（电路与系统专业论文）基于COACH6的运动视频监控系统的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 随着数字技术的快速发展，数字化视频监控越来越受到市场的关 注。同时，由于市场的细化，对视频监控产品也提出了不同的要求， 比如功能、编码效率、实时性、成本和功耗等。如何针对多样的应用 场合，在合理的成本范围内开发出一种稳定、高性能和实时的视频监 控系统，是目前视频监控市场所面临的共同问题。 本文在对视频监控的现状、发展趋势以及相关技术进行详细介绍 的基础上，对运动视频监控系统的设计及相关算法进行了研究，以 z o r a n 公司c o a c h 6 为核心芯片，使用s o l 2 6 8 的2 0 0 w 像素c m o s 摄像头作为输入，以标准的p a l 或者n t s c 电视制式作为输出，采 用8 m 的s d r a m 和1 6 m 的f l a s h 作为存储器构建了运动视频监控 系统。针对s o l 2 6 8 在低亮度的情况下容易产生大量噪点而严重影响 运动状态的正常检测的问题，本文提出一种基于l eg a l l5 1 3 整数提升 小波变换和帧间差分算法相结合的运动状态检测算法。为了更好地实 现人机交互界面和运动检测调整，系统软件设计中集成菜单设置、回 放模式选择、子窗口选择、灵敏度选择等实用性的功能。这种针对特 定环境和特定硬件的运动视频监控算法具有一定的新颖性和实用性。 通过对系统的软件和整机测试表明，本课题所开发的运动视频监 控系统整机测试良好，用户调节方便，系统适应性强，性价比较高， 完全达到了预期的设计要求，尤其适用于家庭、办公场合、实验室等 一般生活环境的视频监控需求。 关键词c o a c h 6 ，提升小波，运动视频监控，帧间差分算法 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 fd i g i t a lt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r e a t t e n t i o nh a sb e e np a i di nd i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c e a tt h es a m et i m e ， d i f f e r e n td e m a n d sa r ep u tf o r w a r dt ov i d e os u r v e i l l a n c ep r o d u c t sf o rt h e s a k eo fr e f i n i n gm a r k e t ，s u c ha s f u n c t i o n ，c o d i n ge f f i c i e n c y , r e a l t i m e p e r f o r m a n c e ，c o s t ，p o w e r , e t c h o wt od e v e l o pas t a b l e ，h i g h - p e r f o r m a n c e a n dr e a l - t i m ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m si nar e a s o n a b l ec o s t ss c o p ea n d v a r i e t ya p p l i c a t i o n s ，i sac o m m o np r o b l e mi nv i d e os u r v e i l l a n c em a r k e t c u r r e n t l y i nt h i sp a p e r , v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e ma n dr e l a t ea l g o r i t h m sw i l lb e s t u d i e da n dd e s i g n e do nt h eb a s i so fd e t a i l e di n t r o d u c t i o ni nt h es t a t u s q u o ，d e v e l o p m e n tt r e n d sa n dt e c h n o l o g ya r o u n d i n gv i d e os u r v e i l l a n c e p r o d u c t s t h i sp a p e rw i l lc o n s t r u c tam o t i o n a lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m w i t hz o r a nc o r p o r a t i o nc o a c h 6a st h ec o r ec h i p ，s 0 1 2 6 82 0 0 mc m o s c a m e r aa si n p u t ，s t a n d a r dn t s co rp a lt e l e v i s i o ns t a n d a r d s i g n a la s o u t p u t ，8 mo