（信息与通信工程专业论文）医用护理床的音视频实时监控系统.pdf

学位论文的主要创新点 一、采用数字多媒体专用处理器d m 6 4 2 开发针对医用护理床的网络监 控系统，具有多路音视频的输入和输出。 二、采用g 7 2 9 5 n h 2 6 4 算法，分别对音频数据和视频数据编码解码， 具有良好的压缩率和网络适应性。 摘要 现有的医院监控系统大多是第二代半模拟半数字视频监控系统，在应用中存 在许多缺陷。第二代视频监控系统适合小范围的区域监控，系统的可扩展，可更 新能力、系统监控点间的协作能力均较差。随着社会经济的迅速发展，人民生活 水平不断提高，人们对社会医疗服务体系提出了更高的要求。医院的医用护理监 控系统要具有良好的稳定性和能对监护的病房患者实时全程监控的功能，以实现 病房的科学化和人性化管理。针对现有护理监控护理系统存在的缺陷和同益提高 的护理需求，本课题开发一种医用护理床数字化、网络化的实时监控系统。 本文设计了一个基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的嵌入式视频远程监控系统。系统以 d m 6 4 2 为数据处理的核心，采用模块化设计，丌发了包括音视频采集模块、音 视频处理模块和通信模块的远程监控终端，实现了音视频信号的采集，数字化 处理和远程传输的系统功能，并为后继的开发提供了通用接口，具有良好的稳定 性和扩展性。本论文的主要任务就是构建基于d m 6 4 2 的嵌入式视频远程监控系 统的硬件平台和软件平台。硬件平台主要包括音频数据采集与处理模块、视频数 据采集与处理模块和以太网远程传输模块。软件平台主要包括语音和视频信号的 压缩处理程序以及基于t c p 口协议的网络传输程序的编写。 最后对以d m 6 4 2 为核心的各功能模块进行了测试和调试，平均传输速率达 8 2 m b i t s ，实现了音视频信号的远程传输，达到了性能要求。本系统具有可靠 性高、微功耗、环境适应能力强等优点，具有较广泛的应用前景。 关键词：护理床；d m 6 4 2 ；监控系统；音频视频； 以太网 a b s t r a c t t h e e x i s t i n gh o s p i t a lm o n i t o r i n gs y s t e m sm o s t l y a r e s e c o n d - g e n e r a t i o n s e m i a n a l o gs e m i d i g i t a lv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m s t h e r ea r em a n yd e f i c i e n c i e si n t h ea p p l i c a t i o n t h es y s t e m sa r eo n l yd e s i g n e df o rs m a l lr e g i o na n dt h ee x p e n d a b i l i t y a n du p g r a d a b i l i t ya r el i m i t e d w i t ht h er a p i ds o c i o - e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n d i m p r o v i n gp e o p l e sl i v e s ，p e o p l eh a v es o c i a lh e a l t hc a r es y s t e mp u tf o r w a r dh i g h e r r e q u i r e m e n t s t h eh o s p i t a lm e d i c a ln u r s i n gm o n i t o r i n gs y s t e mm u s th a v eg o o d s t a b i l i t ya n dc a nw a r dc a r ei np a t i e n t sw i t hr e a l t i m ep r o c e s sm o n i t o r i n gf u n c t i o n s ，i n o r d e rt oa c h i e v et h ew a r d si nas c i e n t i f i ca n dh u m a n i s t i cm a n a g e m e n t t h ek i n do f m e d i c a ln u r s i n gb e dd i g i t i z a t i o n ，n e t w o r k - b a s e dr e a l - t i m em o n i t o r i n gs y s