2018年02月03日 | 基于AT91RM9200的嵌入式网络摄像机分析

前 言

     随着通信技术和网络技术的迅猛发展，通过网络远程实时监控重要场所已倍受人们关注，网络摄像机在此背景下产生，并成为人们关注的焦点。网络摄像机要将高清晰度的实时视频信息通过互联网传送到监控终端，因其信息量巨大，所以必须压缩。通常人们采用DSP与MPEG-4算法相结合的方案来实现，不仅编程工作量大，而且产品的成本高。本文所介绍的网络摄像机采用专用的MPEG-4压缩芯片、以嵌入式Linux作为操作系统，不仅开发便捷、成本低廉，而且实时性好，适用范围广。

2. 系统总体设计
系统总体设计包括硬件设计和软件设计两部分。硬件设计模块主要包括微控制器模块、压缩编码模块、网络接口模块和相机控制模块四部分。微控制器模块主要由主控芯片、DataFlash和SDRAM(1)组成。其中，主控芯片是整个控制系统的核心，它负责整个系统的调度工作。DataFlash里固化了嵌入式Linux内核、及其文件系统、应用软件和系统配置文件。SDRAM(1)作为内存供系统运行使用。压缩编码模块由视频数据采集芯片、MPEG-4压缩编码芯片、SDRAM(2)组成，负责将视频流转化为MPEG-4码流。网络接口模块主要是配合主控芯片传送MPEG-4码流。相机的控制模块主要由串口芯片组成，其完成转发控制相机命令的功能。当系统启动时，微控制器通SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）将Linux内核转入SDRAM（1）中，系统从SDRAM（1）中启动。系统启动后，微控制器通过HPI(Host Peripherial Interface, 主机接口)控制MPEG-4编码模块。统结构如图1所示。

图1 系统结构框图
软件设计部分主要包括嵌入式Linux移植、MPEG-4压缩编码模块、CGI控制程序和MPEG-4解码程序四部分。嵌入式Linux系统存放到由AT91RM9200控制的DataFlash里,它负责整个系统软件的调度工作。MPEG-4压缩编码模块主要负责模拟视频流的采集，并将数字视频流压缩为MPEG-4数据流。CGI控制程序主要负责对摄像机的控制和对MPEG-4视频流的相关设置。MPEG-4解码程序主要负责对通过网络得到的MPEG-4数据流的解码工作。
3. 硬件设计
3.1微控制器模块
微控制器是本系统的核心部件，选用的是ATMEL公司的AT91RM9200。它是一款基于ARM920T核的32位微控制器。其主频为180MHz，处理速度快，功能强，性价比高，能很好满足嵌入式Linux系统的需求。它在系统中的主要作用是在系统上电时配置其他芯片的功能寄存器，在正常工作状态下调度控制整个系统工作，通过片内以太网控制器控制物理层芯片发送码流。
    AT91RM9200通过片内的SPI总线和SDRAM控制器实现对外围DataFlash和SDRAM的控制，利用片内的USART实现对串口芯片的控制，通过片内的以太网控制器对片外网络芯片进行控制。其控制原理图如图2所示。

图2 控制原理图
3.2压缩编码模块
压缩编码模块包括模拟视频采集模块和MPEG-4压缩模块。视频采集芯片采用TI公司的TVP5150，数据压缩芯片采用映佳公司的MPG440。TVP5150输入端可是两种混合视频信号也可是S-Video端子的视频信号，支持NTSC、PAL、SECAM等3种制式，其输出的数据色彩格式可以为8bit 4：2：2数字信号或者8bit同步ITU-R BT.656数字信号。MPG440芯片具有符合工业标准的16b/32b的双向主机接口,分别用来与视频采集芯片和微控制器芯片通信。同时，具有移动侦测、防伪水印、动态调整IP画格比率、动态调整图像质量等特性，支持D1、VGA、CIF、QVGA、QCI等五种分辨率模式。微控制器通过主机接口实现MPG440的初始配置，也由此接收MPEG-4码流。压缩编码模块的硬件设计原理如图3所示。

    TVP5150 的AI 模拟输入口与模拟摄像头输出端连接, 向视频处理芯片传送模拟视频信号。模拟信号经过采样处理之后通过YOUT0～YOUT7 引脚送到MPG440, 采样数据在PCLK 的上升沿有效, MPG440的VIDEO_CLK 在收到PCLK 的上升沿时获得YOUT的信号。TVP5150 分场同步脉冲和行同步脉冲, 分别对应其输出端VSYNC、HSYNC。MPG440 正是根据与之相连的VSYNC 和HSYNC 信号线来实现图像的场同步和行同步操作。MPG440 的视频输入数据线DATA_TV0 ～DATA_TV7 与TVP5150 的YOUT0 ～YOUT7 相连。MPG440 在接收数据的同时, 将其得到的数据流传送给MPEG- 4 压缩编码单元, 编码后的MPEG- 4 数据流暂存到SDRAM(2)中。MPG440 片内PDMA 控制器根据配置寄存器的设置准确发起对SDRAM(2)访问, 同时将得到的数据流输送往HPI(主机总线接口,Host Peripherial Interface) , 以等待AT91RM9200 通过DMA 通道将数据发送到网络。

