（电路与系统专业论文）摄像系统网络接口的研究与开发[电路与系统专业优秀论文].pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：硷：之磊日期：q 垒复垒里 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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 和借阅；本人授权山东大学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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 一蛹挪签哗掣 山东大学硕士学位论文 中文摘要 近年来，嵌入式设备直接上网逐渐成为一种趋势。可以预见，上网的各种嵌 入式设备的数量会不断的增加，甚至远远超过上网的计算机的数量。在这里，嵌 入式设备指的是信息家电和工业控制设备等。所谓信息家电。有三个最暖显的特 征，数字他、智能纯和家庭网络化。其中，家庭网络化指家电的信息通过网络传 送、实现倍息共享。对于工业控制设备来说，尖现和网络的连接，可以为实现现 场生产设备级的综合管理、调度监控，或者实现生产设备内部予系统之间的实时 通信，提供必要的通信平台。其它和生产生活密切相关的嵌入式设备，如移动电 话、掌上电脑、汽车电子、安防系统、无人售货机等也要求连接网络，以享有上 网带来的便利。 要实现嵌入式设备直接上网就必须用到网络接口。目前，实现网络接口有多 种方法，比如直接利用实现t c p i p 协议栈的芯片：或者利用各式各样的网络控制 芯片，比如r e a l t e k 公司的8 0 1 9 a s 、8 0 2 9 a s ，d a v i c o m 公司的d m 9 0 0 8 ，n s i 公司的d p 8 3 9 0 ，m x c 公司的m x 9 8 9 0 5 等，这些芯片实现m a c 层的功能，同时 在微控制器上运行t c p i p 协议栈软件。 传统的摄像系统采用同轴电缆传输视频信号，具有很强的封闭性，采集到的 视频信号不容易被摄像系统之外的设备共事。组建一个传统的摄像系统，不仅造 价较高，而且构造复杂。如果采用网络接1 ：3 技术，让摄像机直接上网，利用双绞 线传输视频信号，那么计算机就可以通过网络来访闯该视频信号，系统的开放性 就会大大改善。而且，这样的摄像系统组成简单，投资也会减少。 在传送实时视频信号时，摄像系统需要处理很大的数据量。随着视频压缩编 码技术的飞速发展，以及d s p 技术的不断进步，在摄像机端实现视频信息的实时 处理已经变成现实。视频信号首先经过s a a 7 1 1 3 h 的数字化处理。然后依照 m p e g 4 标准压缩编码，最后送到网络接口等待被传送到湖络上。 圈1 摄像系统网络接口示意框圈 山东大学硕士学位论文 i ii - - - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ 基予以上分析，本论文提出了一种摄像系统网络接口的设计。设计分为网络 接口和视频处理两大模块，如图1 所示。网络接口模块连接视频处理模块和以太 网。采用8 0 1 9 a s ( 以太网控制芯片) 实现m a c 层( 介质访问子层) 功能，并在 w 7 8 e 5 8 b ( 微控制器) 上实现协议软件。视频模块负责完成视频信号的模数转换 和压缩编码。采用s a a 7 1 1 3 h ( 视频输入处理芯片) 将来自c c d 的模拟视频信号 处理成符合c c i r 6 0 1 标准的数字视频信号，采用d s p 技术按照m p e g - - 4 标准， 对数字视频压缩编码，使视频信号满足在以太网上实时传输的条件。 同以太网上的计算机只要运行t c p i p 协议栈，就可以通过本系统连接到摄 像机。要查看当前的实时视频信号，还需要能够识别m p e g 4 压缩格式的视频解 码软件。 第章中，首先介绍了嵌入式设备上网和视频传输的现状，提出摄像系统网 络接口设计的构想，阐明了这一设计的目的和意义，详细讨论了这一设计的各个 部分。 第二章中，介绍了网络接口模块选用的以太网控制芯片8 0 1 9 a s ，给出了网络 接口的硬件框图借鉴嵌入式方法设计了网络接口模块的启动和初始化程序。接 着描述了i e e e s 0 2 3 标准以及以太网物理帧的格式。根据经典的t c m p 参考模型， 分析了简化的t c p i p 协议栈的设计。本章重点阐明8 0 1 9 a s 如何收发数据包。 第三章中，全面系统地描述了摄像系统网络接口的设计。首先介绍了摄像系 统的基础知识，c c d 摄像机的工作原理和视频数字化的国际标准c c i r - 6 0 1 。然后 选用s a a 7 1 1 3 h 将来自摄像机的模拟视频进行数字化。m p e g - 4 是一种重要的视 频压缩编码标准，采用t m s 3 2 0 v c 6 x 芯片来实现。被压缩的视频信息使用r t p 协 议处理，以便适应以太网上的实时传输。本章着重阐述d s p 实现压缩编码的硬件 框图、软件流程和r t p 协议的工作原理。 