t e mw a s d e v e l o p e d t h ep a p e rp r e s e n t e da ne m b e d d e dv i d e or e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n t m s 3 2 0 d m 6 4 2 u s i n gd m 6 4 2a st h ed a t ap r o c e s s i n gc o r e t h er e m o t em o n i t o r i n g s y s t e m i sc o m p o s e do fa u d i o v i d e oa c q u i s i t i o nm o d u l e ，a u d i o v i d e o p r o c e s s i n g m o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e m o d u l a rd e s i g na n do v e r a l ld e v e l o p m e n to f p r o g r a m m i n gm e t h o d sw e r eu s e dt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fs y s t e md e v e l o p m e n t i t p r o v i d e dt h eg e n e r a l c o n n e c t i o nf o rt h es u c c e s s o rd e v e l o p m e n ta n dh a dg o o d f l e x i b i l i t ya n de x t e n d i b i l i t y t h em a i nt a s ko ft h i sp a p e rw a st ob u i l de m b e d d e d a u d i o v i d e od m 6 4 2 b a s e dr e m o t em o n i t o t i n gs y s t e m sh a r d w a r ep l a t f c i r i l la n d s o f t w a r ep l a t f 0 1 i 1 h a r d w a r ep l a t f 0 1 1 1i n c l u d e dt h ea u d i od a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gm o d u l e ，v i d e od a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gm o d u l ea n de t h e m e t r e m o t et r a n s m i s s i o nm o d u l e s o f t w a r ep l a t f o r mi n c l u d e da u d i oa n dv i d e os i g n a l p r o c e s s i n ga n dc o m p r e s s i o n b a s e do nt c p i pp r o t o c o lp r o c e d u r e sf o rt h ep r e p a r a t i o n o fn e t w o r kt r a n s m i s s i o n f i n a l l y , t h ec o r ef u n c t i o nm o d u l e so ft h es y s t e mh a db e e nc a r r i e do nt h et e s ta n d t h ed e b u g t h ea v e r a g et r a n s f e rr a t er e a c h e d8 2 m b i t s i tr e a c h e dt h ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t s ，b a s i c a l l yr e a l i z e d t h ea u d i o v i d e ol o n g - d i s t a n c et r a n s m i s s i o n t h e s y s t e mi sh i g hr e l i a b l e ，l o wp o w e r , a n dh a sh i g ha c c l i m a t i z a t i o np e r f o r m