（计算机应用技术专业论文）嵌入式网络视频监控服务器的研究与改进.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术、网络技术和嵌入式技术的飞速发展，数字化、网 络化和智能化成为视频监控技术的发展方向。目前，系统嵌入式网络视 频监控技术己广泛的应用于并应用于公安、电信、金融、城管、交通、 安防、水利、石化、矿山等行业，已成为衡量城市信息化建设的基本尺 度。 虽然，网络视频监控技术不断推陈出新，但始终有些因素制约其发 展，如人类自身的弱点和技术的缺陷。这些因素导致各类视频监控系统 多多少少存在画面延时大、图像连续性差、画质模糊、录像数据查询不 精确等缺陷，大大降低了系统的安全性和实用性。 本文以某公司d s 一3 0 0 1 h s 嵌入式网络视频监控服务器为基础，通过 对其软硬件的分析和研究，提出合理的改进方案，最终实现该改进方案。 首先简要介绍了视频监控技术的发展历史、应用领域、技术特点和发展 方向以及相关技术；随后阐述了d s 3 0 0 l h s 嵌入式网络视频监控服务器 的工作原理，并分析了d s 一3 0 0 l h s 硬件平台。然后根据硬件平台的结构， 提出合理化解决方案，改进并配置了d s 。3 0 0 1 h s 系统平台，同时对微处 理器的引导代码做了分析。然后对改进成果进行实际测试，提高了该监 控服务器的性能。 关键词：嵌入式系统；网络视频；监控服务器 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t h c o m p u t e rt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g y a n dt h e r a p i d d e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g y , d i g i t i z a t i o n ，n e t w o r k i n ga n di n t e l l i g e n t v i d e os u r v e i l l a n c et e c h n o l o g yh a sb e c o m et h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n a t p r e s e n t ，t h es y s t e mo fe m b e d d e dn e t w o r kv i d e os u r v e i l l a n c et e c h n o l o g yh a s b e e nw i d e l yu s e da n da p p l i e dt op u b l i cs e c u r i t y , t e l e c o m m u n i c a t i o n s ，f i n a n c e ， u r b a nm a n a g e m e n t ，t r a n s p o r t ，s e c u r i t y , w a t e r , p e t r o c h e m i c a l ，m i n i n ga n d o t h e ri n d u s t r i e s ，h a sb e c o m et h em e a s u r eo nc i t yi n f o r m a t i z a t i o ni nt h eb a s i c s c a l ec o n s t r u c t i o n a l t h o u g h ，t h en e t w o r kc o n t i n u e st oi n t r o d u c en e wv i d e os u r v e i l l a n c e t e c h n o l o g i e s ，b u ti t sd e v e l o p m e n ta n ds o m ef a c t o r s ，s u c h a sh u m a na n d t e c h n i c a lw e a k n e s s e so ft h e i ro w nd e f i c i e n c i e s t h e s ef a c t o r sl e a dt ov a r i o u s t y p e so f v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m se x i s tm o r eo rl e s sd e l a yb i gs c r e e n ，i m a g e c o n t i n u i t yo ft h ep o o rq u a l i t yo ff u z z y , i m p r e c i s e ，s u c ha sv i d e od a t aq u e r y d e f e c t ss i g n i f i c a n t l yr e d u c es y s t e ms a f e t ya n dp r a c t i c a l i t y t h i sa r t i c l eb r i e f l yi n t r o d u