（物理电子学专业论文）高速公路视频监控系统及osd的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 现代安防系统的视频监控已经发展到全网络安全监控时代。高速公路视频监 控系统作为国内交通的一个非常重要的环节，其发展得到了国家和地区相关方 面的高度重视。视频监控作为延伸高速公路管理人员视野的有力工具，期望能 直观的、实时的看到高速公路现场的实况，做到足不出户也可以了解当前高速 公路上的道路条件、天气状况、交通运行情况。借助于视频监控，管理人员可 以对交通异常情况作出快速、准确的判断和制定相应的解决方案，最重要的就 是能有效降低二次事故发生率。而且，视频监控可以对异常情况进行录像，由 o s d 显示系统告知时间、地点等附加信息，方便日后进行事故分析、责任判断。 目前，国内的视频监控存在着不同生产厂家遵从不同的制作标准，不能相互 联网的状况，这不仅不方便整个网络的相互查询和检索，也使社会资源做出了 极大的浪费。本文所介绍的高速公路视频监控系统是作为一个综合性非常强的 视频监控管理平台来设计和研究的。具体来说，本课题的主要工作如下： ( 1 ) 为了使数字视频能接入计算机，网络方面采用弹性分组环的传输技术， 对数字视频按照以太网帧格式进行封装。 ( 2 ) 为了保证多路视频高质量的同时进行传输，对图像进行压缩、裁剪和封 装后由以太网来实现数字视频的传输和交换。 ( 3 ) 在视频显示上，本文采用现在非常流行的o s d 叠加技术，叠加包括镜 头号、收费站、日期时间和告警信号等内容，以方便监控人员即时、准确的发 现现场异常状况。 ( 4 ) 采用十路音频数据混合传输，传输音频和数据信号的比例可由用户自 行设置，以保证监控人员方便地进行语音交流和数据传输。 ( 5 ) 采用统一网管进行系统监控，由嵌入式操作系统来完成，通过t i c 接口 与视频单盘和音频数据单盘进行数据通信。保证监控人员能统一管理和指挥。 通过各项测试和联调，本课题研究实现了高速公路视频监控系统的视频、音 频、数据等各项业务的综合传输，网管系统的统一管理。发挥出了视频监控的 巨大潜力，提高了高速公路视频监控管理的综合协调能力。 关键词：视频监控单盘控制逻辑设计 o s d 高速公路 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o d e ms e c u r i t ys y s t e m sv i d e os u r v e i l l a n c eh a sb e e nd e v e l o p e dt om o n i t o ra 1 1n e t w o r k s e c u r i t ye r a a st h eh i g h w a yt r a f f i cv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m av e r yi m p o r t a n tp a r to fi t s d e v e l o p m e n to fn a t i o n a la n dr e g i o n a l s t a k e h o l d e r sa r eh i g h l yv a l u e d v i d e os u r v e i l l a n c ea sa l l e x t e n s i o no fh i g h w a ym a n a g e m e n tv i s i o nap o w e r f u lt o o l ，h o p i n gt oi n t u i t i v e ，r e a l t i m et os e et h e h i g h w a ys c e n el i v e ，s ot h a th o m e s c a nu n d e r s t a n dt h ec u r r e n th i g h w a yr o a dc o n d i t i o n s ，w e a t h e r c o n d i t i o n s ，t r a f f i co p e r a t i o n c o n d i t i o n sa n dt r a f f i ca n o m a l i e s w i t hv i d e os u r v e i l l a n c e ， m a n a g e m e n to fe x c e p t i o n sc a nb em a d eq u i c k l ya n da c c u r a t e l yd e t e r m i n ea n dd e v e l o ps o l u t i o n s t ot h ep r o b l e m s m o r e o v e r , v i d e os u r v e i l l a n c ec a nb ee x c e p t i o n st ov i d e o ，t h i st i m eb yt h eo s d d i s p l a ys y s t e m , t h el o c a t i o no f a d d i t i o n a li n f o r m