a n c e t h e s y s t e mh a saw i d e l ya p p l i c a t i o nf u t u r e k e yw o r d s ：n u r s i n gb e d ，d m 6 4 2 ，m o n i t o r i n gs y s t e m ，a u d i o v i d e o ，e t h e r n e t 日录 目录 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 监控系统的发展2 1 2 2 国内外研究现状3 1 3 课题的研究内容和论文结构4 1 3 1 课题的来源及研究内容4 1 3 2 本论文的结构4 第二章系统总体方案设计7 2 1 系统功能分析和设计指标7 2 2 主处理器的选择一8 2 3 系统总体硬件结构1 0 2 4 系统总体软件设计1 1 第三章医用护理床的音视频实时监控系统的硬件设计1 3 3 1d m 6 4 2 存储空间的设计分配。1 3 3 2 外部存储电路设计15 3 2 1d m 6 4 2 的外部存储器接口15 3 2 2d m 6 4 2 与s d r a m 接口设计1 6 3 2 3d m 6 4 2 与f l a s h 接口设计18 3 3 音频接口电路设计2 0 3 3 1d m 6 4 2 d 音频接口简介2 0 3 3 2 音频接口电路设计2 0 3 4 视频接口电路设计2 3 3 4 1d m 6 4 2 视频接口简介2 3 3 4 2 视频接口电路设计2 4 3 5f p g a 及其外围电路设计2 6 3 6 网络接口电路设计2 7 3 6 1d m 6 4 2 的网络接口简介2 8 3 6 2 网络接口电路设计2 9 目录 3 7 其它外围电路设计3 0 3 7 1 电源电路设计3 0 3 7 2 复位电路设计3 l 3 7 3 时钟电路设计3 2 3 7 4j t a g 接口电路设计3 3 3 8 本章小结3 4 第四章医用护理床的音视频实时监控系统软件设计3 5 4 1d s p 软件配置3 5 4 1 1c c s 集成开发环境3 5 4 1 2c m d 文件配置与中断向量表3 7 4 1 3d s p b i o s 实时操作内核3 9 4 2 音频程序的设计4 1 4 2 1g 7 2 9 算法原理4 l 4 2 2 语音处理模块程序设计4 3 4 3 视频程序的设计4 7 4 3 1h 2 6 4 算法原理。4 7 4 3 2 图像处理模块程序设计5 0 4 4 网络传输程序设计5 3 4 4 1 网络传输协议t c p i p 5 3 4 4 2 网络传输程序设计5 6 4 5 远程端上位机程序设计6 0 4 6 本章小结6 2 第五章系统的测试与调试6 3 5 1 测试方案6 3 5 1 1 系统测试方案6 3 5 1 2 复用引脚配置6 5 5 2 硬件测试6 5 5 2 1f l a s h 存储器测试6 5 5 2 2s d r a m 测试6 7 5 3 系统软件调试6 9 第六章总结与展望7 3 6 1 论文主要工作总结7 3 6 2 工作展望7 4 u 参考 在学 附 附 附 附 附 附 致 i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 随着我国经济的持续快速发展，人们生活水平得到不断提高，我国的医疗卫 生行业也取得了很大的进步。人口老龄化是世界性的社会问题，也是我国现在和 将来必须面对的问题。据报道，我国6 0 岁及其以上老年人口已达1 3 2 亿，占全 国总人口的1 0 ，并以年均3 3 2 的速度持续增长【l 】。人口老龄化使得老年人容 易患上慢性疾病，主要的问题就是老年人自我照料能力较差，这样就对医院和家庭 有很大的依赖性，同时对医院和家庭的医疗和护理设备条件有了更高的要求。用 什么方式来很好地解决老年人的医院护理以及家庭生活照料问题是人口老龄化 国家所面临的共同问题。 与此同时，自人类出现以来疾病的折磨一直是困扰人们的问题之一，如何预 防和减少疾病的发生以及如何治疗和护理病人，也是人们千百年来努力的方向。 现在，由于环境的恶化和交通飞速发展导致人们患病和交通事故的因素大大增 加，这些病人主要由医院护理，护理费用较高，占用了大量的人力和物力资源1 2 】。 尤其是一些传染病，特别是近几年来一些传染性较强，传播范围较广，易感人群 较多，对人们生产生活影响较大的传染性疾病如：非典型性肺炎，禽流感，猪流 感，h 1 n i 型流感等，更是增加了看护的难度，也对医院的医疗设备和护理条件 提出来更高的要求。 本课题组已完成护理床控制部分的工作。通过软件和硬件电路设计实现了病 人通过遥控器对床体各种体位位姿进行控制，使各部分床体能按照病人的要求 运动和间歇一定的时间，并在病人舒适的角度范围内运动，实现了护理床的自动 化【3 】。