（检测技术与自动化装置专业论文）基于嵌入式linux的数字硬盘录像机研究和实现.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术、多媒体技术和网络技术的飞速发展，基于数字技 术的多媒体应用被广泛的运用于各种领域，特别是数字化视频监控系统 以其性能稳定、数据检索方便、便于网络应用、成本低廉等诸多优点， 逐渐取代以模拟技术为主导的传统监控系统而成为现代化管理、监测、 控制的重要技术手段之一，数字硬盘录像机则是数字化视频监控系统的 产品之一，它通常具有多路监控、录像存储、报警监测、网络传输和控 制等功能。 本文提出并研究设计了一种嵌入式数字硬盘录像机( d v r ) 系统，该系 统在3 2 位高性能嵌入式处理器和a s i c 编解码的硬件平台上，采用 m p e g 4 音视频编解码技术，嵌入式l i n u x 操作系统进行设计。本系统具 有同时对4 路视频输入进行实时本地监控和网络监控，录像存储回放等 功能，并具有小型化、低功耗、稳定可靠等特点。 课题的研究和实施直接面向市场需求，选择目前市场上最流行的 m p e g 4 编、解码芯片和监控领域流行的嵌入式系统解决方案，保证了项 目的可行性和成型系统的先进性和实用性。 关键词：数字硬盘录像机嵌入式l i n u x设备驱动程序m p e g 4 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , m u l t i m e d i aa n d n e t w o r kt e c h n o l o g y ，m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sb a s e do nd i g i t a lt e c h n o l o g ya r e u s e di nv a r i o u sf i e l d s w i d e l y , e s p e c i a l l y i n d i g i t a l v i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e m w i t hi t sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss t a b l ep e r f o r m a n c e ，d a t ar e t r i e v a l c o n v e n i e n t ，e a s y n e t w o r k a p p l i c a t i o n s a n d l o w c o s t ，r e p l a c i n ga n a l o g t e c h n o l o g y l e dm o n i t o r i n gs y s t e mg r a d u a l l y t h ed i g i t a lv i d e or e c o r d e ri so n e p r o d u c to fd i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ，i tu s u a l l yh a sm u l t i c h a n n e l m o n i t o r i n g ，v i d e os t o r a g e ，a l a r mm o n i t o r i n g ，n e t w o r kt r a n s m i s s i o na n d c o n t r o lf u n c t i o n s t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sad e s i g na n di n v e s t i g a t i o no fa ne m b e d d e d d i g i t a lv i d e or e c o r d e rs y s t e m t h es y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do nh i g h p e r f o r m a n c ee m b e d d e dp r o c e s s o ra n dh a r d w a r e s p e c i f i ca s i cc h i p s t h e m p e g - 4t e c h n o l o g y , e m b e d d e dl i n u x ，a r ee m p l o y e di nt h e s y s t e m t h i s s y s t e mc o u l dm o n i t o r4 - c h a n n e lv i d e oi n p u tb o t hl o c a l l ya n dt h r o u g ht h e n e t w o r k i t p o s s e s s e s t h e a d v a n t a g e s o fs m a l l p a c k a g e ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，a n dh i g hr e l i a b i l i t y t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft h e p r o j e c t i s d i r e c t l yf a c i n g m a r k e tr e q u i r e m e n t ，s e l e c t su p - t o t h e m i n u t em p e g - 4c o d i n gc h i p sa n dt h e m o s t p o p u l a r s o l u t i o ns c h e m eo fe m b e d d e ds y s t e m ，w h i c he n s u r e st h e f e a s i b i l i t y o ft h e p r o j e c t a n da d v a n c e m e n ta n d p r a c t i c a b i l i t y o ft h e a c c o m p l i s h e ds y s t e m k e yw o r d ：d v r e m b e d d e dl i n u xd e v i c ed r i v e rm p e g 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 踢撰 哪年多月易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定，即： 我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位论文的全 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 复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密o ，在年解密后适用本授权书。 不保密 。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：鸿损 如男年多月弓日 指剥雠：够芋 d 叩9 年多月易日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的提出及意义 随着计算机技术、多媒体技术和网络技术的飞速发展，基于数字技 术的多媒体应用被广泛的运用于各种领域，特别是数字化视频监控系统 以其性能稳定、数据检索方便、便于网络应用、成本低廉等诸多优点， 逐渐取代以模拟技术为主导的传统监控系统而成为现代化管理、监测、 控制的重要技术手段之一，并逐渐在金融机构、居民住宅、公用设施、 无人看守的工业场所以及道路交通监控等安防领域得到了越来越广泛的 应用。 数字硬盘录像机则是数字化视频监控系统的产品之一，它通常具有 多路监控、录像存储、报警监测、网络传输和控制等功能。目前市场上 主流的数字硬盘录像机主要分为两类：一类是基于p c 架构以及视频压缩 解压缩板卡实现的，另外一种则是以嵌入式处理器及平台为核心的嵌入 式数字硬盘录像机。相比前者，嵌入式数字硬盘录像机具有低功耗、高 稳定性、可靠性以及低成本等优点，从而在市场上更具竞争力。 在音视频编解码实现方面，数字硬盘录像机主流的编解码方案有 a s i c 和d s p 两大类1 1 】。a s i c 编解码采用硬件对音视频数据压缩解压缩， 而d s p 则运行软件对音视频数据压缩解压缩。前者软件工作量小但不够 灵活，后者软件工作量大但更灵活且易升级，方便更新编解码算法。 本文研究设计了一种嵌入式数字硬盘录像机的解决方案。该系统基 于嵌入式处理器和a s i c 编解码的硬件平台，具有低成本、低功耗以及高 稳定性等特点。本设计采用嵌入式l i n u x 操作系统，系统软件针对实时 性、稳定性以及可扩展性进行设计并优化，在减少存储空间浪费的同时 有效的提高系统的响应速度，具有良好的工程应用前景。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 数字硬盘录像机的发展现状 ( 1 ) 基于p c 的数字硬盘录像机 武汉工程人学硕士学位论文 9 0 年代中后期，计算机网络开始普及并得到迅猛发展，多媒体技术 的发展日新月异，这些技术的发展特别是视频压缩技术的出现和发展， 使数字视频的存储和传输成为可能。计算机技术及网络技术的日益成熟， p c 的普及化，也为基于p c 的视频监控及存储创造了条件。基于p c 的 视频监控系统是将摄像头采集的模拟视频信号转化为数字信号，利用专 用压缩卡对数字信号进行压缩处理，然后进行本地存储，并通过网络传 输给远程监控终端的p c 机，监控终端p c 机利用专用解压卡对数据进行 解压后，就能够重现远端的图像【2 】【3 1 。 基于p c 的视频监控系统具有性能高、开发周期短等特点，但是基于 p c 的视频监控系统还存在很多问题： 体积大、功耗高。由于需要p c 机以及利用专用压缩解压缩卡对 视频信号进行压缩和解压缩处理，所以使监控系统体积较大，功耗较高。 稳定性差。