a t i o nt of a c i l i t a t ea n a l y s i so ff u t u r ea c c i d e n t s c u r r e n t l yt h e r ea r ed i f f e r e n tv i d e os u r v e i l l a n c em a n u f a c t u r e r st oc o m p l yw i t h t h ep r o d u c t i o no fd i f f e r e n ts t a n d a r d s ，n o tw i t ht h ei n t e r a c t ，a n dt h i si sn o to n l y i n c o n v e n i e n tf o rt h ee n t i r en e t w o r ko fm u t u a la c c e s sa n dr e t r i e v a l ，a l s om a d et h e c o m m u n i t yag r e a tw a s t eo fr e s o u r c e s t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h eh i g h w a yv i d e o s u r v e i l l a n c es y s t e mi sac o m p r e h e n s i v ev i d e os u r v e i l l a n c em a n a g e m e n tp l a t f o r m d e s i g n s p e c i f i c a l l y ，t h ep a p e r s m a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： ( 1 ) i no r d e rt ob ea b l et oa c c e s sd i g i t a lv i d e oc o m p u t e r s ，n e t w o r kt r a n s m i s s i o n u s i n gr e s i l i e n tp a c k e tr i n gt e c h n o l o g y , a n di fs o ，w i l l n e e dd i g i t a lv i d e oi n a c c o r d a n c ew i t ht h ee n c a p s u l a t e de t h e r n e tf r a m ef o r m a t ( 2 ) i no r d e rt oe n s u l eh i g h - q u a l i t ym u l t i - c h a n n e lv i d e ot r a n s m i s s i o na tt h es a m e t i m e ，t h en e e df o ri m a g ec o m p r e s s i o n , c u ta n dp a c k a g e db yt h ee t h e r n e tm a cl a y e r t od i 百t a lv i d e ot r a n s m i s s i o na n de x c h a n g e ( 3 ) t of a c i l i t a t et h em o n i t o r i n gp e r s o n n e li m m e d i a t e ，a c c u r a t es t a t u so ft h e d i s c o v e r ys i t e ，t h ev i d e od i s p l a y , t h ep a p e ri sn o wv e r yp o p u l a rw i t ho s do v e r l a y t e c h n o l o g ys t a c ki n c l u d i n gc a m e r an u m b e r , t o l ls t a t i o n ，d a t ea n dt i m ea n da l a r m s i g n a l sa n ds oo n ( 4 ) i no r d e rt om o n i t o rt h ec o n d u c to fo f f i c e r sf o rt h em u t u a le x c h a n g eo f v o i c e a n dd a t at r a n s m i s s i o n s y s t e mu s e s10 c h a n n e la u d i o d a t ah y b r i dt r a n s m i s s i o n , t h e p r o p o r t i o no fa u d i od a t ac a l lb eu s e r - s e t ( 5 ) i no r d e rt oa l l o wm o n i t o r i n gp e r s o n n e lt ot h eu n i f i e dm a n a g e m e n ta n d n c 。