结束语中，总结了本论文中摄像系统网络接口实现的部分，展望了这设计 的应用前景。 关键词：简化协议栈；嵌入式设备：网络接口：视频处理：视频传输 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h ee m b e d d e dd e v i c et h a ti sn o tap a r t o ft h ec o m p u t e ri s r e q u i r e dt o h a v et h ea b i l i t yt oc o n t l | c c tt ot h en e t w o r kd i r e c t l y f o r t h e r m o r e ，t h es p r e a do f t h ei n t e m e tu s a g ep r e s s e dt h ed e m a n d o f t h e d e v e l o p m e n t o f n e t w o r k i n gi n t e r f a c e ，i nt h ef u t u r e ，t h en t m a b e ro f e l e c t r i c a ld e v i c ew i l lf a rm o r et h a n t h en u m b e ro f p c i a ( i n f o r m a t i o na p p l i a n c e s ) h a s t h r e e c h a r a c t e r s n u m e r i c ， i m e l l i g e n t i z e ，h o m en e t w o r k i n t e l l i g e n t i z e s t r e e si n t e r a c t i o na b i l i t y h o m en e t w o r k m e a n sr e a l i z et r a n s m i ta l ls i g n a l so fi ao v e rn e t w o r ki no r d e rt os h a r e 血e s ei n f o r m a t i o n t of a c t o r i e s i ti sn e c e s s a r yt ol i n ka l lm a c h i n ew i 也n e t w o r ki ft h e yw a n tt or e a l i z e m a n a g ei nm a c h i n el e v e lo rt or e a l i z er e a lt i m ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns u b s y s t e mo f m a c h i n e t h eo t h e re m b e d d e ds y s t e mw h i c hh a so s c u l a t i o nr e l a t i o nw i t ho u rl i r eo r p r o d u c ts u c ha sm o b i l e ，p d a ，c a r - e l e c t r i c ，s e c u r i t ys y s t e ma t m ，w i l lb el i n k t h e n e t w o r ki nd i r e c t l yo r i n d i r e c t l y , t o o r e c e n t l y , i th a sb e e ni n c r e a s i n gt h a to f t oc o n n e c ts i m p l i f i e de l e c t r i c d e v i c ei nt o i pn e t w o r ks u c ha si n t e r n e t s o i n t e r f a c ef o rn e t w o r ki sn e e d d e d n o w , t h e r ei s h a r d w a r ec a ni m p l e m e n tt c p i pd i r e c t l yi no r d e rt om a k ei te a s yt h a te m p o l d e rt h e n e t w o r ki n t e r f a c e t h e r ea r ek i n d so fn e t w o r kc o n t r o l c h i p ，s u c ha s8 0 1 9 a s ( i s a s t a n d a r d ) ，8 0 2 9 a s ( p c is t a n d a r d ) ，w h i c hp r o d u c tb yr e a l t e kl t d ；d m 9 0 0 8 ，w h i c h p r o d u c tb yd a v i c o m ；d p 8 3 9 0 w h i c hp r o d u c tb yn s i ；m x 9 8 9 0 5 。