主要体现在p c 机操作系统易受病毒侵害并且长时间运 行易出现死机现象。 成本较高。远程监控需要配有专用解压卡的p c 机，且采集终端也 是基于p c 机及压缩卡，投入成本及维护成本较高。 ( 2 ) 嵌入式数字硬盘录像机 随着嵌入式处理器性能的提高以及嵌入式操作系统的成熟，嵌入式数 字硬盘录像机应运而生。嵌入式数字硬盘录像机通常采用基于嵌入式处 理器的硬件平台，扩展必要的硬件设备，运行嵌入式操作系统，通过专 用编码芯片或d s p 处理器对采集的视频信号进行实时监控、压缩存储以 及网络传输，并通过专用的解码芯片或d s p 处理器对采集的视频信号进 行本地解码回放。远程监控是通过p c 机运行解码软件进行实时监控或者 网络回放，因此大大降低了整套系统的成本，极大地方便了监控系统的 操作和维护【4 】【5 】。 与基于p c 机的数字硬盘录像机相比，嵌入式数字硬盘录像机具有以 下优点： 体积小、功耗低。采用基于低功耗的嵌入式处理器的硬件平台， 只需扩展必要的外设，芯片数量远远少于p c 机，因而在体积和功耗方面 要远远小于p c 机。 第1 章绪论 稳定性高。采用专用的嵌入式操作系统并且将系统固化在r o m 或 f l a s h 等存储器中，有效的降低了病毒的威胁。 成本低廉。嵌入式数字硬盘录像机的芯片数量远远少于p c 机，且 远程监控的p c 机通常无需额外的解压缩卡，减少了硬件成本。 1 2 2 嵌入式系统的发展现状 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可 裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求 的专用计算机系统。嵌入式系统由嵌入式硬件与嵌入式软件组成，硬件 以芯片、模板、组件、控制器等形式埋藏于设备内部；软件是实时多任 务操作系统和各种专用软件，一般固化在r o m 或闪存中。嵌入式计算机 系统，最早出现在6 0 年代武器控制中，后来用于军事指挥控制和通信系 统，现在广泛用于民用机电一体化产品中。 目前，国际上公认的通用嵌入式处理器有三大类：m c u ( m i c r o c o n t r o lu n i t ) 、d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 和m p u ( m i c r op r o c e s s o r u n i t ) 。其中m c u 与m p u 最为接近，其分类也充满争议，国内专家、学 者通常认为3 2 位以上就是m p u 或微处理器，因为这时运算速度更高， 而控制功能退居次要位置，标志是一般要使用嵌入式操作系统。此外， 随着处理速度的要求越来越高，同时处理的数据更加复杂，出现了双核 与多核处理器，通常为d s p + r i s c 芯核，如i n f i n e o n 公司的t r i c o r e 、p h i l i p s 公司的t r i m e d i a 。还有一些处理器不仅要有速度，还要有控制功能，又出 现了d s p 与m c u 的结合品，如m i c r o c h i p 的d s c ( d i g i t a ls i g n a l c o n t r o l l e r ) 。 嵌入式系统的发展也随之带动了嵌入式操作系统的发展，目前市场 上著名的商业操作系统主要包括v x w o r k s 、n u c l e u s 、p a l m 、s y m b i a n 、q n x 和w i n d o w sc e 等；同时，免费或者开放源码的嵌入式操作系统也被广泛 的应用，如：l i n u x 、u c o s 等。这些系统提供了性能稳定的开发环境， 提高了应用系统的开发效率。 武汉j f ：程人学硕十学位论文 1 2 3 视频压缩的发展现状 m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 是运动图像专家组的简称，全 称是i s o h e cj t c i s c 2 9 w g l l i 酬，即国际标准化组织和国际电工委员会 第一联合技术组第2 9 分委会第1 1 工作组，负责数字视频、音频和其他 媒体的压缩、解压缩、处理和表示等国际技术标准的制定工作，成立于 1 9 8 8 年。 m e p g 1 m p e g 1 制定于1 9 9 2 年，是为工业级标准而设计，可适用于不同带 宽的设备，如c d r o m 、v i d e o c d 、c d r 等，主要针对1 5 m b p s 以下 的数字存储媒质运动图像及其伴音编码的国际标准，它用于在c d r o m 上存储同步和彩色运动视频信号，可以优化为中等分辨率，传输速率为 1 5 m b i t s s e c ，每秒能够播放3 0 帧，具有c d 音质，质量级别基本与v h s ( v i d e oh o m es y s t e m 家用录像系统) 相当。 m p e g 2 m p e g 2 标准的制定从1 9 9 0 年7 月开始，经过四年半到1 9 9 4 年1 1 月完成标准【7 1 。它的结构与m p e g 1 相似，增加了新的补充部分。