【正文】 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 12 第二章 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)整體架構(gòu) 嵌入式系統(tǒng) (Embedded System)是一個(gè)以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)，電子半導(dǎo)體，電子技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可定制的，針對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)低功耗，低成本，有苛刻要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它主要由中央微處理器及其外圍設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)為核心的軟件平臺(tái)以及相應(yīng)的應(yīng)用程序組成。 主流微處理器 （ 1） ARM 微處理器 ARM 微處理器是基于英國(guó)全球領(lǐng)先 32 位 RISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī) )微處理器知識(shí)產(chǎn)權(quán)設(shè)計(jì)供應(yīng)商的 ARM 公司內(nèi)核所生 產(chǎn)的一類微處理器的統(tǒng)稱，對(duì)高性能、低成本、低功耗有著苛刻要求的嵌入式產(chǎn)品提供了完成的芯片級(jí)解決方案。但是在針對(duì)手持終端設(shè)備這一塊，它的價(jià)位比較高，并且與之相關(guān)的軟件支撐也略顯不足，因此在本設(shè)計(jì)中，雖然這個(gè)處理器也是很好的選擇，但是考慮到成本和二次開(kāi)發(fā)的可操作性上，暫時(shí)沒(méi)有用 MIPS 處理器。但是其成本較高，并且指令反復(fù)復(fù)雜，另外芯片的體積比較大，因此不符合本設(shè)計(jì)終端對(duì)體積輕便的要求，暫時(shí)不考慮 X86 處理器作為本終端的中央 CPU。 ARM 公司提供的芯片解決方案在保證性能的情況下能夠?qū)⒐慕档阶畹?，在性能功耗比方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他的芯片。 (3)廣泛的第三方支持 ARM 公司從成立之初就非常注重第三方的合作，在二十多年的發(fā)展中，已經(jīng)獲得了 全球約有 50 家以上的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（ RTOS）軟件廠商和 30 家以上的EDA 工具制造商的支持，他們?cè)O(shè)計(jì)的產(chǎn)品如編譯器，調(diào)試環(huán)境，嵌入式操作系統(tǒng)等都對(duì) ARM 提供了完整的技術(shù)支持。 綜合考慮成本，功耗以及需要的第三方技術(shù)支持等多方面的考慮，中央微處理器采用基于 ARM9 內(nèi)核的芯片。 相比主流的 DSP 方案和 ASIC 方案，運(yùn)用專用壓縮芯片有以下的優(yōu)點(diǎn)： （ 1）性價(jià)比高 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 16 FH8735 單芯片即可完成 8 路 D1,16 路 CIF 全實(shí)時(shí)和 16 路 D1 等功能，相比其他的 DSP 和 ASIC 方案，具有明顯的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。 操作系統(tǒng)的選擇 (1) VxWorks VxWorks 操作系統(tǒng)是美國(guó) WindRiver 公司于 1983 年設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛、市場(chǎng)占有率最高的系統(tǒng)。 其內(nèi)核僅提供 4 種服務(wù)：進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、底層網(wǎng)絡(luò)通信和中斷處理， 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 17 其進(jìn)程在獨(dú)立的地址空間中運(yùn)行。 然而 ,POSIX 并不局限于 ,例如 DEC OpenVMS 和Windows NT ,都支持 POSIX 標(biāo)準(zhǔn) ,尤其是 IEEE (1995 年修訂 )或, 提供了源代碼級(jí)別的 C 語(yǔ)言應(yīng)用編程接口（ API）給操作系統(tǒng)的服務(wù)程序 ,例如讀寫(xiě)文件 . 已經(jīng)被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)所接受 ,被命名為 ISO/IEC 99451:1990 標(biāo)準(zhǔn)。它有開(kāi)放的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口 (API)，開(kāi)發(fā)商可以根據(jù)需要自行開(kāi)發(fā)所需的應(yīng)用程序。