基于嵌入式視頻多媒體集中控制系統實(shí)現的關(guān)鍵技術(shù)研究

1 引 言

　　隨著(zhù)數字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的迅猛發(fā)展，嵌入式系統進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。32位高性能專(zhuān)用微處理器的出現，使嵌入式系統已經(jīng)能夠適應十分復雜的控制需求，進(jìn)行多任務(wù)，尤其是嵌入式視頻的處理，大大擴展了嵌入式系統的應用范疇，正成為我國教育現代化對數字化、網(wǎng)絡(luò )化的教學(xué)設備進(jìn)入全新的發(fā)展時(shí)期的強大技術(shù)支撐。32位高性能專(zhuān)用微處理器需要嵌入式操作系統，而μClinux操作系統是針對32位微處理器設計的嵌入式Linux操作系統。

　　μClinux是控制領(lǐng)域的嵌入式操作系統，其內核功能結構與Linux基本相同，且可移植和裁剪；用戶(hù)通過(guò)重新配置、編譯內核，可方便移植到多種處理器平臺上。

　　本文主要介紹基于嵌入式視頻的多媒體集控系統基本技術(shù)構架和相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，即嵌入式μCLinux操作系統的裁剪和移植和基于μCLinux的嵌入式系統的實(shí)時(shí)性解決方法以及集中控制系統的安全性設計等關(guān)鍵技術(shù)。

　　通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)的設計與部署，實(shí)現了適合于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)環(huán)境下對遠程多媒體教學(xué)設備和屏幕、窗簾、燈光、空調和門(mén)禁等環(huán)境設備進(jìn)行集中控制與管理。不僅適用于多媒體教室更高層次的遠程集中控制、管理、監測與維護，而且也適用于無(wú)人值守的和環(huán)境險惡等環(huán)境的遠程控制與管理。

2 基于嵌入式視頻的多媒體集控系統實(shí)現的體系結構

　　基于嵌入式視頻的多媒體集控系統以高性能32位微處理器為硬件核心，嵌入式軟件運行于μClinux操作系統上，其系統主要分為控制臺軟硬件系統和多媒體教室終端設備2部分，組成遠程交互平臺。

　　兩部分之間控制信號、狀態(tài)信息、數據等交互信息均通過(guò)嵌入式控制器硬件提供的多種網(wǎng)絡(luò )接口和TCP／IP協(xié)議，實(shí)現與局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)的連接，使控制臺軟硬件系統和多媒體教室終端設備通過(guò)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現遠程控制和管理?；谇度胧揭曨l的多媒體集控系統體系結構如圖1所示。

3 基于嵌入式視頻的多媒體集控系統實(shí)現的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 選擇32位嵌入式微處理器MCF5249模塊單元為硬件平臺

　　通過(guò)8／16／32位單片機性能對比測試，只有32位高性能單片機具備更高的反應速度、更強的數據處理、邏輯運算和數據存儲能力；不僅可用于工業(yè)數據采集、流程控制、遠程監控等應用領(lǐng)域，而且還特別適合于嵌入式視頻的大數據量處理與控制的數字化多媒體教學(xué)設備的開(kāi)發(fā)應用。

　　選擇Freescale公司的MCF5249 32位嵌入式微處理器模塊單元作為多媒體集控系統終端數據處理和功能控制的硬件平臺。

　　MCF5249模塊單元主要由32位處理器MCF5249和若于外圍器件AM29LV160DB90快閃存儲器、K4S281632SDRAM、SP3223串行通訊電路、DM9000網(wǎng)絡(luò )接口芯片、MT8816音視頻矩陣電路等硬件構成。其主要性能如下表1所示。

3.2 嵌入式μCLinux操作系統的裁剪和移植

　　嵌入式μCLinux是專(zhuān)為沒(méi)有MMU內存管理單元的微處理器芯片而裁剪的小型化操作系統，嵌入式μCLinux針對沒(méi)有MMU的處理器采用了實(shí)存儲器管理策略。因此，嵌入式μCLinux操作系統不僅保持了穩定、強大的網(wǎng)絡(luò )和文件系統支持等傳統Linux的主要性能，而且還具有自身的特點(diǎn)，使μCLinux成為真正意義上的嵌入式操作系統。

　　針對32位微處理器MCF5249的性能特點(diǎn)，結合基于嵌入式視頻的多媒體集控系統對操作系統功能的應用需求，需要對μCLinux的微內核、內存管理、進(jìn)程管理、事務(wù)管理、初始化、硬件驅動(dòng)、文件系統和TCP／IP協(xié)議棧等模塊進(jìn)行剪裁和移植。