c e dt h ef i r s tv i d e os u r v e i l l a n c et e c h n o l o g yi n t h eh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o n s ，t e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e d i r e c t i o no f d e v e l o p m e n t a n dr e l a t e d t e c h n o l o g i e s ；t h e ne x p o u n d e d d s 3 0 01h se m b e d d e dn e t w o r kv i d e os u r v e i l l a n c es e r v e ro p e r a t i n gp r i n c i p l e a n da n a l y s i so fd s 一3 0 0 1h sa st h eh a r d w a r ep l a t f o r m h a r d w a r ep l a t f o r m b a s e do nt h es t r u c t u r e ，t h er a t i o n a l i z a t i o no fs o l u t i o n st oi m p r o v ea n d c o n f i g u r e dd s 一3 0 0 1h ss y s t e mp l a t f o r m ，t h em i c r o p r o c e s s o ra tt h es a m et i m e d og u i d e dt h ea n a l y s i sc o d e a n dt h e nt h ea c t u a lt e s tr e s u l t st oi m p r o v ea n d e n h a n c et h em o n i t o r i n go fs e r v e rp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m s ；n e t w o r kv i d e o ；s u r v e i l l a n c es e r v e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：狰鸱 学位论文版权使用授权书 母毛月3 日 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定，即： 我校有权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。本人授权武汉工程大学研究生处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、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密0 ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密也 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：磊象而岛 岬年6 矽日 指导教师签名： 伊3 日 第1 章绪论 第1 章绪论 本章节简要介绍了视频监控系统的发展史、应用领域、技术特点和 发展方向以及相关技术。 1 1 视频监控技术的发展 视频监控技术的发展大体分为三个阶段，即模拟信号视频监控阶段、 数模混合信号视频监控阶段和数字化网络视频监控阶段。 随着计算机技术和网络技术的深入发展，视频监控系统应用非常广 泛，例如公安系统的“平安城市 、“数字交通 、“警务通”等系统工程，电 信行业的“全球眼”、“宝宝在线 、“小神童 等产品，金融行业的营业厅监 控系统、自动取款机监控系统等，体育部门的“数字裁判”等、交通部门 的“信号灯监控 、“雷达测速”等，城管部门的“城管e 通”等，水利行业的 “堤防监控 、“航道监控”等，电力、石化、矿山行业的“安全生产”等，安 防行业的“智能大厦”、“智能小区”等【l 】。 1 1 1 模拟信号视频监控系统 上世纪9 0 年代以前的第一代视频监控系统，主要是以视频矩阵为代 表的模拟视频监控系统。这种系统多由监视器、模拟摄像机、终端显示 设备、磁带录像机、视频矩阵机等组成，利用2 5 d 5 0 d 7 5 f 2 的同轴电缆 将来自监视器或模拟摄像机的视频信号传输到终端显示设备上，利用视 频矩阵主机与键盘进行切换和控制，采用磁带机进行录像保存视频信号。 由于技术上的限制，第一代视频监控系统在应用上有不可克服的局 限性，主要表现在： 1 传输距离对模拟信号的影响非常大，常限于局部区域监控或小区 域监控范围内使用； 武汉j 1 ：程大学硕1 ：学位论文 2 模拟视频监控无法进行大规模组网，只能依靠视频矩阵，以 p 2 p ( 甚 j 点对点) 的连接方式对现场进行监控，使得走线过程繁琐， 耗费了过多的同轴电缆，对资源是一种极大的浪费； 3 模拟视频信号的存储未经过压缩，数据量非常大，耗费了大量磁 带资源，同时数据的存储没有数据库技术作为支撑，造成了查询 和调取的过程极为复杂【3 j 。 