架结构、a 弱洲i i l i d r i v e r 微驱动模型、以及嵌入式操作系统d s p b i o s 的应用结合具体的设计实例加以详 细阐述。 1 3 论文架构 论文将从以下一些内容详细阐述本次系统设计： 3 电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论，介绍了视频监控进入国内市场以来所经历的发展阶段，以及各 发展阶段所采用的监控技术，并最终得出视频监控将朝着数字化、网络化、规模 化方向发展； 第二章系统整体设计概述，粗略的介绍了整个系统的设计模块，参数指标， 以及在1 r i 公司r f 5 软件参考架构基础上的系统软件结构； 第三章系统硬件的详细设计，详细地介绍了各个硬件模块所使用的芯片和具 体的开发设计； 第四章系统软件的详细设计，在这一章首先介绍了1 r i 公司的微实时操作系统 d s p b i o s ，随后详细介绍了基于d s p b i o s 的视频输入驱动程序设计，以及系统 软件开发和最终算法的集成； 第五章系统结果展示，展示了系统完成设计后最终测试的结果； 第六章总结与展望，总结了系统开发和设计的情况，对系统功能的升级和新 算法的研究提出了一些建议。 4 第二章系统的整体设计概述 2 1 系统的简介 第二章系统的整体设计概述 在典型基于嵌入式技术的网络数字监控系统结构中，前端采用模拟摄像机， 通过网络视频编码器，将模拟视频经过数字化、压缩、打包等过程变成基于网络 协议的视频流，视频流通过网络进行传输，发送到视频需求者。视频的使用者可 利用软件进行解码，在p c 机上进行显示和处理，由于没有监控中心的概念，任 何授权的用户都可根据权限进行视频监控、录像。 本系统将围绕德州仪器( 以下简称t i ) 公司的多媒体d s p 处理芯片 1 m s 3 2 0 d m 6 4 2 ( 以下简称d m 6 4 2 ) ，配以d e c o d c r 视频解码、e t h e m c t 接口、m c u 、 g p l 0 和r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 异步串口等多种系统外设，最终开发出一款稳定的智能型 网络数字监控平台。其结构框图如图2 1 所示： 图2 1 系统结构框图 由图可知，系统的输入部分由模拟摄像机、视频放大模块、模拟视频显示模 块和视频解码模块组成。系统可支持两路模拟视频输入，任意一路模拟视频输入 分成两路视频信号。一路经视频解码模块转化成数字视频信号后，送入d m 6 4 2 的v p 接口，然后存储在扩展外部存储器s d r a m 中；另一路经过一级视频放大 5 电子科技大学硕士学位论文 器后送入到模拟输出终端，用以观察原始的模拟视频输入信号，并以此来确定被 监视现场图像是否实时地由前端模拟摄像机送入。 当数字视频信号存储在s d i 认m 后，运行在d m 6 4 2 内的算法库，便可以对 视频输入信号进行分析和处理，以及压缩编码。最终，经过压缩编码后的视频和 其他信号由运行在d m 6 4 2 内的t ( ：p 肿协议栈进行打包，再经e m a c 模块传送到 互联网i n t e m e t 上，供远程的用户接收。实时运行在d m 6 4 2 内的算法库通过分析 和处理视频输入信号来确定被监控现场是否有异常，一旦发生异常，则可以通过 异步串口r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 模块或者g p i o 模块触发相应的警报信息。 远程的终端用户也可以通过运行在p c 端的m a n a g e m e m1 b o l s 设置相应的参 数，然后将这些参数送到d m 6 4 2 内的进行相应的配置。比如说，可以设置图像 编码的压缩比，相应的规则供算法库参考，甚至一些可以控制模拟摄像机云台和 镜头的参数。 2 2 系统硬件模块的概述 2 2 1d s p 模块 系统核心d s p 模块选用的是一块多媒体处理芯片d m 6 4 2 ，该芯片是1 1 于 2 0 0 2 年推出的一款高性能多媒体处理芯片。