基于嵌入式技術(shù)的視頻監控系統的設計

為了大幅度降低成本,使遠程數字視頻音頻監控應用更加普及,目前國內外的發(fā)展趨勢是使用嵌入式系統。即采用專(zhuān)用微處理器、圖像聲音的數字化芯片、數據壓縮芯片及網(wǎng)絡(luò )接口芯片等,按照特定的功能需求開(kāi)發(fā)出最小應用單板系統。這樣,系統功能沒(méi)有任何浪費,可大幅度降低成本。而且,由于軟件都是固化在單板內的Flash ROM中,系統更加可靠。

1 系統總體結構和功能概述

　　由于嵌入式系統具有上述的種種優(yōu)點(diǎn),筆者最新開(kāi)發(fā)了一套基于嵌入式技術(shù)的多媒體遠程監控管理系統。

　　該系統采用目前流行的TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議,視頻編碼基于H.263協(xié)議――低比特率視頻通信編碼算法， 音頻編碼基于G.723協(xié)議――低比特率音頻通信編碼算法。它們可以在網(wǎng)絡(luò )帶寬很低的環(huán)境,甚至是電話(huà)線(xiàn)上進(jìn)行圖像和聲音的傳輸。

　　整個(gè)系統主要由三部分組成:前端機、監控中心和客戶(hù)端,其具體架構如圖1所示。

　　前端機是一塊嵌入式系統的印刷電路板，它的主要功能如下:

　　 四路模擬視頻信號輸入,可任意選擇一路進(jìn)行采樣和壓縮編碼;

　　 一路音頻信號的編碼與解碼;

　　 通過(guò)局域網(wǎng)向監控中心傳送視頻編碼數據和音頻編碼數據,并接收監控中心傳送的音頻編碼數據;

　　 通過(guò)RS-232接口向攝像頭的云臺控制器發(fā)出控制指令;

通過(guò)EPLD的并行口接收用戶(hù)報警信號,并通過(guò)局域網(wǎng)傳送到監控中心。

　　監控中心是整個(gè)視頻監控系統的中樞,它的主要功能如下:

　　 通過(guò)局域網(wǎng)向前端機發(fā)送用戶(hù)控制指令,如前端機的選擇、視頻通道的選擇、調節圖像參數(包括幀速率、碼流量的大小、色度、亮度、飽和度和對比度)、聲音編碼音量的大小等;

　　 接收多路前端機的視頻編碼數據,保存在本地硬盤(pán)上,同時(shí)進(jìn)行解碼,并顯示多路解碼圖像;

　　 向遠程用戶(hù)轉發(fā)當前視頻編碼數據,或者傳送存盤(pán)圖像數據。

　　客戶(hù)端是提供一個(gè)用戶(hù)操作的界面。本地用戶(hù)可以直接在監控中心的服務(wù)器上使用;而遠程用戶(hù)則有另一套操作界面，可使用的功能比本地用戶(hù)少,但是它可以讓異地用戶(hù)通過(guò)Internet或者電話(huà)線(xiàn)獲得本地的視頻信息。

　　該系統還具有很好的擴展性能。對于幾百甚至上千個(gè)監控點(diǎn)的大型監控場(chǎng)所,可以采用多級級聯(lián)的方式,即在前端機和監控中心之間,加上一級或者多級區域服務(wù)器,每個(gè)區域服務(wù)器可以管理十幾至幾十個(gè)監控點(diǎn),他們分擔監控中心的工作,并接受監控中心的控制。

2 前端機的硬件設計與各模塊的功能

　　本嵌入式視頻監控系統的硬件開(kāi)發(fā)工作主要集中在嵌入式前端機的硬件設計和調試上。

　　前端機是一個(gè)嵌入式系統,硬件結構比較復雜,其總體結構如圖2所示。主要包含嵌入式CPU、EPLD、視頻模數轉換芯片、視頻壓縮編碼芯片、音頻編碼解碼芯片、音頻模數與數模轉換芯片、以太網(wǎng)控制器、數據緩沖存儲器、網(wǎng)絡(luò )收發(fā)器、Flash ROM、RAM、多種電源芯片和時(shí)鐘芯片等。這些芯片按照各自的功能分別組合,構成了幾大模塊,它們分別是:CPU模塊、電源時(shí)鐘模塊、控制模塊、視頻采集編碼模塊、音頻采集編解碼及模擬輸入輸出模塊和網(wǎng)絡(luò )模塊。

　　CPU模塊是所有硬件模塊的核心,主要包括嵌入式CPU芯片,兩片RAM和兩片Flash ROM。一片Flash ROM存放了整個(gè)硬件的監視系統,也叫ROM Monitor。當系統上電后,CPU從中調入程序進(jìn)行整個(gè)系統硬件的自檢和初始化配置,并為用戶(hù)提供一個(gè)簡(jiǎn)單操作環(huán)境。當系統發(fā)生故障時(shí),可以通過(guò)它來(lái)讀取CPU主要寄存器的狀態(tài),從而找出故障原因。另一片Flash ROM用來(lái)存放用戶(hù)的應用程序。當整個(gè)系統通過(guò)自檢后，CPU將用戶(hù)的應用程序讀入RAM中執行。CPU通過(guò)PCI總線(xiàn)與視頻壓縮編碼芯片與以太網(wǎng)控制器連接,對它們進(jìn)行調度和數據的收發(fā)。CPU還提供了兩個(gè)串口,其中一個(gè)與普通電腦的串口連接,通過(guò)Windows下的超級終端,可以讓用戶(hù)對整個(gè)系統進(jìn)行監測和調試;另一個(gè)串口則用于控制攝像頭云臺。

