基于A(yíng)RM的數字視頻監控系統的設計

引言

圖像與視頻監控系統是應用計算機與通信技術(shù)實(shí)現對目標地區信息監控的系統，常應用于交通、能源、公安、電信、軍事等部門(mén)。隨著(zhù)圖像與視頻監控系統的應用領(lǐng)域不斷擴大，遠程圖像與視頻監控系統應運而生，它滿(mǎn)足了遠距離監控的要求。數字視頻監控系統是以計算機或嵌入式系統為中心、視頻處理技術(shù)為基礎，是符合圖像數據壓縮的國際標準。綜合利用圖像傳感器、計算機網(wǎng)絡(luò )、自動(dòng)控制和人工智能等技術(shù)的一種新型監控系統。由于數字視頻監控系統對視頻圖像進(jìn)行了數字化，所以與傳統的模擬監控系統相比，數字監控具有許多優(yōu)點(diǎn)。數字化的視頻系統可以充分利用計算機的快速處理能力，對其進(jìn)行壓縮、分析、存儲和顯示。數字化視頻處理技術(shù)提高了圖像的質(zhì)量與監控效率，使系統易于管理和維護。整個(gè)系統是模塊化結構，體積小，易于安裝、使用和維護。正是由于數字視頻監控技術(shù)具有傳統模擬監控技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，而且符合當前信息社會(huì )中數字化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化的發(fā)展趨勢，所以數字視頻監控技術(shù)正在逐步取代模擬監控技術(shù)，廣泛應用于各行各業(yè)。嵌入式系統以體積小、實(shí)時(shí)性強、性?xún)r(jià)比高、穩定性好等特點(diǎn)在社會(huì )的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應用。基于ARM嵌入式的數字化遠程監控是基于現代通信技術(shù)的一種新應用。本設計是一種嵌入式系統，以 ARM硬件平臺為核心實(shí)現了對現場(chǎng)的實(shí)時(shí)監控，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )把視頻圖像傳輸到主機端，以實(shí)現分析、存儲和顯示等功能，與傳統的模擬監控系統相比：它的組網(wǎng)成本大大降低，系統體積重量大大減小，運行維護更容易。

1 監控系統方案介紹

遠程監控系統的網(wǎng)絡(luò )結構設計直接影響到系統的性能，目前監控系統網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現大致有三種方案。分別介紹如下：

（1）采用代理服務(wù)器的方法

代理服務(wù)器一般由PC來(lái)充當，一方面運行TCP/IP協(xié)議實(shí)現Internet接入功能，另一方面通過(guò)簡(jiǎn)單總線(xiàn)結構（RS232、RS485等）與嵌入式系統相連接。如圖1所以。系統中只需要有一部分與代理服務(wù)器通信的代碼即可。其優(yōu)點(diǎn)是可以很方便地解決設備上網(wǎng)的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)難度低；缺點(diǎn)是接入成本比較高，不利于大規模推廣。該方案比較適合大型或較昂貴工業(yè)設備的上網(wǎng)需求，不適合用于低價(jià)格的設備。

（2）通過(guò)直接在嵌入式處理器上實(shí)現TCP/IP協(xié)議來(lái)實(shí)現Internet接入功能這種方案沒(méi)有使用操作系統，大大節省了資源，但是對處理器的性能要求較高，同時(shí)增加了開(kāi)發(fā)的難度，技術(shù)實(shí)現上也比較困難。如圖2所示。

（3）采用一個(gè)基于ARM Linux 的網(wǎng)絡(luò )監控系統

這種方案和第二種方案類(lèi)似，但是它只用嵌入式ARM Linux 操作系統，在操作系統上運行TCP/IP 協(xié)議。目前大多數嵌入式操作系統都帶有TCP/IP協(xié)議棧，這降低了開(kāi)發(fā)的難度，實(shí)現起來(lái)比較靈活。由于嵌入式操作系統的運行需要占用相當的處理器資源和存儲器空間，對硬件配置也有較高的要求。采用第三種方案，可以節省開(kāi)發(fā)時(shí)間、縮短開(kāi)發(fā)周期。監控系統一般都還要在控制現場(chǎng)配置一臺工控機或高性能微機做服務(wù)器，用來(lái)存儲中間數據，處理實(shí)時(shí)性要求較高的事件，響應監控終端的監控請求。