l l l 】m a n d , t h eu n i f i e dn e t 、。r km a n a g e m e n ts y s t e mt 。m 。n i t o r n e 觚。r k m a l l a g e m e l l t s y s t e mt oc o m p l e t eb yt h ee m b e d d e d s i n g l e d i s ca n da u d i oa n dv i d e o o p e r a t i n gs y s t e m ，t h r o u g ht h ei i ci n t e r f a t e ， d a t at oc o m m u n i c a t ew i t ho n e d i s k h r o u g ht h et e s t m ga n dj o i n tc o m m i s s i o n i n g ，t h er e s e a r c ht oa c h i e v e t h eh i g h w a v v 1 d e o s u r y e l l l 觚c e s ) s t e mv i d e o ， a u d i o ，d a t aa n do t h e ri n d i c a t o r so fi n t e 酬e d 呦s p o n p 1 a y i n go u tt h eg r e a tp o t e n t i a lo fv i d e o s u r v e i l l a n c e ，v i d e os u r v e i l l a n c et o 1 1 n p r 0 v et h em a l l a g e m e n to ft h ee x p r e s s w a y c o m p r e h e n s i v ec o o r d i n a t i o n - 旺y w o r d s ：v i d e 0s u r v e i l l a n c e s i n g l ed i s kc o n t r o l i o # cd e s i g n o s d i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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，除了文中特别加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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：垄牟 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一雏墼翩始牡脯剖 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题背景 1 绪论 近年来，随着电子信息技术和计算机技术的不断发展，视频监控系统在各 行各业中的应用也越来越广泛了，比如银行、高速公路、楼宇等大型公用设施 方面都起到了重要作用。视频监控很好的保证了市民的人身安全、交通事业的 良好运作以及突发事件的应急处理。在视频监控系统中，不管是早期的模拟视 频还是现在的数字视频系统中，o s d ( o ns c r e e nd i s p l a y ) 技术的应用都是不可或 缺的，o s d 为用户提供友好的人机界面，能够使用户获得更多的附加信息。 虽然现在的视频监控系统在一定程度上为广大用户提供了方便，可以做到 足不出户便可观察到监控点的现场情况，但这些对于现在社会给予视频监控的 期望，还是远远不够的，没有发挥出视频监控的潜在优势。人们更希望视频监 控能做到清晰的观察现场，尤其是在“关键画面”经过放大以后，能清楚的观 察到实际情况。而且，也更期望视频监控能做到“无人值守”，当出现异常情况 时，能自动告警并有效记录当前情况。这些都是现在的视频监控系统暂时还不 够完善的地方【l 】。 视频监控系统作为现代化安全防范系统的一个重要组成部门。近年来，随 着计算机、网络以及图像处理、传输技术的不断发展，视频监控技术也取得了 长足的进步。而高速公路作为国家经济发展的命脉，是广大民众工作生活必不 可少的重要组成部分，视频监控系统在高速公路上的应用也越来越得到交通部 门的重视。于是，开发出能适应高速公路这一特定物理环境的综合型智能化视 频监控系统也成为了整个安防事业的重要环节【2 】。 高速公路与一般的公路相比，具有线性好、交通流量大、行车速度快等特 点，如不采取先进的控制管理方式，极容易爆发交通事故，尤其是在气候恶劣、 交通流量大的情况下，及容易引发交通事故和造成交通拥堵的情况。为了高速 公路的健康运营，人们对智能交通事业的期望越来越大，我们还应该做到能对 异常现象即时告知，有效降低二次事故的发生，提高综合协调能力【3 】。