電源時(shí)鐘模塊負責給整個(gè)系統提供時(shí)鐘和電源,是系統的基本模塊。由于整個(gè)嵌入系統使用的芯片和器件較多,且各個(gè)器件對電源和時(shí)鐘的要求也不同,所以設計時(shí)使用了四種電源芯片和六種時(shí)鐘晶振?？紤]到多種電源的存在,將電源層劃分成了七大塊,分別對所需要的器件供電;同時(shí),也對數字地和模擬地進(jìn)行了分割。這樣使整個(gè)系統的電源信號達到較高的質(zhì)量,大大提高了器件工作的穩定性和可靠性。

　　控制模塊是一片可編程邏輯芯片EPLD,其主要功能包括PCI總線(xiàn)的地址譯碼與片選、電源控制、CPU的復位、I/O輸入輸出和看門(mén)狗邏輯。其中8路I/O輸入作為用戶(hù)的報警輸入,6路I/O輸出顯示系統的運行狀態(tài)?？撮T(mén)狗邏輯是嵌入式系統不可缺少的部分。因為嵌入式系統一般不需要時(shí)刻監管,當系統工作狀態(tài)出現了偶然的異常情況，如死機,看門(mén)狗可以自動(dòng)對整個(gè)系統進(jìn)行復位,讓系統恢復到正常的工作狀態(tài)。

　　視頻采集編碼模塊主要由視頻模數轉換芯片、視頻壓縮編碼芯片和RAM組成。這個(gè)模塊的主要功能是將模擬視頻輸入送到視頻模數轉換芯片進(jìn)行模數變換,并將變換后的數字視頻數據送入視頻壓縮編碼芯片，視頻壓縮編碼芯片在RAM中將視頻數據進(jìn)行壓縮編碼，最后通過(guò)PCI總線(xiàn)將視頻編碼數據送入CPU。此外， 視頻壓縮編碼芯片還能通過(guò)I2C總線(xiàn)對視頻模數轉換芯片的圖像參數進(jìn)行控制，包括圖像的亮度、色度、對比度和飽和度的調節以及視頻采樣通道的選擇等。

　　音頻編碼解碼模塊主要包括音頻編碼解碼芯片、音頻模數與數模轉換芯片和音頻模擬信號處理電路。音頻模擬信號處理電路主要是把音頻信號進(jìn)行濾波、放大;音頻模數與數模轉換芯片的功能是把模擬音頻信號轉換為數字音頻信號及把數字音頻信號轉換為模擬音頻信號;音頻編碼解碼芯片的主要功能是對數字音頻信號進(jìn)行編解碼。

　　網(wǎng)絡(luò )模塊主要由以太網(wǎng)控制器、數據緩沖存儲器、網(wǎng)絡(luò )收發(fā)器和EEPROM組成,是CPU和網(wǎng)絡(luò )之間的橋梁,類(lèi)似于計算機上的網(wǎng)卡。它支持IEEE以太網(wǎng)物理層協(xié)議,在EEPROM中用戶(hù)可以自己燒制嵌入式系統的底層硬件(MAC)地址。

3 軟件開(kāi)發(fā)

　　本系統的軟件主要分為嵌入式前端機程序設計、監控中心軟件設計和用戶(hù)界面設計三大部分。

3.1 嵌入式前端機的軟件設計

　　由于監控系統的特點(diǎn),前端機必須滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性和并發(fā)性的要求,所以應用軟件基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。采用了US Software開(kāi)發(fā)的SuperTask嵌入式實(shí)時(shí)操作系統。它具有內核小、用戶(hù)可配置系統參數、高效的多任務(wù)管理(支持優(yōu)先級排隊和循環(huán)調度機制)、支持多種物理介質(zhì)及標準、完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧(兼容BSD)、完全符合ANSI C標準等特點(diǎn)。

　　前端機的應用程序由主控制、視頻編碼中斷、視頻網(wǎng)絡(luò )傳送、音頻編碼中斷、音頻網(wǎng)絡(luò )傳送、音頻網(wǎng)絡(luò )接收、音頻解碼中斷和串口中斷等幾個(gè)任務(wù)組成,各個(gè)任務(wù)的關(guān)聯(lián)如圖3所示。

3.2 監控中心服務(wù)器的軟件設計

　　監控中心服務(wù)器軟件是在Window2000下用VC++開(kāi)發(fā)的，其總體結構如圖4所示。

　　首先,程序將根據配置文件的系統參數進(jìn)行初始化,這些系統參數用戶(hù)可以根據自己的需要在配置文件中進(jìn)行修改。

然后,程序將進(jìn)行端口監聽(tīng),CCtrlListenSocket(作為監控中心服務(wù)器的Socket)開(kāi)始工作。一旦前端機向監控中心請求控制端口的連接,先通過(guò)Accept()將連接指定到CCtrlSocket(),再通過(guò)CCtrlSocket：：GetPeerName(rPeerAddress， rPeerPort)得到遠端的IP地址。如果地址是非法的,則立即斷開(kāi);如果地址合法,就調用CCtrlSocket：：Init()初始化。

主線(xiàn)程主要接收來(lái)自用戶(hù)的按鈕等命令,同時(shí)利用定時(shí)器刷新系統運行的總時(shí)間以及利用定時(shí)器檢查各個(gè)前端機的連接狀態(tài)。

3.3 用戶(hù)界面的設計

　　用戶(hù)界面使用Delphi進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Delphi是目前世界上最流行的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,它豐富的應用模板并附帶各種工具軟件,使用戶(hù)界面的開(kāi)發(fā)更加方便快捷,外觀(guān)更加漂亮。