S3C2440A智能小車(chē)可移動(dòng)視頻監控系統

　　本文介紹的智能小車(chē)可移動(dòng)視頻監控系統，以“飛思卡爾杯”智能小車(chē)競賽提供的車(chē)模裝置為基礎，利用ARM芯片S3C2440A控制圖像采集、網(wǎng)絡(luò )傳輸、速度采集干擾小的模塊，利用FPGA芯片控制電機驅動(dòng)、舵機控制、電量采集干擾大的模塊，當上位機通過(guò)Internet訪(fǎng)問(wèn)智能小車(chē)服務(wù)器時(shí)，在監控界面上點(diǎn)擊按鈕來(lái)控制小車(chē)的運行、圖像拍攝、速度采集。

　　1 系統總體設計

　　該系統采用三星公司的ARM芯片S3C2440A作為主控制芯片及Altera公司的FPGA芯片EP2C5T144C8作為輔助控制芯片，ARM上裝有Windows CE5.0操作系統。S3C2440A內置豐富的外設資源包括中斷控制器、GPIO、I2C、相機接口等接口電路，其內核為16/32位的ARM920T處理器，它集MMU，AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結構與一體，主頻可達400 MHz。

　　利用ARM9控制圖像采集、速度采集、網(wǎng)絡(luò )傳輸等功耗小、干擾弱的模塊;利用FPGA單獨控制功耗大、干擾強的直流電機、舵機、固態(tài)繼電器以提高系統的抗干擾能力。ARM9和FPGA以并行總線(xiàn)的方式進(jìn)行數據和控制信號的傳輸，需要注意的是ARM的I/O口需要設置為禁止上拉，否則無(wú)法和FPGA進(jìn)行通信。該系統具體組成如圖1所示。

　　2 系統硬件電路設計

　　2.1 圖像采集電路設計

　　圖像采集模塊選用OmniVision公司的CMOS圖像傳感器OV9650，可達130萬(wàn)像素，具有標準SCCB(setial camera control bus)接口，通過(guò)該接口可以方便地設置圖像像素大小、輸出YCbCr順序、白平衡、色飽和等重要參數。

　　S3C2440A可以直接和CMOS圖像傳感器OV9650連接，如圖2所示。OV9650的PWDN引腳與S3C2440A的GPG12引腳相連，這樣可以控制OV9650的工作狀態(tài)。當無(wú)須采集圖像時(shí)，將GPG12輸出高電平，OV9650芯片處于掉電模式，節省電能消耗。OV9650可輸出YCbCr，RGB兩種格式的數據，當輸出YCbCr格式時(shí)，要用到數據線(xiàn)的D2～D9;當輸出RGB格式時(shí)，則需要用數據線(xiàn)D0～D9。本文采用YCbCr格式，數據線(xiàn)D2～D9與S3C2440A的CAMDATA0～CAMDATA7相連。

　　S3C2440A芯片具有相機接口CAMIF，其內部單元如圖3所示，CAMIF支持ITU-R BT.601/656YCbCr 8 b標準的圖像數據輸入，最大可采樣4 096×4 096像素的圖像。該接口可以使用兩種通道將圖像數據存儲在SDRAM中：一種是預覽通道模式，將從相機接口采集到的圖像數據轉為RGB數據，并在DMA控制下傳輸到SDRAM，這種模式通常用來(lái)提供圖像預覽功能;另一種是編碼通道模式，將圖像數據按照YCbCr 4：2：0或者YCbCr 4：2：2的格式傳輸到SDRAM，這種模式主要為JPEC，MPEG-4，H.263等編碼器提供圖像數據的輸入。

　　2.2 網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊電路設計

　　網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊選用DAVICOM公司推出的一款高速以太網(wǎng)接口芯片DM9000A，內部集成10/100M物理層接口，16 KB SRAM用作接收發(fā)送的F-IFO緩存，支持8/16 b內存數據存取接口。