本课题在已完成的护理床控制功能的基础上，针对系统功能的不足和现实 的需要，增加对护理床的监控功能。 现阶段，医院的综合护理系统存在着设备价格高昂，功能单一，性能较羞等 缺陷【4 】。其中，医疗监控系统是应该改进的主要部分。现在多数医院监控系统是 使用闭路电视式的模拟监控系统，大部分监控系统都使用同轴电缆进行传输，每 个视频采集终端均向显示终端敷设同轴电缆，这样不仅成本高，而且布线复杂。 在使用中存在许多缺陷，适合小范围的区域豁控、系统的可扩展，可更新能力差、 系统监控点间的协作能力较差1 5 】。 随着网络技术、通信技术、图像处理技术和电子技术的快速发展，通过计 天津工业大学硕士学位论文 算机网络传输视频图像的技术已经到了实用阶段，完全可以代替先前的模拟视 频技术，从根本上克服模拟监控系统存在的缺限，而且可以方便的与电子设备配 合以满足病人的特殊护理要求【6 】。另外，计算机网络己经广泛应用于医院的各项 管理和业务活动，且数字化医疗器械也开始应用于医疗护理领域，这也为实现数 字化、网络化、多功能的监控系统提供了条件。由此可知，数字化的新型监控系 统不仅要完全具备原有模拟系统的功能，具有良好的运行稳定性和能对监护的病 房患者实时全程监控的功能，而且能无缝接入现有的计算机网络，能够利用网络 完成各监控点间的协调工作实现病房的科学化和人性化管理。 为满足目前日益提高的护理要求，本课题开发了医用护理床的音视频实时 监控系统。该系统是数字化、网络化的监控系统，它通过医院内部的局域网传输 数字图像以实现对多个病房的实时监控。该系统具有实时性高、监控画面清晰、 价格低、功能多、升级简单等许多优点，提供了病人自主康复的途径，减轻了家 庭和医院的负担，值得推广和应用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 监控系统的发展 护理床的发展经历了一个由机械式向电动化、自动化、智能化发展的过程。 医用护理床的远程监控是监控系统的在实际应用中新的领域。监控系统的发展大 致经历了模拟监控系统、半模拟半数字视频监控系统和网络监控管理系统三个阶 段。 第一阶段：本世纪以前。该阶段的监控设备主要是模拟设备，包括摄像机和 录像机，我们称之为第一代模拟监控系统。这一阶段的特点是监控系统中基本不 使用视频监控软件。 第二阶段：2 0 0 0 年到2 0 0 4 年。随着计算机的数据处理能力的不断提高和视 频数据处理技术的飞速发展，人们可以利用计算机的高速数据处理能力进行视频 数据的采集和压缩，这样就很大程度的提高了图像质量。因为传输还是采用传统 的同轴电缆，所以第二代监控系统我们称之为半模拟半数字视频监控系统：这一 阶段的主要特点是使用的监控软件基本上都是为p c 机d v r 软件和局域网范围 内的视频监控。 第三阶段：2 0 0 4 年到现在。随着网络宽带技术的飞速发展和逐步成熟，各 种数据储存设备容量的增加和成本的降低，以及现在各式各样的视频和音频数据 处理技术的发展，监控系统进入了数字化，网络化，多媒体化时代。冈为它从各 种摄像机和服务器下来后直接进入了局域网和互联网，数字化视频数据的采集， 第一章绪论 压缩、编码等数据处理方式，强大的软件平台来实施管理，我们可以称第三代监 控系统为网络监控管理系统。这一阶段监控系统的主要特点是：( 1 ) 软件平台在 该阶段是必需的，是监控系统的核心。( 2 ) 互联网的广泛应用使监控范围大大拓 展。( 3 ) 从以前的单一视频监控到后来的音频加视频的多媒体化监控使得监控的 信息更加丰富。( 4 ) 要处理的信息量较以前大大增加，对核心处理器的处理能力 提出了更高的要求。 需要说明的是以上的分类并不是单一的，固定不变的，可能因为分类标准的 不同而有不同的划分，但那些基本的核一i i , 的技术特点是相同的。 1 2 2 国内外研究现状 目前我国多数医院已有监控系统，但这些医院中大多使用的依然是第二代的 半模拟半数字视频监控系统，甚至是第一代全模拟监控系统，这些监控系统在实 际的使用过程中出现了很多的不足和缺陷，不能很好的适应和满足现代社会人们 的要求。这些不足和缺陷主要表现在以下几个方面：( 1 ) 监控的内容一般仅限于 视频信息，信息量较少。( 2 ) 监控一般是单向的，不能实现病人和医护人员双向 的及时交流。病人没有主动权，不利于病人的及时康复，同时也给医护人员带来 了很多不便。( 3 ) 监控的范围较小。第一代，第二代的监控系统由于还没有大规 模的应用互联网技术，使得监控的范围仅仅局限于一个局域网，甚至是同轴电缆 的铺设范围，这也给监控带来了不便。( 4 ) 系统的可扩展性较差。现在医院已有 的监控系统，如果要增加新的监控点是比较麻烦的，常常需要对已有的系统作全 面的改动，有时甚至要废除已有的系统，这样就给系统的扩展和更新带来很多的 困难，同时也造成了资源的浪费，增加了建设的成本。 