m p e g 2 标准的设计目标是高级工业标准的图像质量以及更高的传输率，它追求 的是c c i r 6 0 1 建议的图像质量，即为d v b 、h d t v 和d v d 等制定的 3 m b p s 1 0 m b p s 的运动图像及其伴音的编码标准。m p e g 一2 标准扩展了 m p e g 1 标准，能够支持高分辨率图像和声音。m p e g 。2 在n t s c 制式下 的分辨率可达7 2 0 4 8 6 ，它还可提供广播级的视像和c d 级的音质。 m p e g 2 的音频编码可提供左右中及两个环绕声道，以及一个重低音声道 和多达7 个伴音声道。m p e g 2 还能够提供s n r 、时间、空间三种分级 编码。该标准应用于卫星广播时，在当前的一个模拟信道中，不牺牲质 量的情况下能提供5 路数字的编码节目。因为m p e g 2 可以提供一个较 广的范围改变压缩比，以适应不同酗面质量、存储容量以及带宽的要求， 所以除了作为v c d 和d v d 的指定标准外，m p e g 2 还可用于为广播、 有线电视网、电缆网络以及卫星直播提供广播级的数字视频。 m p e g 4 第1 章绪论 m p e g 组织在1 9 9 3 年7 月开始了m p e g 4 “视音频对象编码 的研 究，并于1 9 9 9 年5 月形成国际标准，是一种基于对象的视、音频编码标 准。与m p e g 1 和m p e g 2 相比，m p e g 一4 的特点是其更适于交互a v 服务以及远程监控【8 1 。m p e g 4 是第一个使用户由被动变为主动的动态图 象标准；它的另一个特点是其综合性，从根源上说，m p e g 4 试图将自然 物体与人造物体相溶合( 视觉效果意义上的) 。m p e g 4 的设计目标还有更 广的适应性和可扩展性。m p e g 4 试图达到两个目标： ( 1 ) 低比特率下的多媒体通信 ( 2 ) 多工业的多媒体通信的综合 据此目标，m p e g 4 引入a v 对象( a u d i o v i s u a lo b j e c t s ) ，使得更多的交 互操作成为可能。m p e g 4 的视频质量分辨率比较高，而数据速率相对较 低，主要原因在于，m p e g 4 采用a c e ( 高级译码效率) 技术，它是一套首 次使用于m p e g 4 的编码运算规则。与a c e 有关的目标定向可以启用很 低的数据率。它与m p e g 2 相比，可节省9 0 的储存空间。m p e g 4 还 可以在声频与视频流中广泛的升级。当视频在5 k b s 与l o m b s 之间变化 时，声频信号可以在2 k b s 与2 4 k b s 之间进行处理。特别要强调的是 m p e g 4 标准是面向对象的压缩方式，不是像m p e g 1 和m p e g 2 简单 地将图像分为一些像块，而是根据图像内容，将其中的对象( 物体、人物、 背景) 分离出来分别进行帧内和帧问编码压缩，并允许在不同的对象之间 灵活分配码率，对重要的对象分配较多的字节，对次要的对象分配较少 的字节，从而大大提高了压缩比，使其在较低的码率下获得较好的效果。 m p e g 4 的面向对象的压缩方式也使图像探测功能和准确性体现得更充 分，该图像探测功能使硬盘录像机系统具有较好的视频移动报警功能。 1 3 课题研究内容 从具体的应用需求和相关技术的发展现状出发，本课题设计了一种基 于嵌入式处理器和a s i c 编解码的嵌入式数字硬盘录像机系统。本系统是 基于嵌入式l i n u x 的d v r 终端，该终端可以同时对四路通道进行信息采 集，以多种方式接入计算机网络，对需要监测的目标进行实时监测，同 时具有发现异常，确定异常原因，异常报警，复现异常现场等功能。 武汉j r 程大学硕+ 学位论文 主要研究内容包括： ( 1 ) 嵌入式处理器模块的设计和方案比较 ( 2 ) m p e g 4 编、解码模块的设计和方案比较 ( 3 ) 嵌入式d v r 的硬件电路设计 ( 4 ) 系统软件设计 第2 章嵌入式d v r 总体设计概述 第2 章嵌入式d v r 总体设计概述 本课题来源于深圳乐视视频技术有限公司的“嵌入式d v r 图像监控 系统 项目，根据前期的市场调查和分析，确定了产品的功能和特点。 2 1 系统的功能定义及模块划分 该嵌入式d v r 是编码与解码在同一地方的本地监控设备，四路的音 频和四路的视频编码能力使它的应用范围比较灵活。另外，它的部分设 计也适用于其它相关产品，具有如下功能： 每路视、音频信号的独立m p e g 4 硬件编码 允许最多4 个b n c 模拟视频输入，最多4 个模拟音频输入 模拟视、音频信号的a d 变换，数据采样率可以编程设置 编码后每路数据的硬盘实时存储 画面合成，通过一个b n c 模拟视频输出接口可以输出1 路、4 路 图像画面，提供实时监看功能 多种控制接口：红外遥控、面板按键、以太网口、p s 2 键盘和串 口五种可控途径，向用户提供方便的控制管理 基于w e b 的图形用户网管功能，实现配置、画面检索回放、数 据备份 完备的备份方案，提供u s b 接口和以太网口数据备份功能，其中 u s b 接口支持u s b 2 0 协议 r s 4 8 5 串行总线提供云台控制功能 告警输入功能 该嵌入式d v r 系统可以广泛应用于下列场合：银行集中监控、证券 集中监控、企业消防集中监控、市内交通和高速公路集中监控、小区和 楼宇安防、医院安防和监控、远程教学、远程医疗、电视电话会议等。 