（计算机应用技术专业论文）嵌入式无线视频监控终端的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着计算机技术、微电子技术、多媒体技术和网络通信技术的飞速发展， 嵌入式视频监控技术也得到了迅猛麴发展。躁翦比较流行的是数字视频监控 系统，它正逐步取代传统模拟视频监控系统，而成为视频监控的主流。在无 线网络日益发展的今天，无线视频监控系统更具有无可比拟的优越性，它克 服了有线圈络存在的布线困难、不易扩展、安装周期长等缺点，藤为更多的 用户所青睐。 。本文采用总线接口的8 0 2 1 1 9 无线基带芯片w t 6 1 0 4 c l v g ，设计了一个基 于8 0 2 1l g 无线局域网技术，$ 3 c 2 4 1 0 处理器和嵌入式w i n d o w sc e 实时操作 系统的无线视频监控终端系统，能提供5 4 m b p s 的数据传输率，为大容量视 频数据的传输提供了高速传输通道。该无线视频监控终端可通过无线a p 方 便地接入无线局域网和有线局域网。 鉴于高精度实时视频信息量巨大，传输前需要经过编码昀闷题，本系统 采用神e g 一4 专用编码芯片i m e 6 4 0 0 对采集到的数字视频进行编码，然后通 过无线模块将生成的m p e g - 4 码流转发到无线局域网。 本文包括硬件设计和软件开发两大部分。硬件设计包括主控模块、视频 采集与编码模块和无线模块的设计。软件开发包括基予w i n d o w sc e 操作系 统板级支持包的移植、内核映像的创建、模块驱动程序和应用软件开发。 关键字：视频监控；m p e g 一4 编码；w i n d o w s 蕊；w l a n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 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 r ，m i c r o e l e c t r o n i c s ，m u t i l m e d i aa n d n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , e m b e d d e dv i d e om o n i t o r i n gt e c h n o l o g yh a s a l s om a d er a p i d l yd e v e l o p m e n t 。a lp r e s e n t , d i g i t a lv i d e om o n i t o r i n g , r e p l a c e i n g t r a d i t i o n a la n a l o gv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m ，b e c o m e sm o r ep o p u l a r w i t ht h e i n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s w i r e l e s sv i d e om o n i t o r i n g h a si n c o m p a r a b l es u p e r i o r i t y i to v e r c o m e sm a n ye x i s t i n gd i f f i c u l t i e sr e s u l t i n g f r o ml i n e a t en e t w o r k ，s u c ha s ，h a r dt od i s t r i b u t en e t w o r kw i r e s ，d i f f i c u l tt os p r e a d a n dl o n gl i f ec y c l ei n s t a l l a t i o n ，e t c 。t h e r f o r e ，i tb e c o m e sf a v o rt om o r eu s e r s t h i sp a p e ri st od e s i g naw i r e l e s sv i d e om o n i t o r i n g s y s t e mt e r m i n a lb a s e do n 8 0 2 1 l gw i r e l e s s 谢t e c h n o l o g y , s 3 c 2 4 1 0p r o c e s s o ra n de m b e d d e dw i n d o w s c er e a l 。t i m eo p e r a t i o ns y s t e mb ya d o p t i n g8 0 2 1 l gw i r e l e s sl a nb a n d b a s e c o n t r o l l e rw t 6 1 0 4 c l v go fm e m o r yi n t e r f a c e 。