1 1 2 数模混合信号视频监控系统 数模混合信号视频监控系统出现在上世纪9 0 年代中期，该系统基于 多媒体计算机的高速处理能力进行视频信号的采集和处理，极大提高了 成像质量，增强了视频监控系统的功能，扩展了其应用范围，因而被广 泛应用到实际的工程项目中，尤其是在大、中型视频监控工程中的应用 最为典型。 伴随着计算机技术的不断发展，数模混合信号视频监控系统在功能、 性能、稳定性、架构等方面较上一代的视频监控系统发生了质的飞跃， 开始实现了简单化组网，提供较为友好的人机对话窗口等功能，并在接 口标准上表现出了一体化的趋势。尽管如此，这一代的视频监控系统仍 然有其使用上的局限性，主要表现在： 1 视频信号的传输仍以模拟信号为主，处理方式没有太大的突破。 2 由于只实现了简单化的组网，系统只能采用单向、简单汇聚的方 式从网络采集信息，并且信息的传输介质和存储媒体还无法共 ：l 早。 3 扩展能力不强，还无法实现与其他系统，例如报警系统进行联动 工作，因而对紧急事件响应的实时性还比较差。 针对上述情况，视频监控系统要满足更高的要求，数字化、网络化 是必然的发展趋势 4 1 ，因此，进入了第三代视频监控系统一数字化网络视 频监控系统的发展阶段。 第1 章绪论 1 1 3 数字化网络视频监控系统 2 l 世纪至今，随着计算机技术和网络技术特别是流媒体技术的发展， 全数字化的网络视频监控系统诞生了。这一代的视频监控系统以网络技 术为基础，进行视频信号的编码解码和传输；以数据库技术为核心，进 行信息的磁盘存储和查询。 网络技术为社会生活带来的深刻变革有目共睹，它为我们提供了一 个便捷的资源共享和资源交互平台。特别是近几年，随着计算机性能的 急速增长，大容量存储设备的出现，尤其是网络带宽的扩增，使得网络 视频监控技术进入了一个全新的阶段，它摆脱了传统的视频监控系统所 采用的“星形网络拓扑结构、同轴电缆传输、视频矩阵切换、监视器显示、 磁带存储”的模式，以网络技术为基础，以视频压缩编码解码技术为依托， 以嵌入式软硬件技术和数据库技术为核心，实现了高稳定性、高实时性、 高性价比、易扩展性、易实现性的网络化的视频监控系统。 模拟和数字监控系统的优势比较，见表1 1 。 表1 1 数模监控系统的对比【3 】 模拟视频监控系统数字视频监控系统 由摄像机、视频矩阵、监视器、等用计算机完成全部采集、存储、控制 系统配置 组成。设备连接复杂、可靠性低和传输功能，设备简洁、可靠性高 录像带使用及耗资巨大，成本高，大容量硬盘自动循环存储，成木低， 存储介质 保存时间短，不便于携带并可用光盘形式保存 采用h 2 6 x 等标准压缩编码，高清晰 录像质量 分辨率较低 显示，分辨率高 多画面显示需要专用设备，如多画面分割器可利用计算机显示1 到1 6 等多窗口 录像内容录制大量无用信息有情况录、无情况不录 回放录像带顺序回放可单帧回放和连续回放 检索主要靠人工检索可根据关键字进行检索 编辑修复和编辑复杂可以对每一帧画面进行多种处理 访问记录 没有访问日志自动记录访问日志 警报系统只能录制报警后的内容可设置多路报警信号输入 管理 需多人值守可实现无人值守 远程传输传输距离有限可以通过互联网等实现远程监控 增设副控中心耗费较大人力物力只需相应设备并连上网络即可 系统升级需更换重要的大型设备只需更换软件和小部分硬件 武汉ji ：科大学硕士学侮论文 1 2 数字化网络视频监控系统的研究现状 计算机技术和网络技术的发展是视频监控系统发展的动力。近几年， 与视频监控技术相关的视频压缩编码解码技术、流媒体技术和网络技术 都有了长足的进步。先进的视频压缩编码解码技术算法使得能够在改善 视频信号成像质量的同时，大幅减少图像文件的数据量，从而提高了图 像文件在网络传输中的流畅性；而网络技术的发展增强了视频监控系统 的扩展性，真正达到与多个系统同步联动工作，及时响应突发事件，提 高了整个系统的实时性。 目前数字化网络视频监控技术的研究前沿，主要集中在基于网络的 嵌入式网络视频服务器和数字监控录像系统这两种视频监控系统。 1 2 1 数字监控录像系统 数字监控录像系统是目前应用比较多，技术也比较成熟的一种监控 系统，它的优越性主要表现在： 1 数字监控录像系统实现了在终端视频控制设备中集成模拟视频 矩阵、硬盘录像机、图像分屏器、图像切换器等众多功能部件， 从而简化了整个系统的设计。 2 数字监控录像系统利用了网络通信技术进行视频信号的采集、处 理和传输，实现了视频信号的无距离限制、高稳定性、高实时性 传输。 3 数字监控录像系统使用海量磁盘阵列进行数据存储，并采用大容 量的d v d 光盘作为数据备份和移动存储介质，提高了存储速率， 降低了存储成本；同时数据库技术的应用也极大提高了信息查询 和进行数据编辑的效率。 然而，数字录像监控系统也有一些缺陷，主要表现在： 1 整个系统庞大而复杂，成本偏高，中小企业无法承受高额的成本 支出，并且很多现场环境无法满足体积庞大的数字录像监控系统 安装需求。 第1 章绪论 2 数字录像监控系统要求采用严格意义上的星形拓扑结构进行组 网，一旦主机出现问题，整个视频监控系统就完全陷入瘫痪，缺 少后续的应急措施方案。 目前，结合嵌入式系统相关技术应用到数字录像监控系统是该领域 发展的新方向。嵌入式系统是时下i t 技术应用的最新热点，已被广泛应 用到工业自动化、国防、运输、航空航天、电子消费等多个领域。