在開(kāi)發(fā)環(huán)境方面，可以在Windows 95/98/NT 以及 Macintosh 下安裝 Palm Pilot Desktop。操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核至少需要 200KB 的 ROM。 由于它融合了多種圖形用戶界面產(chǎn)品中的優(yōu)點(diǎn)，因此得到了 OSF 的所有成員及廣大第三方廠商的廣泛支持。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)用程序中這兩個(gè)部分是不會(huì)相互干擾的。 Motif 的風(fēng)格指南以文檔的形式說(shuō)明了在 Motif 環(huán)境下開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序時(shí)應(yīng)遵守的規(guī)范。它不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，它對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)是直接的，所有程序中訪問(wèn)的地址都是實(shí)際的物理地址。 Android 系統(tǒng)開(kāi)放源代碼，并且能夠完成很好的定制功能，也是本終端比較適合的操作系統(tǒng)。具體說(shuō)來(lái) 無(wú)線傳輸一般具有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）綜合成本低，只需一次性投資，比較適合在室外距離很遠(yuǎn)的地區(qū)或者 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 20 已經(jīng)裝修好的地方。 綜上所示：本終端系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸采用無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)方案，下面對(duì)具體的無(wú)線組網(wǎng)方案進(jìn)行全面的分析和介紹。 3G 技術(shù)在接口上采用更先進(jìn)的空中接口技術(shù)，可以對(duì)頻譜實(shí)現(xiàn)更高效率的利用；在核心網(wǎng)方面，主要采用 IP 包交換及控制技術(shù)，能極大的增加系統(tǒng)容量、提高端到端通信質(zhì)量，提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語(yǔ)音視頻、高速多媒體和移動(dòng)因特網(wǎng)訪問(wèn)及相關(guān)業(yè)務(wù)。 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 21 相比較于 WCDMA 和 CDMA20xx， TDSCDMA 融合了國(guó)際最領(lǐng)先的技術(shù)，在頻譜利用率、對(duì)業(yè)務(wù)支持具有靈活性、頻率靈活性及成本等方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。 綜上所述，由于 TDSCDMA 在傳輸速率，整體性能和支持業(yè)務(wù)的廣泛性方面綜合考慮，在網(wǎng)絡(luò)傳輸部分采用本文利用 3G 標(biāo)準(zhǔn)中的 TDSCDMA 通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。因此視頻數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)的第一步就是進(jìn)行視頻壓縮。 MPEG1標(biāo)準(zhǔn)被廣泛運(yùn)用在 VCD等數(shù)碼產(chǎn)品上 [47]，編碼速率最高為 ,壓縮比為 3050:1。 MPEG4 是本系列中發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮囊粋€(gè) [48]，與前兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)相比較，此標(biāo)準(zhǔn)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)：它是被當(dāng)做一個(gè)國(guó)際化的標(biāo)準(zhǔn) 來(lái)研究的，能夠與視頻的原格式反向兼容，同時(shí)能夠支持交互式的應(yīng)用；經(jīng)過(guò)它壓縮出的視頻數(shù)據(jù)量?jī)H為MPEG2 的 1/11，相對(duì)于其他的編碼技術(shù)具有更高的壓縮比率；在提高壓縮比率的同時(shí)， MPEG4 的數(shù)據(jù)損失量非常的小。 和 都是以 為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的。 