t r a n s m i s s i o nr a t ec a nr e a c h 5 4 m b p sw h i c hp r o v i d e sah i g h s p r e e dt r a n s m i s s i o nc h a n n e lf o r t h ev i d e o i i l f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n t h ew i r e l e s sv i d e om o n i t o r i n gt e r m i n a lc a ne a s i l y a c c e s sw i r e l e s sl a na n dw i r e d 础b yw i r e l e s sa p ( a c c e s sp o i n t ) 。 w h e r e a st h et r e m e n d o u sa m o u n to fh i g h p r e c i s i o nr e a l t i m ev i d e o i n f o r m a t i o n ，i tn e e d st oc o m p r e s sc o d i n gp r i o rt ot r a n s m i s s i o n t h es y s t e m d e s i g n e di n t h i sp a p e r , u s i n gm p e g 4e n c o d i n gc h i pi m e 6 4 0 0t oc o m p r e s sa n d e n c o d et h ea c q u i s i t i o no ft h ed i g i t a lv i d e oa n dm p e g 4v i d e os t r e a mi sg e n e r a t e d a n dt h e nt r a n s f e r r e dt ow i r e l e s s b yw i r e l e s sm o d u l e 。 i nt h i s p a p e r , h a r d w a r ed e s i g n a n ds o f t w a r e e x p l o i t a t i o n a r e i n c l u d e d h a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e sc i r c u i td e s i g no fm a i n l y - c o n t r o l l e dm o d u l e ， v i d e oc a p t u r e ，e n c o d i n gm o d u l e ，a n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l e s o f t w a r e e x p l o i t a t i o nc o n s i s t so ft r a n s p l a n to fb s et h ek e r n e li m a g ec r e a t i o n ，t h e d e v e l o p m e n to fm o d u l ed r i v e ra n da p p l i c a t i o ns o f t w a r ew h i c ha leb a s e do nt h e w i n d o w sc eo p e r a t i n gs y s t e m k e y w o r d ：v i d e om o n i t o r i n g ；m p e g 4e n c o d i n g ；w i n d o w sc e ；w l a n 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部 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 复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密 2 不保 年解密后适用本授权书； 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作毒签名：王障书朱 日期：溯j 2 o 指导老师签名：辑斟聋& 日期：2 ，。9 s 乙 l 毋口密 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 随着社会的不断发展和人民生活水平的不断提高。日常生产生活中的安 全问题越来越受到重视。视频监控成为解决安全问题的手段之一，它以直观 形象和信息内容丰富而被广泛应用于许多场合。 视觉是人类最重要的感觉器官，视频图像信息也是人们从客观世界获取 信息的主要来源，约占人们依靠五官从外界获得的信息总量的8 0 。但在很 多场合，由于受客观条件的限制，人不可能经常亲临现场进行直接观察，采 用嵌入式视频监控系统可以从根本上解决以上问题l 。 在信息化时代的今天，计算机网络技术、嵌入式技术、视频编码技术、 微电子技术和通信技术的迅速发展，极大的推动了嵌入式视频监控技术的不 断发展。已经由原来的模拟视频监控系统发展到现在的数字视频监控、数字 网络视频监控和无线网络视频监控等更高级的视频监控系统【2 】。 利用嵌入式视频监控技术对重要对象进行监控，逐渐成为现代生活中必 不可少的一部分。 