2 監控系統硬件設計

采用基于A(yíng)RM嵌入式的網(wǎng)絡(luò )監控系統，它采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò )協(xié)議標準，系統組網(wǎng)簡(jiǎn)單，傳輸數據量大，速度快，整個(gè)系統結構簡(jiǎn)單。尺寸微小、價(jià)格低廉。遠程計算機可做到無(wú)需額外程序，通過(guò)WEB瀏覽器就能對設備進(jìn)行檢測，而且應用程序易于開(kāi)發(fā)、實(shí)現信息的完整共享。在該系統中ARM負責程序控制和網(wǎng)絡(luò )通信，圖像和視頻采集模塊負責數據獲取和處理。當數據或命令數據傳輸過(guò)來(lái)后，ARM系統進(jìn)行命令處理后，將命令數據傳輸或顯示在LCD上，同時(shí)系統負責將處理的結果經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口上傳出去。系統接收到數據命令后，經(jīng)過(guò)算法處理后，驅動(dòng)D/A輸出或根據A/D輸入進(jìn)行數據處理后，將結果傳給ARM。系統具有以下幾個(gè)基本功能：數據采集、數據分析和處理、程序控制、網(wǎng)絡(luò )傳輸。

2.1 ARM視頻監控平臺

如圖3所示為視頻監控應用系統的開(kāi)發(fā)平臺。ARM的系統擴展槽和設備擴展槽，用于為ARM系統添加如以太網(wǎng)接口、?？跀祿鎯涌诤蚉CMCIA等接口，或者用于其他的功能開(kāi)發(fā)板，為ARM系統擴展了CMOS圖像獲取功能和VGA顯示功能。

其中，VGA接口是通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò )實(shí)現4096色彩色顯示。與SRAM訪(fǎng)問(wèn)相關(guān)的寄存器有：SDRAM控制寄存器、讀地址低16位、讀地址高16位、讀出數據寄存器、寫(xiě)地址低16位、寫(xiě)地址高16位、寫(xiě)入數據寄存器；與CMOS圖像采集有關(guān)的寄存器有CMOS采集控制寄存器、CMOS采集狀態(tài)寄存器；與VGA顯示有關(guān)的寄存器是VGA顯示控制寄存器。它具有以下特點(diǎn)：

（1）實(shí)時(shí)性好，能滿(mǎn)足數據采集和數據處理的實(shí)時(shí)性要求。

（2）性?xún)r(jià)比高，在滿(mǎn)足要求的情況下，系統成本應盡量低。

（3）可控性好，能夠實(shí)現遠距離控制和數據傳輸。

2.2數據采集模塊

視頻源信號來(lái)自于一個(gè)高集成度的CMOS數字圖像傳感器模塊MB86S20，它是富士通的產(chǎn)品。MB86S02不但集成了CMOS圖像傳感陣列、自動(dòng)增益信號放大器、模數轉換器，還包括了色彩信號處理和微型鏡頭，包含了圖像采集的所有前端處理，可以直接輸出數字信號。模塊的系統框圖如圖4。

MB86S02是基于CMOS工藝，使用有源像素的傳感器，與傳統的CCD傳感器相比有如下不同點(diǎn)。

（1）成像過(guò)程

ccd和cmos使用相同的光敏材料，因而受光后產(chǎn)生電子的基本原理相同，但是讀取過(guò)程不同：ccd是在同步信號和時(shí)鐘信號的配合下以幀或行的方式轉移，整個(gè)電路非常復雜，讀出速率慢；cmos 則以類(lèi)似 dram的方式讀出信號，電路簡(jiǎn)單，讀出速率高。

（2）集成度

采用特殊技術(shù)的ccd讀出電路比較復雜，很難將a/d轉換、信號處理、自動(dòng)增益控制、精密放大和存儲功能集成到一塊芯片上，一般需要 3～8 個(gè)芯片組合實(shí)現，同時(shí)還需要一個(gè)多通道非標準供電電壓。借助于大規模集成制造工藝，cmos圖像傳感器能非常容易地把上述功能集成到單一芯片上，多數cmos圖像傳感器同時(shí)具有模擬和數字輸出信號。

（3）電源、功耗和體積

ccd需多種電源供電，功耗較大，體積也比較大。cmos只需一個(gè)單電源(3v~5 v)供電，其功耗相當于ccd的1/10，高度集成cmos芯片可以做的相當小。

（4）性能指標

ccd技術(shù)已經(jīng)相當成熟，而 cmos正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，雖然目前高端cmos圖像質(zhì)量暫時(shí)不如ccd，但有些指標（如傳輸速率等方面）已超過(guò)ccd。由于cmos具有諸多優(yōu)點(diǎn)，國內外許多機構已經(jīng)應用cmos圖像傳感器開(kāi)發(fā)出眾多產(chǎn)品。本文主要介紹已商品化的cmos圖像傳感器的發(fā)展現狀以及最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，希望對下游產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)有所幫助

CMOS技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是每一個(gè)像素單元可以集成一個(gè)或多個(gè)晶體管，這樣就具有了低功耗和小型化的優(yōu)點(diǎn)，非常適用于手持設備，可以降低系統功耗、體積，提高電池效率；它的高度集成性大大簡(jiǎn)化了圖像應用系統的設計。

MB86S02的主要特性如下：