基于arm的嵌入式監控終端的設計與實現畢業設計論文(完整版)

　　

【正文】 年 11 月 [49]，主要用于視頻會議和可視電話，它的誕生，是視頻壓縮編碼技術的里程碑，以后的很多優秀的編碼算法都是基于 框架而誕生的。視頻采集模塊主要完成模擬數據的采集，并且把模擬數據轉化成數字信號，完成 A/D 轉換；視頻處理模塊主要完成視頻數據的 編碼和 視頻數據的預處理；中心控制模塊對各個模塊進行控制，配置和協調，是整個系統的心臟，同時完成各種協議的封裝和預處理；無線傳輸模塊負責無線線路的構建，傳輸和維護，將視頻數據經過無線網絡傳輸到因特網，同時接收監控系統后臺傳來的控制指令。 在編碼的同時，同時可以完成音視頻同步，輸出的主要格式 ES/PES/PS/TS。 本文設計的嵌入式視頻監控終端中 DSP 芯片 FH8735 通過 PCI 總線與中心控制芯片 MiNiSL3512，存儲器電路采用兩組的 DDR SDRAM。視頻處理模塊與其他模塊的硬件連接示意圖如下圖 34 所示。基于 PCI 總線的廣泛應用，且 PCI總線具備 32Bit 數據總線，時鐘頻率 可達 66Mhz，最快傳輸速率達到 264MB/s，能夠滿足高速數據傳輸的需要 。然后當 IRDY與 TRDY都變為低電平的時候，才能夠可以傳輸數據。下圖給出了本系統所需要的 5V 轉 的電路原理圖。 IP 網絡 宿主 機 目標機 RS232 或者 JATG 基于 ARM 的嵌入式監控終端的設計與實現 34 圖 42 本設計嵌入式開 發調試架構圖 控制臺軟件的選擇 Windows 平臺下控制臺軟件有較多的選擇，其中 Windows 內置的超級終端也是一個很好的應用選擇，用戶可以根據自身需要選擇自己熟悉的控制臺軟件。 圖 41 嵌入式交叉編譯示意圖 SL3512Linux 開發環境的搭建 SL3512 Linux 開發環境通常包括 Linux 服 務器、 Windows 工作臺及SL3512 視頻 終端評估板，三者同處于一個網絡中，如圖 42 所示。 基于 ARM 的嵌入式監控終端的設計與實現 32 本系統設計所需要的電壓有 5v， ,， 四種。 SL3512 所自帶的 PCI 總線控制器符合 PCI 總線規范 版本，具有 32bit地址 /數據復用總線，支持非線性傳輸和突發傳輸，而且帶有地址變換機制，可以將內部的 PCI 總線地址映射到內存或者外圍設備。中心控制模塊主要有中央微控制器，存儲器電路，相應的調試接口電路和時鐘模存儲器電路 視頻采集模塊 中央控制模塊 視頻處理模塊 I2C 總線 PCI 總線 基于 ARM 的嵌入式監控終端的設計與實現 29 塊組成。每種算法都經過精心優化，能自適應對視頻場景進行預先檢測和判斷，從而在保證視頻主觀質量的同時，又使得編碼器輸出的碼率平滑和穩定，保證網絡傳輸的效率和 穩定性。中心控制模塊可通過 HIU（主機接口單元，有 PCI 和 HPI 兩種）訪問 FH35 芯片的內部寄存器（ IRU）和外部存儲器（ DDR）。該芯片能將 NTSC、 PAL 或 SECAM 制的模擬視頻轉換成 8 位 ITUR 格式的數字視頻信號。 使視頻編碼技術發生了革命性的突破，它集中了以往標準的所有優點，并且相較于以前的標準，它更易于推廣，具有簡單直觀的視頻編碼技術，并且在很多技術領域都有獨到的創新，在很多方面顯示了其作為新一代視頻編碼標準新的風貌，其主要的特點可以總結為以下幾點： a）分層設計： 在概念上分為視頻層和網絡層兩部分，大大提高了編 基于 ARM 的嵌入式監控終端的設計與實現 23 碼的效率，并且使編碼后的視頻更適合在網絡上進行傳輸； b）高精度以及多模式的運動估計：支持 1/4 或 1/8 像素精度的運動矢 量。 MPEG2 相對于MPEG1 在很多技術上有了突破性的進展，但是由于其壓縮比率和傳輸速率的問題，一般很少用在網絡視頻監控領域，因此在本文的設計中也沒有用到此標準。由此可知其若不壓縮原始數據量為 243Mbit/s，存在著很大的冗余度，占用的存儲空間很大，可見，若不對原始數據進行壓縮，無線傳輸信道是難以傳輸這一路視頻信號的。