芯片内嵌了达芬奇技术的 t m s 3 2 0 c 6 4 x 内核，最高时钟频率达到了7 2 0 m h z ，内部八个处理单元并行运行 时，最大处理能力可以达到5 7 6 0 m i p s 。该芯片的片上外设也是相当的丰富，包 括时钟高达1 3 3 m b 可与s d r a m 、f l 峪h 等外部存储芯片实现无缝链接的外围 存储器接口( e m m 总线) ；三个可配置的视频接口( v p o f t ) ，同时支持三路视频 输入或者输出；一个1 0 1 0 0 m i 怕的以太网接口；十六个通用输入输出口( g p l 0 ) ， 以及1 2 c 、p c i 和h p i 等众多协议接口。 d m 6 4 2 模块主要有两个功能，一是在微型嵌入式操作系统d s p b i o s 的 基础上实现输入模块，输出模块以及算法处理模块等线程之间的调度，以及各模 块之间数据的传递；另一个功能是，运行实时算法库和t c p 口协议栈，不断地对 输入视频信号进行分析和处理，同时生成相应的口数据包发送到互联网h t e m e t 上供远程的用户终端接收。 6 第二章系统的整体设计概述 2 2 2e m i f 总线模块 在d m 6 4 2 的e m 球总线上，扩展出s d r a m 、f i a s h 、r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 、l e d s 、 r t c 模块。由于d m 6 4 2 片内s r a m 最大只有2 5 6 k ，因此扩展出s d r a m 模块 用于额外代码和视频数据的存放；f l 蟠h 模块主要用于存放整个系统的程序代 码，在系统上电后完成系统的自启动；r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 模块主要用于系统与外围异 步串口设备u a r t 进行通信，以便方便地扩展系统的其他功能，如云台控制和报 警信息的输出；l e d s 模块主要用于显示整个系统的工作状态，使工作人员很方 便地获得系统的工作状况；r t c 模块主要用于提供稳定的时钟和日期等信息，以 便准确记录下被监控现场异常情况所发生的时间。 2 2 3 视频输入模块 整个视频输入模块又可以分成四个部分：模拟摄像机、模拟视频放大模块、 模拟视频显示模块和视频解码模块。模拟摄像机是获取监视现场图像的最前端设 备，它可以是p a l 制式的或者n r s c 制式的；模拟视频放大模块是将模拟摄像机 的视频输入经过一级运算放大器，再将放大后的模拟视频信号送入到模拟视频显 示模块；模拟视频显示模块主要用于观察模拟摄像机的视频输入情况，并以此来 确定被监视现场图像是否实时地由摄像机送入到视频解码模块；视频解码模块实 质上就是视频图像的模数转化模块，将模拟摄像机送入的模拟视频信号刖d 转化 为数字视频信号，为运行在d m 6 4 2 内部的各种算法提供数字图像信号源，这是 对图像视频信号进行数字信号处理( d s p ) 处理的前端。视频解码模块能够自动 识别n t s c 但a is e c a m 制式的模拟视频信号，并将它们转化为国际电联( c c 瓜) 所推荐的标准数字视频信号。 2 2 4 以太网接口( e m a c ) 模块 由于d m 6 4 2 的片上e m a c 模块已经提供了数据链路层的功能，因此只需要 额外利用一块物理层的网络芯片以太网物理收发器( p h y ) ，完成网络信号的 转化，再经过网络隔离变压器和r j 4 5 接口与网络相连，便构成了一个符合e e 标准的1 0 1 0 0 m 自适应以太网接口。 以太网模块就像是一座桥梁，系统通过它与互联网h t 啪c t 继而远程用户终 端相连。一方面将远程用户终端所请求的视频图像信号以及其他信息发送到互联 网c m e t 上，最终到达用户终端；另一方面，系统也通过它从h t e m e t 上接收来 7 电子科技大学硕士学位论文 自于远程用户终端的请求和控制信息。 2 2 5 系统其他模块 c p l d 模块：c p l d 逻辑器件因其灵活性，已经逐渐成为d s p 进行信号处理 不可或缺的协处理器了，本系统也采用了一块c p l d 芯片用以辅助d m 6 4 2 完成 对系统级外设的访问和控制。