单片机图像采集与网络传输

1.引言
    随着网络技术的发展和网络应用的普及，如何充分利用网络资源来实现低成本、高可靠的远程视频监控，已成为一个技术热点。本文介绍一个用单片机与图像采集模块接口，嵌入TCP/IP协议栈，制作“网络摄像头”的方法。本网络摄像头在一个组播式视频图像监控系统中，只作为组播源向以太网发送视频图像数据；其它监控计算机则作为组播成员接收数据。整个视频图像发送和监控系统在局域网中使用时，监控接收端的PC机只要加入了组播组，不必知道网络摄像头的IP地址和 MAC地址，也不需要两者的IP地址是在同一网段，均可接收到网络摄像头发出的图像数据，使用起来相当方便。

2. 硬件接口电路
    网络摄像头的硬件接口电路如图1所示。该电路采用的单片机是89C52芯片，另扩展32K的外部存储器，供网络和图像数据处理用。

    图1中的DB200是一个产品摄像模块,它由微型摄像镜头、图像缓存、时序发生、总线接口等电路构成；其外接信号是一个16脚的插座（9 ~ 16脚分别对应数据线D7 ~ D0，其它为地址、电源和读写控制线）。
    图1中，U1、U4和DB200的片选信号由89C52的地址线A14、A15和74HC00的3个与非门提供：A15=0时选通U4；A15=1及A14=0时选通U1；A15=1及A14=1时选通DB200。DB200的第8脚接A13用来选择其内部寄存器。
    RTL8019AS有3种工作方式：（1）跳线方式。（2）即插即用方式。（3）免跳线方式。RTL8019AS使用哪种工作方式由第65脚(JP)决定。为减少连线，我们采用跳线方式（把65脚接高电平）。这样网卡的传输介质、I/O基地址和中断号就由74、77、78、79、80、81、82、 84、85等引脚状态决定。
    RTL8019AS的81、82、84、85（BD0-BD3）脚接低电平，对应32个I/O寄存器地址范围为300H - 31FH；78-80（BD4-BD6）脚接低电平，对应中断号为INT0（IRQ2/9）；74（BA14）、77（BD7）脚接低电平，为自动检测传输介质方式。
    RTL8019AS有20根地址（SA0-SA19）线，将其5、7、8、9、10（SA0-SA4）脚接89C52的A8-A12，将15、 16（SA8、SA9）脚接高电平来确保基地址为300H，其余地址线则全部接地。由于RTL8019AS的使能（AEN）信号是由89C52的 A15=1及A14=0时提供，因此我们可得出以下地址关系：
89C52：   A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9  A8   A7………A0
8019：                 SA4 SA3 SA2 SA1 SA0   …………
2进制数：   1  0   0    0   0   0   0   0   0000 0000    16进制数： 0X8000
2进制数：   1  0   0    1   1   1   1   1   0000 0000    16进制数： 0X9F00
可见，如果89C52输出地址0X8000至0X9F00，均可选中RTL8019AS。由于RTL8019AS的SA9和SA8恒接高电平，当89C52 的地址信号由0X8000至0X9F00变动时，会有：SA9 SA8 SA7 SA6 SA5 SA4 SA3 SA2 SA1 SA0 =11 0000 0000 至 11 0001 1111，即对应选择RTL8019AS的I/O寄存器地址300H至31FH。
RTL8019AS的96脚（IOCS16B）接低电平，使其工作在8位总线模式；64脚接低电平，使用非AUI接口；31、32脚接高电平，屏蔽远程自举加载功能；33脚所需复位信号，由89C52的P1.5提供；29、30脚对应接89C52的读写脚。

3. 软件模块设计
    嵌入式系统一般采用简化的TCP/IP协议栈。常用的有IP、ARP、UDP、ICMP、TCP以及HTTP等协议。为了尝试实现一个最简易的嵌入式TCP/IP协议，我们选用UDP通讯方式。
    UDP的通讯方式有3种：点对点、广播和组播。考虑到点对点通讯需要ARP协议来取得目标节点的物理地址，我们不用点对点通讯。至于广播通讯和组播通讯，两者都不需要ARP协议。但广播方式有如下缺陷：（1）广播数据报不能跨过路由器传播；（2）广播时本地子网的所有主机都会接收到广播并作出响应，既增加了非接收者的开销，保密性也不好。我们采用的组播方式不存在这些问题，较适合作为网络视频监控的信息传输。