fs d r a ma n d6 4 mo ff l a s ha sm e m o r y b e c a u s et h e s o l 2 6 8w i l lb r i n gi nal o to fn o i s ei nl o wb r i g h t n e s so c c a s i o n ，t h i sp a p e r g i v eam o t i o n a ls t a t u sd e t e c t i v ea l g o r i t h mb a s e do nl eg a l l5 3i n t e g e r l i f t i n gw a v e l e tt r a n s f o r ma n di n t e r f r a m ed i f f e r e n t i a la l g o r i t h m i no r d e rt o a c h i e v eab e t t e r h u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o ni n t e r f a c ea n dm o t i o n p a r a m e t e ra d j u s t i n g ，t h i ss y s t e mi n t e g r a t e das e t t i n g sm e n u ，s e l e c t p l a y b a c km o d e ，s u b - w i n d o ws e t t i n g ，s e n s i t i v i t yf u n c t i o na n do t h e r p r a c t i c a lf u n c t i o n s b a s e do ns p e c i f i ce n v i r o n m e n ta n ds p e c i f i ch a r d w a r e ， t h em o t i o n a lv i d e os u r v e i l l a n c e a l g o r i t h mh a sac e r t a i nn o v e l t ya n d p r a c t i c a l i t y t h r o u g ht h et e s t so fs y s t e ms o f t w a r ea n dm a c h i n e ，t h em o t i o nv i d e o s u r v e i l l a n c es y s t e mw h i c hd e v e l o p e db yt h i sp r o j e c tw o r k sw e l la n dh a s s t r o n ga d a p t a b i l i t ya n dh i g hp e r f o r m a n c eb u tl o wc o s t t h ed e s i g n c o m p l e t e l ya c h i e v e st h ea n t i c i p a t i v eg o a l ，e s p e c i a l l ys u i tf o rh o m e ，o f f i c e o c c a s i o n s ，l a b o r a t o r ya n do t h e rg e n e r a ll i v i n ge n v i r o n m e n to ft h ev i d e o s u r v e i l l a n c en e e d s i i k e y w o r dc o a c h 6 ，l i f t i n gw a v e l e t ，m o t i v ev i d e od e t e c t ，i n t e r f r a m e d if f e r e n c ea l g o r i t h m i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位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，除了论文中特另t l d n 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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： ：翘邀丝日期：丑年三月旦日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：懈物 导师签名掣嘲珥年三月皇日 硕i ：学位论文 第一章绪论 1 。1 课题的研究背景 第一章绪论 随着电子技术及计算机技术的不断发展，计算机能力得到了极大的提高，图 像处理、人工智能、模式识别等相关学科的不断发展，使得利用计算机实现人类 的视觉功能成为可能。同时随着人们生活水平的不断提高，人们的安防意识也在 不断增强，计算机监控系统f 被越来越广泛地应用于各行各业，如银行，宾馆， 学校等等企事业单位，使得该类产品的市场也越来越广阔，同时也促进了的理论 研究的不断发展和深化。 视频监控产品随着技术的不断推陈出新而日新月异。目前视频监控产品已由 以往的模拟产品向数字化、智能化的产品转化。