系统中c p u 模块的主要作用有：1 、完成对r t c 、 r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 和u d s 模块的译码；2 、产生系统复位信号。 m c u 模块：在d m 6 4 2 的1 2 c 总线上外接了一块单片机( m c u ) ，因为m c u 保密性比较强，利用f i 掷h 模块和m c i u 模块可以完成对b 0 0 o a d e r 程序的一次 加密，对整个系统的软件起到了一定的保护作用。另外，利用m c u 模块也可以 很方便的扩展出一些其他功能。比如，利用m c u 外接一些显示设备，就可以很 好的观察到整个系统的运行情况。 g p i o 模块：d m 6 4 2 一共有十六个通用输入输出端口( g p i o ) ，利用这些端 口可以很方便地实现与系统外设的交互。在本系统中，利用了三个g p l 0 口来完 成对f l 峪h 的页选控制操作。 p l l 模块：d m 6 4 2 的e m i f 总线可以与外部s d r a m 实现无缝链接，总线的 时钟可以由d m 6 4 2 自动控制，也可以使用由外部的p l l 驱动设备来控制。本系 统中，使用了p l l 模块为s d r a m 提供稳定的工作时钟。 j 1 a g 模块：d m 6 4 2 上集成了一个基于m e e1 1 4 9 1 标准的j 1 a g 控制端口， 利用这个端口结合外部仿真器，便可以在1 1 的d s p 开发环境c c s 中非常方便地 开发、编写和调试系统程序了。 r e s e t 模块：由于系统的各个芯片在上电后，可能会出现某些随机状态而导 致系统无法正常工作，因此需要有专门的复位模块。当系统上电完成后，通过复 位模块提供的复位脉冲来对系统进行一次硬件复位，使得系统中的各个模块都从 新进入默认状态。 p o w e r 模块：整个系统需要高精度的稳定电源来保证正常工作，由于系统 外设众多，不同外设的工作电压电流参数也不一样，因此系统的电源设计将采用 不同的模块分别对不同的外设提供其所需的电压电流。 2 3 系统软件模块的集成 经过二十多年的发展，d s p 应用开发在中国已经发生了很大的改变。硬件上， 8 第二章系统的整体设计概述 d s p 在保持兼容性的同时性能得到了不断的提高，结构的优化、主频的增加、功 耗的下降、以及片上外设的不断丰富，都使得d s p 可以更加从容的应对各种复杂 的应用了。同时，d s p 应用系统软件的复杂度也在大幅度提高，从原来的汇编语 言到后来的c 语言编程，再到现在的面向对象语言开发，使得系统软件动不动就 达上百万行代码。因此，如今的d s p 应用系统都不再是一个人而是整个团队的合 作，并要求软件的结构化，可移植性，可重用性都很强。甚至可以这么说，系统 软件已成为d s p 方案中最为重要的一环，系统软件往往决定着一个项目的成败与 否。本系统的软件模块集成都是基于1 1 公司所推荐的r c f e r c n c c f r a m e w o r 】岱5 软件 参考框架基础上的。 图2 2 r f 5 软件参考框架的典型应用 2 3 1r e f e r e n c e f r a m e w o r l 【s 5 框架简介 r e f c r c n c e f t a m e w o r k s 软件参考框架是从软件的结构化、可移植性和可复用性 出发，由1 r i 公司针对其1 m s 3 2 0 c 5 0 0 0 c 6 0 0 0 系列d s p 应用所提出的一种软件模 型。通过使用这种软件框架，只需要针对具体的系统结构更换相应的底层驱动和 算法接口，就可以很好的实现系统间软件的移植和复用了。r f 参考框架使得开发 9 电子科技大学硕士学位论文 者不需要花太多的时间去考虑系统调度，程序运行时的结构组织等方面问题，而 专注于系统核心算法的研究和创新。也就是说利用r f 参考框架，开发者将花更 多的时间在革新的应用上而不是重复的开发和集成工作上。r f 参考框架也是1 1 公司推出的e x p r c s s d s p 概念中非常重要的一个环节。 目前，1 1 公司一共提供了三种r f 软件参考框架：r f l 、r f 3 和r f 5 ，三种 架构都被推荐分别适应于不同的系统应用。