（通信与信息系统专业论文）基于linux远程监测系统的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在数字信息技术和网络技术高速发展的后p c 时代，嵌入式系统因其体积小、 可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点，已渗透到工业、农业、教育、国防、 科研以及日常生活等各个领域。同时，嵌入式l i n u x 操作系统以其开放源代码、 易于开发、功能强大、稳定、成本低等优势迅速跻身于主流嵌入式开发平台。 近年来，视频监测在各行各业得到了广泛的应用，成为现今行业内一个热 点研究领域。但是现在的大部分视频监测系统采用p c 机实现，有着很明显的缺 点：体积庞大，效率不高等。随着现代通信技术、多媒体信息技术和计算机网 络技术的不断发展以及视频压缩技术的突破，视频监测技术发生了巨大的变革， 由此对现代视频监测技术也提出更高的要求：网络化、数字化、小型化。基于 此目标，本文设计并实现了以s 3 c 2 4 1 0 & l i n u x 架构的网络视频监测系统，提供 了一种性价比优良的视频系统解决方案。 本文选择$ 3 c 2 4 1 0 为处理器，它是三星公司推出的具有a r m 9 2 0 t 核的多 媒体嵌入式处理器，选用嵌入式l i n u x 为操作系统。通过对本方案需要用到的设 备驱动程序及相关a p i 的分析，对a r ml i n u x 内核进行了裁减，并重新移植到 开发平台上，使其既能满足开发的需要，又尽量少的占用f l a s h 空间，节省有限 的板上资源。在对嵌入式系统深入研究的基础上，通过u s b 接口实现了对视频 图像的高效采集。 论文首先简要介绍了视频监测系统的发展现状，阐述了嵌入式视频监测系 统的原理，给出了以$ 3 c 2 4 1 0 微处理器为核心的视频监测系统的硬件和软件方 案。随后详细分析了整个系统的设计，包括硬件和软件发面的设计，其中软件 涉及b o o t l o a d c r ，l i n u x 内核和文件系统，并讨论了嵌入式l i n u x 摄像头驱动、 l c d 驱动的开发，然后设计并实现了嵌入式视频监测系统软件部分，包括视频 采集模块，用h 2 6 4 编码的视频压缩模块，以及视频传输模块等，并对h 2 6 4 压缩算法进行了优化。为了增强实时性，减少原始帧的丢失，本文提出了采用 多线程编码机制和双缓冲区交替采集的方案，从而解决了图像采集与视频编码 的同步问题。 关键词：远程监测；嵌入式l i n u x ；v 4 l ；视频编码 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i np o s t - p ce r aw h e nt h ed i g i t a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y a r ed e v e l o p i n ga tah i g hs p e e d ，t h ee m b e d d e ds y s t e mh a sm a n ym e r i t so fs m a l lb u i l l l i g hs o l i d i t y , p o w e r f u lf u n c t i o n ，e t c ，s oi th a sp e r m e a t e di n t oi n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ， e d u c a t i o n ，n a t i o n a ld e f e n s e ：s c i e n t i f i cr e s e a r c h ，a n dd a i l yl i f e ，e t c a tt h es a m et i m e ， t h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i o ns y s t e mh a sr a p i d l yb e c o m et h ep o p u l a re m b e d d e d d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，b e c a u s ei th a sm a n ym e r i t so fo p e ns o u r c e ，e a s yd e v e l o p m e n t ， p o w e r f u lf u n c t i o n ，s t a b i l i z a t i o n , l o wc o s t , a n ds oo n i nr e c e n ty e a r s ，v i d e os u p e r v i s eh a sb e e nu s e de x t e n s i v e l yi ne v e r yf i e l d ，a n d h a sb e c o m et h e p o p u l a rd i r e c t i o no ft h ed o m a i n b u tm o s to ft h ec u r r e n tv i d e o m o n i t o r i n gs y s t e m sb a s eo nt h ep c ，a n dh a v em a n yd i s a d v a n t a g