基于RS-485總線(xiàn)的計算機視頻監控系統的研究

摘要：提出一種用RS-485總線(xiàn)構成視頻監控系統的方法。系統用便攜式視頻壓縮終端運載視頻圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮，通過(guò)RS-485總線(xiàn)將壓縮圖像數據傳送給主機。

關(guān)鍵詞：視頻監控 RS-485總線(xiàn) 圖像壓縮 DSP芯片

RS-485總線(xiàn)抗干擾能力強，能實(shí)現多站遠距離通信，組網(wǎng)方便，成本低廉，因而在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應用。隨著(zhù)串行通信接口芯片和RS-485接口芯片傳輸速度的大幅度提高，使得利用RS-485總線(xiàn)傳輸圖像數據成為可能，但是未壓縮視頻圖像的數據量極大，即使總線(xiàn)傳輸速度高達1Mbps，傳輸一幅512×512×8的灰度圖像就要耗時(shí)2.1s，因此必須視頻圖像數據進(jìn)行壓縮編碼，再通過(guò)總線(xiàn)傳輸。本文介紹的視頻監控系統使用便攜式圖像壓縮終端，在攝象機的視頻輸出端對圖像信號進(jìn)行采集、變換和編碼，用一對雙絞線(xiàn)按RS-485總線(xiàn)標準將壓縮后的圖像數傳送給上位機。這樣只要使用一根電纜就能構成一個(gè)64～128點(diǎn)的局域網(wǎng)，不但布線(xiàn)簡(jiǎn)單，而且傳輸速率高達1Mbps，遠遠超過(guò)電話(huà)網(wǎng)的傳輸速率。

1 視頻監控系統的組成

本監控系統的一臺主機和多臺從機組成，如圖1所示。主機為工控機，內含高速RS-485通信卡，主要完成監控系統的控制、管理和圖像數據的后期處理等任務(wù)。從機為便攜式圖像壓縮終端，該終端以TI公司的TMS320VC5402數字信號處理器為核心，擴展一些外圍器件組成一個(gè)獨立的視頻圖像壓縮和傳輸設備，主要完成視頻圖像的實(shí)時(shí)采集、變換編碼和傳輸控制。主機與從機之間通過(guò)RS-485總線(xiàn)進(jìn)行通信。主要啟動(dòng)并控制網(wǎng)上每一次通信，每個(gè)從機有一個(gè)唯一的地址，只有被尋址的從機響應主機的命令并向主機發(fā)回信息幀。當從機數量超過(guò)64個(gè)或與主機距離超過(guò)120m時(shí)，應在網(wǎng)絡(luò )上加裝中繼器以保證通信速率達到1Mbps。

2 便攜式圖像壓縮終端簡(jiǎn)介

壓縮終端是本系統的關(guān)鍵部件，組成框圖如圖2所示。它以TMS320VC5402 DSP為處理器，擴展了視頻器、行場(chǎng)分離電路、幀緩沖器、程序存儲器、串行通信接口芯片和RS-485總線(xiàn)接口芯片。

2.1 TMS320VC5402 DSP簡(jiǎn)介

TMS320VC5402 DSP（以下簡(jiǎn)稱(chēng)C5402）是TI公司生產(chǎn)的新一代定點(diǎn)DSP芯片，時(shí)鐘頻率100MHz，性?xún)r(jià)比極高，是目前定點(diǎn)DSP的主流產(chǎn)品。C5402片內有8條數據或地址總線(xiàn)，構成增強型哈佛結構的總線(xiàn)系統，指令按流水線(xiàn)方式執行，大部分指令能在單周期內完成。此外還有一套并行操作指令，能在單周期內執行一次存儲/加載操作和一次算術(shù)運算，大大提高了數字信號處理的速度。C5402片內有16KW DARAM，可以作為程序存儲器或數據存儲器，另外還有兩個(gè)多通道緩沖串行口（McBSP）、一個(gè)8位HPI接口、兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)六通道DMA控制器和一個(gè)PLL時(shí)鐘發(fā)生器。

