2021年01月12日 | 基于ARM和以太网供电的网络摄像机设计

引言

本文提出了一种基于ARM和POE的嵌入式系统的网络摄像机设计方案。该方案以AT91RM9200处理器及其外围模块作为硬件平台，以嵌入式Linux作为操作系统，构成整个系统。该系统应用以太网供电，实现网络摄像机的功能，不必提供专门供电线路，这种设计实现的网络摄像机是一个创新。同时，随着网络技术的高速发展，该设计将具有极好的市场应用前景。

1 系统的结构

整个系统由AT91RM9200处理器、CMOS传感器、音频采集系统、以太网供电系统和以太网数据通信等几部分组成。首先，通过CMOS传感器镜头采集图像，同时还可以进行音频采集，经过AT91RM9200处理器处理，整个过程通过网络进行数据传输，通过网络进行供电，从而实现以太网供电的网络摄像机系统功能。

2 系统的硬件设计

2.1 AT91RM9200相关设计

AT91RM9200嵌入ARM920T ARM Thumb处理器核，工作于180 MHz时，性能高达200 MIPS，存储器管理单元SRAM为16K，ROM为128K。AT91RM 9200集成了许多标准接口，包括USB 2.0全速主机和设备端口、多数外设和在网络层广泛使用10/100 Base-T以太网媒体访问控制器(MAC)。此外，它还提供一系列符合工业标准的外设，可在音频、电信、Flash卡红外线及智能卡中使用。

独立的媒体接口(MII)或简化的独立媒体接口(RMII)，对于接收与发送有集成的28字节FIFO及专用的DMA通道。自动协议控制及快速自动数据传输与MMC及SD存储器卡兼容，支持两个SD存储器、32位的高速数据流传输，系统的硬件结构如图1所示。

AT91RM9200作为系统的CPU，采用MT9D131作图像采集传感器。MT9D131是CMOS传感器，拥有200万像素图像传感器芯片，因为其较好的性能，广泛应用于监控行业。捕获麦克风的音频信号，通过WM8731进行处理，WM8731是一款带有集成耳机驱动器的低功耗、高质量音频编码/解码器，专为便携数字音频应用而设计。该器件可以提供CD音质的音频录音和回放，为16Ω的负载提供50 mW的输出功率。此外，AT91RM9200具有丰富的外设及I/O，这对将来的系统升级也提供了很大的便利。

2.2 POE电源设计

2.2.1 POE供电的工作过程

首先，PSE设备在端口输出很小的电压，直到其检测到线缆终端的连接为一个支持IEEE802.3af标准的受电端设备。当检测到受电端设备PD之后，PSE设备可能会为PD设备进行分类，并且评估此PD设备所需的功率损耗。

POE技术允许在现有的五类线、超五类线和六类线网络上安全可靠地传输功率高达15 W的48 V电源，特别适合于通信方面的应用。它可以为13 W(在被供电设备测量)范围内的IP电话、WLAN接入点、网络摄像机和其他各类网络终端供电。POE供电原理图如图2所示。

2.2.2 以太网供电控制器LTC4269

凌力尔特公司(Linear Technology)推出IEEE802.3af以太网供电(POE)控制器LTC4269，它具有一个集成开关稳压器，极大简化了受电设备(PD)设计。LTC4269增强了传统POE功能。

用户可以配置一个代表PD功率分级的分级负载电流，一个坚固100V热捅拔MOSFET，在检测和分级时隔离以太网供电接口DC/DC转换器，同时提供1 00 mA浪涌电流，当采用任何PSE时能顺利地加电过渡。

3 系统的软件设计

软件系统组成包括系统引导程序Bootloader、嵌入式操作系统以及上层应用程序。大多数Bootloader都包含两种不同的操作模式：启动加载和下载。启动加载模式也称为自主模式，即Bootloader将操作系统从目标机上的存储设备加载到RAM中运行，整个过程并没有用户的介入。下载模式下，目标机上的Bootloader将通过串口连接或网络连接等通信手段从主机(Host)下载文件。

软件系统还包括网络摄像机关键的TCP/IP、UDP协议库。应用软件包括完成文件系统管理、网络服务、邮件发送、文件传送、侦测报警等。网络服务程序把语音、图像发送到网络的某个端口，以供其他网络设备来访问。

U—Boot移植过程：U—Boot的源代码可以到官方网站下载。在Linux里安装交叉编译器，编译代码，生成U—Boot.bin文件。启动后显示。代码如下：

DRAM Configuration：

Bank#0：20000000 16 MB

Flash：16 MB

In：serial

Out：serial

Err：serial

Hit any key to st op autoboot：0

K9Uboot>

结语

本文介绍了以AT91RM9200处理器为核心的网络摄像机的设计与实现，网络供电模块LTC4269增强了传统POE功能的DC/DC控制器。CMOS传感器MT9D131实现图像的采集，其强大的图像采集能力，保证了动态图像的清晰可靠。

音频编码解码器WM8731可以实现摄像机音频的采集。目前AT91RM9200在音频/视频、语音和多媒体等消费电子等领域有着广泛的应用。因此，该系统具有很好的应用前景。