根据功能，我们要设计的嵌入式d v r 的结构模块如图2 1 所示。它 包含了视频d e c o d e r 和音频d 模块、音视频压缩模块、嵌入式处理器 模块、硬盘i d e 接口模块、多种控制接口模块、数据备份模块、网络接 武汉_ t 程人学硕士学位论文 口模块、音视频解压缩模块、告警等模块。下面分别介绍每个模块要做 的研究工作及重点要解决的问题。 视音频 压缩模块 嵌入式 处理 模块 视音频 解压缩模块 图2 1 嵌入式监控系统模块框图 2 2 系统各模块功能介绍及要解决的问题 硬盘i d e 接u 模块 多种控制 接u 模块 数据备份 模块 网络接口 模块 一、嵌入式处理器模块 对于一个嵌入式系统来说，最核心的部分当属嵌入式处理器。在数 字视频监控系统中，嵌入式处理器相当于设备的中枢，它要负责提供嵌 入式操作系统运行的平台，对整个系统的所有模块进行控制，除了完成 高速视频流的处理和控制，还要提供各种接口和监控系统需要的功能。 目前，世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过了1 0 0 0 多种， 3 0 多个系列【9 】。不同的处理器有其不同的功能和优势。但是低成本、低 功耗、高性能是嵌入式系统应用的特殊要求。目前主要的嵌入式处理器 第2 章嵌入式d v r 总体设计概述 类型有p o w e r p c 、x 8 6 、m i p s 、a r m 系列等【1 0 】【1 1 1 。如何从这么多的嵌入 式处理器中选择适合我们的监控设备使用的产品，是设计时所遇到的第 一个重要问题。 一般来说，选用嵌入式处理器的原则是越通用越好、速度越快越好。 但具体到工程应用还要考虑以下的因素：有b u g 改得快，供货稳定长久， 家族系列兼容性好，上手之后产品开发很快，这样的产品是比较受欢迎 的，也可以使研发失败的概率大大降低【1 2 1 。另外，因为要设计的是一个 商业目的的数字监控系统，所以性价比也是要考虑的一个重要方面，要 在满足系统功能要求的情况下，选用更低廉的设计。在实际的研发过程 中，也得出了一个重要经验，那就是尽量不要选用非主流或者说小厂商 的东西，主要有以下原因：( 1 ) 有产品失败的风险；( 2 ) 芯片供货周期长； ( 3 ) 不同批次的芯片焊在板子上的结果不一样等。 通过查阅大量的嵌入式处理器相关资料【1 3 】【1 4 】，并根据已有的成功产 品的研发经验，最终选择了意法半导体( s t ) 公司生产的s t r 9 1 0 f w 3 2 。 它以a r m 9 为内核，内置1 6 3 2 位闪存微控制器，搭载以太网、u s b 、 c a n 、a c 电机控制，四个计数器，及模数转换器、r t c 和d m a 。在这 个模块中要解决的主要问题是：嵌入式c p u 本身的设计( 包括外围电路、 电源管理、资源利用等1 、处理四路压缩数据的能力、以及处理各种接口 的能力。 二、音视频m p e g 4 编、解码模块 音视频m p e g 4 编、解码模块是设计方案中主要研究的模块之一。 作为数字监控系统的主要器件，选用什么样的编、解码解决方案，决定 了产品的主要特点和能力。在本项目立项时，m p e g 一4 算法己经十分成 熟，市场上也有许多针对m p e g 一4 的编、解码专用芯片，结合公司已有 的开发经验，以及在供货、价格等多方面的权衡下我们选用了美国 t e c h w e l l 公司生产的t w 2 7 0 0 。t w 2 7 0 0 是实时四信道视频压缩控制 器，用于安全应用场合，它能同时压缩和解压四个标准的视频数据流。 作为t e c h w e l l 的首款用于数字视频录像机的编解码器芯片，这款基于 r i s c 架构的控制器能同t w 2 8 1 5 共同使用以提供一种完备的数字视频录 像机解决方案。其特色包括四个兼容i t u rb t 6 5 6 的视频输入端口、每 武汉t 程人学硕士学位论文 个信道具有一个独立的、采用专有算法的压缩引擎、支持t r i p l e x 操作、 同步录制、回放和网络连接，以及通过级联( c a s c a d e ) 模式支持多达1 6 个 。l 、1 - 1 百追。 三、视频d e c o d e r 和音频a d 模块 这个模块的芯片选择主要是根据与它接口的m p e g 4 编码芯片的 v i d e o 接口和a u d i o 接口来确定。一旦确定m p e g 4 编码芯片，就可 以根据它的这两个接口选择合适的器件来设计视频d e c o d e r 和音频a d 模块。 这个模块包括了两个部分，第一部分是视频d e c o d e r 的设计，第二部 分是音频a ，d 的设计。音频a d 部分的设计相对简单，主要是对音频进 行采样，并将采样后的数据变成1 2 s 的数据格式，采样率可以通过编程设 定或者由硬件电路实现。下面详细介绍视频d e c o d e r 要解决的问题。 目前可以进行视频d e c o d e r 的产品比较多。它们把输入的模拟信号经 过a ，d 变换，然后编码以i t u r b t 6 5 6 格式或者i t u r b t 6 0 1 格式输 出。