　　在編譯μCLinux微內核之前，首先需要通過(guò)建立菜單配置來(lái)配置微內核。從條件編譯的角度，就是在內核上選擇所需的模塊，去掉不必要的模塊不參與編譯，從而可以控制內核大小在一定的范圍內，以適合嵌入式μCLinux應用需求，利用Linux開(kāi)放等特點(diǎn)降低對系統硬件成本和減少對資源的需求；然后還需要進(jìn)一步對內核中的代碼進(jìn)行裁減，通過(guò)修改源代碼來(lái)滿(mǎn)足裁減的要求。

　　采用μCLinux的內核有2種可選的運行方式：可以在FLASH上直接運行，也可以加載到內存中運行。其中FLASH運行方式是把內核的可執行映像燒寫(xiě)到FLASH上，系統啟動(dòng)時(shí)從FLASH的某個(gè)地址開(kāi)始逐句執行；內核加載方式則是把內核的壓縮文件存放在FLASH上，系統啟動(dòng)時(shí)讀取壓縮文件在內存里解壓，然后開(kāi)始執行。選擇采用后一種相對復雜，但壓縮后的程序文件較小，對FLASH的空間要求低，并且程序運行速度更快可以很好地滿(mǎn)足對高實(shí)時(shí)性要求的方式。一般地，RAM的存取速率要比FLASH高。

　　在系統啟動(dòng)后，最先調用的是針對32位微處理器MCF5249的特定的arch文件夾內mmcontr.S文件。最后跳到main.c中的start_kernel()。μClinux／Linux-2.4.X／init／main.c中包含了對Linux系統初始化的代碼。其中stan_kernel()包含主要的初始化代碼。

3.3 嵌入式μCLinux操作系統實(shí)時(shí)性解決措施

　　由于μClinux主要針對MCF5249等微處理器在沒(méi)有內存管理單元(MMU)而設計的，并不是為了Linux的實(shí)時(shí)性而提出的，因此μClinux本身并不能解決基于嵌入式視頻的多媒體集控系統對實(shí)時(shí)性的要求。為此，μClinux需要使用Rt-Linux的patch來(lái)增強μClinux的實(shí)時(shí)性要求，從而解決μClinux在對應用于一些實(shí)時(shí)要求較高的，諸如工業(yè)控制、進(jìn)程控制等應用領(lǐng)域的需求。

　　Rt-Linux是有別于μClinux另一種嵌入式Linux版本，其突出特色在于內核的處理上增強了對于實(shí)時(shí)問(wèn)題的關(guān)注。Rt-Linux執行管理器把普通Linux的內核當成一個(gè)任務(wù)運行，同時(shí)還管理了實(shí)時(shí)進(jìn)程。而非實(shí)時(shí)進(jìn)程則交給普通Linux內核處理。這種方法已經(jīng)應用于很多的操作系統來(lái)增強操作系統的實(shí)時(shí)性，包括一些商用版Unix系統、Windows NT等。這種方法優(yōu)點(diǎn)首先是實(shí)現簡(jiǎn)單，且實(shí)時(shí)性能容易檢驗；其次是非實(shí)時(shí)進(jìn)程運行于標準Linux系統，同其他Linux版本之間保持著(zhù)很大的兼容性；再有就是可以支持硬實(shí)時(shí)時(shí)鐘的應用。

　　嵌入式視頻的多媒體集控系統對紅外接收等功能在實(shí)時(shí)性方面要求很高，否則直接影響多媒體設備的使用效果。選擇Rt-Linux的patch作為增強μClinux的實(shí)時(shí)性要求，并且以后臺任務(wù)方式運行紅外接收中斷處理調度策略，從而增強了μClinux的實(shí)時(shí)性，滿(mǎn)足紅外接收等系統任務(wù)對實(shí)時(shí)性的嚴格要求。

3.4 OCX控件標準的控件封裝技術(shù)

　　OCX是基于嵌入式視頻的多媒體集控系統的網(wǎng)絡(luò )控制軟件；其視頻顯示模塊采用專(zhuān)用控件封裝技術(shù)解決了嵌入式數字視頻數據在跨網(wǎng)段、跨平臺上數據流傳輸，實(shí)現全數字網(wǎng)絡(luò )圖像的跨平臺無(wú)縫集成。