w h i c hp r o d u c tb y m x i c a l lt h e s ec h i p sm a k ei tc o n v e n i e n c ea n de a s l yo f e m p o l d e rt h e i ro w n n e t w o r k i n t e r f a c eb yr e s e a r c h e r n o t o n l yc o n t r o ls y s t e mi nf a c t o r y , b u ta l s oi n f o r m a t i o ne l e c t r i c a ld e v i c ei nd a i l y u s eo fo u rh o m e ，t h en e t w o r ki n t e r f a c ei su s e f u l m u g ht h en e t w o r ki n t e r f a c e ，a l l t h e s ed e v i c e sc a ns h a r et h el i n k 、i t hn e t w o r k i nw a t c hs y s t e m w eu s u a l l yu s ec o a x i a l l i n et oc a r r yt h ev i d e os i n g a lt ow a t c hh o s t t h i si st h eb l a i nr e a s o nm a k et h es y s t e m m o r ee x p e n s i v e b u ti ft h et e c h n i c a lo fn e t w o r ki n t e r f a c eb e e nu s e d ，a n dc o a x i a ll i n e b e e nr e p l a c e db yt w i s t e d - p a i r , c o s to fw a t c hs y s t e mw i l lb el o w e r a n yp cc a nv i s i t e t h e m e tc a ng e tv i d e of r e q u e n c yt h r o u g ht h es y s t e m p r o t o c o la b o u tv i d e of r e q u e n c y r e a lt i m et r a n s i m i th a sb e e nm a t u r a t i o n t oa d o p tn e t w o r ki n t e r f a c ec a np r e d i g e s tt h e s t r u c t u r eo fw a t c h s y s t e m s oi n v e s to f h a r d w a r ea n ds o f t w a r es h o u l db es a v e i no r d e r 山东大学硕士学位论文 t ot r a n s m i tv i d e of r e q u e n c yi nr e a l t i m e ，t h es y s t e mn e e dp r o c e s sl a r g ed a t at oa d a p t e t h e m e t h e r e a d o p t d s p t e c h n o l o g yt oe n c o d i n gt h ev i d e os i g n a l sa c c o r d i n gm p e g - 4 s t a n d a r d n l e nt h es i g n a l sh a db e e np a c k e di nr t p p r o t o c 0 1 w i t ht h et e c h n i c a lo f e n c o d i n ga n dc o m p r e s s i n go fv i d e os i g n a lm a k eo u t ，a n dt h et e c h n i c a lo fd s pm a k e p r o g r e s s ，i ti sr e a s o n a b l et op r o c e s s t h ev i d e os i g n a li no r d e rt ot r a n s m i to nt ol a n b a s e do na n a l y s ea b o v e ，t h ep a p e rd e s i g nas y s t e mo fn e t w o r ki n t e r f a c ef o rv e d i o s y s t e m t h es y s t e mc o n s i s t e do ft w om o d u l e s ，t h en e t w o r ki n