1 2 嵌入式无线视频监控系统现状 随着无线网络技术和数字视频技术的发展，无线视频监控已得到了广泛 的应用。尤其在一些重要场所，如安全监控或工业现场控制现场，都安装有 无线视频监控系统。与有线视频监控系统相比，它可以摆脱线缆的束缚，有 安装周期短、维护方便、扩容能力强和迅速收回成本等优点【3 1 。 原始视频数据量大，在无线传输之前通常需要进行编码，最常用的软件 编码方法对复杂的压缩格式运算量大、除采用专用的d s p ( 数字信号处理器) 外，普通m c u 往往无法胜任。所以目前大多数基于低性能m c u 的无线视频监 控都采用视频编码芯片对采集到的数字视频进行编码，然后通过无线网络进 行传输。虽然有的硬件压缩比可达到3 1 0 0 ，但是如果传输高分辨率、高帧 率的图像视频，要达到很好的效果，就需要很高的传输带宽。目前，大多数 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 无线视频监控系统是基于g p r s c d m a 无线通讯网络或8 0 2 1l a b g 无线局域 网络的。g p r s c d m a 一般只有几百到几千k 的传输速率，只能传输分辨率小 和帧率较低的视频。8 0 2 1l a b g 无线局域网理论上可提供1 2 m b p s 一- 5 4 m b p s 的传输率【8 】，但是大多数无线局域网模块或者网卡和主控制器之间采用s p i 、 s d i o 和p c m c i a 等接口进行连接，在主控接口处会受到该接口传输率的限制 而成为数据传输的瓶颈1 1 引。 视频监控软件通常采用两种模式：一种是c s 模式，需要分别在监控终 端和上位p c 机运行专用的服务器端和客户端应用程序。为了保证视频传输 的实时性也可以采用u d p 传输协议和上位监控主机实现非可靠性对等传输。 另一种是b s 模式，需要在监控终端运行w e b 服务器，上位p c 机客户端只 需打开通用的浏览器登陆w e b 服务器就可以观看实时视频。 1 3 本课题设计与实现方案的提出 鉴于目前大多数无线网络视频监控系统在传输速率方面存在的问题，本 文采用总线接口的8 0 2 1 1 9 无线局域网基带芯片，设计了一个基于a r m 9 处 理器和嵌入式w i n d o w sc e 实时操作系统的无线视频监控终端系统，能提供 5 4 m b p s 的数据传输率，为大容量视频数据的传输提供了高速传输通道。该无 线视频监控终端可通过无线a p 方便地接入无线局域网和有线局域网，只需 在定范围内，安装无线接入点就可以和网内任何一个无线视频监控终端以 及带无线局域网卡的上位监控主机通信。 另外针对普遍采用软件实现视频编码存在运算量大的问题，本文采用 m p e g 4 专用编码芯片对采集到的数字视频进行编码，取代了专用的d s p ，又 不占用c p u ，易于满足高精度实时视频监控的需求1 4 1 。 综上所述，本文所设计的基于m p e g - 4 硬件编码芯片和8 0 2 1 l g 无线局 域网的嵌入式无线视频监控终端可以实现高帧率和高分辨率的实时视频监 控，可应用于安全监控和工业控制等场合。该系统成本低、体积小、易安装、 易扩展，具有良好的通用性、实用性和可靠性，具有很好的参考价值。 1 4 系统设计的目标及主要工作 本论文的设计目标： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 在基于$ 3 c 2 4 1 0 最小硬件系统的基础上，扩展视频采集与压缩编码和无 线传输硬件模块，移植w i n d o w sc e 实时操作系统，开发相关硬件模块的驱 动和系统应用软件，最终实现嵌入式无线视频监控终端的软硬件设计。 本论文的的主要工作： 1 4 1 硬件部分 独立完成了主控模块、视频采集与压缩编码和无线传输模块硬件原理 图的绘制、p c b 板的设计、电路板的焊接和调式。 1 4 2 软件部分 在分析w i n c e 操作系统的基础上，移植w i n c e 系统的b s p 软件包。 完成了w i n c e 操作系统的定制和移植。 夺完成了无线模块驱动的开发与调试。 完成了视频采集与编码模块驱动程序的开发与调试。 令完成了视频捕获和无线发送应用程序的开发与调试。 1 4 3 论文内容简介 整个论文分为7 章，分别介绍如下： 第1 章绪论。论述本文的设计背景、意义、方案、目标和工作任务。 第2 章系统总体设计。介绍了系统硬件平台和操作系统的选型以及总 体结构设计。 第3 章系统硬件设计。介绍了系统硬件包括主控模块、视频采集与编 码模块和无线模块的电路设计与调试。 第4 章操作系统的移植。介绍了w i n d o w sc e 的体系结构和移植过程。 第5 章系统相关软件开发。介绍了视频采集与编码和无线模块的驱动 程序以及视频捕获和无线转发应用程序的开发。 第6 章系统测试。介绍了系统的软硬件测试。 第7 章总结与展望。总结了本次论文所做的工作和需要改进的方面。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章系统总体设计 2 1 系统工作原理和网络拓扑结构 本论文设计的嵌入式无线视频监控终端是基于a i m 9 处理器$ 3 c 2 4 1 0 、 w i n d o w sc e 操作系统、8 0 2 11 9 无线局域网络技术和目前比较成熟的m p e g - 4 视频硬件编码技术的新型无线视频监控终端系统。