基于FIC8120和PoE的IP-Camera設計

引言

在今天這個(gè)數字化互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，任何一個(gè)電子設備都努力向數字化和網(wǎng)絡(luò )化的方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò )正在拉近我們的距離，網(wǎng)絡(luò )正在改變我們的生活。監控領(lǐng)域也毫不猶豫地朝著(zhù)網(wǎng)絡(luò )化迅猛發(fā)展，其中攝像機的網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展也勢不可擋。^[6]IP攝像機將使遠距視頻監控成為可能，它將改變原先分布式模擬攝像機無(wú)法實(shí)現低成本遠距傳輸的窘境！

為滿(mǎn)足分布式單攝像機遠距傳輸的需求，現代IP攝像機必須具備小帶寬、高畫(huà)質(zhì)、低成本、低功耗等特性。本系統采用數字CMOS數字影像傳感器，MPEG-4高壓縮比VGA/CIF的ARM-SoC和Si3401以太網(wǎng)供電和以太網(wǎng)設備控制器等提出了全數字實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )攝像機解決方案，以滿(mǎn)足現在和將來(lái)的監控需求。

整體硬件架構

整個(gè)系統由CMOS視頻采集、壓縮編碼、視頻處理、以太網(wǎng)供電和以太網(wǎng)數據通信等幾部分組成。從前端到后端依次經(jīng)過(guò)“鏡頭OV7660 → FIC8120-SoC → PoE/Network”等幾個(gè)處理過(guò)程。

根據用戶(hù)的不同需求，我們可以選用相應的鏡頭組，從鏡頭獲取的模擬信息就通過(guò)OV7660進(jìn)行數字化采集，再由這顆CMOS傳感器傳送至后續處理組件。

1. FIC8120-SoC相關(guān)設計

FIC8120是著(zhù)名的UMC旗下FARADAY智源科技設計的一顆高集成度、具M(jìn)PEG4/JPEG視頻圖像加速、低成本低功耗、ARM922內核的SoC。^[1]

FIC8120作為系統的CPU，捕獲OV7660^[5]輸出的ITU 656 YUV 4:2:2的VGA格式數字圖像信號，并通過(guò)AHB總線(xiàn)DMA至外部SDRAM。同時(shí)，傳送至內部MPEG-4 Codec進(jìn)行編碼。完成編碼后，經(jīng)過(guò)用戶(hù)選定的相關(guān)處理，送至Ethernet MAC從網(wǎng)口輸出。

本設計支持業(yè)界常用的VGA（640480）@30fps及CIF（352240）@30fps的分辨率和幀率進(jìn)行壓縮編碼、實(shí)時(shí)錄像，且具有高效的移動(dòng)偵測技術(shù)。采用移動(dòng)偵測技術(shù)使得只有捕獲到運動(dòng)畫(huà)面的情況下才觸發(fā)錄像，以此大大減少不必要的磁盤(pán)占用空間。該Codec還支持硬件DCT/IDCT、量化/反量化、變長(cháng)編碼等多項先進(jìn)技術(shù)，使得編碼效率顯著(zhù)提高、功耗明顯降低。系統還充分利用FIC8120內置100K門(mén)MPCA（類(lèi)似于FPGA），實(shí)現了實(shí)用的OSD（字符疊加）等多項功能。

此外，FIC8120具有豐富的外設及IO，這對將來(lái)的系統升級也提供了很大的便利。這里主要預留了音頻壓縮口（I2S/AC’97）和CCIR601/YCbCr/RGB視頻輸入等。

2. Si3401 PoE電源設計

出于低功耗及易用性的考慮，并經(jīng)過(guò)供電電壓及功率的驗證，本系統采用了Silicon Labs的Si3401以太網(wǎng)供電芯片。^[3]

以太網(wǎng)供電（PoE）是通過(guò)以太網(wǎng)電纜傳送電能的IEEE 802.3af標準。802.3af支持兩種供電方式，分別是空余線(xiàn)對供電和信號線(xiàn)對供電。為了不改變現成的網(wǎng)絡(luò )設備和適應將來(lái)的網(wǎng)絡(luò )設備，本系統采用空余線(xiàn)對供電方式。^[4]

以太網(wǎng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )變壓器將信號線(xiàn)對接至物理層（PHY）傳到FIC8120，另一路空余線(xiàn)對則接至Si3401進(jìn)行供電調整。由于IP-Camera為獨立的受電設備，因此本設計將Si3401配置成非隔離的DC-DC調整模式，并使之輸出5VDC初電源。