c）統(tǒng)一的 VLC 編碼標(biāo)準(zhǔn)：這樣的好處是在發(fā)生比特錯(cuò)誤時(shí)能夠快速地獲得重同步，從而使視頻數(shù)據(jù)的損失量能夠減少到最低； d）幀內(nèi)預(yù)測(cè)：以前的 H 系列標(biāo)準(zhǔn)和 MPEG 標(biāo)準(zhǔn)都是采用幀間預(yù)測(cè)，但是 采用的是基于空間域的幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼，這樣做的好處是能夠消除相鄰視頻塊之間的空間冗余度，使我們能夠得到更為有效地?cái)?shù)據(jù)壓縮； e）面向全 IP 和無(wú)線傳輸： 采用了很多用于差錯(cuò)消除的工具，能夠使數(shù)據(jù)在誤碼與丟包頻發(fā)的無(wú)線環(huán)境中進(jìn)行傳輸； 標(biāo)準(zhǔn)名稱 應(yīng)用領(lǐng)域 壓縮比 JPEG 連續(xù)色調(diào)圖像壓縮 20100:1 MPEG1 VCD 3050:1 MPEG2 數(shù)字電視 DVD 50200:1 MPEG4 網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸 100300:1 視頻壓縮 ISDN 30100:1 視頻壓縮 PSTN 300100:1 視頻壓縮 PSTN 100300:1 視頻壓縮 MobilePhone 大于 200:1 表 23 視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)及其主要的應(yīng)用領(lǐng)域 表 23 列出了主要的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)主要的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的比較，考慮到壓縮比率和編碼技術(shù)兩方面的因 素，在設(shè)計(jì)中選擇 標(biāo)準(zhǔn)作為視頻處理部分的壓縮標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)終端硬件整體架構(gòu)如圖 31 所示 圖 31 硬件整體架構(gòu)圖 無(wú)線傳輸模塊 存儲(chǔ)電路及外圍設(shè)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(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 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(tái)、云臺(tái)解碼器和攝像頭組成。該模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為本終端提供了一個(gè)低功耗的解決方案。 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(shí)接收 8 路標(biāo)準(zhǔn) 的數(shù)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(shè)計(jì)的嵌入式視頻監(jiān)控終采用 4 路 D1（ 576i/480i， Main Profile），經(jīng)實(shí)踐證明采用此種設(shè)計(jì)方法可以達(dá)到最優(yōu)的編碼性能。 FH35 可根據(jù)用戶配置信息進(jìn)行音視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、預(yù)處理和高效編碼，并將壓縮碼流通過(guò)主機(jī)接口單元傳輸給中心控制模塊。 FH8735 通過(guò) I2C接口與 TW2865 芯片完成信息交互。 富瀚公司提供的配套的 SDK 提供了 FH35 視頻編碼芯片所有模塊的控制接口，可實(shí)現(xiàn)多路視音頻信號(hào)的實(shí)時(shí)編碼和錄像。 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(gè)嵌入式系統(tǒng)的控制中心，它主要由基于 ARM9 內(nèi)核的微處理器及其圍硬件構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)視頻采集模塊、視頻處理模塊和無(wú)線傳輸傳輸模塊進(jìn)行初始化，相關(guān)應(yīng)用指令的控制，各種進(jìn)程的管理，保證各個(gè)模塊的正常工作和整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的正常穩(wěn)定的運(yùn)行。下圖主要展示了中心控制模塊主要架構(gòu)圖。加之大多數(shù)數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)中可以減少很多的設(shè)計(jì)成本，使編碼板和核心板可以以后分別應(yīng)用到不同的領(lǐng)域中去，此種設(shè)計(jì)方法對(duì)于一般性的嵌入式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性的意義，在這里我們主要介紹 PCI 接口的硬件電路設(shè)計(jì)。 在設(shè)計(jì)中設(shè)定 PCI 總線的時(shí)鐘頻率為 66Mhz，因此核心板上 PCI 總線的最高傳輸速度可以達(dá)到 264MB。