除了具有较高的网络传输 速率和高精度硬件实时编码外，再加上w i n d o w sc e 强大的网络和多媒体功 能，使的该系统不仅具有可行性，而且开发周期短。 1 ) 采用该监控终端的无线视频监控系统网络拓扑结构如图2 - 1 所示【6 】o f i i 属 ，l 7 ， ) 盘薯鼍；表万- 尢馥漏蔫甄嘲；备睡j 簧 实线：表示以太网连接 图2 - 1 系统网络拓扑结构 2 ) 系统工作原理 无线视频监控终端将采集到的模拟视频先进行a d 转换，然后经过 m p e g 一4 编码芯片编码后由$ 3 c 2 4 1 0 主控制器读入主存，最后经无线模块通过 无线局域网将编码后的视频流发送给上位监控主机。监控主机既可以是具有 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 无线功能的笔记本或者平板电脑，也可以是通过以太网与无线a p 相连接的 p c 机1 5 j 。监控主机对接收到的视频流进行m p e g - 4 解码后播放，实现对现场 实时视频监控，也可以将接收到的视频流保存为文件，便于以后查看。 2 2 硬件系统总体设计 系统硬件由主控模块、视频采集与编码模块和无线模块组成。下面针对 各个模块的硬件选型进行分析。 2 2 1 主控制器模块硬件选型 目前常用的处理器有采用a r m 、m i p s 和s h 构架的处理器。采用a r m 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器，已遍及工业控制、消费 类电子产品、通信系统、网络系统和无线系统等各类电子产品市场，约占据 了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额。a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和 a r m l 0 为4 个通用a r m 处理器系列。 其中a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供了最佳的性 能，主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数 字照相机和摄像机等嵌入式设备当中【1 3 l ，常见的a r m 9 处理器有以下几种。 1 ) i n t e l 公司生产的采用a r m 核和基于x s c a l e 构架的p x a 2 5 5 和 p x a 2 7 0 处理器是市面上用的最多，资料也比较齐全，均支持w i n d o w sc e 和l i n u x 操作系统的两款芯片。除此之外还有p x a 2 5 x 、p x a 2 6 x 和p x a 2 7 x 系列处理器，专门用于p d a 手机和p p c 市场，这些处理器普遍主频较高， 攻耗低，是高性能手持移动终端产品的最佳选择【1 4 1 。 2 ) s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 和$ 3 c 2 4 4 0 也是目前市面上最常用的两款 处理器，都支持w i n d o w sc e 和l i n u x 操作系统。另外还有$ 3 c 2 4 1 2 、$ 3 c 2 4 1 3 、 $ 3 c 2 4 a 0 、$ 3 c 2 4 4 3 和$ 3 c 2 4 6 0 等，这几款处理器在主频和内置外围设备方 面有所不同，用户可以根据具体需求选择合适的处理器。 3 ) c i r r u sl o g i c 公司的e p 9 3 1 2 和e p 9 3 1 5 处理器也比较常用。前面提到 的这些处理器采用的均为b a l l 封装至少2 0 0 多个引脚，在做p c b 时需要6 层以上。 4 ) a t m e l 公司的a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器则采用p q f p2 0 8 和b g a2 5 6 两 种封装。如果采用p o f p 2 0 8 封装，p c b 用2 层板就可以了。目前a t 9 1 r m 9 2 0 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 虽然也可以支持w i n d o w sc e ，但市面上只有l i n u x 版本的操作系统，很少 有w i n d o w sc e 方面的资料可供参考。 目前三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 是a r m 9 处理器设计中使用最为广泛的一款 芯片，基于l i n u x 和w i n d o w sc e 的软件资料也比较齐全，利于实现嵌入式 系统的快速开发。另外本人( 论文作者) 也从事过$ 3 c 2 4 1 0 4 0 和w i n d o w sc e 的系统开发，对这方面的软硬件比较熟悉，所以本系统选用$ 3 c 2 4 1 0 为主控 硬件平台。 $ 3 c 2 4 1 0 芯片是基于a r m 9 2 0 tc p u 内核，采用1 6 3 2 位r i s c 带m m u 的先 进体系结构，支持w i n d o w sc e 、v x w o r k s 和l i n u x 操作系统；内置1 6 k b 数 据c a c h e 和1 6 k b 指令c a c h e ，减小了对主存储器带宽和性能的影响；内部采 用先进的位控制器总线( a m b a ) ( a m b a 2 0 ，a h b a p b ) ；支持标准、慢速、休眠 和掉电四种电源控制模式；内置p l l 电路实现片内倍频；内核仅需1 8 v ，存 储器和外部i o 为3 3 v 直流电源供电；内置外部存储控制器，支持s d r a m 掉电模式下的自动刷新，支持不同类型的r o m ( n o r n a n df l a s h 、e e p r o m 和 其它) 启动模式【l 别。 $ 3 c 2 4 1 0 a 集成了大量片内外设，包括l c d 控制器、3 个通用异步串行端 口、2 通道s p i 、一个多主1 2 c 总线控制器、一个1 2 s 总线控制器、s d l 0 接口控制器、两个u s bh o s t ( o h c i ) 、一个u s bd e v i c e ( v e r l 1 ) 、4 个p w m 定时器、一个内部看门狗定时器、1 1 7 个通用i o 、5 6 个中断源、2 4 个外部 中断、8 通道1 0 位a d c 、触摸屏接口和带日历功能的实时时钟芯片【1 9 】。 鉴于毕业论文成本开销和开发周期问题。本论文采用基于现有核心板的 基础上开发本系统。核心板上有$ 3 c 2 4 1 0 a 主控制器和系统所需的s d r a m 与 n a n d f l a s h 存储器、音频编解码芯片和c s 8 9 0 0 以太网控制芯片。在此基础上 对系统进行扩展，包括调试电路、视频采集与编码和无线3 大功能模块。 2 2 2 视频采集模块硬件选型 视频采集目前基本上有3 种方案可供选择。 1 ) 采用c m o s 数字图象传感器芯片。这些芯片内部集成有图象传感器和 d 转换器，向m c u 或者视频编码芯片提供c a m e r ai n t e r f a c e 与s c c b 接口。 常用的有o m n i v i s i o n 公司的0 v 9 6 5 0 和0 v 7 6 2 0 等彩色数字图像传感器芯片。 ( 1 ) 0 v 9 6 5 0 为3 0 0 万像素s m o ss e n s o r ，能提供符合c c i r 6 0 1 和c c i r 6 5 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 标准的g r b4 ：2 ：2 、y u v ( 4 ：2 ：2 ) 和y c b c r ( 4 ：2 j 2 ) 三种视频输出格式，支 持8 b i t 和l o b i t 两种模式，最高分辨率1 3 0 0 x 1 0 2 8 。 ( 2 ) 0 v 7 6 2 0 为3 0 万像素的彩色黑白图像传感器芯片，提供符合c c i r 6 0 1 和c c i r 6 5 6 标准的y c r c b4 ：2 ：2 和g r b4 ：2 ：2 两种格式数据输出，最高分辨 率6 4 0 x 4 8 0 。 该方案要求主控制器向图象传感器芯片提供数字视频接口。如$ 3 c 2 4 4 0 处理器就内置数字视频接口。 2 ) 采用u s b 数字摄像头。该方案实现数字视频的采集，只需开发基于 u s bh o s t 驱动之上的u s b 摄像头驱动程序即可。 3 ) 采用模拟摄像头和v i d e od e c o d e r ( a d ) 芯片。这种方案是视频监控 系统普遍采用的一种方案，该方案设计灵活，容易实现多路视频采集。 本嵌入式无线视频监控系统采用第三种方案即：采用模拟摄像头和视频 模数转换芯片方案实现视频采集功能。 视频采集芯片选用p h il i p s 公司的s a a 7 11 1 a 专用视频a d 转换芯片， 通过模拟视频输入引脚，既可以输入标准的c v b s 格式的视频信号，也可以 输入s - v i d e o 视频信号。支持每秒2 5 帧、7 2 0 x 5 7 6 的分辨率。支持y u v 4 ：i ：i 、 y u v 4 ：2 ：2 和r g b ( 5 ，6 ，5 ) ( 1 6 b i t ) 三种格式的数字视频输出【2 4 1 。 2 2 3 视频编码模块硬件选型 常见的有g 0 7 0 0 7 s b 、i m e 6 4 0 0 6 4 1 0 6 4 5 0 、v m 2 0 0 5 和a t 2 0 4 3 等视频编 码芯片。下面对比较熟悉和应用较广泛的两款视频编码芯片g 0 7 0 0 7 s b 和 i m e 6 4 0 0 做简单比较： 1 )w l s 的g 0 7 0 0 t s b 编码芯片，主要提供m p e g 一1 2 4 的硬件编码功能， 支持将y u v 或者r g b 格式的信号转换成m p e g 一4 2 1 、m j p e g 或者h 2 6 3 格式。 它提供两种主控制器接口：一种是h p i ( h o s tp a r a l l e li n t e r f a c e ) ，另 一种是u s bi n t e r f a c e 。该芯片采用2 0 8p i np q f p 和1 9 6b a l ll b g a 两种 封装，便于用户根据具体的需求选择合适封装的芯片进行产品设计，但该芯 片也有其不足之处： ( 1 ) 8 1 6b i t 数据地址总线复用接口，通过a l e 引脚控制数据地址总 线的分时复用。