e sl i k et o ob i g ，n o t v e r ye f f i c i e n ta n ds oo n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , m u l t i m e d i at e c h n o l o g y , c o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y , e m b e d d e ds y s t e m t e c h n o l o g y a n dt h eb r e a k t h r o u g ho fi m a g e c o m p r e s s ，g r e a tc h a n g e so fv i d e o m o n i t o r i n gt e c h n o l o g yh a v et a k e np l a c ei nr e c e n ty e a r s i tp r e s e n t san e wt r e n di n e m b e d d e dv i d e of i e l dt h a ti sn e t w o r k i n g ，d i g i t a l i z a t i o na n dd o w n s i z i n g ；a i m e da t m e e t i n gt h i sn e wt r e n d ，t h ee m b e d d e dn e t w o r kv i d e ot e r m i n a la n ds e r v e rb a s e do n $ 3 c 2 4 1 0a n dl i n u xi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r i nt h i sp a p e r , s 3 c 2 410h a sb e e nc h o s e na st h ep r o c e s s o r i ti sam u l t i m e d i a e m b e d d e dp r o c e s s o rw i t ha r m 9 2 0 tc o r ea n dp r o d u c e db ys a m s u n g t h ee m b e d d e d l i n u xh a sb e e na d o p t e da st h eo p e r a t i o ns y s t e m b a s e do nt h ea n a l y s e so ft h ed e v i c e d r i v e r ，a p is w i t c hw o u l db eu s e di nt h ep r o j e c t ；t h ea r ml i n u xk e r n e lh a sb e e n r e d u c e d ，a n dt h e nr e t r a n s p l a n t e dt ot h ed e v e l o p m e n tb o a r d i tn o to n l ym e e t st h e n e e do fd e v e l o p m e n t ，b u ta l s ot a k e su pt h el e s sf l a s hs t o r a g ea n ds a v e st h el i m i t e d r e s o u r c e so nb o a r d b a s e do nt h es t u d yo fe m b e d d e ds y s t e m ，w ea c h i e v ee f f i c i e n t l y v i d e os t r e a mc a p t u r ev i au s bc a m e r a t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t u so ft h ev i d e o m o n i t o r i n gs y s t e ma tf i r s t ，a n dt h e np r e s e n t st h et h e o r yo ft h ee m b e d d e dv i d e o 武汉理工大学硕士学位论文 m o n i t o r i n gs y s t e m a f t e rt h a t ，i tp r e s e n t st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep r o j e c to ft h e e m b e d d e ds y s t e mb a s e do nt h em i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 10 i ta n a l y s e sc a r e f u l l yt h e e n t i r es y s t e md e s i g n , i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h es o f t w a r ei n c l u d et h e b o o tl o a d e r , l i n u xk e r n e l ，a n df i l es