3.1 主程序工作流程

    网络摄像头的图像采集、打包、发送的软件流程如图2所示，对应的主程序源码见例程1。为了便于接收端正确判断每帧图像的开始，主程序在发送1帧图像数据前，先用Send_lwm( ) 函数发送特征字为“lwm”的4字节长的数据包（该函数从略），然后再发送图像数据。
void main(void)   //（例程1--循环采集和发送图像数据的主程序）：
{  init_8019( );    // RTLS8019AS初始化。
     while(1)     // 循环采集和发送图像：
  {  img_capture( );  //  采集1帧图像。
    Send_lwm( );  // 发送图像开始的特征字“lwm”
    Send_img( );  // 发送1帧图像数据。
  }
}
3.2  以太网控制芯片的初始化
RTL8019AS 芯片有32个寄存器地址，映射到4个页面，每页有16个寄存器。本系统只用0页的14个（00-01H,04-0BH,0D-0EH,0F-10H）寄存器。程序先定义reg00－reg10, 然后用初始化函数init_8019( )对RTL8019AS各寄存器进行配置：
#define  XBYTE ((unsigned char volatile xdata *) 0)
#define  reg00   XBYTE[0x8000]  //对应300H  A15=1, A14=0,A13=A12=A11=A10=A9=A8=0
………………..
#define  reg10   XBYTE[0x9000]  //对应310H  A15=1, A14=0,A13=0,A12=1,A11=A10=A9=A8=0
sbit   RST8019  = P1 ^ 5;      // RST8019AS的硬件复位端。
void  init_8019(void)           // （例程2--RTL8019AS的初始化）：
{  UINT C1; for(C1=0;C1<1000;C1++);  // 软件延时,确保芯片进入稳定状态
RST8019=1;   for(C1=0;C1<1000;C1++);  // 硬件复位、延时以确保芯片完全复位
RST8019=0;   for(C1=0;C1<1000;C1++);  // 硬件复位、延时以确保芯片完全复位
reg00=0x21;       // 选择第0页寄存器，并使芯片停止收发和DMA操作reg0e=0xC8;       // DCR： 采用普通、8位DMA方式
reg07=0xFF; reg0f=0x00;    // 清除和屏蔽所有中断（本系统未采用中断）  
reg0d=0xE0;       // TCR：采用普通发送模式、允许CRC产生和校验
}
    为了节省资源，上述对RTLS8019AS的初始化中，凡是与发送无关的寄存器都没有设置。发送时所要用的组播地址、物理地址和IP地址，则在打包时再封装到各协议层数据包的头部。