    MPG440 通过HPI 与AT91RM9200 通信,AT91RM9200 将MPG440 的寄存器、存储空间等资源作为其本身内存寻址访问。MPG440 由AT91RM9200选通线NCS4 来选通, 其在AT91RM9200 寻址空间中的地址段为0X50000000 到0X5FFFFFFF。通过对MPG440 一系列寄存器的设置, 可以访问MPG440 系统存储空间。MPG440 中断信号RSC_INT0 从通用I/O引脚的PB29 输入, 当缓冲器填满时, RSC_INT0 引脚置低提示AT91RM9200 通过DMA 通道提取MPEG- 4数据流。编码后视频数据读取过程和MPG440 与主机通信过程由AT91RM9200 读信号CFRD 和写信号CFWE 控制。

    网络模块

   网络模块硬件设计原理如图4 所示。

    AT91RM9200 的在片以太网卡端口和网络物理层芯片DM9161E 的MII 接口通信。发送数据时, 首先置发送使能信号ETXEN 有效。数据发送端ETX0～ETX1与DM9161 的ETXO～ETX1 引脚对应连接, 作为数据发送通道, 以DM9161E 的时钟信号REF_CLK 发送数据。数据接收端ERX 0～ERX1 与DM9161E 的RXDO～RXD1 引脚对应连接, 作为数据接收通道。管理时钟信号EMDC 和管理数据输入输出信号EMDIO 用来芯片控制参数的写入和读取。DM9161E 的MDINTR 端用来产生中断信号。

    片内以太网卡通过DMA 通道进行数据的发送,不影响AT91RM9200 的正常运行。首先正确设置传送控制寄存器和传送地址寄存器的传送数据块字节数、数据块存储首地址等参数, 随后依次从指定数据存储区地址读取1024b 数据, 送入内部发送缓冲器中, 由MAC 对数据进行封装发送, 同时记录已传送字节数,直到数据块发送完毕。当发送完一组数据后, 发出DMA中断请求, 由AT91RM9200 进行相应的处理。整个网络子系统电路由AT91RM9200 控制和调度。

    软件设计

    嵌入式Linux 系统主要由四个部分组成: 引导内核启动的文件( bootloader) 、Linux 内核文件( kernel) 、虚拟磁盘文件( ramdisk) 、用户空间文件( user) 。它们分别被放在DataFlash 内的四个分区模块中。根据不同模块的具体功能采用不同的文件系统: bootloader、kernel、ramdisk, 移植完成后不需要动态改变, 使用较节省空间的ROMFS 只读文件系统user 模块内放置一些可以动态更新的配置文件等, 需要进行较多的读写操作, 所以使用支持动态擦写保存的JFFS2 文件系统。

    Linux 移植技术已经成熟, 本文不作详细的阐述。下文主要介绍MPEG- 4 压缩编码模块和CGI 模块的程序设计。

    MPEG- 4 压缩编码模块程序设计

    该模块主要完成MPG440 和TI5150 相关寄存器的配置, 并保证MPEG- 4 码流的正常输出。当嵌入式Linux系统启动后,首先配置MPG440 的相关寄存器, 其初始化完成后, 通过I2C总线对TVP5150 进行初始化配置。当系统开始压缩编码时,MPEG- 4 码流接收存储程序由MPEG- 440 的数据流缓冲器标志信号控制。当1024b 缓冲器满时, RISC_INT0 置于低电平, 微控制器通过DMA通道从MPG440 的HPI 口将码流送到PC 机端。MPEG-4 压缩编码模块程序流程如图4 所示。

    CGI 程序模块设计

    CGI(Common Gateway Interface) 是外部扩展应用程序与WWW 服务器交互的一个标准接口。本系统CGI 的工作过程: 在PC 机端的IE 浏览器中输入网络摄像机IP 地址, 嵌入式网络服务器根据请求, 将相应的控制页面反馈给IE 浏览器, 用户填写表单, 然后提交, CGI 程序提取表单的信息, 根据不同信息来分别处理相应的事件, 如调节MPEG- 4 相关属性、相机的相关操作等。CGI 控制原理如图5 所示。

    CGI 模块的设计主要包括三部分: 嵌入式web 服务器的配置、html 页面的编写、CGI 程序的设计。

    嵌入式web 服务器采用的是APAChe, 其配置是以配置文件的形式提供, 放在Ramdisk 中/etc/httpd/conf/目录下。其配置主要涉及以下三个方面:

    ①配置根文件的路径:“DocumentRoot /home/httpd/html”, html 页面必须放到此目录下。

    ②配置CGI 外部程序所放的路径:“ScriptAlias /cgi- bin/ home/httpd/cgi- bin/”。

    ③配置环境变量:“SetEenv D_LIBRARY_PATH=/lib:/usr/LOCal/lib:/usr/lib”, 该变量将会被传送到CGI 脚本和SSI 页面, 以保证CGI 程序能正确找到所依赖的库。

    网页编写采用html 与shtml 相结合的方式。html 的解析速度较快, shtml 可以在普通网页中嵌入外部CGI程序, 通过这种方式将系统的默认配置反馈给客户端。

    CGI 程序采用的是C 语言和shell 脚本相结合的方式, 具体编写过程, 与通常的了Linux 下编程相同。限于篇幅, 不再赘述。

    MPEG- 4 解码程序

    映佳科技已提供供二次开发的MPEG- 4 解码插件OCX, OCX 在PC 机端注册后, OCX 函数可方便地被网页调用, 从而实现在PC 机端观看实时图像。

    总结

    本文介绍了一种利用AT91RM9200、TVP5150,MPG440 和DM9161E 等芯片设计的嵌入式网络摄像机。经测试, 该系统稳定、可靠、实时性好、图像质量出色。该产品可广泛应用于交通监控和工业监控以及家庭监控、视频会议话等众多领域。