视频监控系统基本上是2 4 小时 连续工作的，因此监控系统除了要求有比较好的算法和处理速度外，还必须保证 非常高的可靠性。现有的监控系统主要分为d v r 监控和网络视频监控两种。d v r 监控，即数字硬盘录像机( d i g i t a lv i d e or e c o r d e r ) ，以完全的硬件能力实现视频的 编码和解码，保证了完美持续的视频质量。而网络视频监控是在d v r 的基础上增 加了网络功能，便于远程监控和远程数据比较。 目前市场对于视频监控产品的需求有两极化的趋势。一方面，海底、边境等 恶劣和高强度的监控环境需要各种超高性能的监控产品，这种监控产品有极其稳 定的性能和极好的实时性，但操作复杂、价格昂贵。另一方面，随着经济的发展 和人们观念的改变，低成本、便携式和多功能的视频监控产品有广阔的市场。这 类视频监控产品大量应用于家庭、公司办公场合、停车场等不太恶劣的环境。本 文的研究对象正是后一种视频监控系统。 1 2 视频监控系统的发展现状 视频监控系统是安全防范系统的组成部分，它是一种防范能力较强的综合系 统。视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场合。近年来， 随着计算机网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控系统也随之经 历了四个阶段1 川。 在2 0 世纪9 0 年代初及其以前，主要以模拟监控系统为主。模拟监控系统 一般由前端设备、传输电缆、切换控制设备以及显示设备几个部分组成。前端设 备一般为实时图像摄入设备、环境传感器温湿度检测器、报警按钮和门禁等数字 控制设备组成。传输电缆一般为传输视频的同轴电缆，传输数字信号的双绞线 硕1 ：学位论文 第一章绪论 构成。而显示设备包括显示图像的监视器、显示传感器状态的报警指示牌以及对 前端设备进行反向控制的各种操作平台等。随着人们生活水平提高，人们对监控 的要求越来越严格，尤其是在网络化的当代，模拟监控系统只适合于小范围的 区域监控、系统扩展能力差、无法组成复杂的监控网络的缺点和弊病暴露出来， 并越来越难以适应技术和需求的发展。 到2 0 世纪9 0 年代中期，监控系统进入半数字时代。随着计算机处理能力的 提高和视频技术的发展，人们利用计算机的高速数据处理能力进行视频的采集和 处理，从而大大提高了图像质量，增强了视频监控的功能。半数字视频监控系统 在实际工程中有着广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛。 随着微处理器和微机的功能、性能的增强和提高以及多媒体技术的应用，数字控 制模拟视频监控系统在功能、性能、可靠性、结构方式等方面都发生了很大的变 化，视频监控系统的构成更加方便灵活、与其它技术系统的接口趋于规范，人机 交互界面更为友好。但由于半数字视频监控系统中信息流的形态没有变，仍为模 拟的视频信号，系统的网络结构主要是一种单功能、单向、集总方式的信息采集 网络，要求介质专用，因此系统尽管已经发展到很高的水平，但已无太多潜力可 挖，同时，还有如下模拟监控系统的主要缺点：通常只适合于小范围的区域监控： 系统的扩展能力差；无法形成有效的报警联动。因此，要满足更高的要求，数字 化是必由之路。 到了2 0 世纪9 0 年代术，随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的迅速 提高，以及各种视频信息处理技术的出现，视频监控进入了全数字化的网络时代。 全数字视频监控系统以网络为依托，以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核 心，引发了视频监控行业的技术大发展。今天，网络已经渗入到社会的每个角 落，它提供了一个非常好的信息传输和资源共享的平台。多媒体技术在近几年间 也发生了巨大变化。 近年来，嵌入式技术在硬件和软件方面都有了较大发展，它能够满足更加复 杂和更加灵活的应用需求。利用嵌入式技术、d s p 技术、视频压缩编码技术和网 络传输控制技术为核心实现网络视频监控，在稳定性、实时性、处理速度、功能、 价格、扩展性等方面和传统的视频监控系统相比都有着突出的优势，是目前视频 监控系统的主要发展方向。 前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化、管理智能化，这是对 近几年视频监控系统的研究发展进行了高度总结，同时也是视频监控系统公认的 研究发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以， 目f ； 视频监控研究发展的最大特点就是数字化、网络化和智能化。尤其是智能化 方面1 5 j ，越来越多的原来只用于军事领域的运动监测、目标跟踪、人脸识别等技 2 硕上学位论文第一章绪论 术被引入到同常视频监控系统中来。 ( 1 ) 数字化 视频监控系统的数字化首先是系统中信息流( 包括视频、音频、控制等) 从模 拟状态转为数字状态，这就彻底打破“经典闭路电视系统是以摄像机成像技术为 中心”的结构，根本上改变视频监控系统从信息采集、数据处理与传输、系统控 制等的方式和结构形式。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频监 控系统与其它系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现管理和控制，这 也是系统集成化的含义。 ( 2 ) 网络化 视频监控系统的网络化将意味着系统结构将由集总式向集散式系统过渡， 集散式系统采用多层分级的结构形式，具有微内核技术的实时多任务、多用户、 分布式操作系统实现抢先任务调度算法的快速响应，组成集散式监控系统的硬件 和软件采用标准化、模块化和系列化的设计，系统设备的配置具有通用性强等优 点。系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。 系统网络化将使整个网络系统实现硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共。 一 旱。 ( 3 ) 智能化 智能化可以使用户方便地实现视频切换、镜头云台控制、报警输入、背景比 较、目标跟踪和目标提取等操作，进而达到对事件的分析、统计、处理智能化， 实现视频监控的智能化管理。由于大量视频监控算法的成熟，如小波变换算法、 模式识别等，越来越多的研究人员都把研究目标定在视频监控系统的智能化中。 4 1 3 课题的研究意义 研制新一代视频监控产品有重要的意义。视频监控产品可以广泛应用到各行 各业中，如住宅小区、停车场、家庭等安全监控，电讯行业的基站监控、水电行 业与银行系统的同常运行与安全监控等。监控系统也由传统的单一安全防范发展 到信息获取、调度指挥、信息融合等领域。 人们的安防意识越来越强，智能监控系统则为人们的生活提供了现代化的安 全保障。数字化家庭监控系统可以自动监测在家中采集到的图像，当发现异常是 通过网络及时通知用户。我国海岸线和边境线非常长，通过高性能的监控系统能 有效保护领海和国土，在防止偷渡、出逃、走私、贩毒等非法行为也有非常重要 的意义。 由于历史和观念原因，我国安防产业较发达国家晚了二三十年。但是近年来， 随着我国经济的快速发展、人民观念的改变，安防从过去人防发展为技防为主， 3 硕十学位论文第一章绪论 人防为辅，并成为现代管理的重要手段。 正是我国经济的不断发展和人民观念的改变，市场对于视频监控产品的需求 越来越大。但由于视频监控对坏境依赖性极大，而目前小型视频监控产品普遍存 在实时性不高、对环境变化敏感和智能化程度不高的问题，难以在家庭、公司办 公场所、停车场等一般生活环境下普遍推广。在这种情况下，利用最新算法研发 一种智能视频监控系统，使其能在一般环境下推广，无论在理论上还是实际中都 有十分重要的意义。 1 4 课题的主要研究内容 1 课题研究内容 本课题的主要内容是研究基于c o a c h 6 的运动视频监控系统和相关算法的 设计实现。论文先对系统的整体设计方案进行设计，然后进行系统的硬件设计和 4 层p c b 主板的制作、调试。针对系统的硬件特征，提出了一种基于提升小波 和帧蒯差分算法相结合的运动状态检测算法，并把它集成到软件系统中。 ( 1 ) 系统整体方案与硬件设计。包括s d r a m 、f l a s h 、摄像头、u s b 和 u a r t 接口的设计。 ( 2 ) 运动状态检测算法的设计。包括l eg a l l5 1 3 提升小波算法、帧间差分算 法、循环分割法的流程设计。 ( 3 ) 系统软件设计。包括设置菜单、回放模式、m d 模式、固件升级等功能 的设计。 2 论文结构 本文分为六章，各章内容组织如下。 第一章主要介绍视频监控系统的研究背景和发展现状，并指出了本课题的研 究意义。 第二章为系统硬件设计，阐述了搭建以c o a c h 6 为核心的视频处理硬件平 台的过程，包括了硬件系统的主要模块，如s d r a m 模块、内部存储器模块、摄 像头模块、u s b 总线模块、u a r t 总线模块的设计。 第三章为运动状态检测算法的设计，实现了基于硬件平台的实用运动状态检 测算法的设计。重点讨论了利用提升小波算法来过滤s o l 2 6 8 产生的噪点和帧间 差分法中的阈值设计，最后给出测试结果。 第四章为系统软件设计，分析了基于本系统硬件平台和运动状态检测算法的 软件设计。其中，包括了对于整个系统的设置菜单设计、a v i 视频文件回放模式 设计、子窗口选择、固件升级等人机交互界面设计。 第五章为系统测试和实验结果，包括了本系统的测试平台构造、电源测试、 4 硕i j 学位论文第一章绪论 运动监控模式测试、软件系统测试等联合整机测试。经测试，验证了本课题所研 究的运动视频监控系统方案的可行性和工作的可靠性。 第六章为结论与展望，对目前工作作出了总结，并提出了下一步的计划。 本文的主要内容可归结为两点：一是详细分析了基于c o a c h 6 的视频监控 系统的设计，包括硬件电路的连接，相关硬件模块的设置和调试。二是根据本硬 件系统提出了一种基于提升小波和帧间差分法的运动检测算法，在不增加系统成 本的情况下解决目前常用运动视频监控系统中普遍存在的低亮度时工作不正常 的现象。 5 硕士学位论文 第二章系统硬件设计 2 1 系统设计 第二章系统硬件设计 本课题所研究的运动视频监控系统是可以独立于p c 机运行的，设计主要面 向于日常应用场台，如家庭、公司、停车场等。作为面向于一般生活工作环境的 运动视频监控系统，进行设计时必须要考虑较高的性价比、稳定性、便于操作和 实时性等要素。经过分析，本课题所设计的监控系统要求具备以下功能特点： ( 1 ) 本系统使用一个摄像头作为捕获图像数据的输入，输出使用p a l 制式的 电视信号，输出到模拟电视中； ( 2 ) 为了无人值守监控，本系统应该具备运动目标检测功能和视频文件拍摄 功能，并且需要外接存储器以保存所拍摄到得视频文件； ( 3 ) 电源供给方面，本系统应具备电池供电和直流电源供电两个功能。