由于CMOS圖像傳感器、CPU、外設的電壓需要，本設計又用LM1117將5V降壓為3.3V-1A?？紤]到FIC8120需要低噪聲高精度的1.8V核心電壓，我采用了TPS71229超低噪聲250mA雙通道LDO，不僅可以提供可靠穩定的1.8V-250mA，同時(shí)還可以通過(guò)外圍電路的配置提供CMOS圖像傳感器所需的2.5V電壓。

系統軟件設計

鑒于FIC8120的ARM922架構，系統將FIC8120移植在低成本的Embedded Linux 2.4.19上，并根據FIC8120及IP-Camera進(jìn)行了一定的裁剪和優(yōu)化。系統使用標準的GNU工具鏈。

基于FIC8120，我們首先封裝了一個(gè)板級支持包（BSP），其中包括CPU初始化、存儲器管理、各種外設驅動(dòng)（Ethernet等）、Linux Kernel初始化、中斷處理、時(shí)鐘管理、看門(mén)狗、I/O系統和文件系統等。BSP也類(lèi)似于初始化及硬件抽象層，上層應用程序就是通過(guò)BSP提供的API進(jìn)行相關(guān)的調用。系統初始化程序還要完成系統的網(wǎng)絡(luò )分配，視頻相關(guān)參數配置（包括錄像分辨率、碼流、幀率、定碼率/變碼率等），并關(guān)閉不用的外設以盡可能的減少功耗。

除了BSP之外，軟件系統還包括IP-Camera關(guān)鍵的TCP/IP、UDP協(xié)議庫。FARADAY提供的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議相當完整，并且具有很高的實(shí)時(shí)性。^[2]

應用軟件包括完成文件系統管理、網(wǎng)絡(luò )服務(wù)、郵件發(fā)送、文件傳送、偵測報警等。網(wǎng)絡(luò )服務(wù)程序完成把視頻發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )的某個(gè)端口，以供其他網(wǎng)絡(luò )設備來(lái)訪(fǎng)問(wèn)（如遠程客戶(hù)端）；郵件發(fā)送和文件傳送程序在偵測到移動(dòng)目標、需要報警的時(shí)候，把該時(shí)刻的圖片截取并傳送到郵件服務(wù)器或者文件服務(wù)器；偵測報警程序根據遠程主機端設定的規則來(lái)判斷視頻中移動(dòng)的目標是否需要報警。

應用程序還包含了一個(gè)Web Server，配合專(zhuān)用的Media Player程序，應用軟件可以完成按照HTTP協(xié)議處理來(lái)自外部的服務(wù)請求，把MPEG4碼流發(fā)送以太網(wǎng)、處理外部控制指令、移動(dòng)偵測報警等。在通過(guò)IE瀏覽器連接到FIC8120之后，可以在頁(yè)面上對FIC8120作相關(guān)的設定，如網(wǎng)絡(luò )配置、多碼流監控、SMTP服務(wù)、FTP服務(wù)器、視頻質(zhì)量、運動(dòng)偵測、管理員密碼管理等。

結束語(yǔ)

本IP-Camera在VGA分辨率、最大碼流2Mbps、幀率30fps、變碼率、移動(dòng)偵測的配置下，使用局域網(wǎng)遠程訪(fǎng)問(wèn)Web Server，并進(jìn)行預覽、錄像、回放、設置等操作，質(zhì)量?jì)?yōu)異，錄像占用存儲空間平均控制在500MB/Hour以?xún)?；系統整體功耗3-7W，電源效率>80%。該系統極其適用于廣為分布的中大型監控場(chǎng)所，只需一根網(wǎng)線(xiàn)和少量的Switch/Hub就可以完成布置；它還可推薦用于原有設備改造及擴容等應用領(lǐng)域。毫無(wú)疑問(wèn)，此IP-Camera系統是當今及下一代數字化和網(wǎng)絡(luò )化的監控優(yōu)選方案之一。

參考文獻

[1] FARADAY. FIC8120 MPEG4 Codec Platform SoC Datasheet. March, 2006

[2] FARADAY. Faraday Linux Software Development Kit for FIC8120. October, 2005

[3] SILICON LABS. Si3400/Si3401 Datasheet. December, 2006

[4] SILICON LABS. Using the Si3400 and Si3401 PoE PD Controllers in Isolated and Non-Isolated Designs. AN296. December, 2006

[5] OmniVision. OV7660/OV7661 Datasheet. 2004

[6] 侯俊華，胡金演，蘇博仕，陳鋒. 一種新的嵌入式MPEG-4 DVR系統設計. 微計算機信息. 2006，Vol.22-No.14，P187-189