y s t e m ，a n dt h e ni td i s c u s s e st h ee x p l o i t a t i o no f h o wt od r i v e rt h ev i d e oc a m e r aa n dl c d i td e s i g n sa n di m p l e m e n t st h es o f t w a r eo f t h ee m b e d d e dv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi n c l u d i n gt h ev i d e oc a p t u r i n g ，v i d e o c o m p r e s s i n g 、 ，i mh 2 6 4c o d i n g ，v i d e ot r a n s m i t t i n g ，a n do p t i m i z e st h eh 2 6 4 i n o r d e rt oe n h a n c er e a l - t i m ea b i l i t ya n dr e d u c et h el o s so ft h eo r i g i n a lf r a m e ，w ea d o p t t h em u l t i t h r e a d sc o d em e c h a n i s ma n da l l o c a t ed o u b l eb u f f e r st os o l v et h ep r o b l e mo f s y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e ni m a g ea c q u i s i t i o n a n dv i d e oc o m p r e s sc o d i n g k e y w o r d s ：l o n g d i s t a n c em o n i t o r i n g ；e m b e d d e dl i n u x ；v 4 l ；e q u i p m e n td r i v e r ； v i d e oc o d e i 独创性声明 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： 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：冬至童：导师签名： 日期：型：型兰： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 随着i n t e m e t 和网络技术的日益发展，传统的以文字和图片为主的内容服务 己不能满足用户的需求，视频和音频的多媒体内容服务即将成为主流，这是互 联网技术发展的必然趋势。网络视频监测系统使用现有的网络系统，采用嵌入 式的“网络视频服务器 实现前端监测点、监测客户端的数字化处理，是监测 系统发展的必然趋势n 1 。 嵌入式系统凭借其以应用为中心和可裁剪等优点在工业领域中有着广泛的 应用，视频监测系统在安防领域中体现出越来越重要的作用。目前，视频监测 系统正处在数控模拟系统已发展非常成熟、性能稳定，在实际工程中得到广泛 应用，数字系统迅速崛起但尚不完全成熟的数字和模拟混合应用并将逐渐向数 字系统过渡的阶段。 一般的远程图像监测系统，其图像压缩与解压缩全部采用基于p c 机的视频 卡，使得视频前端如c c d 等视频信号的采集压缩通讯较为复杂，稳定性、可靠 性不高且价格高昂，而p c 机也需专人管理，操作较为烦琐。视频服务器内置一 个嵌入式w e b 服务器犯1 ，采用嵌入式实时多任务操作系统，摄像机传送来的视 频信号数字化后由高效压缩算法压缩，通过内部总线传送到内置的w e b 服务器。 网络上用户可以直接用浏览器如i e 等观看w e b 服务器上的摄像图像，授权用户 还可以控制摄像机云台镜头的动作或对系统配置进行操作口1 。由于把视频压缩和 w e b 功能集成到一个体积很小的设备内，可以直接连入以太网达到即插即看，省 掉各种复杂的电缆。 目前大多数视频监测系统都是建立在p c 机上的，成本高昂，稳定性不够好， 而嵌入式系统根据需求来制订的硬件系统相当便宜，便于安装，易于实现系统 的模块化设计，便于管理。减少了无用的软硬件，在削减了成本的同时也增强 了稳定性劓。 在降低成本和提高稳定性后，该视频监测系统可以广泛的应用于远程视频 监测，智能小区等一系列民用领域。随着宽带网络技术的发展，利用i n t e m e t 的 远程视频监测必将有更大的发展。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 视频监测系统的发展与应用 1 2 1 视频监测系统的发展 根据图像处理技术的发展，可将监测系统分为两类，模拟图像监测系统和 数字化视频监测系统。模拟监测系统多以摄像机、视频矩阵、分割器、录像机 为核心，采用手动方式对各个监视点的情况进行切换，其存储会耗费大量的存 储介质，查询取证十分繁琐，系统的功能简单、可靠性差。随着计算机处理能 力的提高，监测系统逐渐转向数字方式，不仅能提供各类数据、文本、图形信 号等，还有视频图像、声音等更加丰富的多媒体信息来支持生产和管理活动。 随着网络技术的发展，视频监测也经历了两个阶段本地视频监测阶段 和网络视频监测阶段。最初的监测系统采用直接电缆方式进行传输，有线模拟 视频信号的传输对距离十分敏感，布线工程量大。