随着社会和经济的不断发展，科学技术的飞速进步，特别是网络通信技术和 计算机数据处理技术快速发展，为实现数字化、网络化、多媒体化的监控系统提 供了条件【6 】。计算机网络传输视频图像的技术已经到了实用阶段，完全可以代替 先前的模拟视频技术，从根本上克服模拟系统存在的缺限，可以方便的与电子设 备配合以满足病人的特殊护理要求。 以太网构成的互联网应用已十分普遍，如果将模拟视频信号数字化后，进行 编码压缩，就可以通过已有的局域网和冈特网进行传输再在显示终端解码分析即 可利用。然而在因特网上传输视频数据存在很多困难，原因在于视频具有数据量 大、时延敏感性强、持续时间长等特点【7 】。在这些领域国外特别足欧关的一些国 家技术比较先进，对监控系统的研究起步也较早，这些年取得了很大的进步，如： 已经在2 0 0 0 年2 月丌始运行的：山美圈退伍军人管理局资助的农村家庭远程监 护系统，该系统的目的是为患有慢性疾病或有残疾的退伍军人提供基于家庭的远 天津丁业大学硕士学位论文 程健康服务，降低他们的住院率和临床治疗费用，它的服务范围已覆盖了南乔治 亚州1 9 个县和北佛罗罩达州的3 7 个县【8 】；西门子公司的s c 6 0 0 2 x l 便携式床旁 监护仪，可监测心电图、呼吸、体温、脉搏等参数，并带有标准化的网络接口； 美国m d e 公司的l 洲d e - 一2 0 4 1 3 m 型m d e 彩色床边监护仪；美国通用电器公 司设计的d a s h2 0 0 0p r o 和d a s h3 0 0 0p r o 便携式生理监护仪、a p e x p r o t m 遥测 系统一j 。国内从事这一领域产品开发的公司和企业有：北京百科博监控设备公司， 深圳中联通电子有限公司，成都同方电子有限公司等这些国内新兴的高科技公 司，陆续推出了一些面对不同客户的远程监控系统，相关产品的出现，大大丰富 了我国在这一领域的技术设备，但有针对性的应用于医院护理床方面的远程监控 系统还没有成熟和广泛应用。 1 3 课题的研究内容和论文结构 1 3 1 课题的来源及研究内容 本课题是课题组横向项目“多功能保健床计算机控制系统设计”项目的后继 开发项目。 本课题主要是为了实现对医用护理床的音视频远程实时监控。音视频远程 实时监控系统是一个结构复杂、功能繁多的系统。不仅要具有模拟语音处理的能 力和语音信号编码能力，模拟视频处理的能力和视频信号编码能力，同时还要具 有i p 网络数据包的收发转换和处理能力。本文研究的基于d m 6 4 2 的音视频远 程实时监控系统实现的主要音视频远程监控是基本功能，包括音频信号的编解 码处理、视频信号的编解码处理和网络数据包的收发和处理。具体内容如下： ( 1 ) 系统总体设计方案； ( 2 ) 硬件设计及整体硬件平台的建立； ( 3 ) g 7 2 9 音频编码算法和h 2 6 4 视频编码算法的研究； ( 4 ) d s p 1 3 i o s 嵌入式操作系统和t c p i p 协议的研究； ( 5 ) 系统的软件设计，实现系统集成和t c p i p 协议的嵌入； ( 6 ) 系统实验运行。 1 3 2 本论文的结构 本论文共有七章组成： 第一章：绪论。介绍了本课题研究的背景和意义，医疗护理床监控系统的国 内外研究现状，课题的来源以及课题研究的主要内容。 4 第一章绪论 第二章：系统总体方案设计。分析了系统的工作原理，提出了系统设计的工 作原则。在符合设计要求的情况下，选择合适的主处理芯片和其他元器件。给出 了系统的总体硬件设计和软件设计。 第三章：医用护理床的音视频实时监控系统的硬件设计。首先基于设计要 求对d m 6 4 2 的存储空间进行了划分。然后给出了各个模块的具体电路设计，包 括存储器模块电路设计，音视频接口电路设计，f p g a 及其外围电路设计，网络 接口电路设计以及其他外围电路设计。 第四章：医用护理床的音视频实时监控系统系统软件设计。首先对d s p 软件进行了配置，接着给出了音频程序设计，视频程序设计以及网络传输程序设 计的流程。 第五章：系统的测试与调试。提出了具体的系统测试与调试的方案，给出了 系统的硬件测试和软件测试的具体过程和测试结果。 第六章：总结与展望。对论文的工作进行了总结，提出了系统进一步改进的 方向。 最后附录了硬件设计部分主要功能模块的原理图和软件设计部分的音频数 据的采集与处理、视频数据的采集与处理、音视频数据远程传输的发送与接收 的核心源代码。 基于本论文的研究内容，在半导体光子学与技术( 国家a 类期刊) 和仪器 仪表用户等学术期刊上发表了两篇学术论文。 棼- 天津1 ：业人学硕士学位论文 6 第二章系统总体方案设计 第二章系统总体方案设计 本课题的主要任务是要实现对医用护理床的远程实时监控。系统的总体设计 主要包括两大部分：以d m 6 4 2 为主处理器的硬件设计部分和基于c c s 环境的软 件程序设计部分。