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 视频监控行业早期是采取的模拟视频监控的方式：前端视频采集只需要有 模拟摄像机即可，视频没有经过压缩，所以视频的质量好，但是所占用的资源 太多，存储和检索都很不方便，尤其是在要求反复查看录像的情况下，甚至会 造成录像效果越来越差；模拟视频监控中间传输过程是采用的直接通过同轴电 缆传到监控中心的监视器上，理论上最远传输距离为1 2 0 0 米左右。由于模拟视 频信号对传输距离十分敏感，当传输距离超过1 0 0 0 米时，信号容易产生衰耗、 变形、群延时等情况，而且非常容易受到外部干扰，使图像质量下降4 1 。由于模 拟信号采用有线传输方式，所以也只能采取点对点的监控方式，这就使得布线 工程量浩大。由于监控主机看到的是通过监视器直接接收到的视频信号，所以 画面质量很好。这也是模拟信号的一大优点。 现代的数字视频监控系统前端数据采集需要视频服务器和模拟摄像机，图 像经过压缩，所占用的资源少，存储和检索也很方便，但是由于数据经过压缩 了，图像会有不同程度的损坏，画面质量也会相交模拟视频监控方式来讲要稍 微变差了一些；在传输方式上，数字视频监控系统的优越性就十分明显了，它 通过网线与局域网连接，使整个监控网络的主机都可以及时访问，而且，如果 局域网能连接到互联网，那么整个互联网的用户均可以访问到，这样监控的范 围就大大扩展了，整个世界的任何一个角落都可以成为监控中心；对于监控主 机而言，由于视频图像经过了硬件压缩和软件压缩，图像的连贯性和画面的质 量比起模拟视频监控系统来说，都要差了一些，但是其取证过程就相当方便。 1 2 1 视频监控系统的发展方向 目前，视频监控系统的发展出现了两种完全不同的研究方向，一种以标准 化网络视频监控为基准的研究方向。国际上主要是i e e e 和i t u t 两个组织对其 进行研究。国内，各企事业单位自发组织起来的从事行业标准化的工作。标准 化网络视频监控系统的视频可以在普通的电脑上面显示视频图像，也可以在因 特网上进行传输。而且，这种方式下的图像压缩技术也比较成熟，市面上有大 量的编解码芯片可供使用，降低了开发难度，缩短了开发时间，也节约了开发 成本。 标准化网络视频监控的典型的拓扑结构如图1 1 所示。 2 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1标准视频监控系统拓扑结构图 图1 1 中的编码器和解码器是以图像压缩算法为基础的，可以由硬件完成 也可以由软件完成，报警探头和编码器相连，用来指示本地的突发事件。监控 中心通过一个网管设备，调度任一路视频到电视墙或大屏幕上，在任意位置进 行显示。图中各分中心的d v r 录像设备是用来存储视频数据的，方便日后调阅。 另一种研究方向是“各自为政的 的发展模式。这种监控方式避开现有的行 业标准，各公司有自己内部的标准。但大多采用全数字光纤网络，终端采用光 纤进行传输，这样视频的带宽不会受到太大限制，可将采样后的视频信号直接 由光纤进行传输，不需要进行压缩裁剪等有可能损坏视频的工序进行处理。这 样图像的分辨率会比较高，可以实现在大屏幕上或电视墙上高清晰地显示，其 视频监控系统拓扑图如图1 2 所示。 3 武汉理1 学硕士学位论文 * # # 嘲i - 2 视频监控系统结构拓扑圈 图中大屏上主要用来显示b t 6 5 6 码流，接收端的b t 6 5 6 码流经过d a 转换 后直接送往大屏显示。主控中心的控制台或者控制键盘可以知道本地和远端的 前端设备，主控中心的监视器或者大屏上可以显示本地接入视频或远端的视频。 分控中心可以设在收费站或有人僮守的隧道各分控中心的控制台或控制键盘 只能控制本地的前端设备，监视器或大屏也只用来显示本地视频。各控制中心 通过光纤连接，构成一个光纤网络个控制中心之间的拓扑结构可以是心型或 环形、链型等结构。 目前主流的图像处理技术几乎全部基于b t 6 5 6 数字视频信号，而且直接输入 b t 6 5 6 码流的显示器和直接输出b t 6 5 6 码流的高清摄像机也逐步占领了市场。这 种非标准的视屏监控系统采用光纤链路传输视频对于要在大屏上面显示的码 流吼 从国内视频监控的发展模式来看，由于这两种发展模式各自的优点，这两 种模式将长期共存。 1 2 2o s d 显示技术的发展及应用 o s d 是o n - s c r e e nd i s p l a y 的简称，从广义上讲是一种屏幕菜单式调节方式 通常应用在电视机及电脑显示器上，在屏幕上叠加产生一些特殊的字形或图形 武汉理工大学硕十学位论文 让使用者得到一些讯息。所以也叫视频字符叠加技术。随着现代电子科学技术 的进步，视频字符叠加技术应用越来越广泛，电脑显示器菜单选择、商业视频 广告促销、工业控制信息显示、安防监控报警等各个方耐6 1 。本文所涉及到得屏 幕显示技术主要是用于显示收费站信息、镜头号信息和时间信息等。 随着城市建设步伐的加快，高速公路视频监控系统中的o s d 技术的地位就 显得越发的重要，它在很大程度上节约了交管部门处理问题的时间，它可以及 时准确的告知相关监控部门，在哪个路段发生了交通事故或是存在交通隐患。 这对于及时抢救伤员和防止二次事故的发生起着重要的作用。 由o s d 的实现原理，分为模拟o s d 和数字o s d 两种。两种技术所处的环 境物理是不一样的。分别在模拟视频下和数字视频这两种不同的情况下进行。 模拟o s d 就是直接根据模拟视频信号进行同步，然后当发现到指定区域后， 就在视频信号上强制输出固定的图案信息。