　　S3C2440A內部沒(méi)有專(zhuān)用以太網(wǎng)控制器，需要外部總線(xiàn)外掛一個(gè)以太網(wǎng)控制器，才能實(shí)現S3C2440A連接以太網(wǎng)的需要，該系統選用DM9000A作為以太網(wǎng)的物理層接口。DM9000A與S3C2440A的連接比較簡(jiǎn)單，如圖4所示。S3C2440A數據總線(xiàn)DATA0～DATA15與芯片的SD0～SD15連接;地址線(xiàn)ADDR2與芯片的CMD連接;片選線(xiàn)nGCS3與芯片nCS的相連;9號外中斷與芯片的INT相連。DM9000A以太網(wǎng)控制器的工作基址為0x300，而S3C2440A的地址線(xiàn)ADDR2與芯片的命令/數據使能端CMD相連，所以對其進(jìn)行操作時(shí)的地址是0x300(地址端口)或0x304(數據端口)。

　　2.3 運動(dòng)控制電路設計

　　速度采集模塊由紅外傳感器和脈沖整形電路組成，經(jīng)整形后的脈沖送往ARM中斷進(jìn)行脈沖捕獲。運動(dòng)控制模塊選用型號為RS-380SH的直流電機控制車(chē)模的前進(jìn)或后退，選用型號為FUTABA-S3010的舵機控制車(chē)模的轉向，電機驅動(dòng)芯片選用L298N實(shí)現對電機調速、正反轉的控制。

　　該系統運動(dòng)控制包括電機控制和舵機控制兩部分。電機控制如圖5所示，PWM1，PWM2用于控制電機的轉速，IN11，IN12，IN21，IN22用于控制電機正反轉。舵機控制電路簡(jiǎn)單，外接有3根線(xiàn)，紅色為電源線(xiàn)，黑色為地線(xiàn)，另外一個(gè)為PWM信號輸入線(xiàn)。兩者的主要控制信號是PWM信號，S3C2440A發(fā)送命令控制FPGA輸出占空比可調的PWM信號。舵機PWM信號的周期固定為20 ms，脈寬分布在1～2 ms之間，因此選定PWM信號頻率為50 Hz，占空比固定在5%～10%之間。直流電機PWM信號頻率選定10 kHz，占空比可在0%～100%波動(dòng)，當IN11=1，IN12=0，電機正轉且轉速隨PWM1信號的占空比不同而變化，當IN11=0，IN12=1，電機反轉且轉速也隨著(zhù)PWM1信號占空比變化。

　　3 系統軟件設計

　　3.1 圖像采集驅動(dòng)開(kāi)發(fā)

　　該系統圖像采集模塊硬件電路由CMOS圖像傳感器芯片和S3C2440A的CAMIF單元組成。為此在編寫(xiě)圖像采集驅動(dòng)程序時(shí)，就需要對圖像傳感器芯片的寄存器和S3C2440A的CAMIF單元的寄存器同時(shí)配置，否則就得不到正常圖像。S3C2440A以I2C總線(xiàn)的方式對CMOS圖像傳感器芯片的寄存器進(jìn)行配置。

　　在WinCE下，圖像采集驅動(dòng)是基于流接口設計的。首先在CIS_Init函數下對相機接口的寄存器進(jìn)行配置，主要配置功能包括：設置相機接口輸出時(shí)鐘;設置圖像輸入輸出格式;設置裁剪圖像偏移量;設置幀緩沖區中圖像像素大小;設置編碼通道和預覽通道幀緩沖區起始地址。然后S3C2440A以I2C總線(xiàn)方式對OV9650的寄存器進(jìn)行配置，需要注意的是相機接口的配置功能要和OV9650的配置功能完全一致，否則采集不到圖像，兩者之間通信協(xié)議如圖6所示。最后利用API函數CreateThread()創(chuàng )建中斷服務(wù)線(xiàn)程。

　　中斷服務(wù)線(xiàn)程函數負責具體的中斷操作，在該線(xiàn)程函數內利用CreateEent()函數創(chuàng )建CAMIF單元的中斷事件。然后調用InterruptInitia-lize()函數將該中斷事件與CAMIF單元的邏輯中斷相關(guān)聯(lián)。最后調用Wait For SingleObject()等待中斷事件的到來(lái)，當中斷到來(lái)時(shí)，將讀取事件置位，在應用程序中即可利用ReadFile()函數讀取YCbCr數據，為圖像壓縮提供數據源。