电池 作为停电时的后备供给能源，需要至少维持5 个小时； ( 4 ) 系统应提供一个简单的键盘，以提供用户进行系统设置和查看所拍摄到 的视频文件。系统设置的相关选项在模拟电视中显示。 系统设计如图2 - 1 所示。 r 强。i 万摆借 p 一砖暨 怖储 图2 - 1 本系统功能框图 2 _ 2 硬件系统总体设计 本系统采用z o r a n 公司的c o a c h 6 芯片作为核心。c o a c h 6 是z o r a n 公司 硕上学位论文第二章系统硬件设计 专为数码相机方案而设计的一款3 2 位专用d s p 芯片。c o a c h6 可支持多重领 域交错式c c d 与c m o s ，并支持多种记忆卡种类，包括c o m p a c t f l a s h 、s e c u r e d i g i t a l 、s m a r t m e d i a 、x d 与m e m o r ys t i c k 。c o a c h6 提供v i e w - l c d 画面的直 接接口，免除l c d 控制i c 的需求。此外，c o a c h6 可直接控制z o o m 与自动 对焦镜头，不需在外部增加微控制器。在静态影像部份，c o a c h6 采用真实1 2 位强化传感器处理技术，与以硬件为主的影像放大，使影像对焦更为顺畅。 系统的硬件结构框图如图2 2 所示。本系统支持4 5 v 的电池供电和5 v 的直 流稳压电源供电。存储器方面，硬件系统包含了8 m 的s d r a m 和1 6 m 的f l a s h ， 并接有s d 卡卡座，支持2 g 的s d 卡。视频输入使用2 0 0 万像素的数字摄像头， 输出p a l 制式的模式电视信号。提供9 按钮的操作键盘。此外，本系统带有u a r t 接口用于程序调试，m i n i u s b 接口用于程序下载。 图2 - 2 系统的硬件结构框图 c o a c h 6 数码相机方案专用d s p 的特点： c o a c h 6d s p 是一个高度集成的微处理器，专用于静止图像照相机( d s c l 和视频摄像机( d v c ) 方案的核心d s p 。作为一个专用d s p l 6 1 ，c o a c h 6 同样提供 了一系列的函数来实现数码相机的各种功能，以降低产品的开发时间。c o a c h 6 的主要特点【7 1 如下。 ( 1 ) 高度集成了串口、d m a 电路、o s d 电路、j p e g 硬压缩等硬件模块，降 低了系统的成本和开发时间。 7 硕学位论文 第一章系统硬件设计 ( 2 1 最高支持1 6 0 0 万像素的图像数据捕捉。 f 3 ) 3 2 位、1 0 0 m h z 的定点c p u 。 ( 4 ) 支持a v i 视频文件的捕获，最高支持3 0 帧，秒的视频流( c l f 、v g a 格式) 。 同时提供视频文件的高度控制回放。 ( 5 ) 提供了s o n y 、s h a r p 和m a t s u s l f i t a 公司的标准c c d 和c m o s 图像传感器 的无缝接口和c a s i o 、e p s o n 和u n i p a c 公司的t f t l c d 液晶板的无缝接口。 ( 6 ) 支持颜色拟合和颜色空间转换。 ( 7 ) 支持色度校j 下、自动调焦( a f ) 、自动白平衡( a w b ) 和自动曝光( a e ) 。 ( 8 ) 芯片支持包括消除红眼在内的闪光灯控制。 ( 9 1 支持4 0 个通用y o 管脚和特殊的p w v l 管脚。p w m 管脚可用来监测电池 剩余容量。 ( 1o ) 支持直接输出n t s c p a l 信号( c v b s 格式) ，并且不需要片外编码器或 视频d a c 。 在c o c a h 6d s p 中，所有的硬件资源，包括j p e g 编解码、a v i 编解码、 d m a 通道等都是由c o a c h 6 核心m i p s 微处理器控制的。用户可【三l 自定义一些 函数求实现特定的应用。c o a c h 6 典型的应用包括以下方案。 ( 1 1 独立、多功能的数码相机，或者实时运动图像获取、网络传输的摄像装 置。 f 2 1 带有m p 3 功能的音视频混台d s c 。 ( 3 1 能进行m j p e o 录取的d v c 装置，支持1 6 倍的软件调焦和电视信号输出。 ( 4 1 其他用户需要的高质量音视频捕捉装置。 图2 3 为使用c o a c h 6 组成的典型应用系统1 8 】。 图2 - 3c o a c h 6 的典型肛罔 硕 ：学位论文第_ 二章系统硬件设计 由图2 3 可见，c o a c h 6 支持跟c c d c m o s 、t v 、l c d 等外设的无缝连接， c o a c h 6 的电源管理器支持多种电源、电池。而c o a c h 6 更是支持多种存储卡， 包括s s f d c 、c f 、m m c 、s d 、m s 等，为系统设计带来极大方便。 之所以选择c o a c h 6 作为整个系统的处理芯片，是基于以下几点考虑的： ( 1 ) 本系统主要是针对小公司、家用等一般市场，对成本的控制比较严格。 c o a c h 6 相对于t i 、a d i 等公司的d s p 有一定的价格优势。 ( 2 ) c o a c h 6 的主频虽然只有1 0 0 m h z ，但作为一款用于数码相机方案的3 2 位专用d s p ，内置了a v i 、j p e g 的硬解压缩芯片，可以减少大量的c p u 处理周 期，保证整个系统的实时运行，还能缩短系统的研发时间。 ( 3 ) c o a c h 6 的设计技术比较成熟，有完整的开发和测试平台，对于小波、 f i r 等d s p 算法的测试提供了很大的方便。 2 3s d r a m 的设计 为满足视频处理时的带宽要求，本系统使用h y 公司的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 作 为系统的内存。h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 是一款4b a n k sx1 mx1 6 b i t 的s d r a m 。 2 3 1h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 功能与管脚定义 h y 5 7 v 6 416 2 0 h g 是大小为6 7 ，10 8 ，8 6 4 b i t 的c m o s 同步d r a m i ，尤其适 用于需要大内存和高带宽的应用。h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 具体的组织结构为4 b a n k sx 1 ，0 4 8 ，5 7 6x1 6 。h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 为系统提供了基于上升沿同步操作，所有的输 入和输出都由上升沿时钟触发。所有的输出电平标准都是l v t t l 的。 对于h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g ，可设置的参数包括数据读取反应时间( 2 或者3 时 钟周期) 、突发长度( b u r s tl e n g t h ，可设为1 ，2 , 4 ，8 或者满页) 、突发模式( 顺序 还是交叉) 。h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 的管脚示意图如图2 4 所示。 图2 4 的管脚定义中，c l k 表示s d r a m 的输入时钟，上升沿有效。c k e 为时钟使能。c s 为片选信号。b a 0 、b a l 为s d r a m 内的b a n k 地址。a 0 a l l 为地址。r a s 、c a s 、w e 分别为行地址选通脉冲、列地址选通脉冲和写使能信 号。l d q m 、u d q m 为数据掩码位，一般用于高低字节片选信号。d q 0 d q l 5 为数据的输入、输出管脚。v d d d s s 为电源和地。v d d q v s s q 为供给外部缓 存的电源和地。n c 为没有定义的管脚。 由图2 5 所知，h y 5 7 v 6 4 16 2 0 h g 内部有4 个b a n k ，因此需要两位片选信号 b a l 、b a 0 来片选b a n k 。在h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 进行数据访问时，行地址和b a n k 地址同时发出，这个命令称为“行激活”。然后才是发出列地址和具体的操作指令。 从“行激活”到列地址的发出的时间间隔，称为t r c d ，即行选通周期。而从列地 9 硕一l 学位论文第_ 二章系统硬件使计 址的发出到具体的数据收发称为c a sl a t e n c y ，也就是上文所说的数据读取反应 时间，可以设为2 或3 周期。 15 4 25 3 35 2 45 l 55 0 64 9 74 8 84 7 9 4 6 1 04 5 1 14 4 1 2 4 3 1 34 2 1 4 5 4 p i n i 葛o p 4 1 1 54 0 1 63 9 1 73 s 1 83 7 1 93 6 2 0 3 5 2 l3 4 2 23 3 2 33 2 2 43 l 2 53 0 2 62 9 2 72 8 图2 - 4h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 的管脚示意图 2 3 2h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 与主芯片的接口设计 h y 5 7 v 6 416 2 0 h g 与c o a c h 6 的接 的s d r a m 接口，右边为s d r a m 芯片。 口设计如图2 - 6 所示，左边为c o a c h 6 详见附图1 。 1 0 硕j 二学位论文 第二章系统硬件设计 图2 5h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 的内部结构 1卜 r a m d a t d q r a m a d d 1卜 a 1卜 r a m a d d n b a r a m w ew e * r a m c sc s 幸 r a m c k e nc k e r a m r a sr a s r a m c a sc a s 宰 r a m d q m hh d q m r a m d q m ll d q m r a m c l k丁气c l k c o a c h6 e m工 h y 5 7 v 6 4l6 2 0 h g s d r a mi f 图2 - 6h y 5 7 v 6 4 i 6 2 0 h g 与c o a c h 6 的接口设计 注：在本图和下文的硬件原理图中，表示低电平有效。 