基于TMS320 DM355監控服務(wù)器設計與實(shí)現

本設計以TI公司DaVinci系列芯片作為硬件平臺，結合嵌入式Linux操作系統，實(shí)現了基于TMS320DM355的視頻服務(wù)器。本文闡述了各硬件模塊的選型與功能，以及服務(wù)器的軟件架構與實(shí)現。同時(shí)給出了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統的框架，包括視頻服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò )傳輸鏈路及客戶(hù)監控端。本設計采用MPEG4視頻編碼標準，由DM355內部的MPEG/JPEG協(xié)處理器完成。實(shí)驗表明，在帶寬充足的條件下，可實(shí)現實(shí)時(shí)監控。

1．引言

　　多媒體監控一直是人們關(guān)注的應用技術(shù)熱點(diǎn)之一，它以直觀(guān)、方便、信息內容豐富等特點(diǎn)被廣泛應用于許多場(chǎng)合。而隨著(zhù)嵌入式系統和視頻壓縮技術(shù)的不斷發(fā)展，基于嵌入式技術(shù)的視頻監控系統也得到了快速的發(fā)展與應用。其通過(guò)把攝像機輸出的模擬信號轉化為數字信號，再經(jīng)過(guò)嵌入式系統編碼和傳輸。在客戶(hù)端，通過(guò)安裝監控軟件，或者直接通過(guò)Web進(jìn)行監控。采用嵌入式Linux操作系統的視頻監控系統具備編碼處理、網(wǎng)絡(luò )通信、自動(dòng)控制等強大功能，直接支持網(wǎng)絡(luò )傳輸和網(wǎng)絡(luò )管理，使得監控范圍達到了一定的廣度。

　　此外，嵌入式處理器的發(fā)展也日新月異，有專(zhuān)注于控制的ARM系列處理器，擅長(cháng)快速計算的DSP處理器，還有一些針對性非常強的處理器，可以實(shí)現硬件視頻編解碼等。而德州儀器（TI）新近推出的針對便攜式高清（HD）視頻產(chǎn)品市場(chǎng)的達芬奇（DaVinci）處理器TMS320DM355處理器，結合了它們的特長(cháng)。其內部具有一個(gè)ARM9EJ-S的主處理器，負責整個(gè)系統的控制，同時(shí)也集成了一個(gè)MPEG/JPEG協(xié)處理器，專(zhuān)注于MPEG/JPEG算法的實(shí)現。其內部的視頻處理子系統（VPSS）及其它外設可方便快速的實(shí)現視頻的采集、預處理、顯示、網(wǎng)絡(luò )傳輸等功能。同時(shí)，其低廉的價(jià)格也為用戶(hù)降低了成本。而本設計即選用此處理器。

　　2．視頻監控系統整體框架

　　本嵌入式網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統由視頻服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò )傳輸鏈路、客戶(hù)監控端等3部分組成。視頻服務(wù)器負責音視頻等數據的采集、壓縮處理等，網(wǎng)絡(luò )傳輸鏈路將視頻服務(wù)器壓縮和發(fā)送的多媒體數據進(jìn)行傳輸，而客戶(hù)端監控部分接收音視頻數據，進(jìn)行解壓、顯示以及對視頻服務(wù)器的控制等。整個(gè)系統的示意圖如圖1所示。

圖1視頻監控系統示意圖

　2.1．視頻服務(wù)器

　　視頻服務(wù)器采用德州儀器（TI）新近推出的達芬奇(DaVinci)系列處理器TMS320DM355作為主處理器，接收CCD攝像頭采集的視頻信號，進(jìn)行預處理及MPEG4壓縮，然后將壓縮后的數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸。同時(shí)，接收上位機發(fā)送的命令，解析并且執行。每個(gè)設備都具有唯一的ID，當客戶(hù)端進(jìn)行連接時(shí)，服務(wù)器會(huì )首先檢查ID號是否匹配，以防止惡意連接。此外，當視頻服務(wù)器運行異常時(shí)，其內部的守護進(jìn)程會(huì )進(jìn)行監視，適當的時(shí)候進(jìn)行重啟。