t e r f a c em o d u l ea d o p t s 8 0 1 9 a st o s u p p o r t t h ef u n c t i o no fm a c t h e ne m b e d d e dt e c h n i c a li s u s e di n w 7 8 e 5 8 bt oi m p l e m e n tt h es i m p l i f i e dt c p i ps u i t e t h ev i d e os i n g a lm o d u l ea d o p t s s a a 7 1 1 3 ht og a t h e ra n dp r o c e s sv i d e os i g n a lf r o mc c d t h e p r i n c i p l ei sc c i r 6 0 1 t h e n ，a c c o r d i n gt o m p e g 4s t a n d a r d ，a d o p t i n gd s pt e c h n i c a l ，i t c o m p r e s s a n d e n c o d i n g v i d e o s i g n a li no r d e r t ot r a n s m i ti nt oe t h e m e tr e a l t i m e t h e s y s t e m i sb a s e do nt h et c p i p p r o t o c o l a n da l s ot h em p e g - 4v i d e o c o m p r e s s i o ns t a n d a r dw a sd e p l o y e dt om e e t t h ee t h e r n e tb a n d w i d t hr e q u i r e m e n t t l i s d e s i g n a l l o w st h e c o m p u t e rt h a t i sc o n n e c t e dt ot h es a m en e t w o r ka b l et or e c e i v e r e a l t i m ev i d e od a t a i ；赫菇： s i g n a l l g a t h e r & p r o c e s s ，n e t w o r k 。、i n t e r f a c e 7 。；榉、“- 卜1 i 一 f i9 1 d i a g r a m o fn e t w o r k jn t e r f a c e f o rv i d i c o i ls y s t e m t h i sp a p e rs t a r t sf r o mar e v i e wo ft h ee m b e d d e dn e t w o r k i n gd e v i c ed e s i g n s ，t h e n d i r e c t st oan o v e l d e s i g nf o r t h i st e c h n o l o g y i nt h ef o u o w i n gs e c t i o n ，t h eo u t l m eo ft h i s t h e s i si sl i s t e di nd e t a i l i n c h a p t e r2 ，t h en e t w o r ki n t e r f a c e m o d u l ea d o p t sh a r d w a r eo fw 7 9 e 5 8 ba n d 8 0 1 9 a s t h i sc h a p t e rp u to u tt h eh a r d w a r ed i a g r a mo f n e t w o r ki n t e r f a c e p r o g r a mo f s t a r t u p a n di n i t i a l i z a t i o ni s p u t o u tu s i n ge m b e d d e dw a yf o rr e f e r e n c e t h e n ，i t d e s c r i b e si e e e 9 0 2 3s t a n d a r da n di m p l e m e n to fm a c b y8 0 1 9 a s a c c o r d i n go f t h e c l a s s i c a la r c h i t e c t u r eo ft c p p l p , as i m p l i f i e dt c p i pp r o t o c o lw a sp r o p o s e df o rt h e e m b e d d e dd e v i c e s t h es i m p l i f i e dt c p i ph a sb e e ni m p l e m e n t e db yag r o u po f f u n c