输出时有的可以输出1 6 b i t 宽度数据位，有的可以输出8 b i t 宽度的数 据位，有的两种数据位都可以输出。比较常见的视频d e c o d e r 芯片有飞利 浦公司的s a a 7 1 1 2 、s a a 7 1 1 3 、s a a 7 1 1 4 、s a a 7 1 1 5 ，三星公司的k s 0 1 2 7 、 b r o o k t r e e 公司的b t 8 2 9 b 、t e c h w e l l 公司的t w 2 8 1 5 等等。在选择这部 分芯片时，除了考虑这些芯片提供的接口，还考虑了它们的性能、价格、 体积、是否容易控制和管理等方面的因素。本模块要做的工作是，在硬 件实现的基础上，通过1 2 c 接口程序实现对视频d e c o d e r 芯片的寄存器的 读写，从而实现对这些心- h - - 片的控制和管理。 四、硬盘i d e 接口模块 在研制产品的初期，市场上比较流行的较大容量的硬盘是2 0 0 g 。为 了保证四路监控数据能保存一个月以上的数据。按每小时平均2 0 0 m b y t e 的容量计算，一个月的数据要2 0 0 m d 、时4 路2 4 小时天3 0 天 = 5 7 6 0 0 0 m b y t e 的容量。如果采用2 0 0 g 容量的硬盘，系统要有3 个硬盘 的存储接口。基于这个需要，设计必须要一片i d e 芯片，一片i d e 芯片 支持两个插槽，每个插槽可以外挂两个硬盘。今后，随着硬盘存储技术 的发展，容量的增大，只要操作系统提供对大容量硬盘的支持，就可以 1 0 第2 章嵌入式d v r 总体设计概述 实现更长时间的监控存储时间。 在这个模块要解决的问题有：嵌入式处理器要有足够的资源去处理 i d e 芯片【1 5 】；嵌入式的操作系统应该提供对大容量硬盘的支持；硬盘的 读写要支持d m a 方式，实现快速的数据交换【1 6 1 。 五、视频e n c o d e r 、音频d a 模块 视频e n c o d e r 、音频d a 模块主要完成数字视频信号的d a 转换，通 过这个模块，提供给用户模拟多媒体信号，实现人对系统的监视和控制。 这个模块主要处理两个来源的信号，一是经过画面分割后的实时图像预 览，二是经过解压缩以后的回放数据。数字音频的处理是经过音频的选 择，同时只提供一路的声音播放。这个模块可以通过专用的芯片实现， 也可以在远程计算机中用软件实现。 六、数据备份模块 对于一个优秀的监控设备来说，除了提供数据的实时大规模存储以 外，对数据的备份也是用户比较关心的一个方面。该模块主要提供网络 数据备份和u s b 数据备份两种方式。网络数据备份主要是以太网的备份， 依靠开发以太网接口实现。u s b 接口是数据备份的又一选择，它具有方 便、传输速率高等优点，逐渐成为计算机行业的外设接口标准。用户在 和嵌入式系统进行数据的备份等操作时，数据量都很大，要想方便、高 速地传输数据，u s b 接口是理想的选择。由于u s b1 0 的速度限制，设 备要求同时支持u s b 2 0 协议。 这一模块的工作重点是开发适应u s b 2 0 的硬件电路和软件驱动，目 的是能支持市场上大多数的u s b 硬盘，并且快速、稳定地进行数据传输。 七、多种控制接口模块 这个模块主要为嵌入式设备提供各种用户操作接口，包括了r s 一2 3 2 串行接口、以太网接口、红外接口、p s 2 键盘接口、4 8 5 云台控制接口， 而这些接口都是一个监控设备所必需的。 目前r s 一2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。 r s 2 3 2 被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。系 统需要通过该串口下载程序，或者进行串行通信。 监控设备的远程控制、数据的远程传输都依赖以太网接口。在i n t e r n e t 武汉工程火学硕十学位论文 飞速发展的今天，网络己经渗透到了方方面面，并且数字视频监控和以 前的模拟监控的一个显著的特点就是网络，所以以太网接口是必不可少 的。 红外通讯有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑等特点， 因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。掌上电脑、机顶盒、移动 电话、仪器仪表、数码相机等和嵌入式系统之间通过红外口进行互联也 非常方便。嵌入式监控系统同时有数字家电的特点，因此，在系统中也 扩展了红外接口，用户可以通过红外接口，轻松实现菜单的遥控。 在本系统中，监控系统对云台的控制是一个必不可少的功能。r s 4 8 5 总线具有双向、多点的通信能力，把它用在控制云台上，可以实现用户 对镜头的灵活操作。 键盘是微机系统常用的输入输出设备，给监控设备提供类似个人电 脑的键盘接口，用户可以更方便的用它来设置和操作监控设备，管理员 也可以通过键盘进行现场的调试。 八、告警接口模块 告警接口提供了监控设备的输入、输出告警功能。监控设备要对外 界发生的突发事件做出反应，这时要用到输入的告警功能，如镜头前有 活动的物体或者设备被人为破坏；监控设备内部出现异常时，要通知值 班人员进行处理，这时要用到告警输出，如系统掉电、异常等。 