　　2.2．網(wǎng)絡(luò )傳輸鏈路

　　網(wǎng)絡(luò )傳輸鏈路負責多媒體數據的傳輸。此處，可以根據實(shí)際需求，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )傳輸鏈路的選擇。局域網(wǎng)（LAN）、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）、INTERNET、CDMA、3G等都是可供選擇的傳輸鏈路。其中，局域網(wǎng)（LAN）和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）帶寬充足、穩定，并且設備簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，但會(huì )受到距離的限制。INTERNET和CDMA網(wǎng)絡(luò )可以使監控距離得到擴展，但是其帶寬受限，圖像質(zhì)量會(huì )受到影響。而最新的3G網(wǎng)絡(luò )也是一個(gè)不錯的選擇，帶寬在靜止狀態(tài)下可以達到2Mbps，但是其在穩定性方面還待測試。用戶(hù)可以根據自己的需求進(jìn)行選擇，或者直接搭建專(zhuān)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，以實(shí)現各自的監控指標。

　　2.3．客戶(hù)監控端

　　客戶(hù)端主要與各個(gè)視頻服務(wù)器進(jìn)行連接，以實(shí)現監控?？蛻?hù)端可以采用PC機或者便攜式設備，與網(wǎng)絡(luò )傳輸鏈路相連，通過(guò)上位機軟件與視頻服務(wù)器連接，接收視頻服務(wù)器發(fā)送的多媒體數據，進(jìn)行解碼，然后在上位機顯示。同時(shí)，向視頻服務(wù)器發(fā)送控制命令，實(shí)現云臺、鏡頭等的控制。3．視頻服務(wù)器硬件設計3.1．整體框架視頻服務(wù)器完成視頻的采集、MPEG4壓縮和網(wǎng)絡(luò )傳輸，以及云臺、鏡頭等的控制。其硬件結構框圖如圖2所示。

圖2視頻服務(wù)器硬件結構框圖

　4.1．系統上電及引導程序

　　系統上電時(shí)，是由DM355的輸入引腳BTSEL[1:0]來(lái)決定從ROM或者AEMIF啟動(dòng)。此設計處選擇從ROM啟動(dòng)。此時(shí)，系統直接跳轉到內部ROM的起始地址（0X00008000）執行指令。內嵌的ROM啟動(dòng)代碼（RBL）進(jìn)行一些配置操作，然后讀取BOOTCFG寄存器來(lái)決定是從NAND、MMC/SD或者UART啟動(dòng)。本設計選擇NAND啟動(dòng)。NANDflash里預先燒寫(xiě)好了U-boot、Linux內核以及根文件系統。NAND啟動(dòng)以后，會(huì )讀取bootloader的stage1部分的指令對系統進(jìn)行必要的設置，然后將stage2部分的代碼搬移到SDRAM中進(jìn)行執行。當用戶(hù)選擇啟動(dòng)內核時(shí)，bootloader將內核從NANDflash里搬運到SDRAM，然后跳轉到內核的起始地址進(jìn)行執行，啟動(dòng)內核。

　　4.2．嵌入式Linux操作系統

　　嵌入式Linux操作系統是針對不同的應用需求，對Linux內核進(jìn)行裁剪修改使之能在嵌入式計算機系統上運行的一種操作系統。它開(kāi)放源碼，內核小、效率高，適用于多種CPU和硬件平臺，性能穩定，可移植性好等特點(diǎn)為其開(kāi)辟了一片屬于自己的空間。