前兩個標準已經非常的成熟，在國外已經得到大規模的應用，最后一個標準是中國具有自主知識產權的，最近幾年剛剛商用，并且體現了巨大的優勢。 （ 3）維護費用低，無線監控維護由主要的運營商進行維護和管理，前端監控設備是在需要時可以即插即用，不需要專門的對系統進行升級，需要維 護的費用非常的低廉。 （ 7） Android Android 操作系統是由 Google 公司開發的一款專門針對移動終端而設計的一款操作系統，它支持眾多的品牌手機，并且能夠很方便的實現互聯和通用移植，因此在智能機的發展過程中顯示了其巨大的優勢，并且占領了很大一部分市場份額。 像其他窗口管理程序 一樣， Motif 的窗口管理程序提供了一個對屏幕上的窗口進行管理的手段，同時它頁強化了用戶界面視感的一致性 .MWM 支持 Motif 風格指南所描述的各種窗口操作及顯示窗口時的各種約定。 Motif 是開放軟件基金（ OSF） 于 1989 年推出的一個圖形用戶界面系統。這些軟件包括計算器、各種游戲、 電子寵物、地理信息等。 POSIX 表示可移植操作系統接口 (Portable Operating SystemInterface,縮寫 為POSI X 是為了讀音更像 UNIX) 電氣和電子工程師協會 (IEEE）最初開發 POSIX 標準 ,是為了提高 UNIX 環境下應用程序的可移植性。 在美 國的 F1 FA18 戰斗機， B2 隱形轟炸機和愛國者導彈上，甚至連 1997年 4 月在火星表面登陸的火星探測器上也使用了 VxWorks。考慮到監控終端對于視頻高清和智能化的要求，系統采用富瀚公司推出的專 門針對高清智能監控的專用 壓縮芯片 FH8735。因為不同的 ARM 芯片都有自己專一的特定特色，或是針對具體應用，或是針對降低功耗，或是針對某一性能，用戶可以根據自己的實際需求，選出性價比最高的 ARM 芯片來設計自己的產品。 基于 ARM 的嵌入式監控終端的設計與實現 14 （ 4） x86 處理器 X86 處理器是基于 CISC(復雜指令集計算機 )架構的處理器，曾經在通用電腦的應用方面獲得了巨大的成功，至今為止仍然是計算機領域最具優勢的處理器。在現在的微處理器領域，有很多的嵌入式處理器能夠供我們選擇，現在我們就對這些常用的處理器做一下簡單的介紹。手寫文字輸入、語音撥號上 網、收發電子郵件以及彩色圖形、圖像都會使使用者獲得自由的感受。軟件 方面采用實時多任務編程技術和交叉開發工具技術來控制功能復雜性，簡化應用程序設計、保障軟件質量和縮短開發周期。與此間時，傳統的模擬產品也開始了網絡化之路。 第二代視頻監控系統是指以硬盤錄像機為代表的半數字化監控系統，系統的顯著優勢在于充分發揮了計算機技術的功能，為用戶提供了更人性化的測覽、管 基于 ARM 的嵌入式監控終端的設計與實現 9 理 方式。 本文監控終端所涉及的主要應用領域和未來的研究方向進行總結和展望，對進一步需要補充和完善的地方進行了說明。在編碼方式上，采用了壓縮比率更高的 壓縮方案，傳輸的圖像相比較以前的 MPEG 方案質量更加的好，并且數據量很小，在以流量計費的 3G 時代，更加凸顯了本終端的優勢。視頻監控的應用范圍不再局限在一般的公共場所安全防范，企業生產經營監控、道路交通智能化管理、家庭安全監控等新的領域也受到了廣泛的應用。系統整體設計方案采用 ARM 與專用視頻處理芯片相結合， ARM 完成網絡管理和進程管理等任務，而視頻芯片完成原始數據的 壓縮。 和基本原理進行了全面的闡述，在一定程度上彌補了以前嵌入式終端設計的不足，針對本終端完成了 ARM 處理器與視頻視頻處理模塊通信的 PCI 驅動程序的開發和加載。系統只是解決小范圍 ，短距離的監控靂求。 第三代視頻監控系統是指以前端網絡視頻為代表的全數字視頻監控系統，視頻從前端圖像采 集、傳輸即為數字信號，并以網絡為傳輸媒介，實現視頻在網上的傳輸，并通過設在網上相應的功能控制主機來實現對整個監控系統的瀏覽、控制與存儲。當然，這也是市場競爭的結果。 未來的嵌入式產品是軟硬件緊密結合的設備，為了減低功耗和成本，需要設計者盡量精簡系統內核，只保留和系統功能緊密相關的軟硬件，利用最低的資源實現最適當的功能，這就要求設計者選用最佳的編程模型和不斷改進算法，優化編譯器性能。