嵌入式視頻監控系統視頻服務(wù)器的設計與實(shí)現

摘要：提出了基于A(yíng)T91RM9200微處理器的嵌入式Linux視頻監控系統的視頻服務(wù)器設計方法。采用韓國Pentamicro公司的視頻芯片AT2042對數字視頻數據進(jìn)行MPEG-4壓縮編碼，生成MPEG-4碼流。為實(shí)現交互性的要求，在嵌入式WEB服務(wù)器中采用CGI技術(shù)，對遠程監控端的控制信息分析處理，實(shí)現B／S模式的交互功能和系統的遠程控制。與傳統的設計方法相比，該系統視頻圖像的質(zhì)量得到改進(jìn)，開(kāi)發(fā)便捷，成本低廉，應用范圍廣。
關(guān)鍵詞：視頻服務(wù)器；AT91RM9200；嵌入式Linux；MPEG-4；視頻監控

視頻監控系統以其數字化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化等方面的特征廣泛應用于各種場(chǎng)合。隨著(zhù)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行重要場(chǎng)所的監控越來(lái)越引起人們的關(guān)注和重視。傳統的視頻監控系統圖像的壓縮解壓都是基于PC機，在穩定性，可靠性方面都受到限制。近年來(lái)，隨著(zhù)嵌入式技術(shù)的發(fā)展，嵌入式設備體積小、集成度高、高效可靠、可移植、功耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)使得基于嵌入式的視頻監控系統逐漸取代
了傳統的視頻監控系統。筆者所介紹的嵌入式視頻服務(wù)器是建立在嵌入式WEB服務(wù)器的基礎上，基于A(yíng)T91RM9200微處理器，采用Linux實(shí)時(shí)操作系統，由專(zhuān)門(mén)的視頻芯片接收數字視頻數據完成壓縮編碼，生成MPEG-4碼流，通過(guò)內部總線(xiàn)傳送到WEB服務(wù)器上，遠程授權用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )瀏覽器觀(guān)看WEB上的圖像信息，控制圖像獲取方式。該系統保證了圖像質(zhì)量，客戶(hù)端零維護，開(kāi)發(fā)便捷，成本低廉。

1 系統的整體設計
整個(gè)系統分為硬件和軟件2個(gè)部分。硬件部分分為4個(gè)模塊：視頻采集模塊，視頻壓縮編碼模塊，網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊和其他輔助功能模塊。系統采用B／S模式。軟件部分分為視頻圖像采集的驅動(dòng)程序，WEB服務(wù)器程序，CGI和用戶(hù)瀏覽器的網(wǎng)頁(yè)設計4部分。系統整體結構如圖1所示。