采用 嵌入式技术的数字录像监控系统有以下主要优点【2 】： 1 为特定系统定制，系统性能高，运行速度快。 2 系统程序保存在固态存储设备( 如f l a s h ) 中，读写速度快，不易损 坏，稳定性好，且方便系统的升级与更新。 3 加入了文件系统的支持，适合管理大容量的视频数据。 但同时，我们也发现，嵌入式数字录像监控系统在市场上的机型还 比较少，而且存在对网络支持不够理想、音视频信号传输的同步性上有 差异等问题，整个系统综合性能有待改进与研究。 对于上述情况，嵌式入网络视频监控服务器领域成为了研究者关注 的焦点，同时也是视频监控系统当前研究的重点内容。 1 2 2 嵌入式网络视频监控服务器 嵌入式网络视频监控服务器内置w e b 服务器，并采用支持多任务管 理、实时性好的嵌入式操作系统( 如嵌入式l i n u x ) 。当摄像机采集的视频 信号经视频编码器编码后，形成特定数字流信息，再通过流媒体视频压 缩技术对编码后的视频信号进行压缩，然后通过内部总线( b u s ) 送到内 置的w e b 服务器。凡处在同一i p 网络段的用户均可以通过浏览器直接查 看监控视频图像，被授权的用户还可以获得对监控器的相关控制权，如 摄像机焦距控制、摄像机云台控制、摄像机镜头动作控制等，更高级的 用户甚至可以对整个网络视频监控系统进行系统级的配置。 基于嵌入式网络视频监控服务器的网络监控系统将w e b 服务器、视 频编解码芯片、视频压缩芯片、网络适配器等集成在一起，直接连入网 络，即插即看，既节省了连接电缆，又实现了安装操作方便简洁( 只需要 武汉j i = 程大学硕士学位论文 设置好i p 地址即可) ，扩展容易。终端用户无需安装任何其他的软、硬件 设备，只需打开浏览器，输入相关登陆信息，登录视频监控系统的w e b 服务器即可查看各监控点的实时监控图像。 较之其他视频监控系统，基于嵌入式视频服务器的监控系统有以下 优点： 1 实现范围广 嵌入式网络视频服务器监控系统的视频信号采用网络传输，传输距 离在1 0 0 米以内采用双绞线；传输距离在1 0 0 米以外采用多模或单模光 纤进行传输，避免了因距离过长而产生的信号衰减问题，因而可实现真 正的零距离覆盖，完全摆脱距离的束缚。 2 ：操控简单、组网灵活 视频服务器端的监控软件系统操作极为便捷，只需接入该网络，并 配置相应i p 地址即可。网络视频服务器的输出己完全数字化，并采用标 准i p v 4 、i p v 6 协议在网络上传输数据，支持跨网关、跨路由器、v p n 的远程视频加密传输。 3 强大的扩展能力 网络上每个终端用户设备对应一个i p 地址，系统容量的扩充体现为 i p 地址的扩充，对于i p v 6 协议而言，该扩充在理论上趋于无限，因此扩 展空间非常大。 4 性能稳定，维护成本低 嵌入式网络视频监控系统是专用的嵌入式系统，通过网络适配器直 接连入局域网或广域网中，即插即用，体积小，系统具有高稳定性、高 实时性、高可靠性，也无需专人管理，维护成本低廉。 1 3 数字化网络视频监控系统的发展方向 总结当今数字化网络视频监控的发展方向，我们大致可以看出如下 几个特点，既网络化、数字化、智能化【7 1 。 1 网络化 多层分级的结构是集散式系统的主要采用形式。系统的结构由集总 第1 章绪论 式向集散式系统转变是视频监控系统的网络化的具体体现。采用具有统 一标准、分层化特点的集散式网络监控系统，可使得整个系统设备的配 置更合理，并具有扩展性好、组网灵活、功能完善、处理高效、交互界 面友好以及安装、调试和维护简单，稳定性好等优点，同时，网络化在 某种程度上打破了网络视频监控系统在区域上的束缚，实现了整个网络 的资源交互与共享。 2 数字化 d s p 处理器的出现，使得网络视频监控系统全数字的实现由理论成 为了现实。数字化的网络视频监控系统，不仅实时性好，与多个协同系 统的联动工作的同步性也是以往的视频监控系统所无法比拟的。 3 智能化 智能化指网络视频监控系统的功能实现更加趋于简单和人性化，人 机交互界面友好，用户无需额外的投入，使用简单的浏览器登录功能， 便能实现视频切换、镜头焦距控制、实时抓拍、查询、定点定时轮询、 下载、云台控制、报警联动输入等操作，实现视频监控的管理智能化。 1 4 研究意义 0 8 年8 月，举世瞩目的北京奥运会的成功举办主要就得益于奥运安 防工作的有效实施。当时，北京奥组委启用了身份鉴别系统，采用全套 生物识别技术来确认每一个出入境人员的身份。对于有恐怖行为倾向的 恐怖分子、情绪不稳定人员、滋事闹事影响社会稳定的人员，摄像机根 据调用数据库资料进行自主识别，一旦确认，及时向网络报警中心报警， 并阻止他们进入奥运区；对于奥运场馆和奥运活动区域内各种活动，政 府能通过网络监控，掌握奥运活动区域内准确的人员管理情况，预估风 险，实现远程管理和控制，从而打造了平安北京、平安奥运f 9 】，成功举办 了一届在世界奥运史上具有重要影响力的奥运会，为我国赢得了荣誉， 增强了我国在世界上的形象。 由此，我们可以看到，网络视频监控技术在安防工作中所发挥的重 要作用，它为我们构建和谐社会提供了强有力的技术支撑。 武汉r 程人学硕十学位论文 此外，相对于国外厂商来说，目前我国的视频监控系统技术相对还 比较落后，因此，研究嵌入式网络视频监控服务器的相关技术，对于我 们赶超国外的研究应用水平，抢占安防领域市场也是具有重要战略意义 的【5 1 。 