模拟o s d 多用在电视机和可视对讲 系统中，同步依靠模拟锁相电路或者单片机就可实现。这种方式具有系统简单， 硬件开销小，但是只能叠加单一颜色的文字的特点。对于模拟o s d ，由于是依 靠锁相环实现同步，一般很难实现精确同步。如果同步处理的不好，画面容易 出现画面不稳定和抖动现象1 7 j 。 数字o s d 是在数字视频信号上叠加单片机控制的文字及图案信息。其原理 是通过对扫描时钟进行计数同步，当同步到指定的象素点后，在该点上强制输 出指定的颜色信息。其同步原理为时钟沿同步，数字o s d 可以实现精确的文字 和图案信息的叠加，可以控制显示笔画精确到象素。但数字o s d 实现方法较为 复杂，需要通过f p g 觚p l d 等逻辑器件以硬件方式实现，用f p g c p l d 进行 逻辑编程提供一个视频输入接口，一个视频输出接口，一个m c u 接口。而且随 着显示屏幕分辨率的增加，设计难度也越大【8 l 。本文所采用的就是数字o s d 技 术，此部分将在o s d 接入方案章节中进行详细介绍。 1 3 课题研究的目的和意义 国内目前的视频监控系统方案虽然已逐步向智能化方向发展，但还存在两 大主要问题亟待解决：一是目前的视频监控方案主要为了解决能在大屏幕和监 视器上看到监控内容，能从视频监控录像里查找到具体图像等问题，这些都是 通过监控人员主动的去观察，并没有做到当出现异常现象时，能给出告警信号。 另一方面是目前还存在视频监控系统的一些应用性问题，比如不能满足直接接 5 武汉理工大学硕士学位论文 入电脑的功能，这样就无法利用视频的管理系统进行检索；为了传输更多的图 像，数据经过了压缩处理，当投放到大屏幕时，图像不清晰、对比度降低、物 体边缘模糊，这对事故的鉴定工作带来了很大不便【9 1 。 本课题的研究就是为了开发出具备综合管理和协调能力的智能化高速公路 视频监控系统，做到能有效的解决投到大屏幕的视频图像不清晰和不能自动告 警等问题。本课题将综合实现视音频信号接入、传输、交换、存储、显示、图 像处理、告警联动和视频分发等业务，完善现有的视频监控系统设计方案，使 安防事业能往更加智能化方向不断的前进，更大范围地推动视频监控系统在高 速公路上的应用。 1 4 研究内容及章节安排 本文分析以高速公路这一特定物理环境为背景，对比现阶段在高速公路视频 监控系统应用方案的优缺点，提出一种全新的体系架构，灵活运用f p g a 技术 来实现各种单盘信号的处理。本文重点介绍视频、音频数据混合盘两个单盘的 软、硬件设计方案，尤其是视频盘中的o s d 技术做了重点阐述。此o s d 技术 现已经作为一个单独的模块，灵活的应用到现实工程中，并取得了良好的评价。 论文的内容组织安排如下： 第1 章：本章介绍课题的选题背景、视频监控系统的发展过程、现在的发 展方向及研究现状，课题的意义以及论文的组织架构。从总体上说明本课题所 研究的综合型智能化高速公路视频监控系统必要性。最后对整个论文的研究内 容和章节安排做出说明。 第2 章：本章论述高速公路视频监控辅助管理系统的整体架构，通过对数 字视频监控系统在高速公路这一特殊环境下的应用，得出本课题采用的高速公 路视频监控辅助系统的结构的合理性。通过对总体结构的分析得出本系统的硬 件总体组成，重点说明视频编解码盘、音频数据混合盘、单盘控制器等单盘的 硬件设计方案，并从芯片特点、价位及设计合理性等方面来考虑，搭建最适合 本课题的硬件设备。 第3 章：本章主要阐述视频编解码盘的f p g a 逻辑设计。首先分析视频编 解码盘要完成的功能，即8 路b t 6 5 6 视频数据信号基于千兆以太网的传输。通 过信号流图给出逻辑设计方案，重点讲述f p g a 内部视频裁剪、串并转换、同 步处理、数据的存储、数据通信、千兆以太网封装、帧检测和o s d 叠加等模块 6 武汉理下大学硕士学位论文 的逻辑实现过程。由于o s d 模块设计的好坏对视频信号的显示会产生比较大的 影响，本章将对o s d 模块的逻辑设计从原理上进行详细的分析，得出合理的实 现方案，具体实现在任意一路视频的任意位置叠加指定的内容、内容可由客户 自定义、日期和时间的o s d 的自动更新等功能。最后给出视频编码盘和解码盘 联合调试的结果，分析出现问题的原因，并给出解决办法。 第4 章：本章将主要阐述本系统的另一个重要单盘的逻辑设计，即数据音 频混合盘，首先从整体上分析音频数据混合盘逻辑设计需要实现的功能，即十 路音频数据混合信号基于百兆以太网的传输。重点说明数据音频混合盘的共用 接口逻辑设计、发送端和接收端逻辑设计。尤其是在对接收端可能产生的误差 进行分析后，得出接收方向的逻辑空满调整机制的逻辑设计，要求很好地解决 时钟不同源可能造成的误差问题。 第5 章：最后总结全文研究工作，并展望未来工作。 本文所选择的逻辑开发芯片都是x i l i n x 公司的s p a r t a n3 e 系列的f p g a 芯 片，整个系统的f p g a 开发的都是在x i l i n i x 公司的i s e 9 2 i 集成开发环境下，采 用的仿真工具有m o d e l s i ms e 6 2b 和q u a r t u s i i 。