t i o n a l lt h e s ef u n c t i o nb u i l du dm a c l a y e r t h ef o c u so nt h i sc h a p t e ri so nt h e 6 山东大学硕士学位论文 i m p l e m e n t a t i o no ft h e r t l s 0 1 9 a st h a tm e e t st h ei e e e 8 0 2 3s t a n d a r d , a n dt h e w 7 8 e 5 8 bo f a s i m p l i f i e dp r o t o c o ls t a c k c h a p t e r3i n t r o d u c e dd e s i g no f n e t w o r ki n t e r f a c ef o rv i d i c o ns y s t e m f i r s t l y ，t h e i n t r o d u c f i o bo ft h eo v e r v i e wo ft h ev i d e os y s t e m c c dv i d e oc a ma n dt h ec c i r 6 0 1 s t a n d a r dw a sp r e s e n t e d c c i r - 6 0 1i si n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do fv i d e od i g i t a l i n h a r d w a r e ，i ta d o p t s 9 - b i t v i d e o i n p u t p r o c e s s o rs a a 7 1 1 3 h w a s p r o d u c t b y p h i l i p s t o p r o c e s sv i d e os i g n a lf r o mv i d i c o ns y s t e m m p e g - 4i so n ei m p o r t a n ts t a n d a r d o fv i d e o p r o c e s si ne n c o d i n ga n dc o m p r e s s h e r ea d o p td s pc h i pt m s 3 2 0 v c 5 4 xp r o d u c tb y t it os u p p o tm p e g - 4 i no r d e rt of i tt h ee t h e m e tb a n d w i d t h ，v i d e of r e q u e n c yn e e db e p a c kb yr t pp r o t o c 0 1 c h a p t e r 3e m p h a s i z ee x p a t i a t et h ei m p l e m e n to f m p e g - 4a n d t h eh a r d w a r ed i a g r a ma n ds o f t w a r ef l o wa n dt h et h e o r yo f i u pp r o t o c 0 1 k e y w o r d ：s i m p l i f i e d t c p i pp r o t o c o l ；e m b e d d e dd e v i c el i n k i n t o n e t w o r k ； t r a n s m i t t e dv i d e o s i g n a lt h r o u g hn e t w o r k ；n e t w o r ki n t e r f a c e ；v i d e o 丹e n q u e n c y t r a n s m i t t e dj nr e a l t i m e 符号说明 u l p ：s i m p l i f i e d t c p i p p r o t o c o ls u i t e ，简化的t c p i p 协议栈 e m i t ：e m b e d d e dm i c r o i n t e m e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ，嵌入式微互联网技术 c c d ：c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合器件 c b a ：c o n t e n t b a s e d a p p l i c a t i o n ，基于内容的应用 v o l ：v i d e oo b j e c tl a y e r ，视频对象层 7 山东大学硕士学位论文 _ - l i _ _ - _ - i i i i i i i i i iii _ i l _ _ - - l - _ - 第一章摄像系统网络接口的设计 随着计算机网络的不断发展，嵌入式设备上网的要求也日益突出，因此很有 必要研究网络接口。