1 5 研究工作及本文的主要内容 本文所作的主要工作：( 以网络视频服务器d s 一3 0 0 l h s 为例。) 1 阐述了嵌入式网络视频监控服务器的原理，分析了以w 9 0 n 7 4 0 微处理器为核心的视频监控服务器的硬件平台。 2 构造实现了嵌入式u c l i n u x 操作系统。详细分析了u c l i n u x 的技 术特点，及嵌入式系统软件开发的相关问题，在此基础上，构造 实现了w 9 0 n 7 4 0 平台上的u c l i n u x 操作系统。并对w 9 0 n 7 4 0 的 b o o t l o a d e r 做了介绍。 3 分析嵌入式操作系统u c l i n u x 上的应用程序设计特点。 4 在对视频服务器软硬件结构分析的基础上，对视频服务器进行改 进，并设计实现【9 】。 本文分为以下六章：第一章是综述，本章首先简要介绍了视频监控 系统的发展史，随后对视频监控系统的研究应用现状、研究发展方向进 行了介绍，最后给出本文研究的主要内容及论文的组织结构。第二章从 嵌入式硬件和软件两个方面分析了嵌入式视频监控系统的技术特点。第 三章着重介绍了网络视频服务器d s 3 0 0 1 h s 系统的硬件结构。第四章首 先分析了u c l i n u x 操作系统的技术特点，随后构造实现了一个u c l i n u x 操 作系统内核，并对系统的引导模块b o o t l o a d e r 做了介绍。第五章分析了 嵌入式网络视频监控服务器实现的相关技术。第六章对现有视频服务器 的结构做了改进。第七章对前面的工作进行了总结，并对系统的改进提 出了一些办法。 第2 章嵌入式系统 第2 章嵌入式系统 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 技术是网络视频监控服务器技术的重 要组成部分。本章将从嵌入式系统软硬件技术两个方面进行相关阐述。 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统的应用与开发是当今i t 技术的最新热点，被广泛的应用 到诸如工业自动化、国防、运输、航空航天、消费电子等领域。可以说， 我们生活中的方方面面都可以看到嵌入式系统的影子，例如手机、打印 机、数码相机、数字摄像机、洗衣机、电视机、汽车甚至电饭锅，都是 嵌入式系统具体应用的典型实例【1 0 1 。 目前对嵌入式系统的定义多种多样，总结各种定义，我们可以得到 如下两种比较合理的认识： 从技术的角度来定义，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术 为基础，软硬件可裁减，符合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗的严格要求的专用计算机系统【1 1 1 。 从系统的角度来定义，嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软 件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统【1 2 1 ，如图2 1 所示。 图2 1 嵌入式系统的基本结构 武汉。门鼙火学硕t 学位论文 嵌入式系统是针对特定的应用领域和功能而开发设计的，因此，它 有别于一般的通用计算机系统，具有以下特点： 1 专用性强。嵌入式系统是针对特定需求、解决某一特定问题而 设计的小型计算机系统，其软硬件的设计非常有针对性。软件系 统需要根据系统需求和硬件系统的特点进行移植，即使是同一产 品系列中的不同型号，也要根据系统需求和硬件的差别( 哪怕是细 微的差别) 进行修改，不能盲目移植。同时，需求不同往往需要对 嵌入式软件系统进行较大更改。 2 专门的开发工具和环境。嵌入式系统的开发必须借助专业的开发 工具和环境才可进行。开发时常引入主机和目标机的概念，主机 是嵌入式系统开发的主体，用于操作系统和应用程序的编辑、编 译、调试；目标机则用于操作系统和应用程序的运行【b 】。 3 系统精简。嵌入式系统用于实现特定的功能，往往并不要求其过 于复杂，这样既可极大降低系统成本，同时也利于系统的稳定性 及安全性。 4 高实时性、高稳定性。嵌入式系统中，其操作系统和应用程序是 固化在固态存储设备中的，因而读写速度快，且系统代码不易损 坏提高了实时性和稳定性。 2 2 嵌入式处理器 近年来，随着大量先进的微处理器制造技术的发展，越来越多的嵌 入式系统使用专门的嵌入式处理器，而不再像早期的嵌入式系统开发那 样使用通用的处理器。这些嵌入式处理器是为完成特殊的应用而设计的 特殊目的的处理器。 一般可以将嵌入式处理器分成4 类f 1 4 】，即嵌入式片上系统( s y s t e mo n c h i p ，s o c ) 、嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o e e s s o r ，d s p ) 、嵌入 式微处理器( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 和嵌入式微控制器 ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 。 1 嵌入式片上片上系统s o c 第2 章嵌入式系统 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化及半导体工艺的迅速发展， 在一个硅片上实现一个更为复杂的系统，这就是s o c 。 