當(dāng) Master 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束前，將 FRAME設(shè)置為高電平，以說(shuō)明傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只剩下最后一個(gè)，并在傳完數(shù)據(jù)后， RDY設(shè)置為 低電平來(lái)把總 線控制權(quán)放開(kāi)。電源模塊主要由去耦電容系列、整流橋系列、三端穩(wěn)壓器系列、和非線性電源 FAN1117 系列組成。 圖 312 電源轉(zhuǎn)換電路 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 33 第四章 終端軟件平臺(tái)的構(gòu)建 Linux 嵌入式開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)介 由于嵌入式單板的資源有限，不可能在單板上運(yùn)行開(kāi)發(fā)、調(diào)試工具。 Linux 服務(wù)器可以為當(dāng)前主流的各種發(fā)行 Linux 操作系統(tǒng)版本。 在本設(shè)計(jì)中使用 Secure CRT。通常，在開(kāi)發(fā)階段， Linux 服務(wù)器提供 NFS（或 TFTP）服務(wù)，編譯好的 Linux 內(nèi)核和應(yīng)用存放于 NFS 共享目錄（ TFTP 服務(wù)目錄）中，評(píng)估板在啟動(dòng) boot 程序后，自動(dòng)從 Linux 服務(wù)器上下載 Linux 內(nèi)核和應(yīng)用。目標(biāo)機(jī)和宿主機(jī)一般采用串口連接，亦可同時(shí)通過(guò)網(wǎng)口或者 JTAG 連接，如圖 41 所示。本終端在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中主要由 FAN1117 系列芯片實(shí)現(xiàn)可以 5v到其他電壓的轉(zhuǎn)換。本終端的電源模塊為各個(gè)模塊提供所其正常工作所需的電壓，電源模設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面：（ 1)對(duì)系統(tǒng)所需要的電壓、電流、功率進(jìn)行系統(tǒng)的分析；得到詳細(xì)的功能參數(shù)列表； (2)對(duì)系統(tǒng)的輸入電壓、電流要著重考慮，保證輸入正常； (3)輸出電壓和電流的波形是否正常，是否存在電磁兼容性和電 磁干擾等問(wèn)題，對(duì)于這些問(wèn)題如何消除。所有 PCI 總線上設(shè)備都要對(duì) Slave 地址譯碼，被選中的設(shè)備要把 DEVSEL設(shè)置為低電平，以聲明自己被選中。 PC Card 控制器，在本設(shè)計(jì)中將 3512的 PCI 和 PC Card 控制器設(shè)置為 PCI Host 工作模式，通過(guò)設(shè)定 PCI_PCCDM 和PCI_HOSTM 兩個(gè)配置引腳的電平的參數(shù)值可以實(shí)現(xiàn)這種模式。在 PCB 設(shè)計(jì)的時(shí)候采用分層設(shè)計(jì)的思想，兩塊板子之間通過(guò)高速 PCI 總線進(jìn)行設(shè)計(jì)。中心控制模塊同時(shí)也能夠接收遠(yuǎn)程控制中心的控制指令，并且對(duì)指 令內(nèi)容進(jìn)行解析和控制，并且做出相應(yīng)的回應(yīng)。針對(duì)現(xiàn)在的監(jiān)控系統(tǒng)一般不能對(duì)運(yùn)動(dòng)物體和靜止畫(huà)面進(jìn)行智能化監(jiān)控的缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)基于配套的 SDK 開(kāi)發(fā)出了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模塊和遮擋報(bào)警模塊的具體實(shí)現(xiàn)，使本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控終端在智能化應(yīng)用方面凸顯了很大的優(yōu)勢(shì)。主 要體現(xiàn)在可以在編碼的同時(shí)修改分辨率、碼流、幀結(jié)構(gòu)等編碼參數(shù)；在壓縮過(guò)程中可強(qiáng)制關(guān)鍵幀輸出、改變幀率、量化系數(shù)、分辨率、碼流、幀結(jié)構(gòu)而無(wú)須停止、啟動(dòng)壓縮編碼；另外， FH8735 支持對(duì)輸入視 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 28 頻進(jìn)行去隔行、去噪聲、多個(gè)文本和圖形 OSD 疊加、圖像畫(huà)面縮小、移動(dòng)偵測(cè)等多種圖像處理功能，還支持抓取無(wú)損的原始視頻信號(hào)，供 CPU 進(jìn)行一些智能化分析和處理如車牌識(shí)別，人臉識(shí)別等。為了配置外接的視頻和音頻接收芯片， FH8735 提供兩路完全獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn) I2C 接口，以應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的外部設(shè)備 I2C 地址的沖突。 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)