基于單片機的網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統的設計

本文提出了一種網(wǎng)絡(luò )化視頻監控系統，將單片機控制技術(shù)、USB數據采集技術(shù)與基于TCP/IP協(xié)議棧的計算機網(wǎng)絡(luò )結構有機結合起來(lái)，使人們能夠通過(guò)監控現場(chǎng)的攝像機和麥克風(fēng)等視頻音頻捕捉設備。

將監控現場(chǎng)的信號通過(guò)局域網(wǎng)傳輸，并送到監視器上以獲得實(shí)時(shí)圖像和聲音，從而實(shí)現遠程遙視現場(chǎng)。

隨著(zhù)嵌入式系統的飛速發(fā)展，在許多領(lǐng)域，以微控制器為中心的應用系統正逐步取代以計算機為中心的應用。因此，對于網(wǎng)絡(luò )應用系統的研究，越來(lái)越多的研究人員將研究重點(diǎn)轉移到嵌入式系統上來(lái)。基于此背景，本文提出了一種網(wǎng)絡(luò )化視頻監控系統方案，其目標是使人們能夠通過(guò)監控現場(chǎng)的攝像機和麥克等視頻音頻捕捉設備，將監控現場(chǎng)的信號通過(guò)局域網(wǎng)傳輸，并送到監視器上以獲得當地實(shí)時(shí)圖像和聲音，從而實(shí)現遠距離遙視現場(chǎng)。

系統工作原理

在本監控方案中，嵌入式主機系統采用TI公司的混合信號微控制器MSP430F1611作為系統核心控制器，USB主機接口芯片采用Cypress公司的 USB Host/Slave接口芯片SL811HS，以太網(wǎng)傳輸芯片采用REALTEK公司的快速以太網(wǎng)控制芯片RTL8139，系統的穩壓源選擇NS公司的 LM1117。

系統工作時(shí)，由MSP430F1611和SL811HS控制作為USB從設備的攝像頭，并讀入視頻數據，對其進(jìn)行處理和存儲。同時(shí)，將麥克風(fēng)中的音頻數據讀入MSP430F1611進(jìn)行數據轉換和存儲。然后，將經(jīng)過(guò)傳輸層、網(wǎng)絡(luò )層封包后的IP數據報由RTL8139封裝成以太網(wǎng)幀，再經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)變壓器 PE68515傳輸到局域網(wǎng)上。

系統結構框圖

該方案整個(gè)系統由音/視頻數據采集模塊、音/視頻數據處理模塊、以太網(wǎng)傳輸控制模塊以及電源模塊四部分組成，如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

(1) 音/視頻數據采集模塊：該模塊主要由攝像頭、麥克風(fēng)及其外圍電路組成。其中攝像頭主要由鏡頭、圖像傳感器和數字信號處理芯片ZC0301P組成，完成圖像數據的采集、轉換及傳輸，VGA視頻圖像的傳輸速度可達每秒15幀。麥克風(fēng)主要用于采集模擬聲音信號。

(2) 音/視頻數據處理模塊主要由MSP430F1611和SL811HS組成，完成數據采集與處理。嵌入式USB主/從接口芯片SL811HS和16位單片機 MSP430F1611遵從USB1.1協(xié)議，用以實(shí)現USB主機功能，并且具有USB總線(xiàn)的接口方式。該模塊作為一個(gè)數據接口模塊集成到用戶(hù)的嵌入式系統中，對攝像頭和麥克風(fēng)中讀入的數據進(jìn)行處理并存儲。

(3) 以太網(wǎng)傳輸控制模塊：主要任務(wù)是將經(jīng)過(guò)傳輸層、網(wǎng)絡(luò )層封包后的IP數據報經(jīng)過(guò)RTL8139進(jìn)行以太網(wǎng)封包，封裝成以太網(wǎng)幀后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )變壓器PE68515傳輸到局域網(wǎng)上。

(4) 電源模塊根據系統中各器件對電源的要求，使外部電源通過(guò)LM1117穩壓器后，向系統提供3.3V電壓。

系統硬件設計

本設計中，單片機采用MSP430F1611，它有48KB+256B的FLASH存儲，10KB RAM。MSP430F1611與SL811HS主要完成系統數據采集與處理功能。MSP430F1611與SL811HS的硬件接口框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件接口電路框圖

圖2中，SL811HS的M/S接低電平，工作在主機模式下。CM接低電平，使系統工作在48MHz。由于MSP430F1611既要與SL811HS相連，又要與RTL8139相連，而SL811HS的引腳本身無(wú)三態(tài)功能，所以在MSP430F1611與SL811HS之間需要加三態(tài)緩沖器 74HC244，以達到三方通信的目的。SL811HS通過(guò)緩沖器接MSP430F1611的I/O口;中斷請求端INTR0直接與單片機的I/O口P1.1相連，SL811HS傳輸完數據后產(chǎn)生高電平輸出。通過(guò)單片機定時(shí)器檢測設備狀態(tài)，如果發(fā)現從設備接入，則觸發(fā)外部中斷。

MSP430F1611大部分引腳作為I/O口，主要用來(lái)與SL811HS和RTL8139通信。

MSP430F1611與RTL8139通信的作用是將上層應用程序傳來(lái)的音/視頻數據進(jìn)行處理并存儲后，進(jìn)行數據的封裝過(guò)程，通過(guò)傳輸層將存儲的數據封裝成UDP(User Datagram Protocol)數據包，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )層封裝成IP數據，以及通過(guò)數據鏈路層封裝成以太網(wǎng)幀，然后通過(guò)物理網(wǎng)絡(luò )傳輸到目的地。

系統軟件設計

本設計的軟件部分主要包括采集模塊軟件設計和以太網(wǎng)傳輸模塊軟件設計。通過(guò)單片機定時(shí)器檢測設備狀態(tài)，如果系統發(fā)現從設備接入，則觸發(fā)外部中斷。當從設備發(fā)現后，通過(guò)SL811HS進(jìn)行設備枚舉，設置設備地址、數據描述和配置，然后通過(guò)大規模存儲協(xié)議訪(fǎng)問(wèn)從設備文件系統。

以太網(wǎng)傳輸模塊中斷子程序流程圖如圖3所示。RTL8139數據的接收用中斷方式完成。當主處理器向網(wǎng)上發(fā)送數據時(shí)，先將1幀數據通過(guò)DMA通道送到控制器的發(fā)送緩沖區，然后發(fā)出傳送命令，RTL8139按照PCI總線(xiàn)主模式將數據從發(fā)送緩沖區轉移到內部發(fā)送FIFO中。當FIFO中數據包完整時(shí)，RTL8139即開(kāi)始包發(fā)送?？刂破髟跀祿l(fā)送完成后通過(guò)中斷方式通知主處理器。接收數據時(shí)，網(wǎng)上傳送來(lái)的數據包首先被放在接收FIFO中，同時(shí) RTL8139要進(jìn)行地址過(guò)濾。當接收FIFO中數據包已達到接收配置寄存器的要求時(shí)，RTL8139請求PCI總線(xiàn)按照PCI模式將數據傳到接收緩沖區，接收滿(mǎn)1幀后，同樣以中斷方式通知主處理器數據收發(fā)的狀態(tài)。

結語(yǔ)

本設計主要是針對家居安防中應用而提出的，系統最終可達到的數據傳輸速率為8～10Mbps。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )應用的日益普遍和嵌入式系統的不斷發(fā)展，未來(lái)會(huì )有更多嵌入式網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品產(chǎn)生。