各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和许多其他嵌 入式系统外设一样，成为v l s i 设计中的一种标准器件，用标准的v h d l 语言描述，存储在器件库中。用户只需定义其整个应用系统，仿真通过 后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品【1 4 】。这样除个别无法集成的 器件外，整个嵌入式系统大部分均可以集成到一块或几块芯片中去，系 统电路板将变得很简洁，对于减少体积和功耗，提高可靠性非常有利。 2 嵌入式d s p 处理器 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 是一种独特的微处理器，专门用于数 字信号处理。其工作原理是接收模拟信号进行数模转换( a d 转换) ，转 换成为数字信号，再通过算法对数字信号进行修改、删除、强化，并在 其他系统芯片中进行模数转换( d a 转换) ，将数字信号还原成初始的模 拟信号。它不仅实时运行速度快，远远超过通用微处理器，而且具有可 编程性，在数字化电子世界中占有重要地位。它的强大数据处理能力和 高运行速度，是最值得称道的两大特色( 1 4 1 。 3 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将嵌入 式微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母 版功能，这样可大幅减少系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊 要求，嵌入式微处理器一般在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面都 做了增强，具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优剧。 4 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集 成到一块芯片中。嵌入式微控制器以某种微处理器内核为核心，芯片内 部集成f l a s h 、r a m 、定时器计数器、a d 、d a 、总线逻辑、w a t c h d o g 、 i o 、串行口、脉宽调制输出等各种必要功能模块和外围部件。 与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大 减小，从而使功耗和成本下降，可靠性提高。微控制器目前是嵌入式系 武汉j l ：程人学硕士学位论文 统工业的主流【1 3 】。 2 3 嵌入式软件系统部分 嵌入式操作系统和嵌入式应用软件( 即针对特定目的完成某些特定 工作的软件) 构成嵌入式软件系统。嵌入式应用软件依赖于嵌入式操作 系统的存在而存在( 虽然现在也有不少没有操作系统支持而直接运行在目 标硬件环境上嵌入式应用程序，但这种模式越来越不适应嵌入式系统的 发展) ，嵌入式操作系统是整个系统中最基本的程序，它负责系统中全部 软硬资源的分配与回收、控制与协调等并发的活动；提供用户接口，使 用户获得良好的工作环境，为用户扩展新的系统功能提供软件平台u s 。 嵌入式操作系统分为实时操作系统和分时操作系统两类，我们以目 前在嵌入式系统开发中使用比较多的实时操作系统为例进行介绍。 在当前实际的嵌入式系统项目开发中，功能设计越来越复杂，系统 越来越庞大，这就迫切的要求我们在嵌入式系统中加入对实时操作系统 的支持，这是因为： 1 嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性 在控制系统中，出于安全方面的考虑，要求系统不能崩溃，而且还 要有自愈能力。这不仅要求在硬件设计方面提高的可靠性和抗干扰性， 而且也应在软件方面提高系统的抗干扰性，尽可能的减少安全漏洞和不 可靠的安全隐患u 5 。而在实时操作系统管理下的嵌入式系统，这种干扰 可能只是造成若干进程中的某一个被破坏，我们完全可以通过系统的监 控程序对其进行修复，如操作系统中的异常中断服务程序。 2 采用实时操作系统提高了开发效率，缩短了开发周期 在嵌入式实时操作系统环境下，开发一个复杂的应用程序，完全可 以按照软件工程的解耦原则将整个程序分解为多个任务模块，每个任务 模块的调试和修改几乎可以不影响其他模块。 3 嵌入式实时操作系统充分发挥了3 2 位c p u 的多任务潜力 本文实现的嵌入式网络视频监控服务器采用的就是一块3 2 位嵌入式 微处理器w 9 0 n 7 4 0 。3 2 位c p u 本来就是为运行多用户、多任务操作系 第2 章嵌入式系统 统设计的，特别是多任务实时操作系统。3 2 位c p u 采用利于提高系统稳 定性和可靠性的设计，使其更容易做到不崩溃。例如，c p u 运行状态分 为系统状态和用户状态，从而将系统堆栈和用户堆栈分开，保护实时内 核的运行状态，提高了系统的稳定性和可靠性。 2 3 1 常见的嵌入式操作系统 从2 0 世纪8 0 年代起，国际上就有一些i t 公司和组织开始进行商用 嵌入式操作系统的研发，这其中涌现出一些著名的嵌入式操作系统。