2.2 視頻采集電路

視頻圖像信號采集由視頻緩沖器、高速A/D轉換器和行、場(chǎng)同步分離電路組成。A/D轉換器采用TI公司的TLV5510芯片，TLV5510為8bit、10Msps的高速并行A/D轉換器，本電路中將TLV5510作為C5402的一個(gè)擴展的并行輸入口，C5402的R/W信號作為轉換時(shí)鐘信號，讀該端口時(shí)啟動(dòng)A/D轉換。行、場(chǎng)同步分離電路輸出行同步信號、垂直同步信號和奇、偶場(chǎng)信號作為C5402的外部中斷輸入信號。C5402采用中斷響應方式采集一幀圖像的奇場(chǎng)數據和偶場(chǎng)數據。

2.3 存儲器配置

480KB的幀緩沖器用來(lái)存放原始圖像數據和壓縮后的圖像數據，32KB的FlashROM用來(lái)存放應用程序，二者都映射到C5402的外部數據空間。由于C5402的數據空間僅為64KW，因此采用內存頁(yè)擴展技術(shù)，將外部數據空間擴展為16頁(yè)，每頁(yè)32KB。使用C5402的一個(gè)擴展輸出口作為擴展內存的頁(yè)選擇信號，分別選擇0～16頁(yè)，并且將C5402的A15腳與擴展靜態(tài)RAM的使能端相連，當A15=0時(shí)選擇片內RAM，當A15=1時(shí)選擇片外RAM。因此本系統的數據存儲器配置如下：

片內：16KW DARAM 地址為0000h～3FFFh

片內：32KB FlashROM 地址為8000h～FFFFh

片外：480KB SRAM 地址為 n8000h～nFFFFh (n=1～15)

系統硬件復位時(shí)，頁(yè)選擇信號被自動(dòng)清零，FlashROM映射到數據空間，C5402將FlashROM中的應用程序加載到片內DARAM中。

2.4 數據傳輸電路

數據傳輸使用了TI公司的異步串行收發(fā)器TL16C550和MAXIM公司的MAX3485E。TL16C550含16bit的FIFO，通信速率達1Mbps。MAX3485E是半雙工RS-485總線(xiàn)接口芯片，傳輸速率達12Mbps，傳輸距離達4000英尺。

2.5 軟件實(shí)現

C54x DSP集成開(kāi)發(fā)工具支持C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程，為了提高代碼執行效率，滿(mǎn)足圖像實(shí)時(shí)壓縮和傳輸的需要，采用匯編語(yǔ)言編程。主程序可分成以下幾個(gè)部分：

（1）初始化C5402，接受上位機的命令幀，做好采集圖像的準備工作；

（2）開(kāi)放奇場(chǎng)中斷（INT1），關(guān)閉偶場(chǎng)中斷（INT2）和行中斷（INT3）；

（3）當奇場(chǎng)同步信號到來(lái)時(shí)，C5402進(jìn)入奇場(chǎng)中斷服務(wù)子程序，開(kāi)放行中斷做好采集奇場(chǎng)數據的準備。當行同步信號以來(lái)時(shí)，C5402進(jìn)入行中斷服務(wù)子程序，連續采集一行圖像數據。當各行圖像數據采集完畢后，關(guān)閉行中斷；

（4）當偶場(chǎng)同步信號到來(lái)時(shí)，C5402進(jìn)入偶場(chǎng)中斷服務(wù)子程序，開(kāi)放行中斷做好采集偶場(chǎng)數據的準備。當行同步信號到來(lái)時(shí)，C5402進(jìn)入行中斷服務(wù)子程序，連續采集一行圖像數據。當各行圖像數據采集完畢后，關(guān)閉行中斷和奇、偶場(chǎng)中斷；