本部分首先分析了系统的工作原理，提出了设计原则和总体设 计方案，确定了系统的整体硬件设计方案和硬件框图，并给出了具体的信号流程 和系统整体的软件流程图。 2 1 系统功能分析和设计指标 监控系统可以将一些重要的或者敏感的位置情况实时的传送到监控室，还可 以将监控信息经过压缩处理后储存或者借助互联网传输到远程的目的地，在实际 的应用中有着重要的意义。传统的监控系统一般采用铺设同轴电缆的闭路电视模 式，从摄像机中获得视频信息，将视频数据压缩后进行硬盘存储和其他处理，这 种监控系统已经广泛的应用在公路交通、娱乐场所、公共广场、银行、超市等场 合。这种基于模拟技术而构建起来的模拟、半模拟监控系统在使用过程中受外界 因素的影响较大，系统的稳定性较差。 随着数字技术的飞速发展，监控系统也进入了第三代全数字监控系统。 这种监控系统具有智能化、网络化、多媒体化等特点，在很大程度上克服了传统 的模拟、半模拟监控系统的不足，具有很好的可靠性、稳定性、系统可扩展性、 数据可操作性以及很好的抗干扰能力。本课题就是要建立第三代的全数字监控系 统，以解决对医用护理床的远程实时监控问题。 本文设计的嵌入式远程音视频监测系统的基本功能为：接收由麦克风和 c c d 相机采集的模拟音视频信号，经数字化处理后通过因特网远程传输后在终 端恢复并在p c 上显示采集的音视频信号。系统要实现的功能主要有：音频监控、 视频监控和远程传输。 目前医院大都在住院部的每层都设有护士站，如果发现问题可以在一定的时 间内到达病房处理，因此医院的监控面面并不需要特别的清晰，7 2 x 5 7 6 像素的 分辨率完全可以满足需求，过高的分辨率不仅会造成通信自由的浪费还会影响到 信息传输的实时性。根据图像的分辨率、每秒传输图像帧数、每帧图像的压缩比 以及监控范围可以得到实时通信占用的信道资源即传输速率约为6 2m b i t s ，考虑 到系统的扩展平均通信传输速率8 m b i t s 较为合适。 大津+ r 业人学硕士学位论文 系统的主要性能指标包括： ( 1 ) 图像分辨率：7 2 0 像x 5 7 6 像素 ( 2 ) 平均每帧图像压缩比：1 5 8 ：1 ( 3 ) 平均通信传输速率：8 m b i t s ( 4 ) 最小可监控范围：3 0 个监控点 2 2 主处理器的选择 由上面的功能分析可知，该监控系统要实现的功能很多而且复杂。既要能实 现对音频信号的采集，也要实现对视频信号的采集；既要能实现对音频信号压缩、 编码、解码，又要实现对视频信号压缩、编码、解码，还要实现对音视频信号 的远程传输。众所周知，音视频信号含有的信息较为丰富，特别是在处理过程 中还会产生大量的临时数据，需要占用较大的空间，这就要求系统的主处理器有 很强的数据处理能力。d m 6 4 2 的功能十分强大，它是构成多媒体通信系统的最佳 平台之一。 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ( 以下简称d m 6 4 2 ) 是t i 公司2 0 0 3 年发布的专f - j 名- t - 对数字视 频和音频应用开发的一款3 2 位定点多媒体数字信号处理器。d m 6 4 2 属于c 6 0 0 0 系 列的d s p ，它保留了c 6 4 x 原有的内核结构。d m 6 4 2 的工作频率可由内部倍频器 来设置，可以达到5 0 0 m h z 、6 0 0 m h z 、7 0 0 m h z ，相应的时钟周期分别为2 n s 、 1 6 7 n s 、和1 3 9 n s ，每秒可执行指令数分别达到4 0 0 0 m i p s 、4 8 0 0 m i p s 、5 7 6 0m i p s 。 d m 6 4 2 有操作灵活的高速处理器和用数字表达容量的阵列处理器。c 6 4 x d s p 核有 6 4 个3 2 位字长的通用寄存器+ n 8 个独立的功能单元两个结果为3 2 位的乘法器 和6 个a l u s _ 是v e l o c i t l l 2 的升级版。v e l o c i t l l 2 升级版在8 个功能单元罩包括 新的指令，可以在视频和图像应用方面提高性能，并能对v e l o c i t i 结构进行扩充。 d m 6 4 2 每周期能够提供4 个1 6 位m a c s ，每秒可提供2 8 8 0 百万个m a c s ，或者8 个8 位m a c s ，每秒5 7 6 0 m m a c s 。d m 6 4 2 具有特殊应用的硬件结构，片上存储器和 与其它的c 6 0 0 0 系歹i j d s p 平台相似的额外的片上外围设备。 之d m 6 4 2 使用两级缓存，有+ 一个强大的多变的外围设置。一级程序缓存l i p 是 一个1 2 8 k b i t 的直接映射缓存，另一级数据缓存l 1 d 是一个1 2 8 k b i t 双路结合设置 缓存。l 2 存储器能被配置成映射存储器，高速缓存或者两者结合。