这种监测系统的控制和切换 大多采用单片机方式，通信协议的多样化和专用化难于统一，很难组建大型监 测系统。随着网络技术的快速发展，数字信息抗干扰能力的增强为组建大规模 远程视频监测系统创造了条件，网络用户可通过浏览器对信息进行远程监测和 管理，系统的稳定性和安全性大大提高。 1 2 2 视频监测系统的应用 从功能上讲，视频监测可用于安全防范、信息获取和指挥调度等方面，可 以提供生产流程控制、大型公共设施的安防、医疗监护、远程教育等多种服务。 从应用领域上看，视频监测在各行各业都得到了广泛的应用，例如档案室、文 件室、金库、博物馆等机要部门的监视、控制和报警；交通领域中的高速公路 收费管理、交通违章和流量监测、车辆牌照管理和公路桥梁铁路机场等场所的 远程视频监测；社区物业管理中的住宅小区、办公室安全防范、智能大厦、停 车场的无人监测等。 1 3 嵌入式系统的概述 1 3 1 嵌入式系统定义与特点 嵌入式系统是指以应用为核心，计算机技术为基础，软硬件可裁剪，对功 2 武汉理工大学硕士学位论文 能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。 作为专用计算机系统的嵌入式系统与通用计算机相比，具有以下几个特征： ( 1 ) 系统内核小 由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以 较之传统的操作系统要小得多。 ( 2 ) 专用性强 嵌入式系统的个性化很强，其中软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要 针对硬件系统进行移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统 硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行 较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级 是完全不同的概念。 ( 3 ) 系统精简 嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计 及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时有利于实现系统安全。 ( 4 ) 高实时性o s 这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以提高速度，软件 代码要求高质量、高可靠性和实时性。 ( 5 ) 嵌入式开发走向标准化 有些嵌入式应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行，但为了合理地 调度任务、利用系统资源、系统函数以及和函数库接口，开发者必须自行选配 r t o s ( r e a l t i m e ro p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、 可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 ( 6 ) 嵌入式系统需要开发工具和环境 由于基本不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也不能对其 中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。这些工具 和环境是基于计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。 开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的 执行，开发时需要交替结合进行。 1 3 2 嵌入式操作系统简单介绍及选择l i n u x 系统原因 嵌入式操作系统可以分为商用型和免费型。商用型的实时操作系统功能稳 3 武汉理工大学硕士学位论文 定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。免费型的实时操 作系统在价格方面具有优势，主要有l i n u x 和u c o s ，但稳定性与服务性存在挑 战。目前常见的嵌入式操作系统有如下几个： ( 1 ) v x w o r k s v x w o r l 【s 操作系统是美国w i i l d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式 实时操作系统( r t o s ) ，具有良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用 户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地。v x w o r k s 所具有 的显著特点是：可靠性、实时性和可裁减性，而且它支持多种处理器，如x 8 6 、 s u n s p a r e 、m o t o r o l a m c 6 8 x x x 、m i p s 、p o w e rp c 等等。大多数的v x w o r l ( sa p i 是专有的，火星机器人使用的就是v x w o r k s 操作系统。 ( 2 ) w i n d o w s c e w i n d o w s c e 是一种针对小容量、移动式、智能化、模块化的嵌入式操作系 统。