它主要由中央微處理器及其外圍設備、嵌入式操作系統為核心的軟件平臺以及相應的應用程序組成。但是在針對手持終端設備這一塊，它的價位比較高，并且與之相關的軟件支撐也略顯不足，因此在本設計中，雖然這個處理器也是很好的選擇，但是考慮到成本和二次開發的可操作性上，暫時沒有用 MIPS 處理器。 ARM 公司提供的芯片解決方案在保證性能的情況下能夠將功耗降到最低，在性能功耗比方面遠遠領先于其他的芯片。 綜合考慮成本，功耗以及需要的第三方技術支持等多方面的考慮，中央微處理器采用基于 ARM9 內核的芯片。 操作系統的選擇 (1) VxWorks VxWorks 操作系統是美國 WindRiver 公司于 1983 年設計開發的一種實時操作系統。 其內核僅提供 4 種服務：進程調度、進程間通信、底層網絡通信和中斷處理， 基于 ARM 的嵌入式監控終端的設計與實現 17 其進程在獨立的地址空間中運行。它有開放的操作系統應用程序接口 (API)，開發商可以根據需要自行開發所需的應用程序。操作系統的基本內核至少需要 200KB 的 ROM。一般來說，應用程序中這兩個部分是不會相互干擾的。它不能使用處理器的虛擬內存管理技術，它對內存的訪問是直接的，所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址。具體說來 無線傳輸一般具有以下優點： （ 1）綜合成本低，只需一次性投資，比較適合在室外距離很遠的地區或者 基于 ARM 的嵌入式監控終端的設計與實現 20 已經裝修好的地方。 3G 技術在接口上采用更先進的空中接口技術，可以對頻譜實現更高效率的利用；在核心網方面，主要采用 IP 包交換及控制技術，能極大的增加系統容量、提高端到端通信質量，提供更高的數據傳輸速率，實現實時語音視頻、高速多媒體和移動因特網訪問及相關業務。 綜上所述，由于 TDSCDMA 在傳輸速率，整體性能和支持業務的廣泛性方面綜合考慮，在網絡傳輸部分采用本文利用 3G 標準中的 TDSCDMA 通信網絡進行視頻數據的無線傳輸。 MPEG1標準被廣泛運用在 VCD等數碼產品上 [47]，編碼速率最高為 ,壓縮比為 3050:1。 和 都是以 為基礎發展起來的。整個終端硬件整體架構如圖 31 所示 圖 31 硬件整體架構圖 無線傳輸模塊 存儲電路及外圍設備 中央微處理器 視頻采集模塊 視頻處理模塊 基于 ARM 的嵌入式監控終端的設計與實現 25 視頻采集模塊 視頻采集模塊主要由視頻采集芯片 TW286云臺、云臺解碼器和攝像頭組成。 FH8735 的編碼性能如下所示： （ 1） 2 路 720p 高清（ 1280x72030fps， Baseline Profile）； （ 2） 1 路 1080i高清（ 1920x108030fps， Baseline Profile）； （ 3） 4 路 D1（ 576i/480i， Main Profile）； （ 4） 8 路 D1（ 576i/480i， Baseline Profile）； （ 5） 16 路或更多的 CIF30fps（ Baseline/Main Profile）； FH8735 的視頻輸入接口可以同時接收 8 路標準 的數字視頻，也可以把視頻輸入接口配置為 2 路高清視頻輸入接口，本文所設計的嵌入式視頻監控終采用 4 路 D1（ 576i/480i， Main Profile），經實踐證明采用此種設計方法可以達到最優的編碼性能。 FH8735 通過 I2C接口與 TW2865 芯片完成信息交互。 圖 34 視頻處理模塊電路連接示意圖 中心控制模塊 中心控制模塊是整個嵌入式系統的控制中心，它主要由基于 ARM9 內核的微處理器及其圍硬件構成，負責對視頻采集模塊、視頻處理模塊和無線傳輸傳輸模塊進行初始化，相關應用指令的控制，各種進程的管理，保證各個模塊的正常工作和整個嵌入式系統的正常穩定的運行。加之大多數數據處理模塊、通信處理模塊都具有PCI 接口，這樣的話在以后的設計中可以減少很多的設