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 视频监控系统总体设计 2 1 视频监控系统总体结构 高速公路与一般的公路相比，具有线性好、交通流量大、行车速度快等特点， 而高速公路的布局通常又是以线形拓扑，很少有分支的情况出现，即使出现分 支，多条分支路段也很可能会形成环。针对这一特点，高速公路的管理站点和 设备前端，基本上都分布在道路两侧，通信线缆也是沿路敷设，在做网络设计 过程中，都会考虑到单点故障的自保护能力，于是我们采用环形拓扑组成整个 监控系统【1 0 】。系统构想的网络拓扑图如下图2 1 所示： 网 通信两 i 监控i f 卜 ”1 l 生：垒i 图2 - 1 系统构想拓扑图 图2 一l 示出了高速公路视频管理系统的理想的网络拓扑结构图。从图中我 们可以看出整个视频监控系统是以控制中心为核心，通过环形网络连接道路上 的收费站、桥梁所等管理站点，通过星形网络连接各分控中心，再通过专用或 公用通信网连接到省级监控控制中心。环状网络连接可以确保控制中心所管路 段具备故障保护能力。分控中心和省厅控制中心也可通过具有冗余保护的网络 与控制中心连接，如采用网状网，以满足对网络可靠性的要求。 8 武汉理工大学硕士学位论文 除省级监控中心外，系统中其他节点，如收费站、隧道所等，都是以控制 中心为核心。各节点向控制中心提供信息，并接受控制中心的控制。分控中心 把从控制中心得到相应的信息，如视频和音频信号，通过控制中心来控制前端 设备。 为了简化系统设计，可以省略省级监控中心这一管理级，将其作为( 路段) 监控中心的客户端进行处理。这里所提到的收费站的概念还包括隧道所、桥梁 所和服务区等单位，而监控点主要包括接入设备、编解码设备、检测设备、存 储设备等设备。从整个系统的管理角度上来看，可以用下面的管理模型对高速 公路进行建模。 图2 - 2 高速路管理模型 从图2 3 中可以看出，高速公路是分层管理的，通常情况下会被划分为三层 管理系统：省级监控中心、监控中心、收费站。在这个模型当中，监控点向监 控中心提供服务所以充当了服务器。 2 2 视频监控系统的硬件组成 从上一节对高速公路视频监控系统结构总体的分析，可以得出终端设备与 外场设备的结构并不能一样。因为，外场设备必须采用独立机盒结构形式，以 应付比较恶劣的天气、地理等环境。而终端设备，通常采用子架加插卡的形式， 目前，这种结构形式在通信设备中的应用非常广泛，子架加插卡的结构形式不 仅可以保证多个功能单盘能综合地传输业务，而且，每个单盘可独立使用，也 方便用户进行故障排查。用于两种结构形式的电路板不要求能相互兼容。而外 9 武汉理工大学硕士学位论文 场设备通常与子架内的插卡完成的功能一样，只是有一个独立的外壳封装起来。 这里，本文对外场设备不做详细描述，将重点讲述子架内部的插卡的功能设计 与实现。 由于本视频监控系统要完成对视频、音频、数据、交换、网络管理等多个 业务，对各种业务由单独的单盘来完成，功能单盘即是各个功能插卡，这种单 盘以插卡的形式与背板连接，背板的另一端插入接口卡，由接口卡来与外部连 线。功能插卡与接口卡通过背板上的连接器连接到一起。功能插卡对外只显示 指示灯、光纤接口，由接口卡来与外部进行连接。这样，整个子架的外观就可 以做到简洁大方，指示明确。 从各单盘功能上划分，视频监控系统的主要硬件构成包括：单盘控制器、 视频编解码盘、数据音频混合盘、网络交换机、网络管理盘等。本论文主要介 绍前三个单盘的硬件设计及主要模块的逻辑设计。 从终端设备的硬件组成上看，整个终端主要由风扇、电源、交换设备、功能 插卡、面板指示等部分组成。下面对每部分的功能及要求做简单说明。 风扇：众所周知，电子设备的风扇要求散热功能好、使用寿命长、噪音低、 能耗低以及安装简单方便。终端设备的风扇在子架内部，从结构上要求做到单 个或整个风扇单元能快速更换，从功能上要求能根据子架内部插卡或交换设备 的温度自动控制，要求能做到对单个风扇的独立控制。风扇使用的是子架内部 的直流电源。 电源：子架由市电直接供电，子架内电源模块将交流电转换成直流+ 1 2 v 输 出，供子架内功能插卡使用。电源模块应有输入过压、浪涌，输出过载、短路、 过热保护等保护功能，输入应有电源滤波器，应确保在整个工作温度范围内输 出所要求的功率。子架上应有接地端子，子架应具有抗电磁干扰能力，同时应 具备电磁兼容能力。 交换设备：由于交换设备是被安装在子架内部的，跟子架连成一体，而且不 对外提供接口和指示等，他只是通过电缆与背板的千兆以太网相连。因此，可 将交换设备当成子架的组成部分。 功能插卡：功能插卡分为两部分，正面插卡为功能盘，反面为对外接口盘。 两者通过中间的背板插座相连。这样能保证正面完全独立性，所有接线部分全 都由背面的接口盘来完成。正面功能盘不产生连线，对外只接光纤，也方便识 别。 面板指示：子架上只安装单层插卡，只有指示灯的是功能盘面板，另外的是 1 0 武汉理工大学硕十学位论文 接口盘面板。还有一类面板，就是带有光纤接口的功能卡面板，这类面板包含 光纤接口和相关的指示灯。 功能卡面板有两类指示灯：插卡工作状态指示灯和业务信号指示灯，前者为 通用指示灯，后者则与业务信号相关，工作状态指示灯又分电源、c p u 运行、 连接和待机状态等，需要接口扩展卡的还有正确接口指示灯，有光纤接口的还 有光纤连接指示灯。这些指示灯中，除连接指示灯为三色灯外，其他的都是绿 色灯。当插卡接通电源时点亮电源指示灯。 