　　3.2 速度采集程序設計

　　速度傳感器由紅外反射式傳感器和施密特觸發(fā)器組成，經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器整形后信號的頻率與速度相關(guān)，通過(guò)測量該信號頻率計算車(chē)模行駛速度。在Windows CE中，API函數SetTimer()可以設置定時(shí)器編號和定時(shí)時(shí)間，當定時(shí)時(shí)間到達時(shí)，執行消息響應函數OnTimer。速度采集流程如圖7所示。調用SetTimer函數設置定時(shí)器初值，當外部中斷EINT_19產(chǎn)生時(shí)，即一個(gè)脈沖信號到來(lái)，計數變量CNT加1，當SetTimer()函數設置的時(shí)間到來(lái)時(shí)，執行OnTimer()函數，該函數負責計算車(chē)模速度并將計數變量CNT清0。

　　計數變量CNT雖然與速度成正比關(guān)系，但它并不是真正的行駛速度，需要經(jīng)過(guò)一定的數學(xué)轉換，才能傳送到遠程監控端并顯示。假設車(chē)模后輪直徑為D，光柵編碼盤(pán)黑白相間的個(gè)數為M，在定時(shí)時(shí)間T秒內記得脈沖個(gè)數為N，則車(chē)模行駛速度：

　　3.3 網(wǎng)絡(luò )傳輸程序設計

　　該系統網(wǎng)絡(luò )傳輸程序是基于TCP協(xié)議來(lái)實(shí)現的。S3C2440A組成的嵌入式設備作為服務(wù)器負責圖像采集、速度采集、車(chē)?？刂?。服務(wù)器調用accept()函數等待客戶(hù)端的連接請求，服務(wù)器端接收該連接請求后，雙方就此建立了連接?？蛻?hù)端通過(guò)send()發(fā)送請求命令，服務(wù)器調用recv()函數接收該請求命令，通過(guò)命令解析來(lái)執行具體的操作，若收到圖像采集命令，服務(wù)器端打開(kāi)攝像頭驅動(dòng)，設置圖像像素大小后，將采集到YCbCr數據進(jìn)行JPEG的壓縮并保存為.jpg格式的圖片。然后將該圖片發(fā)送到客戶(hù)端，客戶(hù)端將該圖片在圖像顯示區域顯示;若收到速度采集命令，服務(wù)器端打開(kāi)定時(shí)器，打開(kāi)外部中斷EINT19，用于計數，當定時(shí)時(shí)間到后，將計數脈沖轉換為以cm/s為單位的速度發(fā)送到客戶(hù)端，客戶(hù)端將采集到速度在速度顯示區顯示;若收到控制車(chē)模運行狀態(tài)，如前進(jìn)、后退、左轉、右轉，服務(wù)器端打開(kāi)GPIO驅動(dòng)，通過(guò)GPIO端口輸出控制信號，控制FPGA輸出占空比可調的PWM信號，即可控制車(chē)模的運行狀態(tài)。

　　客戶(hù)端負責發(fā)送控制車(chē)模、圖像采集、速度采集的命令，然后將服務(wù)器端發(fā)送過(guò)來(lái)的圖像、速度信息進(jìn)行顯示?？蛻?hù)端的監控界面如圖8所示。

　　遠程地址欄輸入服務(wù)端IP地址，點(diǎn)擊“創(chuàng )建連接”按鈕即可和服務(wù)器端進(jìn)行連接，連接成功后，就可以進(jìn)行一系列的命令發(fā)送。

　　4 結語(yǔ)

　　該設計在自制電路板板上進(jìn)行了軟、硬件的系統集成及測試。測試結果為：圖像采集時(shí)鐘24 MHz;圖像采集速度為30 f/s;行同步頻率為14.5 kHz，圖像采集像素為640×480;JPEG壓縮比達到10：1;運動(dòng)控制命令響應時(shí)間為5μs，網(wǎng)絡(luò )傳輸速率達10 Mb/s。