基于A(yíng)T91RM9200的嵌入式網(wǎng)絡(luò )攝像機設計

　　隨著(zhù)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的迅猛發(fā)展, 通過(guò)網(wǎng)絡(luò )遠程實(shí)時(shí)監控重要場(chǎng)所已倍受人們關(guān)注, 網(wǎng)絡(luò )攝像機在此背景下產(chǎn)生, 并成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò )攝像機要將高清晰度的實(shí)時(shí)視頻信息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送到監控終端, 因其信息量巨大, 所以必須壓縮。通常人們采用DSP 與MPEG- 4 算法相結合的方案來(lái)實(shí)現, 不僅編程工作量大, 而且產(chǎn)品的成本高。本文所介紹的網(wǎng)絡(luò )攝像機采用專(zhuān)用的MPEG- 4 壓縮芯片、以嵌入式Linux 作為操作系統, 不僅開(kāi)發(fā)便捷、成本低廉, 而且實(shí)時(shí)性好, 適用范圍廣。

　　系統總體設計

　　系統總體設計包括硬件設計和軟件設計兩部分。硬件設計模塊主要包括微控制器模塊、壓縮編碼模塊、網(wǎng)絡(luò )接口模塊和相機控制模塊四部分。微控制器模塊主要由主控芯片、DataFlash 和SDRAM(1)組成。其中, 主控芯片是整個(gè)控制系統的核心, 它負責整個(gè)系統的調度工作。DataFlash 里固化了嵌入式Linux 內核、及其文件系統、應用軟件和系統配置文件。SDRAM(1)作為內存供系統運行使用。壓縮編碼模塊由視頻數據采集芯片、MPEG- 4 壓縮編碼芯片、SDRAM(2)組成,負責將視頻流轉化為MPEG- 4 碼流。網(wǎng)絡(luò )接口模塊主要是配合主控芯片傳送MPEG- 4 碼流。相機的控制模塊主要由串口芯片組成, 其完成轉發(fā)控制相機命令的功能。當系統啟動(dòng)時(shí), 微控制器通SPI( Serial PeripheralInterface, 串行外設接口) 將Linux 內核轉入SDRAM( 1) 中, 系統從SDRAM( 1) 中啟動(dòng)。系統啟動(dòng)后, 微控制器通過(guò)HPI(Host Peripherial Interface, 主機接口)控制MPEG- 4 編碼模塊。統結構如圖1 所示。

　　軟件設計部分主要包括嵌入式Linux 移植、MPEG- 4 壓縮編碼模塊、CGI 控制程序和MPEG- 4 解碼程序四部分。嵌入式Linux 系統存放到由AT91RM9200 控制的DataFlash 里,它負責整個(gè)系統軟件的調度工作。MPEG- 4 壓縮編碼模塊主要負責模擬視頻流的采集, 并將數字視頻流壓縮為MPEG- 4 數據流。CGI 控制程序主要負責對攝像機的控制和對MPEG- 4 視頻流的相關(guān)設置。MPEG- 4 解碼程序主要負責對通過(guò)網(wǎng)絡(luò )得到的MPEG- 4 數據流的解碼工作。'

　　硬件設計

　　微控制器模塊

　　微控制器是本系統的核心部件, 選用的是ATMEL公司的AT91RM9200。它是一款基于A(yíng)RM920T 核的32位微控制器。其主頻為180MHz, 處理速度快, 功能強, 性?xún)r(jià)比高, 能很好滿(mǎn)足嵌入式Linux 系統的需求。它在系統中的主要作用是在系統上電時(shí)配置其他芯片的功能寄存器, 在正常工作狀態(tài)下調度控制整個(gè)系統工作, 通過(guò)片內以太網(wǎng)控制器控制物理層芯片發(fā)送碼流。