2 2 1 视频编解码盘硬件设计 视频编码盘主要要完成8 路高清视频信号基于f p g a 的传输，即将8 路复 合视频广播信号数字化为标准数字视频信号，并映射到千兆以太网进行传输。 而视频解码盘主要要完成从千兆以太网中取得最多8 路标准数字视频信号并还 原成复合视频广播信号，视频编码盘和解码盘都需要在统一的网管系统中得以 控制【1 1 1 。视频编解码盘与网管盘( 这里指单盘控制器) 是连接在一起的，网管 盘作为扣板，体积设计上要求尽量小，可以直接通过插座连接到视频编解码盘。 两者通过i i c 接口实现相互的通信【1 引。 从信号流向上，视频编码盘将8 路模拟视频信号经过a d 芯片进行编码，转 换成b t 6 5 6 格式的视频数据，送入f p g a 中，经过f p g a 内部的o s d 模块处理 之后，输出4 ：2 ：2 格式的视频数据信号，再经过f p g a 的裁剪【_ 7 1 ，后将这一数 据调整为4 ：2 ：o 格式，送入s r a m 中进行缓存，之后，f p g a 将8 路视频信 号进行整合处理，并将整合后的视频信号封装成以太网数据的格式，映射到千 兆以太网电口，最终通过千兆以太网进行传输【13 1 。 解码盘将从以太网接收到的数据，经解码后得出视频信息，由d a 芯片还原 成模拟信号。本系统的视频编解码盘的硬件电路设计为两个功能盘+ 一个扩展 盘，即编码盘+ 盘控制；解码盘+ 单盘控制器。这里扩展盘即是单盘控制器。整 个系统的构成如图2 3 所示： 武汉理工大学硕十学位论文 呀视彳 s 路 ： 唾，燃 以太网 图2 - 3 视频编解码盘系统框图 编码盘和解码盘主要芯片基本一致，除了a d 、d a 芯片外。于是编码盘和 解码盘的外围电路结构也可以相互参考。这里以编码盘的外围硬件电路为例进 行说明。主要组成包括电源部分、f p g a 部分、a d 转换部分，以太网传输部分、 外加存储部分、c p u 控制部分、c p l d 指示控制部分等。编码盘硬件外围结构 如图2 4 所示： 臣甲 图2 - 4 视频编码盘硬件外围结构图 由图2 2 可以看出，视频编码盘硬件外围电路的主要芯片包括：电源芯片、 f p g a 芯片、a d 转换芯片、p h y 芯片、s r a m 芯片、c p l d 芯片、f l a s h 芯 片等。下面对各种芯片的选择做一个简单的介绍。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 电源部分：采用外部1 2 v 供电，经过电源芯片i s l 6 4 4 1 转换输出3 3 v 、2 5 v 、 1 2 v 。1 8 v 由3 3 v 经过l d o 来产生。各电源生成如下图2 5 所示： 1 8 v l 图2 5 各电源生成图 f p g a 芯片：采用x i l i n x 公司s p a r t a n 3 e 系列的1 6 0 0 e 。此芯片包括1 6 0 万 f - j ，3 3 1 9 2 个逻辑单元、8 个独立的时钟管理器( d c m ) 。 m d 转换芯片：采用a d i 公司的a d v 7 8 1 0 ，将接入的复合视频广播信号转换 成标准b t 6 5 6 视频信号，送到逻辑芯片f p g a ，然后经过压缩裁剪，根据以太 网帧结构封装成以太网包，通过p h y 芯片发送到光模块。每一路a d 与f p g a 的通信接口为8 根数据线，其中1 根时钟线、1 根复位信号线、1 根行同步线、 1 根场同步线和一组i i c 控制线，i i c 控制线为两根，它们是时钟( s c l k ) 和数 据( s d a t a ) 。 p h y 芯片：采用维特斯半导体公司的千兆以太网芯片v s c 8 2 1 1 v w ，用来实 现千兆以太网g m i i 的电接口和光接口的传输。 c p l d 完成系统配置和指示灯点灯的任务。采用e p m 2 4 0 ，包括识别r j 4 5 指示灯，千兆、百兆、十兆链接指示。基板识别，通过上拉下拉电阻的焊接选 择配置基板信息，标识基板类型。让单盘管理模块能正确的对基板进行配置和 管理，焊接时这些电阻应该整齐排列好，易于选择识别。 f l a s h ：串行接口f l a s h 存储器，它结合了r o m 和r a m 的特点，不仅 具备电子可擦除可编程功能、断电不会丢失数据，而且能快速读取数据，这里 跟f p g a 芯片连接，起到存储程序的功能，采用a t 4 5 d b 0 8 1 d 。 2 2 2 音频数据混合盘硬件设计 在视频监控系统中，还有一个重要的组成部分，那就是语音和数据的传输， 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 考虑到音频和数据插件接口的一致性，本系统语音和数据传输设计在一块单盘 上来实现，这样做不仅大大的降低了产品的开发成本，而且，也可根据用户的 需要，将音频和数据按适当的比例自行设置，方便了用户的使用。 音频数据混合盘主要用来完成1 0 路音频数据基于百兆以太网的传输。音 频数据都需要在统一的网管系统中得以控制。音频数据混合盘由一个音频数据 单盘+ 一个单盘控制器组成【14 1 。硬件结构图如下图2 - 6 所示。 