由于$ 3 c 2 4 1 0 主控制器采用独立的数据地址总线，如果采 用g 0 7 0 0 7 s b 作为编码芯片，跟主控制器的硬件接口电路部分设计难度大， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 而且驱动程序实现也比较困难。 ( 2 ) u s b 接口方式虽然和s 3 c 2 4 1 0 主控制器接口方便，但g 0 7 0 0 7 s b 内置 的u s b 主控制器为u s bv 1 1 ，理论速度可达1 2 m b p s ，而$ 3 c 2 4 1 0 a 内置的 u s b 主控制器为o h c ir e v1 0 ，理论速度为1 5 m b p s ，通过u s b 接口读取编 码后的视频流将会降低数据的存取速度。 2 ) i l d e 6 4 0 0 是一片2 4 0p i nq f p 封装的多通道数字音视频编码芯片。该 芯片具有符合c c i r 6 0 1 工业标准的1 6 b i t s 的视频输入接口和视频采集芯 片实现无缝连接，支持符合c c i r 一6 5 6 标准的y u v 4 ：2 ：2 格式的数字视频输入， 并实现y u v 4 ：2 ：2 到y u v 4 ：2 ：0 的转换，图像分辨率最大可设置为7 6 8 * 5 7 6 ， 帧率可达2 5 - 3 0 帧秒。可支持m p e g 4 2 1 视频压缩编码标准，支持i 、p 和b 帧压缩。与微控制器通过1 6 b i t 的独立数据总线和5 b i t 的地址总线的h c i 接口实现连接，并且通过该接口实现其初始配置和接收压缩后的视频码流。 该芯片采用独立的数据和地址总线，易于和s 3 c 2 4 1 0 主控制器接口。选 用该芯片，不管是从硬件方面，还是从驱动开发方面都将简化了设计难度。 上面简单介绍了两款芯片并指出了各自的优点和缺点。本系统从设计难 易程度和经济角度考虑，视频编码芯片选用q f p 封装的i m e 6 4 0 0 芯片p j 。 2 2 4 视频无线模块硬件选型 - ， 目前支持8 0 2 1 1 9 协议的无线模块或芯片有s d i o 、p c m c i a 、c f 和m e m o r y 等几种接口，用户可根据具体需求进行选择。 本系统由于采用了s 3 c 2 4 1 0 作为主控制器： ( 1 ) s d i o 接口的无线模块虽然易于和$ 3 c 2 4 1 0 内置的s d i oh o s t 接口， 但是s d i o 主控制器只支持1 m - - - - 4 m b p s 的传输速度，如果采用该接口的无线 模块，主控接口会成为无线传输速率的瓶颈，降低视频的传输速度。 ( 2 ) p c m c i a 和c f 接口的无线网卡或芯片，需要通过总线外扩p c c a r d ( p c m c i a ) 控制器，不仅会增加硬件设计的复杂度和成本，而且会增加软 件驱动设计的难度。 综合以上原因，本系统采用通过$ 3 c 2 4 1 0 外部数据总线、地址总线和控 制总线扩展m e m o r y 接口的w t 6 1 0 4 c l v g8 0 2 1 1 9 无线基带芯片，这样既减少 了软硬件的设计难度，也提高了和主控制器的通信速率，为视频流的无线传 输提供了高达5 4 m b p s 的传输通道。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 w t 6 1 0 4 c l v g 是由北京六合万通微电子技术有限公司生产的无线基带控 制芯片，提供了高度集成的无线局域网解决方案，实现了i e e e 标准所规定 的8 0 2 1 1 a b g 基带信号处理、协议处理和各种附加增强功能，完全支 8 0 2 1 l b g ( 工作频率2 4 g h z ) 和8 0 2 1 l a ( 工作频率5 g h z ) 所要求的各种调制 方式，能够完整提供协议规定的1 m b p s 到5 4 m b p s 的全部传输速率。5 g h z 频 率下能提供5 6 m b p s 的数据传输率。 该芯片还提供了大量的安全和加密算法，例如a e s 、t k i p 、w e p 和w p i 等。针对移动设备的特点，它提供多种工作模式，其工作频率为4 0 m h z ，有 效的降低了功耗，它能够与多种r f 无缝集成，并提供了多种主机接口，如 c a r d b u s 、m i n i p c i 和m e m o r y 接口。该芯片内部主要包含以下功能模块： ( 1 ) m a c 功能模块完成媒体接入层( m a c ) 所规定的所有协议：一其中包括安 全和加密算法协议。 ( 2 ) b a s e b a n d 模块完全支持d b p s k ，d q p s k ，c c k 和o f d m 调制方式， 能够完整提供协议规定的i m 5 4 m b p s 的全部传输速率。 ( 3 ) a d c d a c 是低功耗和单通道的差分输入输出与模数和数模转换 器，内部集成采样保持放大器，同时具有节能功能。采用模拟电源3 3 v 和 数字电源1 8 v 的双电源供电。 【4 ) r fi n t e r f a c e 用于和r f 收发芯片接口。 