外围设置包括： 3 个可配置的视频端口；1 个1 0 1 0 0 m b s 的以太网控制器( e m a c ) ；1 个管理数 据输入输出( m d i o ) ；1 个内插v c x o 控制接口；1 个m c a s p 0 ；1 个1 2 c 总线； 个m c b s p s ；3 个3 2 位通用定时器；1 个用户配置的1 6 位或3 2 位主机接 ( h p l l 6 h p l 3 2 ) ；1 个p c i ；1 个1 6 引脚的通用输入输出口( g p o ) ，具有可编程 第二章系统总体方案设计 断事件产生模式；1 个6 4 位i m i f a ，可以与同步和异步存储器和外围设备相连。 d m 6 4 2 具有3 个可配置视频端口( v p 0 ，v p l ，v p 2 ) 。这些视频端口给公共视频 编解码设备提供了直接接口。d m 6 4 2 视频端口支持多种解决方法和视频标准( 例 如，c c i r 6 0 1 ，i t u b t 6 5 6 ，b t 11 2 0 ，s m p t e l 2 5 m ，2 6 0 m ，2 7 4 m ，2 9 6 m ) 。 这三个视频端口是可配置的，并能提供视频捕获和或视频显示模式。每个视频 端口由两个通道组成a 和b ，这两个通道具有一个可分离的5 1 2 0 字节捕获显 示缓存。 d m 6 4 2 芯片集成了各种片内外设，使得丌发视频和图像领域的应用更为方 便。利用d m 6 4 2 开发视频编码器，其视频输入部分只需要一块视频采集芯片即可， 无需外加逻辑控制电路矛n f i f o 缓存，使硬件系统更为简单和稳定。 通过以上的分析我们可以得出结论：d m 6 4 2 具有很强的数据处理能力，可以 对采集得到的音视频信号进行数字化处理，完全可以满足本课题的设计要求。 而且，d m 6 4 2 有着丰富的片内外设，可以有效减少外围电路的构建，从而提高了 设计的效率。因此本课题设计的监控系统选用d m 6 4 2 为主处理芯片。 根据功能要求和选定的主处理器，可以得到该监控系统的总体设计方案如下 。 图2 1 所示。 塌一 q = 卜t d ,d 2 一， 一 护理床 圈一d m 6 4 2 馨三二一 图2 一l 监控系统总体设计方案 网关 在本设计方案中麦克风和c c d 卡 - 机负责音频和视频的原始信号采集。 d m 6 4 2 负责将采集过来的模拟信号进行采样，编码，解码等数字化处理以及压缩， 打包等。d m 6 4 2 处理器带有1 0 1 0 0 me m a c 网络接口，借助该网络接口可以把采 集到的音视频数据发送到监控室或是通过因特网传输到远程的监控终端。l c d 、 p c 机等蛉控终端设备将接受到信息湿示出来。 9 天津t 业大学硕+ 学位论文 2 3 系统总体硬件结构 根据功能要求，可以将该音视频远程监测系统分为以下几个部分进行模块化 设计：音频接口模块，视频接口模块，网络接口模块，o s d f p g a 模块，e m i f 模块( 包括f i a s h 模块矛i s d r a m 模块) ，电源模块，时钟模块和复位模块。其中 关键的是音频接口模块，视频接口模块，网络接口模块的设计，系统的硬件总体 结构如图2 2 所示。 立体声输 f ；广一 叫t l v 3 2 0 麦克口体声输刈a i c 2 3 c c d c c d s d r a mis d r a m2 m c a s p v p 0 v p i u a r t 二1m a x 3 2 4 3 c 一】r s 2 3 2 图2 2 系统硬什总体结构框图 ! 竺：竺同竺 司 音频模块的主要功能是对外界的原始音频信息的采集，对采集到的模拟信号 进行采样、量化、编码等数字化处理和与d m 6 4 2 之问的数据传输，将接收到的数 字信号转化为可输出的模拟信号。概括来晚就是通过编解码芯片的d 和d a 进 行模拟音频信号和数字音频信号之间的转换。 视频模块的主要功能是采集外界的原始视频信息，对采集到的模拟视频信 号进行采样、量化、编码等数字化处理和与d m 6 4 2 之问的数据传输，将接收到的 数字信号转化为可输出的模拟信号。概括来说就足通过编码芯片和解码j 占片的 a d 和d a 进行模拟视频信号和数字视频信号之f h j 的转换。 网络接口的主要用于和外部的网络期i 刊的连接，它的主要功能是将采集来 数字化处理后的音视频信号按照协议的要求压缩打包，控制网络芯片曼d m 6 4 2 之问的数据包交换，以实现通过冈特网远程传输的目的。 o s df p g a 模块的主要功能是对系统内的大部分控制信号进行管理，包括 j t a g 信号、系统测试信号、d m 6 4 2 的使能、中断和读写控制信号、音频接口模 块和视频接口模块的同步控制信号、u a r t 模块输 ；控制信号等，还预斟了部分 引脚用于系统功能的扩展。 