3.3  图像数据的采集

    负责图像采集的DB200摄像模块内部有数据、状态、采集控制和地址控制4个寄存器,表1是它们的寻址方式。对各寄存器的操作规则如下：
    （1）写操作-对采集控制寄存器（CAP_CTRLr）D0位写1，可启动采集过程；对地址控制寄存器（CAP_INCr）D0位写一次1，其图像缓存的地址就加1。
    （2）读操作-如果状态寄存器（CAP_STAUSr）的D0=1，表示可以开始图像采集过程；D1=1表示已完成1帧图像采集，可以读取数据寄存器（CAP_DATAr）的图像数据。
    DB200工作的地址范围是：1100 0000 0000 0000 ~ 1110 0000 0000 0000 = 0C00H ~ 0E00H。据此，我们可写出如下图像采集函数（例程3）：
#define CAP_CONTROLr XBYTE[0X0C000]     //A15=1=A14, A13=0
#define CAP_STATUSr XBYTE[0X0C000]
void img_capture( )            // （例程3--图像采集）：
{ while(!(CAP_STATUSr & 0x01));     // 检查DB200是否准备就绪？
 CAP_CONTROLr=0xff;        // 启动采集1帧图像过程。
 while(!(CAP_CONTROLr & 0x02));     // 是否采集完1帧图像？是就结束。
}
 img_capture( )函数只完成了1帧图像数据的采集，采集好的数据存在DB200的数据缓冲区内，留待Send_img( )函数读取和发送。Send_img( )是以读1行图像数据就发送1行的方式工作。其源码如下：
#define CAP_INCr  XBYTE[0X0E000]     //A15=1=A14,A13=1
#define CAP_DATAr  XBYTE[0X0E000] 
extern  UCHAR xdata  outbuf[1520]; 
void Send_img( )           // （例程4--图像数据的读取和发送）：
{ UINT data Colon, Line ;
  for(Line=0;Line<288;Line++)        // 288行
  { for(Colon=0;Colon<385;Colon++)       // 385 列
   { databuf[Colon]=CAP_DATAr;     // 从 db200读1个像点到databuf。
    CAP_INCr=0xff;        // db200图像数据缓存地址加1。
   }
   udp_send(databuf, UDP_PORT, 386);        // 封装并发送1行图像数据。
  } 
}
3.4  图像数据的封装

    DB200采集完1帧图像后，通过数据总线传送给89C52；89C52则将图像数据按TCP/IP协议封装成以太网帧（图3），然后通过数据总线送给RTL8019AS；RTL8019AS则将以太网帧经RJ45接口送到10M以太网上。
从图3可以看到，每个以太网帧的最大长度为1518字节，最小为64字节。其数据部分最大为1500字节，最小为46字节。每个UDP数据传输前，必须加上 8字节的UDP头来构成UDP数据报；再加上20字节的IP头来构成IP数据报；最后加上14字节的帧头来构成以太网帧。这就是所谓的数据包封装。为了避免分段操作的麻烦，UDP数据报的最大长度应为1500 - 28=1472字节。在实际应用中，我们采用每行图像数据（385字节）封装一个包的方式传输数据。
void Data_send( UINT src_port, UINT datalen)    // （例程5--UDP数据报封装）：
{ UDP_HEADER xdata * udp;    
 udp = (UDP_HEADER xdata *)(outbuf + 34); // 34=14（以太网帧头长）+ 20（IP报头长）  udp->dest_port = 2001;      // 目的端口号
 udp->source_port = 20011;     // 源端口号
 udp->length = 8 + datalen;     // UDP包总长= UDP头长度+数据长度
udp->checksum = 0;       // 不校验UDP数据报
 ip_pack(outbuf, dest_ipaddr, udp->length); // 封装IP包
}

void ip_pack(UCHAR xdata * outbuf, ULONG dest_ipaddr,  UINT datalen)//（例程6-封装IP包）
{   IP_HEADER xdata * ip;    static UINT ip_ident;  // datalen为UDP数据报总长度
   ip = (IP_HEADER xdata *)(outbuf + 14);    // 14字节为以太网帧头长度。
   ip->ver_len = 0x45;    ip->type_of_service = 0;  // 版本号和服务类型。
   ip->total_length = 20 + datalen;        // 数据报总长=IP头长度+数据长度
ip->identifier = ip_ident++;        // IP数据报序列号。
   ip->fragment_info = 0;                // IP数据报不分段。
   ip->time_to_live = 32;                // 生存时间。
   ip->protocol_id = UDP_TYPE;          // 协议类型为UDP=17。
   ip->header_cksum = 0;          // 校验和清0。
 ip->dest_ipaddr = 0xEA050607L;    // 0xEA050607L=234.5.6.7 为目标组播地址
 ip->source_ipaddr = 0xD224446FL;     // 0xD224446FL=210.36.68.111为本地IP地址
   ip->header_cksum = ~cksum(outbuf + 14, 20);  // 计算20字节的IP数据报头校验和
 eth_send(outbuf,  34 + datalen);     // 封装以太网帧并发送。
}
在上述例程5和例程6中，UDP的校验和是可选的，IP头的校验和是必需的。例程5将UDP检验和置为0，例程6则用cksum( )函数来计算IP头校验和。本地IP地址可取任意有效值。