针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操 作系统平台，w i n d o w s c e 嵌入式不够实时，属于软实时操作系统。由于其 w i n d o w s 背景，界面比较统一认可。操作系统的基本内核需要至少2 0 0 k 的r o m 空间。 ( 3 ) p a l m o s p a l mo s 是著名的网络设备制造商3 c o m 旗下的p a l mc o m p u t i n g 掌上电脑 公司的产品。p a l mo s 在p d a 市场上占有很大的市场份额，目前主要与 w i n d o w s c e 进行激烈竞争。 ( 4 ) u c o s m i c r oc o n t r o l l e ro p e r a t i n gs y s t e m ，微控制器操作系统，它是由美国人j e a n l a b r o s s e1 9 9 2 年完成的。应用面覆盖了诸多领域，如照相机、医疗器械、音响 设备、发动机控制、高速公路电话系统、自动提款机等。1 9 9 8 年升级到u c o s i i ， 2 0 0 0 年，得到美国航空管理局的认证，可以用于飞行器上。 ( 5 ) 嵌入式l i n u x l i n u x 的核心是由l i n u st o r v a l d s 在1 9 9 1 年开发出来，并放到网络上供大家 下载学习使用。开放源代码，内核小、功能强大、系统健壮、效率高、易于裁 减。可以支持数十种c p u 芯片。嵌入式l i n u x 就是指对l i n u x 经过小型化裁减 后，能够固化在容量只有几百k 字节或几兆字节的存储器芯片中，用于特定嵌 入式场合的专用l i n u x 操作系统【5 】【6 i 7 1 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 以上常见的嵌入式操作系统，虽然提供了很多高级的功能，如图形用户界 面和网络支持，但这些专用操作系统都是商业化产品，其高昂的价格使许多低 端产品的小公司望而却步；而且源码封闭性也大大限制了开发者的积极性。选 择l i n u x 有以下几个原因【8 】【9 】： ( 1 ) 可应用于多种硬件平台。l i n u x 己经被移植到多种硬件平台，这对受 开销、时间限制的研究与开发项目是很有吸引力的，可以在标准平台上开发然 后移植到具体的硬件上，加快了软件与硬件的开发过程【1 0 1 。 ( 2 ) l i n u x 可以随意的配置，不需要任何的许可证或商家的合作关系。唯 一的限制是开发者必须做出对l i n u x 社区有益的改动1 1 1 1 。 ( 3 ) 它是免费的，源代码可以得到，这是最吸引人的，毫无疑问，这会节 省大量的开发费用。 ( 4 ) 优秀的网络支持，微内核直接提供网络支持，而不像其他操作系统要 外挂t c p i p 协议包。 ( 5 ) l i n u x 高度模块化使添加部件非常容易。 ( 6 ) l i n u x 在台式机上的成功，也保证了l i n u x 在嵌入式系统中的辉煌前 暑【1 2 】 j ，气o 1 3 3 嵌入式系统应用 ( 1 ) 嵌入式系统在无线通信领域的应用有手机、小灵通、智能手机等，8 5 以上的无线设备( 手机等) 都采用了a r m 技术，在向3 g 升级过程中，a r m 的 地位也非常稳固【l 。 ( 2 ) 嵌入式系统在消费类电子中的应用迅速增长，如数字音频播放器( m p 3 ) 、 数字视频播放器( m p 4 ) 、数字机顶盒和游戏机等。 ( 3 ) 嵌入式系统在数字家庭网络应用越来越广泛，数字家庭网络是通过无 线技术将家庭内的各种智能家电和网络设备连接在一起，包括无线媒体接收器、 无线摄录像机、无线投影播放器、无线音箱等。 ( 4 ) 嵌入式技术在交通管理、环境监测中有着广泛的应用【1 3 】f 1 4 1 。 ( 5 ) 嵌入式系统在其他领域也有着广泛的应用，如工业控制、海量存储设 备( 微型闪存卡) 、成像设备( 包含a r m 技术的数码相机和数码打印机) 以及 安全产品( 3 2 位s i m 智能卡) 等。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 嵌入式w e b 服务器 要想通过i n t e m e t 实现设备的远程监测，一般采用在嵌入式系统中构建w e b 服务器的方法。嵌入式w e b 服务器建立在系统应用层之上，它的主体是一组实 现超文本传输协议( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l ，h t t p ) 、安全套接层协议( s e c u r e s o c k e tl a y e r ，s s l ) 、通用网关接口( c o m m o ng a t ei n t e r f a c e ，c g i ) 等标准的组件 包。上层应用程序通过它实现界面友好的远程数据访问和功能调用，它采用 b r o w s e r s e r v e r ( 浏览器服务器) 的应用模式。w e b 服务器驻留程序调用这些组件 响应h ”m 请求，以w e b 页面的形式向客户端浏览器提供数据浏览功能【1 5 】；通 过应用程序使客户端方便的进行服务器端数据的修改、添加、删除。服务器下 的h t m l 网页、c g i 程序等，配合w e b 服务器共同工作，提供远程浏览器客户 端的各种服务，从而使远程数据访问和远程控制成为可能。 