　　本設計選擇嵌入式Linux操作系統作為軟件平臺，實(shí)現各硬件模塊的驅動(dòng)的添加及移植，用戶(hù)應用程序的編寫(xiě)及調試。

　　4.3．用戶(hù)應用程序

　　本設計中將整個(gè)應用程序分為2個(gè)進(jìn)程，data進(jìn)程和command進(jìn)程。Data進(jìn)程主要負責音視頻數據的采集、壓縮和網(wǎng)絡(luò )傳輸。其中，又分為3個(gè)線(xiàn)程，capture線(xiàn)程、編碼線(xiàn)程以及control線(xiàn)程。Capture線(xiàn)程控制采集設備進(jìn)行圖像及聲音的采集及預處理；編碼線(xiàn)程從capture線(xiàn)程讀取數據，進(jìn)行MPEG4（視頻）或G.711（音頻）壓縮。Control線(xiàn)程從編碼線(xiàn)程讀取壓縮完的數據，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給客戶(hù)端。而command進(jìn)程接收上位機命令，解析、執行，并且控制云臺，鏡頭及測溫等。Command進(jìn)程還加入了用戶(hù)ID檢驗等功能，提供簡(jiǎn)單的保護機制。應用程序的流程圖如圖4所示。

圖4應用程序流程圖

　　4.4．MPEG/JPEG協(xié)處理器編碼

　　由于DM355內部集成了MPEG/JPEG協(xié)處理器，對于音視頻的編解碼主要是通過(guò)它來(lái)完成的。而對它的操作是依靠TI公司制訂的基于eXpressDSP算法互用性標準（xDAIS）的xDAIS-DM標準實(shí)現的。此標準定義了一組統一的API，這些API是建立在各種多媒體算法之上的，這樣即簡(jiǎn)化了集成難度，同時(shí)保證了互用性。TI提出的CodecEngine就是一組用于示例和運行xDAIS算法的API，而VISA（Video，Image，Speech，Audio）類(lèi)是用來(lái)與xDAIS-DM算法標準定義的基于各種多媒體算法的API函數集進(jìn)行交互的接口。在應用程序編程中，通過(guò)進(jìn)行如下的操作來(lái)完成視頻的編碼。

　　打開(kāi)編解碼引擎：

　　staticStringengineName=videnc

　　Engine_Handlece;Engine_Errorerrorcode;ce=Engine_open(engineName,NULL,errorcode);視頻編碼類(lèi)提供四個(gè)API函數：創(chuàng )建視頻編碼類(lèi)：VIDENC_Handlehenc;staticStringencoderName=mpeg4enc;henc=VIDENC_create(ce,encoderName,NULL);其中ce為打開(kāi)編碼引擎時(shí)返回的句柄。對視頻編碼類(lèi)進(jìn)行控制，設置視頻編碼動(dòng)態(tài)參數：VIDENC_control(henc,XDM_SETPARAMS,dynamicParams,encStatus);處理數據，進(jìn)行編碼：VIDENC_process(henc,inBufDesc,outBufDesc,inArgs,outArgs);其中參數henc為創(chuàng )建的VISA類(lèi)句柄，inBufDesc為原始數據buffer，outBufDesc為壓縮后數據buffer，inArgs和outArgs為輸入輸出配置參數。銷(xiāo)毀創(chuàng )建的視頻編碼類(lèi)：VIDENC_delete(henc)；在應用程序中調用以上API，即可利用MPEG/JPEG協(xié)處理器對原始視頻數據進(jìn)行壓縮，而音頻數據的壓縮與此類(lèi)似。

5．總結

本文介紹了基于最新Davinci平臺的視頻監控服務(wù)器的設計與實(shí)現，包括硬件組成和軟件設計。整個(gè)視頻服務(wù)器利用DM355內部的ARM926EJ-S核運行嵌入式Linux操作系統，而用MPEG/JPEG協(xié)處理器進(jìn)行MPEG4編碼相關(guān)的計算。文中對利用MPEG/JPEG協(xié)處理器進(jìn)行編碼也做了介紹，同時(shí)給出了整個(gè)視頻監控系統的框架。經(jīng)過(guò)在局域網(wǎng)內測試，可以實(shí)現D1格式的視頻的實(shí)時(shí)傳輸，同時(shí)可以進(jìn)行云臺及鏡頭等的控制。利用該系統可實(shí)現樓宇、街道等場(chǎng)所的視頻監控。