2 3 ，j 、结 本章介绍了基于嵌入式m p e g 4 的四路监控系统级的设计，包括系 统的功能定义，解决方案和各个主要模块的划分、功能介绍。提出了每 个模块设计中重点要解决的问题和关键技术。 第3 章系统硬件设计 第3 章系统硬件设计 在上一章介绍了嵌入式d v r 的总体设计方案，这一章将开始具体的 硬件实现。按照预定的设计方案，硬件设计分为两部分，一部分是嵌入 式核心板的硬件选型和单元电路的连接，另一部分是音视频采集电路板 的设计，其中音视频解码和m p e g 4 编码芯片分别选择t w 2 8 1 5 和 t w 2 7 0 0 ，文中将着重对这两个芯片的特性和电路连接加以介绍。第三节将 简单说明单元电路的调试方法，最后总结了在整个系统调试过程积累的 一些经验与心得。 3 1c p u a r m 系列处理器是英国先进r i s c 机器公司的产品，a r m 的成功在 于它极好的性能以及极低的功耗。首先在低功耗( m i p s w 一百万条指令 每秒瓦) 方面具有业界领先的性能，例如a r m 7 t d m i 内核提供高达 4 0 0 0 m i p s w 的低功耗特性【1 7 1 18 1 。在数据处理能力的每m i p s 的低价格方 面，a r m 向合作伙伴提供某些最具有竞争力价格的解决方案。加上具有 最广泛的第二方合作伙伴支持，有很多高效率的实时跟踪调试工具，可 以使设计时间更短，加快了产品上市时剐1 9 1 。 a r m 处理器本身是3 2 位设计，但同时也配备了1 6 位指令集 ( t h u m b ) ，以允许软件编码为更短的1 6 位指令，与等价的3 2 位代码相比， 占用的存储空间节省高达3 5 ，同时也保留了3 2 位系统所有的优势( 例 如，访问一个全3 2 位地址空间) 【2 0 l 。t h u m b 状态与正常的a r m 状态之间 的切换是零开销的。在c p u 功能上，d s p 指令集提供了增强的1 6 位和 3 2 位算术运算能力，提高了性能和灵活性。此外，a r m 芯片还获得了许 多实时操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 供应商的支持，比较知名的 有：w i n d o w sc e 、l i n u x 、p s o s 、v x w o r k s 、n u c l e u s 、e p o c 、u c o s 等。 表3 1 中对几种流行的处理器架构作了比较： 武汉一r 程人学硕十学位论文 表3 1主流嵌入式处理器性能对比 x 8 6 结构p o w e rp c m i p sa r m 6 8 k c o l d f i r e 内核结构8 、1 6 和1 6 和3 23 2 和6 41 6 和3 28 、1 6 和3 2 类型3 2 位位r i s c位r i s c 位r i s c位r i s c c i s c 运行频率最高已达最高已达最高已从几十m 到从几m 到 和运算能g h z 以上g h z 以上达g h z6 0 0 m h z 左右4 0 0 m h z 左右 力以上 外围接口一般丰富一般丰富 丰富 的集成度 好，包含 系列化程度系列化好，包含好，具有6 8 k 产品的系 5 1 9 6 。- _ 好，产品线程度好， a r m 7 ，9 ，1 1以及c o l d f i r e 列化程度直到奔腾 一= b ， 产品线 及s t r o n g , a r m的v 1 、v 3 、v 4 半昌 3 系列丰富等系列等系列 目前高端外围扩展接具有高灵活的研发生抗干扰能力 产品，主口丰富，其速，多产模式，高性强，产品的可 要以工控内部采用了 c o r e 能、低功耗、靠性，稳定性 主要特点1 0 4 板，双处理器结集成，己低价格的良好高，丰富的外 c p c i 板的构，增加了 经 结合围扩展接口 形式出一个专门负跨入了 现，方便责通信的协6 4 位时 二次开发 处理器 代 主要应用i n t e r n e t 网高端路无限局域网，工业控制机器 主要应于工业控 络设备，交 由器，局 3 g ，手持设备人研究，加点控 用领域制和通信换机，电信域网交的领域制等领域 领域等领域换机等 开发简具有专用的具有专具有最广泛的具有专用的嵌 单，软件嵌入式整体用的嵌第三方合作支入式整体开发 开发环境兼容性开发工具入式整持，很多高效工具链，开发 支持 好。软件链，开发体，l ：发的开发工具工具成熟 资源丰工具成熟工具链， 富，开发丌发工 平台简单具成熟 a r m 因为其低功耗以及a r mc o r e 的快速设计发展，在众多领域 都获得了广泛的应用。目前，a r m 取得了在手持设备领域( p d a 、手机、 手持设备) 的领导地位。在本设计中通过对目前的多种主流嵌入式处理器 的对比分析，并结合方案设计的功能要求和成本估算，决定采用s t 的 第3 章系统硬件设计 s t r 9 1 0 f w 3 2 微控制器作为本方案设计的嵌入式平台。 s t r 9 1 0 f w 3 2 处理器是内部集成a r m 公司的a r m 9 6 6 e s 处理器核 的3 2 位微控制器，资源丰富。