该芯片一个最大的特点就是它提供了1 6 位数据总线和1 6 位地址总线的 m e m o r y 接口。s 3 c 2 4 1 0 通过该接口和w t 6 1 0 4 c l v g 基带芯片通信，与s d i o 、 c f 和p c m c i a 等接口的无线芯片相比，大大提高了数据的传输速度，为视频的 无线传输提供了高速传输通道【2 7 】。 r f 芯片选用络达科技公司的a l 2 2 3 0 s ，它是一款发射频率为2 4 g h z ，支 持8 0 2 1l b g 无线协议的收发芯片，由以下5 个功能模块电路组成：功率放 大器( p a ) 、发送、接收、混频电路和i i c 接口电路网。 本系统基带部分和r f 收发部分分开设计，虽然增加了设计难度，但增 加了设计的灵活性，用户可以根据需求选择发射功率较大的收发芯片，从而 增加数据的传输距离。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 2 2 5 硬件系统功能结构总图 系统主要包括主控子系统、视频采集与编码子系统和无线传输子系统。 此外还有云台控制接口等。系统硬件总体功能结构框图如图2 - 2 所示。 s d r 创m 模拟视频采集s a a 7 1i l a m p e 9 4 数字视频嘲 码芯片i m e 5 4 0 0 s 3 c 2 41 0 a a r m 9s o c 数据线： 控制线；+ 一 8 0 2 t l g u a c 控制器 w t 6 1 0 4 l v g r f 模块a l 2 2 3 0 s 串口云台镜 头控制模块 图2 - 2 系统硬件总体功能结构框图 本系统的硬件从实际出发，采用独立模块化设计即将视频采集与编码模 块、主控模块和无线模块单独板块设计，然后用屏蔽排线如图2 - 3 所示连接。 图2 - 3 硬件系统组成结构图 这样既可以体现模块化设计，增加设计的灵活性，便于调试，也减少了 p c b 板的面积和布线的难度，在实际使用时可以根据需要对模块进行裁减。 量| | 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 2 3 软件系统总体设计 软件系统包括硬件平台上运行的操作系统( 含b s p 及外部设备驱动程序) 以及运行在该操作系统平台上的应用程序。 2 3 1 操作系统平台选型 1 ) 嵌入式操作系统的特点 嵌入式操作系统除了具有操作系统的基本功能，如程序管理、存储管理、 设备管理和中断处理等外。还有其自身的特点：占用系统资源要少、实时性 强、可靠性高以及具有可配置和可裁减性。 2 ) 常见的几种嵌入式操作系统 从应用角度划分，嵌入式操作系统大致可以分为通用型嵌入式操作系统 和专用型嵌入式操作系统。比较典型的通用型商业嵌入式操作系统有 w i n d o w sc e 、v x w o r k s 和嵌入式l i n u x 1 1 】。 下面对常见的几种通用型商业嵌入式操作系统做简单比较。 ( 1 1v x w o r k s v x w o r k s 是美国w i n d ，r i v e rs y s t e m 公司推出的一个实时操作系统，是 专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统内核，为程序员提供了高效的实 时多任务调度、中断管理和实时的系统资源管理以及任务间通信等功能。在 各种c p u 平台上提供了统一的编程接口和一致的运行特性，尽可能的屏蔽了 不同c p u 之间的底层差异，易于在不同c p u 平台上移植。 v x w o r k s 具有高性能、可裁减、良好的可靠性和卓越的实时性而被广泛 应用于通信、军事、航空和航天等领域【1 1 l 。 ( 2 ) l i n u x l i n u x 操作系统最大的特点是免费性和开放性。很多具有在l i n u x 桌面 应用开发经验的公司很容易转到l i n u x 嵌入式产品开发，国内基于l i n u x 的 嵌入式操作系统应用开发商远多于桌面应用开发商。由于其开放性使的工程 师可以对系统有更深入的了解，并能针对特定硬件方案和产品需求进行优 化。但是，l i n u x 操作系统入门难度高，集成开发环境较差，开发周期长【1 1 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 3 ) w i n d o w sc e w i n d o w sc e n e t4 2 是微软推出的一款功能强大的实时嵌入式操作系 统。它具有功能强大的图形界面、手写和语音识别；内置多媒体功能，通过 播放器可以播放常见的多媒体音视频；提供可扩展的c f 删c s d p c m c 工a 插 糟，允许用户通过扩充卡扩展多种功能，如存储卡和无线网卡等；具有强大 的网络功能，支持w a n 、l a n 、p a n - - 种网络以及常见的网络服务支持，如w e b s e r v e r 、f t ps e r v e r 、v o i p 、r a s p p p 、p p p o e 和v p n 等；具有灵活的电源管 理功能和对象存储技术，包括文件系统、注册表以及数据库。它还具有高性 能和高效率的操作系统特性，包括换页、共享存储、交叉处理同步和支持大 容量堆等。该操作系统因为具有以上这些优点而为更多的用户所青睐，已经 广泛应用于信息家电、移动计算机、商务和工业控制等领域【删。 