同时，摄像系统的更新换代，也出现了借助上网的方式，实 现视频的实时传输的想法。本章提出了实现摄像系统网络接口的设计构想，阐明 了这一设计的目的和意义，讨论了这一设计中的各个组成模块。 1 1 嵌入式设备上网 从美国的国防部高级研究计划局6 0 年代组织a r p a n e t 以来，计算机网络以 及分组交换的思想就得以快速成长。网络技术和信息家电、工业控制技术等的结 合也日益密切。为了使得设备具备上网的功能，出现了各种各样的技术，比如在 信息家电方面，大多数使用嵌入式系统的开发方式，在工业控制方面，大多数使 用设备服务器结合工业控制中的各种总线技术，让工业设备通过这台设备服务器 上网。在本论文中，借鉴嵌入式技术来实现摄像系统的上网。 网络给上网的电子设备提供资源共享的功能，而共享意味着节约开销，也意味 着开放性。对于信息家电而言，是从i p 电话到交互式娱乐功能等：对于工业设备 而言，则是节省投资，提供高可靠性以及便捷的网络设备配爱、故障分析、性能 管理等多方面的功能。 为了实现嵌入式设备上网，根掘具体应用的情况，大体分为三种方案。 第一种方案使用微控制器和协议栈芯片实现。硬件实现协议栈的芯片有 e 1 5 5 2 、w e b c h i pp s 2 0 0 0 等几种。此方案的主要优点是不必设计t c p f l p 协议栈 程序，只需解释执行芯片的指令和识别芯片的输入、输出数据就可以实现与网络 的连接。 第二种方案是e m i t ( e m b e d d e dm i c r oi n t e r n e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ) 技术。e m i t 采用计算机或高性能的嵌入式处理器作为网关( e m o a t e w a y ) 。网关支持t c p i p 协议栈，运行h t t p 服务程序，成为w e b 服务器；该服务器可以通过浏览器远程 访问。e m g a t e w a y 通过r s 2 3 2 、r s 4 9 5 、c a n 等轻量级总线与电子设备相联，每 个电子设备应用程序中包含一个独立的通信任务( e m m i e r o ) 监测嵌入式设备中预 先定义的各个变量，并将结果反馈到e m g a t e w a y 中；同时e m m i c r o 还可以解释 e m g a t e w a y 的命令，修改设备中的变量或进行某种控制。该方案中t c p i p 协议栈 通过e m g a t e w a y 在计算机上实现，控制器只处理简单的e m n e t 协议，进行网际连 接。 山东大学硕士学位论文 第三种方案是使用徽控帝4 器和以太网控制芯片( n i c ) 实现网络接口。根据具 体要求选用不同速度的微控制器作为核心芯片，如w 7 8 e 5 8 b 、a t 8 9 c 8 2 5 2 、 s x 5 2 b d l 0 0 等，来实现资议软件。这种实现方案的疆件结构基本相同选用的芯 片还有r a m 、r o m 和接口电路等：协议软件般使用简化的t c p i p 协议栈，并 且需要根掂微控制器约不同来定制。 1 2 视频传输 视频的采集方式有两种，一是利用视频采集卡；二楚利用摄像机鸯带的u s b 接口。第一种方式可以保证视频采集的实时性，但不能脱离计算机工作，应用领 域有局限性；第二种方式在视频传输实时往和视频播放质量上差强人意。 在视频传输方面，比如监控系统，一般由摄像机、视频矩阵、监视器、录像 机等组成，用视频电缆、控制电缆等连接。采用视频电缆传输模叛视频信号，传 输距离不能太远，主要应用于小范围的监控，如大楼内的监控等。监控图像一般 只能在控制中心查看。 随着d s p 技术的发展，在摄像机端对视频信息进行实时的采集处理、压缩编 码，已经可行。再结合网络接口技术，实现视频信息的网络传输，将大大增加视 频传输的距离改善摄像系统的开放性。这类产品也已经出现在市场上，比如m 网络摄像辊，它采用h 2 6 3 图像压缩协议和逶用的t c p , r i p 网络传输协议，在计算 机网络上传输视频信号。 1 3 摄像系统网络接口的设计 霉t -带有网络接口 ：i = _ j 的摄像机a 用户 毒e 一 用户b 图1 1 摄像系统网络按1 2 1 的应用 本设计目的在于将以太网技术应用到视频领域，研究摄像机端进行视频采集 处理的技术，研究宜接连接以太网所需要的网络接口。将计算机随络的开放性和 易扩展性在监控领域中体现出来。采用d s p 芯片在摄像机端完成视频采集压缩。 采用微控制器控制以太网控制芯片形成带有网络接口的摄像机( 见图1 1 ) ，向以 9 山东大学硕士学位论文 _ _ _ 一i l l l - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ - _ _ _ - - - - _ - - - - - _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - - - _ - _ - - _ _ - - _ _ 太网上的计算机传输高质量的实时视频信息。 摄像系统网络接口是由视频处理模块和网络接口模块两大部分组成的。