s d r a m ， 1 0 路 本振 音频， 3 6 8 6 4 m 数据 5 十p i ：i 信号 f p g a - 百兆以太 网 一 一6 2 5 m b n l 配置信号j c p l d u i i cm n 掌 喂狗信号 单盘控制器 o 复位信号一 图2 6 音频数据混合盘硬件结构图 音频数据混合盘主要芯片包括： 电源部分：为保持系统一致性，也方便后期调试和修改，芯片采用与视频 盘一样的芯片，只是电源的分配做了一些变化，因为音频和数据接口的插件需 要一个5 v 的供电，这里采用1 2 v 的直流电源经过电阻分压得到。下面对各部分 采用的芯片做一个简单介绍。 f p g a 芯片：采用x i l i n x 公司s p a r t a n 3 e 系列的5 0 0 e 。此芯片包括5 0 万门， 1 0 4 7 6 个逻辑单元、4 个独立的时钟管理器( d c m ) 。 p h y 芯片：采用百兆以太网芯片r t l 8 2 0 1 b l 。 c p l d ：完成系统配置和指示灯点灯的任务。采用e p m 2 4 0 ，包括识别r j 4 5 指示灯，百兆、十兆链接指示。基板识别，通过上拉下拉电阻的焊接选择配置 基板信息。让单盘管理模块能正确的对基板进行配置和管理，焊接时这些电阻 应该整齐排列好，易于选择识别。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 f l a s h ：串行接口f l a s h 存储器，它结合了r o m 和r a m 的特点，不仅 具备电子可擦除可编程功能、断电不会丢失数据，而且能快速读取数据，这里 跟f p g a 芯片连接，起到存储程序的功能，采用a t 4 5 d b 0 4 1 d 。 s d r a m ：采用w 9 8 6 4 g 2 g h ，由3 3 v 供电，对地采用多点接地技术，将v s s q 和v s s 分开接地，与f p g a 相连的地址为3 2 位，数据传输为1 1 位。 2 2 3 单盘控制器硬件设计 为了保证网管信号能统一管理视频、音频、数据、交换等信号，本系统采 用一块带p o w e r p c 4 0 5 处理器的单盘来做网管信号的控制。也就是前面提到过的 单盘控制器。 单盘控制器是一种独立的嵌入式计算平台，通过双排8 0 芯插针连接到功能 盘，从而构成完整的嵌入式硬件系统【1 5 】。由于此单盘是要扣在功能盘上的，所 以对于电路板的尺寸尽量考虑小型化。 单盘控制器系统除了完成功能盘的配置管理功能外，还必须完成百兆以太 网业务的数据通信功能。单盘控制器结构图如下图2 7 所示： c 8 路视 舡 l 一 医 u 豳i 孙 图2 7 单盘控制器结构图 p p c 4 0 5 e p ：本单盘控制器的处理器采用a m c c 公司的p o w c r p c4 0 5 e p ，这 是一个3 2 位r i s c 处理器。它支持高达3 3 3 m h z 的速率。而且可以提供丰富的 功能组合，比如，两个以太网m a c 、一个p c i 接口、一个s d r a m 控制器以及 其它外设。 1 5 雾 麓二髓 受一 武汉理工大学硕士学位论文 复位芯片：采用美信公司的手动复位芯片m a x 8 11 ； a d c 芯片：采用a d i 公司的a d v 7 8 1 0 ，进行模拟数字变换； n o rf l a s h ：n o rf l a s h 是现在市场上两种主要非易失闪存技术之一，n o r f l a s h 具有芯片内执行的特点，这样应用程序可以直接在f l a s h 闪存内运行，不 必把代码独到系统r a m 中去，n o r 的传输效率很高，在1 - 4 m 的小容量时具 有很高的成本效益，但是它的写入和擦除速度很低。 2 3 本章小结 本章首先从高速公路视频监控系统总体方面入手，全面讲述本视频监控系 统的总体结构及硬件组成，然后分三个小节讲述了三个重点单盘的硬件结构设 计及主要芯片选型。视频编解码盘由视频编码单盘视频解码单盘加一个单盘控 制器组成，音频数据混合盘由音频视频单盘加一个单盘控制器组成，这样可以 使各单盘能有效的与同一网管进行通信。网管能即时的知道当前单盘的运行情 况。单盘也能对网管做出的指示做出相应的判断和指示。 1 6 武汉理t 大学硕士学位论文 3 视频编解码盘逻辑方案设计 视频编解码盘在视频监控系统中起到举足轻重的作用，主要实现基于千兆 以太网视频数据的采集、交换、传输，并同时为网管和音频信号提供通路【l 6 | 。 视频编解码盘分为发送端和接收端两个部分，在发送端，视频信号经过a d 转换 后，由a d 芯片将模拟视频信号转换为b t 6 5 6 格式的数字信号，经过主逻辑芯 片f p g a 处理后，将数字信号中的水平消隐和垂直消隐删除，然后将视频图像 大小转换为本设计所需要的7 0 4 x 5 7 0 大小，并按照4 ：2 ：0 的格式进行压缩， 并依据一定的格式将数据封装为标准以太网数据包，然后通过千兆以太网的 g m i i ( 干兆以太网媒体独立接口) 接口，传送到千兆以太网的p h y ( 物理层) 接口来实现非压缩数据的以太网传输。这里，主逻辑芯片还要同时完成双向网 管信号、双向音频信号的传输、与单盘控制器的连接【1 7 1 。 在接收端，需要实现以太网数据的接收、视频信号的还原，同时主逻辑芯 片还要完成双向数据、音频信号的传输，网管信号的处理【l 引。 3