　　為了保證配置的靈活性，嵌入式視頻技術(shù)針對各廠(chǎng)家的網(wǎng)絡(luò )數字攝像頭的接口屬性，采用開(kāi)放的設計風(fēng)格，無(wú)論各生產(chǎn)廠(chǎng)家的算法接口采用何種開(kāi)發(fā)平臺，即VB，VC，Delphi等，均采用Windows平臺下OCX控件標準的控件封裝技術(shù)。專(zhuān)用控件封裝技術(shù)使多媒體集控系統網(wǎng)絡(luò )控制軟件的視頻顯示模塊整體上去掉不必要的冗余程序，結構簡(jiǎn)單緊湊；嵌入式視頻采集硬件提供了多種網(wǎng)絡(luò )接口，并使用TCP／IP協(xié)議，可實(shí)現同局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的連接，使用戶(hù)無(wú)論身處何地都能通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連線(xiàn)，實(shí)現對被監控區域的監控。實(shí)驗結果表明：這種專(zhuān)用控件封裝技術(shù)有效地解決了跨網(wǎng)段、跨網(wǎng)絡(luò )平臺下的全數字嵌人式視頻圖像的傳輸與管理。需要說(shuō)明的是，嵌入式視頻的圖像采集硬件采用數字式數碼網(wǎng)絡(luò )攝像頭，通過(guò)圖像采集卡進(jìn)行A／D轉換，采用不同的圖像分辨率可針對不同的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )傳輸的現實(shí)需要。

3.5 系統鏈路可靠性與數據傳輸安全性技術(shù)方案

　　由于嵌入式視頻的多媒體集控系統使用范圍具有相當程度的封閉性，所以系統平臺的中、下層使用開(kāi)放性的TCP／IP協(xié)議，在應用層則使用私有協(xié)議，對傳輸數據進(jìn)行適度的加密處理。

　　系統傳輸鏈路可靠性設計方面，考慮通信數據與嵌入式視頻的多媒體集中控制系統的處理能力以及TCP連接建立的額外開(kāi)銷(xiāo)，網(wǎng)絡(luò )傳輸層采用UDP協(xié)議封裝上層的應用數據。而UDP協(xié)議的非連接和不可靠性，則由應用層協(xié)議保證數據傳輸的正確性與可靠性。在應用協(xié)議設計中，采用發(fā)出請求幀與3 s內接收應答幀判斷是否傳輸超時(shí)或者出錯。若超過(guò)3次請求而未收到應答則判斷系統故障，終止該次請求操作。另外，嵌入式視頻的多媒體集控系統還進(jìn)行間隔10 s的主動(dòng)式在線(xiàn)檢測，并將檢測數據分別向終端面板和控制臺發(fā)送顯示。

　　傳輸數據的安全性設計方面，采用加強網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)控制和采用可靠的協(xié)議進(jìn)行加密，對于協(xié)議數據被竊聽(tīng)分析的風(fēng)險，定義私有應用層交互協(xié)議和對數據包加密傳輸。在應用層交互協(xié)議設計中定義了數據包類(lèi)型、控制編碼、數據編碼、數據定義等數據結構。在網(wǎng)絡(luò )傳輸的數據采用移位加密算法進(jìn)行加密。

　　數據包重放攻擊是在數據竊聽(tīng)基礎上的一種攻擊行為。為了防止數據包重放攻擊，在設計中采用在嵌入式視頻的多媒體集控系統端口設置3個(gè)可信IP地址，只接收可信IP地址的指令操作。對于其他的IP只能查詢(xún)集中控制器的運行狀態(tài)，不能控制操作，這樣有效地防止了非法用戶(hù)仿照獲取的數據包來(lái)控制操作集控系統。

4 結 語(yǔ)

　　嵌入式視頻多媒體集控系統采用32位嵌入式微處理器MCF5249模塊單元為硬件平臺、嵌入式μCLinux操作系統的裁剪和移植、嵌入式μCLinux操作系統實(shí)時(shí)性解決措施和OCX控件標準的控件封裝技術(shù)以及系統鏈路可靠性與數據傳輸安全性設計方法等系列關(guān)鍵技術(shù)，是一種運用32位MCF5249微處理器+μClinux在嵌入式系統中的典型應用。

　　毋容置疑，MCF5249+μClinux系統平臺以其移植性好和性?xún)r(jià)比高在數字化多媒體教學(xué)設備研制與開(kāi)發(fā)中將會(huì )得到進(jìn)一步應用。