（5）將圖像數據分成一系列的8×8塊，先對第一個(gè)數據塊進(jìn)行DCT變換、量化、Huffman編碼，然后開(kāi)放串行口中斷（INT0），將壓縮后的圖像數據發(fā)送給上位機。重復執行這個(gè)編碼和傳輸過(guò)程，直到全部圖像數據處理結束。最后關(guān)閉串行發(fā)送中斷，開(kāi)始下一幀圖像的處理。

3 通信軟件設計

本系統為主從式監控系統，由主機啟動(dòng)并控制網(wǎng)上的每一次通信。主機先向從機下達采集圖像的命令，然后接收從機傳來(lái)的壓縮圖像數據。從機接受主機的命令，按命令要求調整攝象機的焦距和鏡頭方向、修改圖像大小和采樣速率，最后進(jìn)行圖像采集、壓縮和傳輸。要完成這些功能就必須定義嚴格的網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議。

3.1 網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議

本網(wǎng)絡(luò )為專(zhuān)用系統，要求通信速率達到1Mbps，故采用電路交換方式。網(wǎng)上傳輸的信息僅為兩種形式之一：命令幀或信息幀。

主機發(fā)往從機的命令幀由八個(gè)字節組成，如表1所示。地址為要訪(fǎng)問(wèn)的從機地址、有效地址為0～255；焦距為攝象機的焦距編碼；方向為攝象機鏡頭的方向編碼；大小為圖像的大小編碼；速度為圖像采樣率編碼；控制為現場(chǎng)控制設備或報警器控制命令編碼；校驗-命令幀結束和校驗標志。

表1 命令幀格式

從機發(fā)往主機垢信息幀如表2所示。地址為從機地址；狀態(tài)-攝象機焦距和鏡頭方向調整機構及其它控制設備的狀態(tài)編碼；數據為圖像壓縮碼流；校驗為信息幀校驗和結束標志。地址、狀態(tài)、校驗均為一個(gè)字節，數據長(cháng)度可變。

表2 信息幀格式

3.2 從機通信程序設計

從機通信流程如圖3所示。壓縮終端上電復位后打開(kāi)串行口中斷，RS-485接口芯片處于接收狀態(tài)。一旦接到主機的命令幀，壓縮終端便按命令幀的要求調整焦距、鏡頭方向和其他控制設備的狀態(tài)，然后進(jìn)行圖像的采集和壓縮編碼，同時(shí)檢測總線(xiàn)的狀態(tài)。若總線(xiàn)上沒(méi)有講者則將壓縮碼流發(fā)往主機，總線(xiàn)被占用直到一幀信息幀全部發(fā)送完畢。為了提高圖像的處理效率，壓縮和傳輸并行進(jìn)行。

3.3 主機通信程序設計

主機通信流程控制如圖4所示。正常情況下，主機對全部或部分現場(chǎng)進(jìn)行輪流監控，各壓縮終端送來(lái)的壓縮數據被分別保存起來(lái)，同時(shí)經(jīng)解壓縮后顯示在計算機屏幕上。一旦發(fā)生異常情況，主機自動(dòng)對異?，F場(chǎng)進(jìn)行單獨監控。主機在向壓縮終端發(fā)命令幀之間檢測總線(xiàn)的狀態(tài)，若總線(xiàn)上沒(méi)有講者則將命令幀發(fā)往壓縮終端，然后將RS-485接口置于接收狀態(tài)，等待壓縮終端發(fā)送信息幀。為了保證命令幀的可靠性，命令幀被連續發(fā)送三次。

本系統使用TMS320VC5402 DSP和RS-485總線(xiàn)實(shí)現了靜止圖像的實(shí)時(shí)壓縮和高速傳輸。采用標準JPEG壓縮算法，每秒鐘可壓縮并傳輸5幀512×512×8的灰度圖像，性?xún)r(jià)比極高，適用于無(wú)人倉庫、超級市場(chǎng)、交通道口、井下工程、列車(chē)車(chē)箱等的監控管理。