视频 处理模块负责对视频信号的采集、压缩，先将模拟视频信号转变成u 格式的数 字视频信号，然后按照m p e g 4 标准进行视频压缩编码。网络接口模块将接收到 的压缩视频数据按r t p 协议打包，发送至以太网上请求视频的计算机。 摄像系统网络接口连接摄像机和局域网，使得局域网上的计算机能够共享摄 像系统的视频信息。这时，双方的对应关系如图2 2 所示。 摄像系统网络接1 3 局域网上的计算机 图2 2 摄像系统网络接口工作原理 在物理层上，计算机的以太网卡和r t l 8 0 1 9 a s 相对应。在网络层和传输层， 计算机运行t c p i p 协议栈，网络接口模块则是在微控制器上实现简化的协议栈软 件。在应用层，计算机上的视频解码软件和视频处理模块的m p e g 4 硬件编码器 相对应。 t c p i p 协议栈是网络接口中的关键部分，包括应用层，传输层，网络层和网 络接口层等。应用层一般包含所有的高层协议，例如虚拟终端协议、文件传输协 议、电子邮件协议、域名系统服务等等。在本系统中，应用层主要涉及到r t p 协 议。r t p 协议的作用是保证视频数据流传输的实时性。 传输层解决了端到端的可靠性传输( 丢失、乱序) 、流控和网络拥塞问题。传 输层定义了传输控制协议( t c p ) 和用户数据报协议( u d p ) 。本系统设计的传输 层主要是实现u d p 。实现u d p 协议是为了视频数据流传输的实时性n 网络层实现 基于无连接的分组交换网络，是整个t c p i p 协议栈体系结构的关键部分。网络层 山东大学硕士学位论文 定义了i p 协议，其功能就是把i p 分组发送到目的端。在本系统中，i p 协议和u d p 协议一起包含在简化的t c m p 协议栈之中，运行在w 7 8 e 5 8 b 上。 网络接口层，t c p f l p 协议没有真正描述这一部分，只是指出必须使用某种协 议与网络连接，以便能在其上传递i p 分组。这里采用i e e e 8 0 2 3 标准，使用 w 7 8 e s 8 b 控制r t l 8 0 1 9 a s 实现该标准中的m a c 层。 视频处理模块包括视频的采集和压缩编码以及视频的传输3 个部分。使用c c d 摄像机作为视频源，视频信息被送到9 位视频输入处理芯片s a a 7 1 1 3 h ，依照 c c i r 6 0 1 标准进行数字化处理。视频信息的压缩编码主要由1 m s 3 2 0 c 6 x 来实现， 编码是依据m p e g 一4 的标准进行的。d s p 按照网络接口提出的请求，把压缩编码 的视频信息进行实时传输。为了实时传送视频信息，需要使用r t p 协议。本系统 中，r t p 及其控制协议r t c p ，作为应用层来实现，运行在u d p 上层。 最终目标是实现小型化的摄像系统网络接口，输入是摄像机的视频信号，输 出是r j 4 5 口，连接到以太网；支持r t p , r 1 3 d p i p 协议；同一以太网上的计算机皆 可通过网络访问到该摄像机：并能用m p e g 4 解码器播放软件实时播放由摄像机 获取的视频。 山东大学硕士学位论文 _ l _ _ l - _ _ _ _ _ - _ l _ _ i i i i i - _ _ - _ _ _ - - l _ - - - 第二章网络接口模块 网络接口作为嵌入式设备和以太网的连接部分，可以使嵌入式设备享有网络 的开放性，也可以使网络获取嵌入式设备的信息。网络接口模块的设计是使用微 控制器w 7 8 e 5 8 b 控制以太网控制芯片r t l 8 0 1 9 a s 实现i e e e 8 0 2 3 标准，支持简 化的t c p i p 协议栈。 i e e e 8 0 2 将数据链路层分为逻辑链路控制( l l c ) 和介质访问控制( m a c ) 。 l l c 在i e e e 8 0 2 2 中予以规定，以太网的m a c 标准在i e e e 8 0 2 3 中予以规定。以 太网是基于总线型的广播式网络，也是当前应用最广泛的一种局域网。 无论是使用i e e e 8 0 2 3 标准( 以太网标准) 还是i e e e 8 0 2 5 ( 令牌环网标准) ， 都必须支持网络协议，才能最终实现网络互联。网络协议有很多种。其中，t c p i p 协议最具有代表性，也是最重要的网络协议。t c p ，i p 是一个协议族，它是a r p ， i p ，i c m p 1 g m p ，u d p ，t c p 等1 0 0 多个协议的集合。在微控制器上不可能，也 没有必要实现全部的协议。本论文根据具体的要求，提出了简化的t c p ，i p 协议栈。 2 1 物理层的设计 网络接口模块中，物理层的设计分为硬件设计、软件设计两个方面。硬件选 用r e a l t e k 公司的r t l 8 0 1 9 a s 全双工以太网控制芯片，实现m a c 层的功能。 软件方面包括微控制器的启动和初始化、r t l 8 0 1 9 a s 的初始化等。 网络接口模块工作的时候，请求信息从以太网来，通过r j 4 5 送到盯l 8 0 1 9 a s ， 处理后的数据包送入协议栈，由协议栈对数据解析，得到原始请求信息。根据请 求信息，产生相应的回复信息。