嵌入式w e b 服务器基于系统应用软件设计和实现，屏蔽了操作系统和硬件 的差异，使得嵌入式w 曲服务器应用可以适应于不同平台。 1 5 论文的主要工作 第1 章绪论，介绍本课题的研究背景及视频监测系统的发展状况，并对嵌 入式系统、嵌入式w e b 服务器进行简单的概述。 第2 章系统总体设计，介绍了本系统的整体硬件架构，具体硬件电路的设 计，系统采用的软件架构，以及具体的开发模式。 第3 章嵌入式l i n u x 操作系统的移植与主要驱动模块的开发，介绍嵌入式 l i n u x 操作系统的移植过程与系统中用到的主要驱动模块的开发。 第4 章应用软件设计，介绍了嵌入式服务器端视频采集的实现过程以及 h 2 6 4 压缩算法在本系统中的移植与优化。 第5 章总结与展望，对论文所做的工作进行总结，并展望了远程视频监测 系统的未来发展趋势以及自己以后的工作。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统总体设计 2 1 系统硬件设计 2 1 1 系统硬件架构 系统在总体布置上分为远程视频监测和现场视频采集两个部分。 远程监测端运行于控制中心，它实时接收和显示图像数据，采用普通p c 即 可，关键要能连入以太网。 视频监测系统的节点运行于监测现场的远端，节点包括视频采集和图像处 理两部分，负责视频信息的采集、压缩处理并将视频数据通过网络向远程监测 端发送。视频采集元件可采用基于o v s l l 的中星微z c 3 0 1 芯片的小型摄像头， 节点控制处理器采用基于三星$ 3 c 2 4 1 0 处理器的a r m 9 开发系统【1 6 】【1 7 1 。用2 6 1 4 版本的l i n u x 内核，提供了众多的外设接口，特别是开发平台上的1 0 1 0 0 m 自 适应网络接口和u s b 接口，特别适合本项目的使用环境。 本系统硬件平台由核心板和底板( 外设板或称基本板) 组成，核心板上集 成2 0 3 m h z 的a r m 9 2 0 t 内核的处理器$ 3 c 2 4 1 0 ，6 4 ms d r a m 以及6 4 m 的 f l a s h 。底板上则提供以下外设接口：一个四线r s 2 3 2 串口( c o m l ) ，一个u s b h o s t 接口，一个1 0 m 1 0 0 m 自适应以太网接口，一个t f tl c d 接口，一个触 摸屏接口。通过r s 2 3 2 接口连接到宿主机上；通过在u s b 接口上外接一个u s b 口的摄像头，将采集到的视频图像数据输入缓冲区中，然后运行图像处理程序， 将对缓冲区中的y u v 4 2 0 图像数据压缩成h 2 6 4 视频流，通过以太网传到远端。 系统硬件平台如图2 1 所示 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 系统硬件平台框图 2 1 2f l a s h 存储器接口电路设计 f l a s h 存储器是一种可在系统( i n s y s t e m ) 进行电擦写，掉电后信息不丢失 的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程 ( 烧写) 、擦除等特点，并且可由内部迁入的算法完成对芯片的操作，因而在各 种嵌入式系统中得到了广泛的应用。f l a s h 在系统中通常用于存放程序代码、常 量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。常用的f l a s h 为8 位或1 6 位的数据宽度，编程电压为3 2 v 。 为了支持n a n df l a s h 起动，$ 3 c 2 4 1 0 内建了内部4 k 的s r a m 缓存。当系 统启动时，n a n df l a s h 最初的4 k 字节将被读入缓存然后开始执行启动代码。 通常启动代码会把n a n df l a s h 的内容拷到s d r a m 中以便执行主代码。 本系统采用三星的6 4 mk 9 f 1 2 0 8n a n df l a s h ，该器件采用三星公司的 c m o s 浮置门技术和与非存储结构，采用t s s o p 4 8 封装，工作电压2 7 3 6 v 。 k 9 f 1 2 0 8 与c p u 的连接如图2 2 所示： 8 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2h a n df l a s h 接口电路 2 1 3s d r a m 接口电路设计 s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于f l a s h 存储器， 且具有读写的属性，因此在系统中主要用作程序的运行空间，数据及堆栈区。 s d r a m 具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，已广泛应用在各种嵌入式 系统中。s d r a m 的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，为避免数 据丢失，必须定时刷新( 充电) 。因此，要在系统中使用s d r a m ，就要求微处 理器具有刷新控制逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。$ 3 c 2 4 1 0 在片 内具有独立的s d r a m 刷新控制逻辑，可方便的与s d r a m 接口。 