如果系统相对比较简单，也可以使用 不同的架构完成系统软件的设计。相对于r f l 和r f 3 参考框架来说，r f 5 使用了 具有阻塞态的线程( t 鹤l c s ) ，可使用于包含线程间有复杂依赖关系的应用程序中。 因此，更适用于含有多通道和多算法结构的高密集度系统应用。图2 2 就是1 1 公 司推荐的r f 5 参考框架的一个典型应用。有关r f l 、r f 3 和r f 5 的比较本文不做 进一步的阐述，请参考文献l ”】。 2 3 2 基于r f 5 参考框架的系统软件设计 2 3 2 1r f 5 参考框架的数据处理元素 在r f 5 参考框架中，一共有四种基本数据处理元素，分别是任务( t a s k ) 、通 道( c h a 衄e 1 ) 、内核( c e u ) 和算法( x d 趾s ) 。 图2 3 r f 5 基本的数据处理元素 算法( x d 灿sa l g o r i t h m ) 是一个标准的可以复用的数据处理元素，可以是一 个音频的处理算法，也可以是一个视频的处理算法；可以是符合公司的算法， 也可以是第三方公司提供符合x d a j s 标准的算法，甚至可以是用户自己设计的 符合x d a i s 算法的核心算法。算法是封装在内核( c e l l ) 里的，通过一定的算法 标准接口( i 虹g ) 来执行。图2 3 中的算法j 是一个标准的j p e g 编码算法。 内核( c c l l ) 可以理解为包含算法的容器，一个算法就封装在一个内核里面。 算法只负责对输入数据的处理，而内核则负责算法与外界的通信和交互。内核定 义了一种内核对象接口( i c e l l ) ，负责算法的打开、执行、控制和关闭。这种基 1 0 第二章系统的整体设计概述 于内核的封装机制，非常有利于对算法的保护和移植。 通道( c h 锄n e l ) 是内核的集合，一个通道内可以包含若干个内核，其目的就 是顺序执行这些内核。通道总是执行固定的操作( 初始化通道模块，注册通道内 核，按顺序执行内核，删除通道对象) ，因此并不需要编写额外的代码。图2 3 中， 在一个视频通道内只注册了一个包含j p e g 编码算法的内核。 任务( t a s k ) 是通道的集合，它可执行多个通道。任务的作用是通过与设备 驱动、其他的任务进行会话，实现在较高层次上组织数据通信。任务是系统级的 线程，共有四种状态供d s p b 1 0 s 实时操作系统来调度，分别是就绪、执行、挂 起和结束。任务总是顺序执行所包含的通道，但是不像通道一样执行一些固定的 操作，而是根据具体的系统设计，需要由用户自己编写。每一个任务都是进行数 据处理的一个单元，有的处理是简单的，有的处理是相对复杂的过程，简单的任 务可以不包含任何通道，而复杂的任务却可以包含多个通道。 2 3 2 2r f 5 参考框架的数据通信元素 相对于简单的全局变量，r f 5 提供了面向对象机制的数据通信元素，包括了 任务级的数据通信元素和内核级的数据通信元素。 任务级的数据通信元素包括旗语( s e m ) 、邮箱( m b x ) 和同步通信模块 ( s c 0 m ) 。这里所指的旗语和邮箱是d s p b 1 0 s 实时操作系统中的自带同步a p i 模块。同步通信模块( s c o m ) 包含一个s c o m 队列和一个s c o m 消息。s c o m 队列是需要用户自己定义的数据结构对象，且在该数据结构中第一个参数必须包 含一个队列( q u e ) 。s c 0 m 队列对象主要负责携带任务间需要传递的数据指针。 s c o m 消息的使用类似令牌操作，得到令牌( s c o m 消息) 的任务可独占性的对 s c o m 队列结构中携带的数据区进行访问，不访问时释放令牌。每个任务创建自 己的接收队列，接收来自其他任务消息，同时向其他任务的接收队列中发送消息。 图2 4 任务级的s c o m 通信 图2 4 就是两个任务通过s c o m 进行通信的一个例子。例子中，任务 1 1 电子科技大学硕士学位论文 t s kp r o c c s s 需要首先创建一个自己的s c o m 接收队列，然后一直等待任务 t s k d e o i n p u