回复信息到以太网的过程与上述过程正好相反。 2 1 1 以太网控制芯片8 0 1 9 a s 8 0 1 9 a s 是r e a l t e k 公司全双工以太网控制芯片，自带1 6 k b 的s r a m ，可 以通过i u 4 5 与以太网通信。8 0 1 9 a s 兼容l e e e 8 0 2 3 标准。适应8 位操作。它支 持全双工；有三种掉电模式：休眠、掉电时保持内部时钟运行、掉电时内部时钟 停止：支持1 6 位的i o 基地址操作和扩展的i o 地址全译码模式：支持4 个可以 编程输出的诊断灯引脚。8 0 1 9 a s 内部功能模块及其关系如图2 1 所示。 - 寄存器配置 8 0 1 9 a s 的输入输出地址共3 2 个，地址偏移量为0 0 h i f h 。0 0 h 0 f h 共1 6 个 地址是寄存器地址。1 0 h 1 7 h 共8 个地址是d m a 地址。1 8 h 1 f h 共8 个地址， 为复位端口。对于8 位的操作方式，上面的地址中只有1 8 个有用。其中，1 0 h 一1 7 h 山东大学硕士学位论文 共8 个地址作用相同，都可用做d m a 端口，这里选用i o h ；1 8 h 1 f h 共8 个地址 是复位地址，每个地址的功能相同，但只有1 8 h ，1 a h 。i c h ，1 e h 有效，这里选 用1 8 h 。 圈2 1 以太网控制芯片r t l8 0 1 9 a s 内部功能模块及其关系 r 0 1 9 a s 的寄存器共4 页( p a g e 0 - p a g e 3 ) 。n e 2 0 0 0 兼容的寄存器有3 页 ( p a g e 0 一p a g e 2 ) ，第4 页是8 0 1 9 a s 自己定义的。地址偏移量为0 0 h 的命令寄 存器是c r ( c o m m a n dr e g i s t e r ) ，大小是l b 。 命令寄存器的各个位如图2 2 所示。c r 寄存器的p s i 、p s 0 位用来选择寄存器页 p a g e 0 - p a g e 3 。r d 2 ，r d l r d 0 这3 个位代表要执行的功能。当 r d 2 r d l r d 0 = 0 0 1 时，表示要读8 0 1 9 a s 内存；当r d 2 r d l r d 0 = 0 1 0 时，表示 要写8 0 1 9 a s 内存：当r d 2 r d l r d 0 = 0 1 1 时，表示要发送8 0 1 9 a s 数据包：当 r d 2 r d l r d 0 = i ”时。表示完成或结束d m a 的读写操作。t x p 位写入1 时发送 数据包，发完自动清零。s t a 、s t p 位用来启动命令或停止命令。 p s t a r t 寄存器( p a g e 0 ，0 1 h i ) ，保存接收缓冲区的起始页的地址。p s t o p ( p a g e 0 ，0 2 h ) 保存接收缓冲区的结束页的地址。b n r y ( p a g e 0 ，0 3 h ) 指向 最后一个已经读取的页的地址。c u r r ( p a g e l ，0 7 h ) 记录当前接收结束页的地 自e 。 山东大学硕士学位论文 8 0 1 9 a s 的1 6 k b 的s r a m ，地址为0 x 4 0 0 0 h - 0 x 7 f f f h ，每2 5 6 b 为1 页，共 6 4 页。页的地址就是地址的高8 位，即0 x 4 0 h - 0 x 7 f h 。这1 6 k b 的s r a m ，一部 分用来存放接收到的数据包，一部分用来存储待发送的数据包。 收发数据包的过程 程序里使用0 x 5 7 h 0 x 7 f h 作为8 0 1 9 a s 的发送缓冲区，共4 2 页。使用 0 x 4 0 h 一0 x 5 6 h 作为8 0 1 9 a s 的接收缓冲区，共2 2 页。因此p s t a r t = 0 x 5 7 h ， p s t o p = 0 x 8 0 h 。刚开始，8 0 1 9 a s 没有接收到任何数据包，所以，b n r y 设景为指 向第一个接收缓冲区的页0 x 5 7 h 。c u r r 是8 0 1 9 a s 写内存的指针。它指向当前正 在写的页的下l 页。 位符号描述 p s ip s 0寄存器页 o0p a g e o 7 ，6p s l p s o olp a g e l 10 p a g e 2 llp a g e 3 r d 2r d ir d 0功能 0o0 禁止 oo1 远程读 5 3r d 2 - o 0l0 远程写 01l发送包 禁止完成 1 远程d m a 置位才能传输数据包， 2t x p 传输完成或者异常中止 后自动复位，写入无效 s 翻s t p功能【 l ，os t a ，s t pl 0开始命令i o l 停止命刽 图2 2 命令寄存器各个位的功能 初始化c u r r ，指向0 x 4 0 h + 1 = 0 x 4 1 h 。8 0 1 9 a s 写完接收缓冲区1 页，就 将这个页地址加l ，c u r r = c u r r + l 。这是8 0 1 9 a s 自动加的。当加到最后的空 1 4 山东大学硕