2 系統硬件部分
本系統采用Atmel公司的AT91RM9200微處理器。該處理器是高性能，低功耗的32位RISC微處理器，最高主頻為180MHz，32位外部數據總線(xiàn)支持8／16／32位數據寬度，可對64 MB空間尋址。內部集成豐富的外設資源，MMU管理單元，16 kB SRAM和128 kB ROM，各種外圍接口，適用本系統的開(kāi)發(fā)。AT91RM9200微處理器的作用是在系統上電時(shí)配置芯片的相關(guān)功能寄存器，正常運行時(shí)進(jìn)行總體控制，如接受視頻數據流，配置網(wǎng)絡(luò )接口，實(shí)現本地存儲等功能。
2．1 視頻采集模塊
本模塊的作用是把模擬視頻轉換成數字視頻，產(chǎn)生符合編碼芯片接口標準的數字視頻信號。采用的是Tl公司的TVP5150低功耗視頻A／D轉換芯片。TVP5150支持NTSC／PAL／SECAM 3種格式，可以輸出ITU-R BT．656和ITU-R BT．601兩種信號，考慮到編碼芯片的標準，本系統采用ITU-RBT．656格式8為數據串行傳輸。TVP5150的AIPIA為模擬信號輸入端，接收攝像頭的模擬視頻信號輸人。行同步脈沖和場(chǎng)同步脈沖分別對應HSYNC和VSYNC，分別連接編碼芯片的HSYNIN和VSYNIN2個(gè)引腳，實(shí)現圖像的行同步和場(chǎng)同步操作。YOUT[7：0]為數據輸出引腳，將數字視頻信號送到編碼芯片的數據接收端。SCL和SDA分別為I2C接口的串行時(shí)鐘和數據引腳，AT91RM9200對TVP5150的內部寄存器的訪(fǎng)問(wèn)是通過(guò)I2C總線(xiàn)實(shí)現的。
2．2 視頻壓縮編碼模塊
動(dòng)態(tài)圖像被數字化處理成YUV格式，數據量非常大。未經(jīng)壓縮的CIF格式的RGB數據至少需要58．01 Mb／s，因此視頻數據在傳輸和處理的過(guò)程中必須經(jīng)過(guò)壓縮。視頻編碼標準有MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4，M-JPEG和H．26x系列。本系統采用的是MPEG-4標準。MPEG(Moving Pictures Experts Group)，該專(zhuān)家組成立于1988年，致力于運動(dòng)圖像的編碼標準化工作。MPEG-4是該專(zhuān)家組研制出來(lái)的于1999年正式成為ISO和IEC聯(lián)合制定的國際編碼標準。MPEG-4與其他編碼標準相比，相同比特率下，具有更高的視覺(jué)質(zhì)量，可以在低帶寬的信道上傳輸。本系統采用韓國Pentamicro公司的壓縮／解壓芯片AT2042．AT2042接收經(jīng)過(guò)TVP5150進(jìn)行A／D轉換的數字視頻數據。AT2042支持視頻壓縮和音頻壓縮標準，支持CBR和VBR兩種碼率。采用ITU-R 656接口標準。工作原理：在A(yíng)T91RM9200的控制下，要進(jìn)行壓縮編碼的數據經(jīng)AT2042的FIFO口輸入。AT2042的解壓是壓縮的逆過(guò)程。本系統中，AT2042的數據接收端VIN[7：0]接收TVP5150的YOUT[7：0]端輸出的數據，同時(shí)AT2042的HSYNI N和VSYNIN信號分別和TVP5150的HSYN和VSYN相連，實(shí)現圖像的行同步和場(chǎng)同步操作。接收來(lái)的數據送到AT2042的壓縮編碼處理單元，壓縮編碼后送到芯片外部的SDRAM中存儲，通過(guò)片內的SDRAM控制器可以實(shí)現對外部SDRAM的訪(fǎng)問(wèn)，并通過(guò)HPI與AT91RM9200微處理器進(jìn)行通信，以便遠程監控端的實(shí)時(shí)監控。視頻壓縮編碼框圖如圖2所示。

2．3 網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊
本模塊是采用LAN91C11構建嵌入式以太網(wǎng)，實(shí)現視頻數據網(wǎng)絡(luò )傳輸的通路。LAN91C11是SMSC公司推出的快速以太網(wǎng)控制器。芯片上集成MAC和PHY，符合IEEE802．3／802．U-100Base-Tx／10Base-T規范。AT91RM9200微處理器通過(guò)地址、數據、控制線(xiàn)和片選信號線(xiàn)對LAN91C11進(jìn)行通信和控制。網(wǎng)絡(luò )傳輸硬件連接原理圖如圖3所示。AT91RM9200發(fā)送數據時(shí)，首先置發(fā)送使能信號ETXEN有效。數據發(fā)送端ETX[1：0]與LAN91C11的TXD[1：0]引腳相連接。以AT91RM9200的時(shí)鐘信號EXTCK發(fā)送視頻數據。數據的接收端ERX[1：0]與LAN91C11的RXD[1：0]引腳相連接，接收視頻數據。EMD10和EMDC分別控制芯片的讀寫(xiě)。數據從DMA通道發(fā)送。在發(fā)送數據時(shí)，首先設置好傳輸控制寄存器和傳輸傳輸地址寄存器，從指定的存儲區取數據，并且記錄發(fā)送完的字節數，數據發(fā)送完之后，LAN19C11產(chǎn)生中斷信號，請求DMA中斷，由AT91RM9200處理。