例 如：l i n u x 、u c l i n u x 、w i n c e 、p a l m o s 、s y m b i a n 、e c o s 、u c o s i i 、v x w o r k s 、p s o s 、 n u c l e u s 、t h r e a d x 、r t e m s 、q n x 、i n t e g r i t y 、o s e 、ce x e c u t i v e 等。经过多 年发展，目前世界上已经有一大批十分成熟的实时嵌入式操作系统，包 括我们重点介绍的嵌入式l i n u x 1 7 1 。 2 3 2 嵌入式l i n u x 操作系统 l i n u x 诞生于1 9 9 1 年，由芬兰大学的一个名叫l i n u sb e n e d i e tt o r v a l d s 大学生发明的。 l i n u x 的发展历程： 1 1 9 9 1 年1 0 月，发布了l i n u x 的第一个版本o 0 2 版，是通过对 m i n i x 操作系统的改进，l i n u s 开发出了l i n u x 的原型，同时引起 了轩然大波。 2 19 9 3 年，遵从g p l ( g n ug e n e r a lp u b l i el i c e n s e ) 版权协议的l i n u x 的正式版本1 0 版发布。这是l i n u x 发展史上的一个里程碑。 3 1 9 9 4 年3 月1 4 日，l i n u x 的第一个正式商业版本1 o 版发布。随 后演变出r e d h a t 、s l a c k w a r e 、d e b i a n 等多种版本。许多公司在 l i n u x 上开发商业软件或把其它u n i x 平台上的软件移植到l i n u x 平台上。 4 1 9 9 8 年后，l i n u x 迅速在国内科研、教学机构流行开来。 5 1 9 9 9 年后相继出现了红旗l i n u x 、t u r b o l i n u x 、蓝点l i n u x 等简 1 3 武汉工程大学硕+ 学位论文 体中文版l i n u x 。 同时，嵌入式l i n u x 也逐渐成为目前操作系统领域的研究热点。所 谓的嵌入式l i n u x ( e m b e d d e dl i n u x ) ，是指对l i n u x 经过裁剪后，固化到 容量较小的存储器芯片或单片机系统中，应用于嵌入式系统的l i n u x 操 作系统。 传统商用的嵌入式操作系统受到l i n u x 带来的极大冲击，垄断地位 动摇。数字化、网络化和智能化是嵌入式系统的发展方向，要求整个系 统具有开放性、接口标准性、兼容性 2 4 1 。原来占主导地位的嵌入式操作 系统厂家的市场逐渐萎缩，l i n u x 操作系统逐渐取代传统嵌入式操作系 统，成为嵌入式操作系统的主导力量。 嵌入式l i n u x 较之其它的嵌入式操作系统，具有独特的优势： 1 l n i u x 开放性。内核源代码全部公开，无类似黑匣子的内容。 2 l i n u x 易剪裁性。各个领域的研发人员只需读懂源代码，即可按照 自己的需求，量身定做适合自己的l i n u x 操作系统。l i n u x 爱好者 自发组成l i n u x 技术联盟，成为广大用户的强大技术后盾。 3 l i n u x 综合性。内核小、功能强、高效性、稳定性、健壮性是l i n u x 独有的特点。 4 l i n u x 免费使用。这是与其他嵌入式操作系统最根本的区别。这样 能大大减少研发成本，也是l i n u x 能广泛商用的主要原因。 5 l i n u x 兼容性。能支持绝大多数c p u 芯片。无论是3 2 位还是6 4 位处理器、是r i s c 还是c i s c 、，l i n u x 都能很好的提供支持。 6 l i n u x 扩展性。有诸多系统扩展软件不断更新，使得用户得到强大 的系统功能。 7 l i n u x 便准化。遵循国际技术标准，可带动诸多厂商为之提供软硬 件支持。 8 l i n u x 强网络性。能支持几乎所有的国际标准网络协议【2 3 1 。 此外，在图像处理、文件管理及多任务支持等诸多方面，l i n u x 也有 着出色的表现，因此它不仅可以充当嵌入式系统的开发平台，其本身也 是嵌入式系统应用开发的很好的工具。 第3 章嵌入式网络视频监控服务器的硬件结构 第3 章嵌入式网络视频监控服务器的硬件结构 3 1 嵌入式网络视频监控服务器的原理 视频服务器，即监控服务器，是一种提供视频压缩和共享的设备。 那么嵌入式网络视频服务器，顾名思义，就是采用嵌入式结构设计，并 集成了以太网控制器的视频监控服务器，具有视频压缩编码、多路信号 源输入、以太网传输、w r e b 查询服务、远程控制等多种功能。 嵌入式网络视频监控系统可以直接网络适配器直接连入局域网或广 域网中，每台设备的i p 地址是它在网络中的唯一标识。同时，它具有即 插即用、体积小、高稳定性、高实时性、低能耗、无人值守、远程维护、 性价比高的特点，因此，在业界被广泛使用。 视频压缩模块、视频图像采集模块和通信控制模块是嵌入式网络视 频监控服务器的核心部件。图3 1 是嵌入式网络视频监控服务器的原理框 图。 群缪旷缓 l 酝r a ? 。；，甜 爹锶 黟警篱鲁l 1 鄹 秽j 觏镌 霹 ；镜i霉瞻拳 秀 ；薹 i ? 