硕i ：学位论文第一二章系统硬件设汁 如图2 - 6 所示，h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 的驱动电压为3 3 v 。h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 的 a 0 a 11 连接到c o a c h 6 的r a m a d d 0 r a m a d d l l 脚，h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 的 3 6 脚连接到r a m a d d l 2 上。h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 的b a n k 片选管脚b a 0 和b a l 分别跟c o a c h 6 的r a m a d d l 3 和r a m a d d l 4 连接。r a s 、c a s 、w e 分别 接到c o a c h 6 的相应管脚，数据更新c a o c h 6 自动完成。 2 4f l a s h 的设计 c o a c h 6 还需要扩展一个f l a s h 存储器，用于保存程序代码和在没有插入 s d 卡的情况下保存系统产生的a v i 文件。f l a s h 存储器是一种高密度、非易失 性的电可擦写存储器，存储量大，使用方便，适用于低功耗、高性能的系统，并 具有总线重写入功能，这对系统程序的修改和成绩带来很大的方便。本系统采用 s a m s u n g 公司的k 9 f 2 8 0 8 u o c 。 2 4 1k 9 f 2 8 0 8 u o c 功能与管脚定义 k 9 f 2 8 0 8 u o c 是一个含有4 m 位备用容量的1 2 8 m 位f l a s h 存储器i l 叭。它的 v c c 为3 3 v 。其n a n d 单元为固态海量存储器市场提供了最低成本的方案。5 2 8 字的页编程操作时间为2 0 0 u s 。块擦除操作时间为2 m s 。页面的数据以5 0 n s 的 速度被读出。i 0 管脚可用作地址线数、据输入输出口以及命令输入口。片内 写控制自动实现所有编程和擦除功能包括脉冲的周期、内部校验和数据冗余。主 要需要写操作的系统也可利用k 9 f 2 8 0 8 u o c 的1 0 0 k 可靠的编程擦除周期( 通 过提供实时描述算法得出的e c c ) 特性来实现。k 9 f 2 8 0 8 u o c 的阵列结构如图 2 7 所示。 图2 7k 9 f 2 8 0 8 u o c 的阵列结构 1 2 3 2 p a g e s ) b y t e x3 2 p a g e sx1 0 2 4b l o c k 硕上学位论文第一二章系统硬件设计 如图2 7 所示，k 9 f 2 8 0 8 u o c 的每页有5 2 8 k 个字节( 5 1 2 k + 1 6 k ) ，其中5 1 2 k 为数据区，另外的1 6 k 空闲区通常被用于e c c 、耗损均衡( w e a rl e v e l i n g ) s 1 其它 软件开销功能。k 9 f 2 8 0 8 u o c 共3 2 页，所以k 9 f 2 8 0 8 u o c 的空间大小为 5 2 8 * 8 * 3 2 * 1 0 2 4 = 1 3 2 m 位。k 9 f 2 8 0 8 u o c 的管脚示意图如图2 8 所示。 i 0 0 i 0 7 为数据的输出输出管脚。c l e 为命令锁存使能信号。a l e 为地址 锁存使能信号。c e 为芯片使能。r e 为读使能。w e 为写使能。w p 为写保护。尺b 为读忙输出，用于指示器件的工作状态。v c c q 为输出缓冲区的电源。v c c 为器 件电源。v s s 接地。n c 为管脚内部没连接。d n u 的管脚不使用。g n d 为使能 备用空间g n d 输入，当执行包括备用空间在内的连续读操作是，该输入脚链接 到v s s 或设置成静态低电平状态；当执行除备用空间外的连续读操作时，该输入 脚连接到v c c 或者设置成静态高电平状态。 l4 8 24 7 34 6 44 5 54 4 64 3 7 4 2 84 l 94 0 l o3 9 l l3 8 1 23 7 1 33 6 1 43 5 1 53 4 1 63 3 1 73 2 1 83 1 1 93 0 2 02 9 2 l2 8 2 22 7 2 32 6 2 42 5 图2 - 8k 9 f 2 8 0 8 u o c 的管脚示意图 2 4 2k 9 f 2 8 0 8 u o c 与c o a c h 6 的接口设计 如图2 9 ，左边为c o a c h 6 的f l a s h 接口，右边为f l a s h 芯片。c o a c h 6 片上提供了完整f l a s h 接口，能够跟f l a s h 存储器进行无缝连接。