为了便于用户快速开发新的智能化嵌入式系统，微软为w i n d o w sc e n e t 提供了功能强大的集成开发环境p l a t f o r mb u i l d e r ，为开发人员提供了构建、 调试和部署基于w i n d o w sc e n e t 的嵌入式系统所需的一切特性。 w i n d o w sc e n e t 支持m i c r o s o f te m b e d d e dv i s u a lc + + 和m i c r o s o f t v i s u a ls t u d i o n e t 开发工具，为基于w i n d o w sc e 平台的应用程序开发提供 了一个完整的开发环境【3 7 j 。 本系统选择了w i n d o w sc e 实时操作系统主要考虑了以下几点：w i n d o w s c e 具有强大的网络功能；具有很好的图形系统支持；具有似曾相识且功能强 大的集成开发环境p b 、e v c 以及v s n e t ：支持常用外设；系统开发效率高。 2 3 2 软件系统组成 系统的软件部分由w i n d o w sc e 操作系统( 含基本的外设驱动) 、视频采 集与编码模块驱动、无线模块驱动和视频捕获和无线发送应用程序组成。 视频捕获与转发程序首先将通过硬件采集与编码后得到的视频流从 i m e 6 4 0 0 的f i f o 缓冲区取出，然后通过无线局域网发送给上位监控主机，监 控主机对接收到的视频流进行解码后播放，实现对现场的实时视频监控。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第3 章系统硬件设计 无线视频监控终端硬件设计包括主控系统、视频采集与编码模块和无线 模块的硬件设计及调试。 3 1 主控子系统硬件设计 该主控子系统硬件是在$ 3 c 2 4 1 0 核心板的基础上根据本系统需求而设计 的，并引出了视频采集与编码和无线两个功能模块的微型排座。 主控系统硬件组成结构如图3 - 1 所示。下面对各个功能电路的设计原理 图和工作原理进行详细介绍。 l 一- 一一一- 一j 图3 - 1 主控系统硬件组成结构框图 3 1 1 电源电路设计 本设计输入5 v 的直流电源，分别提供给核心板，经过l m l l l 7 3 3 和 l m l l l 7 1 8 电源转换芯片转换后，分别输出3 3 v 和1 8 v 的稳压直流电源供 核心板使用。另外5 v 直接提供给l m l l l 7 3 3 ，输出3 3 v 直流电源供底版使 用。大电容和小电容并联使用，大电容抑制低频干扰，小电容抑制高频干扰， 这样可以得到较稳定的线性电压输出【矧，如图3 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 7 图3 - 2 系统电源模块电路原理图 3 1 2 时钟电源与复位电路设计 $ 3 c 2 4 1 0 具有一个独立时钟源r t c ，需要独立供电，所以要在v d d r t c 引脚接上约1 7 v 的直流电源( v d d r t c ：3 0 6 5 0 6 5 = 1 7 v ) 【刎。电路原理 如图3 3 所示。 b a t l t n 4 1 4 s1 n 4 1 如 。- 一 图3 。3r t c 电源电路图 由于a r m 芯片的高速、低功耗和低工作电压导致其噪身声容限低，对 电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等方面也有 更高的要求。 。 本系统复位电路使用了电源监控复位芯片m a x 7 0 8 t e s a ( 复位门槛电压 为3 0 3 1 5 v ) ，提高了系统的可靠性【5 2 】，电路原理如图3 4 所示。 l 2 矗豫：m a m a l 搿“i 娜m ( a e t i v t l o w ) 图3 - 4 复位电路原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 二 3 1 3 以太网接口电路设计 s 3 c 2 4 1 0 内部没有集成以太网络控制器，核心板通过外部总线扩展了一 个常见的以太网络芯片c s 8 9 0 0 a ，向底版引出接收发送引脚，为了防止干扰 需外接隔离变压器h r 6 0 1 6 2 7 ，接口部分电路原理如图3 - 5 所示。 u 1 n 蕊，。，i l 己d n c 1 2 u 2 丽电1 三一 盼f 乃【+ 9l 匿仁号昌丰 n cf r x - 1 12 i j 【+n c n cn c卫一l t x n c s 2 山it d n i x + 1 43 n cn c 8 弩辱 t d + f r x 1 66 r x g n d 、 】 li c 1 v 5 v ( t x d 0i 黑； t 儿t 1 0 2 o l 己l o1 j i 7 0 渊婴絮1 ： t 丑t 2 0 i 3 o o l i 鼢or 卫 l o o t l 7 46 4 c 2 + 仉 i c 2 3 1 9 c 2 l + 5 c 二 1 5 、p0 1 , t a r i 钾印泌5 0 i t a l 钾；h r ；三未、 m x 3 掀 一两耵励，f 0 嘲o 鼍j 图3 - 6 串行口0 ( u a r t 0 )