视i 头j ： ：光、回：9 j 。；就p：频 j 西彝斟硒面e 习 筝，簟 ；镌、 ；传i ，篓i i 压 缩一：| ： 尊毒7彩编壤i 如7 晦 酝r 以”袋 ：感? 最丛l s 矗翊廖改，太网：，习 ，黟：磊馘渊 良；，：，捌 勖一乙o 翻 图3 1 嵌入式网络视频监控服务器原理图 1 压缩模块是以某种压缩编码标准( 如h 2 6 3 、h 2 6 1 、j p e g 、 m p e g 2 、m p e g 一4 等) 将输入的视频信息压缩，然后再输出的功 能模块。 武汉l 群大学硕十学位论文 2 视频图像采集模块是将摄像机、拾音器等设备输入的模拟信号通 过a d 转换数字化的，然后输出的功能模块。 3 频服务器内部集成了网络服务器，采用具有实时性好、多任务处 理能力强大的u c l i n u x 操作系统。视频服务器将摄像机采集到的 模拟视频信号经a d 转换器数字化后，由高效的视音频压缩芯 片对采集、转换的数字信号进行压缩，经由系统总线传送至嵌入 式的网络服务器，再由网络服务器将视频信号封装成为i p 数据 包，传送至用户端。 此外，视频服务器中还嵌入了基于以太网的w e b 服务器，它为用户 提供视频共享、图像抓拍、视频下载、视频回放、摄像机控制、云台控 制、视频服务器控制等服务。 3 2 视频压缩编码模块设计 视频压缩模块以某种压缩编码标准( 如h 2 6 3 、h 2 6 1 、j p e g 、m p e g 2 、 m p e g 4 等) 对视频采集模块输出的视频数字信号压缩。 本文所研究的d s 一3 0 0 1 h s 嵌入式网络视频监控服务器，采用的是国 际电联的h 2 6 3 压缩编码标准。它采用的是w 9 9 6 9 9 芯片实现视频压缩 的。w 9 9 6 9 9 是具有高集成度、高性能、低能耗、低成本的芯片。 压缩芯片w 9 9 6 9 9 是由8 0 8 6c p u 内核，6 k b 的动态存储器和两个 1 6b i t 定时计数器组成，同时硬件支持驱动更新。此外，w 9 9 6 9 9 能把视 频信号显示在l c d 显示屏和c r t 显示屏上，并且w 9 9 6 9 9 压缩芯片的非 常稳定。 w 9 9 6 9 9 的基本工作原理： 1 当编码时，数字视频信号经小波变换和帧抽取、系数量化、游程 编码和h u f f m a n 编码，生成压缩后的数据流，w 9 9 6 9 9 就发出中 断请求信号，请求输出压缩数据比特流。 2 当解码时，视频压缩数据从主处理器接口输入，然后经过与编码 时的逆过程，数字视频接口输出标准的数字视频分量。 w 9 9 6 9 9 是由8 4 个数据寄存器( d r e g i s t e r ) 和多组状态、控制寄存 第3 章嵌入式网络视频监控服务器的硬件结构 器组成( c r e g i s t e r ) 。其中，数据寄存器映射是采用先进先出队列原则， 先用4 2 个d r e g i s t e r 读入视频数据，再用4 2 个d r e g i s t e r 存储经小波变 换后的图像压缩数据，以供其他算法进一步压缩。w 9 9 6 9 9 对c r e g i s t e r 进行统一编址，通过主机接口访问c r e g i s t e r 。其功能框图如图3 2 所示。 图3 2w 9 9 6 9 9 芯片工作原理图 w 9 9 6 9 9 主要接口：片选信号c s ( 通过译码器实现) 、两位地址线 ( a d r 0 、a d r l ) 、3 2 位数据总线( d o d 3 1 ) 、读写信号( i 、m 哏) 以及具体主机跟w 9 9 6 9 9 之间的握手信号。其硬件连接如图3 3 所示。 武汉_ l 程大学硕士学位论文 图3 3w 9 9 6 9 9 的硬件连接图 3 3 通信模块设计 国际电联h 2 6 3 编码标准机功能的核心是通信控制模块。它主要实 现对h 2 6 3 编码模块的网络控制功能。3 2 位a r m t d m i 核的微处理器 w 9 0 n 7 4 0 、l a t t i c ef p g a 是通信控制模块的主要组成部分。其原理图如 图3 4 所示。 1 8 第3 章嵌入式网络视频监控服务器的硬件结构 图3 4 通信模块原理图 w 9 0 n 7 4 0 中并没有为l a t t i c ef p g a 的连接设定接口。所以必须引入 连接器的概念，使得w 9 0 n 7 4 0 与l a t t i c ef p g a 相连。w 9 0 n 7 4 0 与l a t t i c e f p g a 的同步性是依赖l a t t i c ef p g a 为w 9 0 n 7 4 0 提供的复位引脚。这样 可以保证w 9 0 n 7 4 0 复位的同时，l a t t i c ef p g a 也能同步复位。 3 4t s 流采集设计 国际电联h 2 6 3 编码标准机功能系统中，系统复接分接，即视频信 息的复合分离过程，由视频的e s 流和辅助数据复接生成的用于实际传 输的标准信息流称为h 2 6 3 传送流t r a n s p o r t s t r e a m ，即t s 流。h 2 6 3 机功能系统将信息流分为：传送流t r a n s p o r t s t r e a m 和p r o g r a m s t r e a m ( 节 目流) 两种，用以区分不同的传输