本系统采用两片3 2 m 的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b 并联出6 4 m 的s d r a m 。两块芯片 的地址线连接相同，数据线分低1 6 位和高1 6 位分别连接到不同的芯片上，使 用不同的d q m 信号线区分每一片的读写，共同组成了3 2 位接口的6 4 m b 的 s d r a m 空间。s d r a m 映射到$ 3 c 2 4 1 0 a 的n g s c 6 空间，地址从0 x 3 0 0 0 0 0 0 肚3 3 f ff f f f ( 6 4 m b ) 的地址空间，其接口电路如图2 3 所示 9 武汉理工大学硕士学位论文 l r r ： “r 2 瘤 船o o o 芒l d 伽一l = ? 1 l e o d2 3 ao文硷 葶l 醢住1 6 z ： ：i s z ) ( d i 32 4 a 1 d q l 辛l d a t a i ；长黯：碧 a 1d q l 4l d a t a l 7 l a q t j d r 42 5 2 o q 2 ；l d l d a t a a t a 2 3 。二 o 恤l a d o 嚣r 鸯 a 2 d q 2 sl d a t a l 8 a3疆 7l d a t 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所示。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 5 其它外围电路 图2 4 以太网芯片接口原理图 ( 1 ) u s b 设备及摄像头接口电路 u s bh o s t 接口挂接了中芯微z c 3 0 1 摄像头，采用c m o s3 5 万象素感光芯片， 最大分辨率为6 4 0 x 4 8 0 ，处理器通过u s b 接口读取u s b 摄像头的视频图像数据。 $ 3 c 2 4 1 0 处理器内部集成了两路u s bh o s t 和一个u s bd e v i c e 接口。u s bh o s t 接口完全兼容o h c i1 0 版本和u s b 2 0 版本，有两路下行端口，支持低速和全 速u s b 设备。 ( 2 ) 供电电路及复位电路 直流供电部分用d c d c 芯片a e s ，将直流5 v 电压转换为3 3 v ，u s b 接口 需要5 v 供电，而其他芯片都是3 3 v 额定电压。 复位芯片采用m a x 7 0 8 r 系列芯片，封装为s i p 8 。m a x 7 0 8 有两路输出其 中r e s e t 为高电平，n r e s e t 为低电平输出，为s 3 c 2 4 1 0 处理器和网卡芯片提 供复位信号。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 系统软件设计 2 2 1 系统软件架构 应用软件模块程序设计采用客户机朋艮务器模式设计，模块间通过接口函数 调用。系统软件模块整体结构如图2 - 5 所示 医蕴遴。兰堡! 竺竺竺竺岱乙。也：鲞 静弘? n 。p ， 镪碍一| 斯“4 挚o 。o “二。；3 。? * ”一r 网络视频流服务模块 ， ? 蔓 j ：应用层软件视频图像压缩模块 ?，i i ，。视频采集模块 ，_ ，篇 魄。j 。j 。j ，： - * o 。一。+ ? 一，7 | 一 ：a r a v i - l i n u x 内核u s b 摄像头驱动程序 溉。二? ， 一：? ! 。u 。一。 = 。 一 一 ? ? j ? 札“一丘? 0 57 。?i 赫 碾”i 。1 口：1 ，ji 1 ”|7 ，? 一r ? j7 i i ；* 。| ；徽 匿系统引导程序( v i v i 习 图2 5 系统软件层次图 本系统中，图像压缩采用h 2 6 4 标准算法。h 2 6 4 具有很高的编码效率【1 8 j ， 其码流结构网络适应性强，增加了差错恢复能力，能很好地适应i p 和无线网络 的应用。数据流传输方面采用r t p r t c p 协议及组播方式，支持数据流的实时 传输和实时播放，可以保证数据流传送的质量。嵌入式操作系统方面，采用a r m 平台上的l i n u x 操作系统，它可以帮助用户提高软件的模块化程度、并行性和可 维护性等，有利于降低系统成本和缩短开发周期。 本系统基于服务器客户机的结构，服务器端包括u s bw e b c a m 设备驱动程 序、h 2 6 4 压缩编码器【1 9 1 、r t p r t c p 流媒体实时传输系统。初始化时，打开 u s b 视频设备文件( 如d e v v i d e o o ) ，把获取的y u v 4 2 0 格式的视频帧读入视频 缓冲区，然后通过h 2 6 4 编码程序进行编码，最后把存在视频缓冲区的h 2 6 4 视频流打包成r t p 流，通过u d p i p 网络传输。远程客户端只需要一台连接以太 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 网的p c 机即可实时监测。 2 2 2 宿主机开发环境的建立 绝大多数的l i n u x 软件开发都是以n a t i v e 方式进行的，即本机( h o s t ) 开 发、调试，本机运行的方式。这种方式通常不适合嵌入式系统的软件开发，因 为对于嵌入式系统的开发，没有足够的资源在本机( 即开发系统) 运行开发工 具和调试工具。通常的嵌入式系统的软件开发采用一种交叉编译调试的方式， 如图2 - 6 所示。交叉编译调试环境建立在宿主机( 即一台p c 机) 上，对应的开 发板叫做目标板。 图2