淺談AT91RM9200的嵌入式網(wǎng)絡(luò )攝像機的設計與實(shí)現

　　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 )攝像機是一種結合傳統攝像機與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)所產(chǎn)生的新一代攝像機，它可以將影像通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳至地球另一端，且遠端的瀏覽者不需用任何專(zhuān)業(yè)軟件，只要標準的網(wǎng)絡(luò )瀏覽器（如"Microsoft IE或Netscape）即可監視其影像。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。

　　2. 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。這兩部分工作是互相聯(lián)系的，需要交叉進(jìn)行，系統設計是開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行的工作，他們將系統設計階段得到的目標系統的邏輯模型轉換為目標系統的物理模型，該階段得到工作成果――系統設計說(shuō)明書(shū)是下一個(gè)階段系統實(shí)施的工作依據。硬件設計模塊主要包括微控制器模塊、微控制器是將微型計算機的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計算機。微控制器誕生于20世紀70年代中期，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，其成本越來(lái)越低，而性能越來(lái)越強大，這使其應用已經(jīng)無(wú)處不在，遍及各個(gè)領(lǐng)域。例如電機控制、條碼閱讀器/掃描器、消費類(lèi)電子、游戲設備、電話(huà)、HVAC、樓宇安全與門(mén)禁控制、工業(yè)控制與自動(dòng)化和白色家電（洗衣機、微波爐）等。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。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 Peripheral Interface,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。

　　圖1 系統結構框圖

　　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。簡(jiǎn)稱(chēng)CGI.在物理上是一段程序，運行在服務(wù)器上，提供同客戶(hù)端 HTML頁(yè)面的接口。這樣說(shuō)大概還不好理解。那么我們看一個(gè)實(shí)際例子： 現在的個(gè)人主頁(yè)上大部分都有一個(gè)留言本。留言本的工作是這樣的：先由用戶(hù)在客戶(hù)端輸入一些信息，如名字之類(lèi)的東西。接著(zhù)用戶(hù)按一下"留言"（到目前為止工作都在客戶(hù)端），瀏覽器把這些信息傳送到服務(wù)器的CGI目錄下特定的cgi程序中，于是cgi程序在服務(wù)器上按照預定的方法進(jìn)行處理。在本例中就是把用戶(hù)提交的信息存入指定的文件中。然后cgi程序給客戶(hù)端發(fā)送一個(gè)信息，表示請求的任務(wù)已經(jīng)結束。此時(shí)用戶(hù)在瀏覽器里將看到"留言結束"的字樣。整個(gè)過(guò)程結束。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。

　　3. 硬件設計

　　3.1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。

　　圖2 控制原理圖

　　3.2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。微壓縮編碼模塊的硬件設計原理如圖3所示。

　　圖3 壓縮編碼電路

　　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。