l o 第二章系统总f 木方案改汁 e m i f 模块包括外部f l a s h 模块和s d r a m 模块。f l a s h 模块主要是存储外 部程序，考虑n ； i - 部程序的大小，我们采取用f p g a 控制对f l a s h 的分页来实现。 s d r a m 模块主要功能是暂时存储一些中间数据 电源模块，时钟模块和复位模块是每个系统必需的组成部分。系统中的外 部输入电源是5 v 的直流电压，利用电源管理芯片进行电压变换得到系统所需的 各种电压，。时钟模块主要是给各功能模块提供不同的时钟信号，这里可以用不 同的时钟源，也可以在f p g a 内部通过分频来实现。复位模块主要给系统提供复 位信号，包括硬件复位和软件复位。 最后，为了以后系统扩展和升级的方便，本设计方案还留有较多的扩展接 口如：h p i 接口、通用i o 接口等。串行通信接口主要是为了以后的测试和调试时 与p c 机之间的通信。 2 4 系统总体软件设计 课题组设计的医用护理床系统的软件部分主要包括三个部分：单片机控制系 统、d m 6 4 2 监控系统和上位机系统。单片机控制系统包括护理床控制部分程序 和遥控器部分程序。d m 6 4 2 监控系统主要包括底层硬件配置、音频采集处理子 程序、视频采集处理子程序和网络传输子程序。上位机部分主要包括护理床的控 制信息和音视频信息。 课题组已设计完成护理床的控制部分。由于时间和水平有限本论文仅就 d m 6 4 2 监控终端部分的软件做详细设计，上位机部分的具体设计可以作为本课 题的后续工作。 本课题设计的基于d m 6 4 2 的医用护理床的远程实时监控系统的信号流程如 下：麦克风和c c d 相机采集模拟音视频信号，经过音频解码器和视频解码器，解 码成数字信号码流送到d m 6 4 2 的音视频接口，然后再由音视频处理模块对数字 音视频信号进行处理，最后将处理后的音频信号经麦克风输出，视频信号经f p g a 进行o s d 数据叠加后产生新的码流送编码芯片形成y u v 或r g b 在终端l c d 或p c 机上输出。根据信号流程图可以得到d m 6 4 2 监控终端的软件流程如图2 3 所示。 第_ 二章系统总体办案设汁 图2 3 监控终端的软件流程图 1 2 第三章医用护理床的啬视频实时脏挣系统的坝件设汁 第三章医用护理床的音视频实时监控系统的硬件设计 为了提高系统丌发的效率，将整个监控系统分成不同的功能模块，实行模 块化设计。根据医用护理床的音视频实时监控系统的需求和功能分析，可以将 硬件系统分为以下几个部分进行分步开发：音频接口模块，视频接口模块，网 络接口模块，o s df p g a 模块，e m i f 模块，电源模块，时钟模块和复位模块， 其中关键的是音频接口模块，视频接口模块，网络接口模块的设计。 3 1d m 6 4 2 存储空间的设计分配 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的片上存储空间分为两个部分l 1 存储空间和l 2 存储空 间。l 1 存储区又分为程序存储区和数据存储区，程序存储区和数据存储区的容 量为1 2 8 k ，l 2 存储空间为单一的r a m 空间，其容量为2 5 6 k ，l 2 存储区管理 外部的数据存储器和程序存储器。 l 1 存储区包括1 6 k b 的高速程序缓存( l i p ) 和1 6 k b 的高速数据缓存 ( l 1 d ) ，l i p 和l i d 采用段和行的单元结合结构，地址和数据的存取包括段 索引、字节偏移量和数据操作3 部分。d m 6 4 2 的l 1 p 为1 6 k ，分为5 1 2 个段， 其中行宽为3 2 b ，一个3 2 位的程序地址被划分为3 个部分共同定义数据库在 l 1 p 中的物理地址，其中b i t 仁b i t o 表示行中的字节偏移量，b i t l 3 - - b i t 5 为段 的编号，b i t 3 l b i t l 4 表示当前行上的实际数据。d m 6 4 2 的l 1 d 被划分成1 2 8 个段，行宽6 4 b ，共1 6 k b 高速数据缓存，来自c p u 的物理地址被划分为4 个 字段，b i t l b i t 0 为字偏移量，b i t 5 - b i t 2 为数据，b i t l 2 - - b i t 6 为段索引号， b i t 3 l b i t l 3 为请求的地址。l i p ( 只读) 和l 1 d 是高速缓存，不可配置s r a m 。 l 2 的容量为2 5 6 k ，通过c c f g 寄存器可以把l 2 配置为大小不同的 c a c h e ( 高速数据缓存) 和s r a m ，包括5 种划分方法： ( 1 ) 当c c f g 寄存器中的l 2 m o d e 2 ：0 字段设置为0 0 0 时，2 5 6 k 的l 2 全部分配给了s r a