【正文】 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設計與實現(xiàn) 12 第二章 系統(tǒng)整體方案設計 系統(tǒng)整體架構(gòu) 嵌入式系統(tǒng) (Embedded System)是一個以應用為中心、以計算機，電子半導體，電子技術為基礎，軟件硬件可定制的，針對應用系統(tǒng)對低功耗，低成本，有苛刻要求的專用計算機系統(tǒng)。它主要由中央微處理器及其外圍設備、嵌入式操作系統(tǒng)為核心的軟件平臺以及相應的應用程序組成。 主流微處理器 （ 1） ARM 微處理器 ARM 微處理器是基于英國全球領先 32 位 RISC(精簡指令集計算機 )微處理器知識產(chǎn)權設計供應商的 ARM 公司內(nèi)核所生 產(chǎn)的一類微處理器的統(tǒng)稱，對高性能、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解決方案。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(fā)的可操作性上，暫時沒有用 MIPS 處理器。但是其成本較高，并且指令反復復雜，另外芯片的體積比較大，因此不符合本設計終端對體積輕便的要求，暫時不考慮 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慕档阶畹停谛阅芄谋确矫孢h遠領先于其他的芯片。 (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 家以上的實時操作系統(tǒng)（ RTOS）軟件廠商和 30 家以上的EDA 工具制造商的支持，他們設計的產(chǎn)品如編譯器，調(diào)試環(huán)境，嵌入式操作系統(tǒng)等都對 ARM 提供了完整的技術支持。 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(nèi)核的芯片。 相比主流的 DSP 方案和 ASIC 方案，運用專用壓縮芯片有以下的優(yōu)點： （ 1）性價比高 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設計與實現(xiàn) 16 FH8735 單芯片即可完成 8 路 D1,16 路 CIF 全實時和 16 路 D1 等功能，相比其他的 DSP 和 ASIC 方案，具有明顯的性價比優(yōu)勢。 操作系統(tǒng)的選擇 (1) VxWorks VxWorks 操作系統(tǒng)是美國 WindRiver 公司于 1983 年設計開發(fā)的一種實時操作系統(tǒng)。它是目前嵌入式系統(tǒng)領域中使用最廣泛、市場占有率最高的系統(tǒng)。 其內(nèi)核僅提供 4 種服務：進程調(diào)度、進程間通信、底層網(wǎng)絡通信和中斷處理， 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設計與實現(xiàn) 17 其進程在獨立的地址空間中運行。 然而 ,POSIX 并不局限于 ,例如 DEC OpenVMS 和Windows NT ,都支持 POSIX 標準 ,尤其是 IEEE (1995 年修訂 )或, 提供了源代碼級別的 C 語言應用編程接口（ API）給操作系統(tǒng)的服務程序 ,例如讀寫文件 . 已經(jīng)被國際標準化組織 (ISO)所接受 ,被命名為 ISO/IEC 99451:1990 標準。它有開放的操作系統(tǒng)應用程序接口 (API)，開發(fā)商可以根據(jù)需要自行開發(fā)所需的應用程序。在開發(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，因此得到了 OSF 的所有成員及廣大第三方廠商的廣泛支持。一般來說，應用程序中這兩個部分是不會相互干擾的。 Motif 的風格指南以文檔的形式說明了在 Motif 環(huán)境下開發(fā)應用程序時應遵守的規(guī)范。它不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術，它對內(nèi)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。 Android 系統(tǒng)開放源代碼，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)。具體說來 無線傳輸一般具有以下優(yōu)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(qū)或者 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設計與實現(xiàn) 20 已經(jīng)裝修好的地方。 綜上所示：本終端系統(tǒng)網(wǎng)絡傳輸采用無線傳輸設計方案，下面對具體的無線組網(wǎng)方案進行全面的分析和介紹。 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(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，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，實現(xiàn)實時語音視頻、高速多媒體和移動因特網(wǎng)訪問及相關業(yè)務。 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設計與實現(xiàn) 21 相比較于 WCDMA 和 CDMA20xx， TDSCDMA 融合了國際最領先的技術，在頻譜利用率、對業(yè)務支持具有靈活性、頻率靈活性及成本等方面有獨特優(yōu)勢。 綜上所述，由于 TDSCDMA 在傳輸速率，整體性能和支持業(yè)務的廣泛性方面綜合考慮，在網(wǎng)絡傳輸部分采用本文利用 3G 標準中的 TDSCDMA 通信網(wǎng)絡進行視頻數(shù)據(jù)的無線傳輸。因此視頻數(shù)據(jù)傳輸和存儲的第一步就是進行視頻壓縮。 MPEG1標準被廣泛運用在 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€ [48]，與前兩個標準相比較，此標準具有相當大的優(yōu)勢：它是被當做一個國際化的標準 來研究的，能夠與視頻的原格式反向兼容，同時能夠支持交互式的應用；經(jīng)過它壓縮出的視頻數(shù)據(jù)量僅為MPEG2 的 1/11，相對于其他的編碼技術具有更高的壓縮比率；在提高壓縮比率的同時， MPEG4 的數(shù)據(jù)損失量非常的小。 