3.5  以太网帧的封装和发送
    从图3可知，以太网帧封装就是要将目的MAC地址、源MAC地址和所要传输的数据类型放到待发送的IP数据报前（成为以太网帧头）。因为我们要进行的是组播发送，所以目的MAC地址也必须是组播的MAC地址；而本地的源MAC地址我们就用01:02:03:04:05:06。
    上面说到，“IP组播地址”范围是224.0.0.0到239.255.255.255。而以太网帧用到的“MAC组播地址”范围是 01:00:5E:00:00:00－01:00:5E:7F:FF:FF 。MAC组播地址的构成方法是：前3个字节固定用01:00:5E，后3个字节则用IP组播地址的后3个字节。所以我们用234.5.6.7作IP组播地址时，对应的MAC组播地址就是 01:00:5E:05:06:07。
    在下面的程序中，RTL8019AS用查询方式进行发送操作。
UCHAR code dest_hwaddr[6] = { 0x01, 0x00, 0x5E, 0x05, 0x06, 0x07}; // 目标MAC组播地址
UCHAR code my_hwaddr[6] =  { 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06 }; // 源MAC地址
void eth_send(UCHAR xdata * outbuf,  UINT Data_len)  // （例程7--以太网帧封装和发送）：
{ UINT i , send_len;  ETH_HEADER xdata * eth;   eth = (ETH_HEADER xdata *)outbuf;
 for(i=0;i<6;i++)          
 { eth->dest_hwaddr[i]= dest_hwaddr[i];     // 装入目的MAC地址。
  eth->source_hwaddr[i]= my_hwaddr[i];     // 装入源MAC地址。
 }
 eth->frame_type = IP_PACKET;       // 数据类型为IP数据报
// send_len为实际要发送的以太网帧长度，它不能小于60字节：
 send_len = (Data_len>=60) ? Data_len : 60 ;
 reg00=0x22;         // 选择0页寄存器，启动芯片。
 while( reg00 & 0x04 );      // 原来的数据发送完没有？完了往下执行
 reg08=0x00;  reg09=0x40;     // 设置发送缓冲区开始地址为4000H。
//设置（RBCR0-1）远端DMA传送数据包长度（高、低字节）：
 reg0a=(unsigned char)(Data_len); reg0b=(unsigned char)(Data_len>>8); 
 reg00=0x16;      // 设置远端DMA写，启动远端DMA传送数据到发送缓冲区
 for(i=0;i reg04=0x40;           // 设置发送缓冲区开始地址高字节
//设置（TBCR0-1）发送字节计数器的计数长度（高、低字节）：   
 reg05=(unsigned char)(send_len); reg06=(unsigned char)(send_len>>8);   
 reg00=0x26;         // 启动本地DMA操作，向网络发送图像数据。
}
上述程序先设置好远端DMA开始地址(RSAR)和远端DMA数据字节数(RBCR)，并设置远端DMA写( reg00=0x16)，就可以把图像数据写入RTL8019AS的数据缓冲区。给出发送缓冲区首地址和数据包长度后，启动发送命令 (reg00=0x26), RTL8019AS就会按以太网协议将图像数据发送到网络上。

4. 结束语
    TCP/IP协议较复杂，嵌入式系统自身的资源又很有限，动辄几十K的TCP/IP协议栈，使很多入门者望而却步。其实要在嵌入式系统实现TCP/IP协议，只不过就是编制各个符合TCP/IP协议规则的软件模块罢了。根据自己系统的具体情况编制专门的功能模块，也可以实现相当简化的TCP/IP协议栈。本文在此给出了一个可供借鉴的实例。

参考文献：
[1] 吴礼发， 网络程序设计教程[M]，北京：希望电子出版社，2002.1
[2]  RTL8019AS SPECIFICATION[EB/OL]，REALTEKSEMI-CONDUCTOR CO., LTD ,  2000.8.20
[3] 单片机与TCP/IP网络[EB/OL]， HTTP:// WWW.LAOGU.COM