a r m 9 e 系列微处理器为可综合处理器，使 用单一的处理器内核提供了微控制器、d s p 、j a v a 应用系统的解决方案， 极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。a r m 9 e 系列微处理器提供 了增强的d s p 处理能力，很适合于那些需要同时使用d s p 禾i 微控制器的 应用场合。 a r m 9 e 系列微处理器的主要特点如下： 一支持d s p 指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。 一5 级整数流水线，指令执行效率更高。 一支持3 2 位a r m 指令集禾i 1 6 位t h u m b 指令集。 一支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 一支持v f p 9 浮点处理协处理器。 一全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入 式操作系统。 一m p u 支持实时操作系统。 一支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 一主频最高可达3 0 0 m i p s 。 a r m 9 系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像 设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。a r m 9 e 系列微处理器包 含a r m 9 2 6 e j s 、a r m 9 4 6 e s 和a r m 9 6 6 e s 三种类型，以适用于不同的 应用场合。 除了a r m 9 6 6 e s 内核以外，s t r 9 1 0 f w 3 2 还集成了以下片上功能： 1 8 v 2 0 v 内核供电，2 7 3 3 v 外部i o 供电； 具备2 5 6 k b 的主f l a s h 和3 2 k b 的从f l a s h ； 9 通道可编程d m a ，其中一个用于以太网控制； 3 信道u a r t ( i r d a1 0 ，1 6 字节t xf i f o ，和1 6 字节r xf i f o ) ，2 通道s p i ； 6 4 k b 的s r a m ，良好的电源支持； 武汉：i ：程人学硕十学位论文 2 信道多主1 2 c b u s 通道和1 2 s b u s 控制器； 全速u s b 设备( 1 2 m b p s ) ； 4 信道p w m 定时器和1 通道内部定时器； c a n 接口： 8 0 个通用i o 口和3 0 通道外部中断源； 普通、空闲和掉电三种功耗控制模式； 8 通道1 0 比特a d c ； 具有日历功能的r t c ； 具有p l l 片上时钟发生器，高达9 6 m h z ； 1 0 1 0 0 m 以太网m a c 和d m a 以及m l i 接口。 电路连接方面，s t r 9 1 0 f w 3 2 共有1 2 8 只引脚，采用l q f p 封装。 和其它a r m 9 系列的处理器相比，引脚数目相对较小，减小了芯片的体 积( 1 4 1 4 m m ) 从而节约了开发板的空间，降低了系统成本。 目前，国内外嵌入式网络处理平台基本上都是采用软件来实现 t c p i p 协议栈，这种方案在大批量生产时，具有成本低的优点，因为用 软件设计的t c p i p 协议栈，是一次投入多次使用，但这种方案开发周期 比较长，对开发人员的要求高，要求对操作系统和t c p i p 协议都要有一 定程度的熟悉，并且高档m c u 和r t o s 的价格也很高。为此在本系统中 提出了一种直接利用t c p i p 协议栈芯片的实现方法，以便在项目开发中 把精力从大量的底层细节开发转移到面向应用的层面上来。 w l z n e t 公司硬件协议栈芯片w 3 1 5 0 a 是以大规模集成电路方式硬 件化通讯协议栈，提供一种简单、经济的高速连接互联网上各种数字设 备的解决方案，给系统设计人员提供了一个既快且简易的渠道来实现以 太网的功能。应用此大规模集成化的芯片于系统中可完全卸载网络协议 所需的负荷，减轻软件开发的开支。w 3 1 5 0 a 实现t c p i p 栈中的t c p ， u d p ，i c m p ，i p v 4 ，a r p ，i g m p 以及p p p o e 协议，另加连接以太网协 议中的数据控制及m a c 协议。芯片内含1 6 k b 收发缓冲存储器，对m c u 接口采用直接总线方式，对物理层衔接则应用标准m i i 接口，因此在i p 机顶盒、网络数字录像机、网络电话、v o l p 系统单芯片、网络m p 3 播放 机、手提医疗设备、工业监控及仪表，以及大型家用电器等应用上都是 第3 章系统硬件设计 最理想的芯片【2 1 】。 其内部结构框图如图3 1 所示。 卫 s o c k e ta p i 一一，。，j 一。，。 驱动程序 i m c u 接r l m i i 接口 一 以太网p h y 图3 1w 3 1 5 0 内部结构框图 w 3 1 5 0 与m c u 的接口包括直接总线模式、非直接总