　　AT91RM9200 通過(guò)片內的SPI 總線(xiàn)和SDRAM控制器實(shí)現對外圍DataFlash 和SDRAM的控制, 利用片內的USART 實(shí)現對串口芯片的控制, 通過(guò)片內的以太網(wǎng)控制器對片外網(wǎng)絡(luò )芯片進(jìn)行控制。其控制原理圖如圖2 所示。

　　壓縮編碼模塊

　　壓縮編碼模塊包括模擬視頻采集模塊和MPEG- 4壓縮模塊。視頻采集芯片采用TI 公司的TVP5150, 數據壓縮芯片采用映佳公司的MPG440。TVP5150 輸入端可是兩種混合視頻信號也可是S- Video 端子的視頻信號, 支持NTSC、PAL、SECAM等3 種制式, 其輸出的數據色彩格式可以為8bit 4: 2: 2 數字信號或者8bit 同步ITU- R BT.656 數字信號。MPG440 芯片具有符合工業(yè)標準的16b/32b 的雙向主機接口, 分別用來(lái)與視頻采集芯片和微控制器芯片通信。同時(shí), 具有移動(dòng)偵測、防偽水印、動(dòng)態(tài)調整IP 畫(huà)格比率、動(dòng)態(tài)調整圖像質(zhì)量等特性, 支持D1、VGA、CIF、QVGA、QCI 等五種分辨率模式。微控制器通過(guò)主機接口實(shí)現MPG440 的初始配置, 也由此接收MPEG- 4 碼流。壓縮編碼模塊的硬件設計原理如圖3 所示。

　　TVP5150 的AI 模擬輸入口與模擬攝像頭輸出端連接, 向視頻處理芯片傳送模擬視頻信號。模擬信號經(jīng)過(guò)采樣處理之后通過(guò)YOUT0～YOUT7 引腳送到MPG440, 采樣數據在PCLK 的上升沿有效, MPG440的VIDEO_CLK 在收到PCLK 的上升沿時(shí)獲得YOUT的信號。TVP5150 分場(chǎng)同步脈沖和行同步脈沖, 分別對應其輸出端VSYNC、HSYNC。MPG440 正是根據與之相連的VSYNC 和HSYNC 信號線(xiàn)來(lái)實(shí)現圖像的場(chǎng)同步和行同步操作。MPG440 的視頻輸入數據線(xiàn)DATA_TV0 ～DATA_TV7 與TVP5150 的YOUT0 ～YOUT7 相連。MPG440 在接收數據的同時(shí), 將其得到的數據流傳送給MPEG- 4 壓縮編碼單元, 編碼后的MPEG- 4 數據流暫存到SDRAM(2)中。MPG440 片內PDMA 控制器根據配置寄存器的設置準確發(fā)起對SDRAM(2)訪(fǎng)問(wèn), 同時(shí)將得到的數據流輸送往HPI(主機總線(xiàn)接口,Host Peripherial Interface) , 以等待AT91RM9200 通過(guò)DMA 通道將數據發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )。

　　MPG440 通過(guò)HPI 與AT91RM9200 通信,AT91RM9200 將MPG440 的寄存器、存儲空間等資源作為其本身內存尋址訪(fǎng)問(wèn)。MPG440 由AT91RM9200選通線(xiàn)NCS4 來(lái)選通, 其在A(yíng)T91RM9200 尋址空間中的地址段為0X50000000 到0X5FFFFFFF。通過(guò)對MPG440 一系列寄存器的設置, 可以訪(fǎng)問(wèn)MPG440 系統存儲空間。MPG440 中斷信號RSC_INT0 從通用I/O引腳的PB29 輸入, 當緩沖器填滿(mǎn)時(shí), RSC_INT0 引腳置低提示AT91RM9200 通過(guò)DMA 通道提取MPEG- 4數據流。編碼后視頻數據讀取過(guò)程和MPG440 與主機通信過(guò)程由AT91RM9200 讀信號CFRD 和寫(xiě)信號CFWE 控制。