和 都是以 為基礎發(fā)展起來的。 c）統(tǒng)一的 VLC 編碼標準：這樣的好處是在發(fā)生比特錯誤時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)預測：以前的 H 系列標準和 MPEG 標準都是采用幀間預測，但是 采用的是基于空間域的幀內(nèi)預測編碼，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數(shù)據(jù)壓縮； e）面向全 IP 和無線傳輸： 采用了很多用于差錯消除的工具，能夠使數(shù)據(jù)在誤碼與丟包頻發(fā)的無線環(huán)境中進行傳輸； 標準名稱 應用領域 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 視頻壓縮標準及其主要的應用領域 表 23 列出了主要的視頻壓縮標準，通過對主要的視頻壓縮標準的比較，考慮到壓縮比率和編碼技術兩方面的因 素，在設計中選擇 標準作為視頻處理部分的壓縮標準。整個終端硬件整體架構(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(jiān)控終端的設計與實現(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、云臺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接收 8 路標準 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，本文所設計的嵌入式視頻監(jiān)控終采用 4 路 D1（ 576i/480i， Main Profile），經(jīng)實踐證明采用此種設計方法可以達到最優(yōu)的編碼性能。 FH35 可根據(jù)用戶配置信息進行音視頻數(shù)據(jù)的實時采集、預處理和高效編碼，并將壓縮碼流通過主機接口單元傳輸給中心控制模塊。 FH8735 通過 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，可實現(xiàn)多路視音頻信號的實時編碼和錄像。 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(tǒng)的正常穩(wěn)定的運行。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計中可以減少很多的設計成本，使編碼板和核心板可以以后分別應用到不同的領域中去，此種設計方法對于一般性的嵌入式產(chǎn)品的設計具有指導性的意義，在這里我們主要介紹 PCI 接口的硬件電路設計。 在設計中設定 PCI 總線的時鐘頻率為 66Mhz，因此核心板上 PCI 總線的最高傳輸速度可以達到 264MB。當 Master 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束前，將 FRAME設置為高電平，以說明傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只剩下最后一個，并在傳完數(shù)據(jù)后， RDY設置為 低電平來把總 線控制權放開。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)控終端的設計與實現(xiàn) 33 第四章 終端軟件平臺的構(gòu)建 Linux 嵌入式開發(fā)簡介 由于嵌入式單板的資源有限，不可能在單板上運行開發(fā)、調(diào)試工具。 Linux 服務器可以為當前主流的各種發(fā)行 Linux 操作系統(tǒng)版本。 在本設計中使用 Secure CRT。通常，在開發(fā)階段， Linux 服務器提供 NFS（或 TFTP）服務，編譯好的 Linux 內(nèi)核和應用存放于 NFS 共享目錄（ TFTP 服務目錄）中，評估板在啟動 boot 程序后，自動從 Linux 服務器上下載 Linux 內(nèi)核和應用。目標機和宿主機一般采用串口連接，亦可同時通過網(wǎng)口或者 JTAG 連接，如圖 41 所示。本終端在實際設計過程中主要由 FAN1117 系列芯片實現(xiàn)可以 5v到其他電壓的轉(zhuǎn)換。本終端的電源模塊為各個模塊提供所其正常工作所需的電壓，電源模設計主要考慮以下幾個方面：（ 1)對系統(tǒng)所需要的電壓、電流、功率進行系統(tǒng)的分析；得到詳細的功能參數(shù)列表； (2)對系統(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 磁干擾等問題，對于這些問題如何消除。所有 PCI 總線上設備都要對 Slave 地址譯碼，被選中的設備要把 DEVSEL設置為低電平，以聲明自己被選中。 PC Card 控制器，在本設計中將 3512的 PCI 和 PC Card 控制器設置為 PCI Host 工作模式，通過設定 PCI_PCCDM 和PCI_HOSTM 兩個配置引腳的電平的參數(shù)值可以實現(xiàn)這種模式。在 PCB 設計的時候采用分層設計的思想，兩塊板子之間通過高速 PCI 總線進行設計。中心控制模塊同時也能夠接收遠程控制中心的控制指令，并且對指 令內(nèi)容進行解析和控制，并且做出相應的回應。針對現(xiàn)在的監(jiān)控系統(tǒng)一般不能對運動物體和靜止畫面進行智能化監(jiān)控的缺點，本設計基于配套的 SDK 開發(fā)出了動態(tài)監(jiān)測模塊和遮擋報警模塊的具體實現(xiàn)，使本文設計的監(jiān)控終端在智能化應用方面凸顯了很大的優(yōu)勢。主 要體現(xiàn)在可以在編碼的同時修改分辨率、碼流、幀結(jié)構(gòu)等編碼參數(shù)；在壓縮過程中可強制關鍵幀輸出、改變幀率、量化系數(shù)、分辨率、碼流、幀結(jié)構(gòu)而無須停止、啟動壓縮編碼；另外， FH8735 支持對輸入視 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設計與實現(xiàn) 28 頻進行去隔行、去噪聲、多個文本和圖形 OSD 疊加、圖像畫面縮小、移動偵測等多種圖像處理功能，還支持抓取無損的原始視頻信號，供 CPU 進行一些智能化分析和處理如車牌識別，人臉識別等。為了配置外接的視頻和音頻接收芯片， FH8735 提供兩路完全獨立的標準 I2C 接口，以應對可能出現(xiàn)的外部設備 I2C 地址的沖突。 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設計與實現(xiàn)