k 9 f 2 8 0 8 u o c 是地址与数据复用8 位i o ，所以把k 9 f 2 8 0 8 u o c 的i 0 0 i 0 7 跟c o a c h 6 的 f d 0 - f d 7 连接，用于地址、数据和命令的复用。根据c o a c h 6 手册，a l e 和 c l e 分别跟f a 0 和f a l 连接，作为地址锁存信号和命令锁存信号。w p 外接 r e s e t 信号，以防止在c o a c h 6 的r e s e t 时，对f l a s h 进行了无意的写或者 擦除。当完成上述连接后，k 9 f 2 8 0 8 u o c 自动对应到c o a c h 6 的内部地址空间 硕上学位论文第二章系统硬件设计 中。详见附图2 。 1卜 i o f d f a l c l e f a 0 a l e f o e r e 幸 f c l k卜c l k 接低电平 f r e s c e 伞。 c e f w rw e * r a m c a s 一 c a s 宰 _ _ 一 w p * r e s e t c o a c h6 e m k 9 f 2 8 0 8 u o i f l a s hi f 图2 - 9c o a c h 6 和k 9 f 2 8 0 8 u o c 的接口设计 2 5 摄像头和视频输入接口的设计 2 5 1o v 2 6 4 0 的简介 本系统使用0 v 2 6 4 0 来视频输入。o v 2 6 4 0 1 1 1j 是一款2 0 0 万像素的低电压 c m o s 图像传感器。通过串行摄像头控制总线接口( s c c b ) 与c o a c h 6 连接， o v 2 6 4 0 能提供8 1 0 - b i t 的u x g a ( 1 6 3 2 * 1 2 3 2 ) 图像。 o v 2 6 4 0 为输出提供了多种图像格式，在低亮度的情况下，仍然能有高灵敏 度。o v 2 6 4 0 内部的控制器能为系统系统自动曝光控s t j ( a w e ) 、自动增益控制 ( a g c ) 、自动白平衡( a w b ) 、自动带通滤波( a b f ) 、自动色度校正( a b l c ) 。与此 同时，c o a c h 6 内部函数库提供了o v 2 6 4 0 的标准驱动，大大减少了产品研发 时间。o v 2 6 4 0 的详细参数如表2 1 所示。 表2 】0 v 2 6 4 0 详细参数 1 4 硕十学位论文第一二章系统硬件设计 2 5 2o v 2 6 4 0 与c o a c h 6 的接口设计 o v 2 6 4 0 与c o a c h 6 的引脚连接比较简单，只需要将o v 2 6 4 0 相应的引脚 和c o a c h 6 的视频输入相应引脚连接就可以了。如图2 1 0 所示。详细请见附图 3 。 o m n i v i s i o n 公司的s c c b ( s e r i a lc a m e r ac o n t r o lb u s ) 总线是一种类似于1 2 c 总线的二线或三线制总线，在o v 2 6 4 0 中使用的是二线制总线，该总线与1 2 c 总 线不是完全兼容的，特别是其s c l 、s d a 信号线不是集电极丌路的，为了防止 总线冲突时电流过大损坏芯片，需在s d a 信号线中串接电阻。为了使c o a c h 6 兼容o v 2 6 4 0 的s c c b 总线，将s c c b 总线的s i od 和s i oc 连接到s d a 和 s c l 引脚时，需要加入上拉电阻。如图2 1 1 所示( 详见附图) 。 v id c c l k o u t h i s v i s s c l s d a y x c l k l h r e f v s y n c s i oc s l od c o a c h6 e m o v 9 6 x x f b o v 2 6 x x f b s e n s o ri f 图2 1 0o v 2 6 4 0 引脚连接图 硕1 二学位论文 第二章系统硬件设计 s c lr 4 3 s d a c d 3 v 3 r 4 1 1o k r 0 6 0 3 r 4 2 10 k r 0 6 0 3 乓 r 4 42 7r 0 6 0 3 图2 1 1s c c b 总线和c o a c h 6 连接图 2 6u s b 与u a r t 接口的设计 s c l s d a c o a c h 一6 e 一2 17 c o a c h 6 为丌发人员提供了标准的u s b 2 0 总线引脚、u a r t 全双工异步通 讯接口引脚和相关驱动。u a r t 的波特率在9 6 0 0 b p s 到1 5 m b p s 之间。在本系统 中，u s b 主要用于程序下载和在电脑上观看片上f l a s h 存储器的文件。u a r t 主要用于程序开发中的软件调试。 2 6 1u s b 总线结构 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) ，即通用串行总线，是由c o n p a q ，d e c ，i b m ， i n t e r ，m i c r o s o f t ，n e c 和n o r t h e nt e l e c o m 等公司为简化p c 与外设之问的互连 而共同研究开发的一种免费的标准化连接器，它支持各种p c 与外设之问的连接， 还可实现数字多媒体集成。 u s b 接口的主要特点是：即插即用，可热插拔。u s b 连接器