【正文】 ....... 35 第五章 監(jiān)控終端軟件系統(tǒng)開發(fā) ................................... 36 軟件整體架構(gòu)概述 ........................................ 36 終端驅(qū)動程序開發(fā) .......................................... 37 Linux 下設(shè)備驅(qū)動程序簡介 ............................. 37 驅(qū)動程序開發(fā)原理 ..................................... 38 終端 PCI 接口驅(qū)動 ..................................... 39 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn) 8 驅(qū)動程序的編譯和加載 ................................. 40 終端網(wǎng)絡(luò)層 的實現(xiàn) .......................................... 40 基于 RBAC 權(quán)限管理的后臺監(jiān)控 ............................... 42 第六章 總結(jié)和展望 ............................................... 43 本文主要工作 ................................................ 43 研究展望 .................................................. 44 參考文獻 ........................................................... 45 致 謝 .............................................................. 47 第一章 緒論 視 頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程 自 20 世紀 80 年代以來，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在我國各領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，視頻監(jiān)控已經(jīng)深入到社會公共安全的每一個角落。 其系統(tǒng)特點： 1）視頻信號的采集、傳輸、存儲均為模擬形式；質(zhì)量高； 2）經(jīng)過幾十年的發(fā)展，相應(yīng)技術(shù)成熟。 其系統(tǒng)特點： 1）視頻、音頻信號的采集、存儲為數(shù)字形式，質(zhì)量較高； 2）存儲的數(shù)字化，大大提高用戶對錄像信息的處理及查詢能力； 3）向下兼容，可實現(xiàn)對第一代模擬監(jiān)控產(chǎn)品的升級改造； 4）硬盤錄像系統(tǒng)功能的網(wǎng)絡(luò)化及光端機的出現(xiàn)解決了視頻圖像遠距離傳輸?shù)膯栴}，使人們對遠距離大范圍監(jiān)控以及視頻資源共享的迫切需求得到了滿足； 5）嵌入式硬盤錄像系統(tǒng)的出現(xiàn)為用戶提供了更高的可靠性、更簡易的安裝方便；其優(yōu)勢使其得到廣泛應(yīng) 用。 其系統(tǒng)特點： 1）堆疊式的結(jié)構(gòu)，高度的靈活性、可擴性，支持任意網(wǎng)絡(luò)拓補結(jié)構(gòu)； 2）更加經(jīng)濟高效的基礎(chǔ)架構(gòu)，簡化了管理層次，節(jié)省了大量線材； 3）安裝維護便捷、解決方案多樣； 4）視頻的無損交換、復(fù)制與存儲，無距離限制，網(wǎng)達即達； 5）充分利用已有成熟 TCP／ IP 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，接入方式多樣； 6）便于和現(xiàn)有應(yīng)用和新建應(yīng)用的有效集成； 實現(xiàn)多網(wǎng)合一。 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 信息時代，數(shù)字時代使得嵌入式產(chǎn)品獲得了巨大的發(fā)展契機，為嵌入式市場展現(xiàn) 了美好的前景，同時也對嵌入式生產(chǎn)廠商提出了新的挑戰(zhàn)，從中我們可以看出未來嵌入式系統(tǒng)的幾大發(fā)展趨勢： 嵌入式開發(fā)是一項系統(tǒng)工程，因此要求嵌入式系統(tǒng)廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統(tǒng)本身，同時還需要提供強大的硬件開發(fā)工具和軟件包支持。 網(wǎng)絡(luò)化、信息化的要求隨著因特網(wǎng)技術(shù)的成熟、帶寬的提高日益提高，使得以往單一功能的設(shè)備如電話、手機、冰箱、微波爐等功能不再單一，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。 未來的嵌入式設(shè)備為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的要求，必 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn) 11 然要求硬件上提供各種網(wǎng)絡(luò)通信接口。 提供友好的多媒體人機界面 嵌入式設(shè)備能與用戶親密接觸，最重要的因素就是它能提供非常友好的用戶界面。 嵌入式視頻監(jiān)控終端是嵌入式系統(tǒng)的典型產(chǎn)品，它所應(yīng)用的監(jiān)控領(lǐng)域也是嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用的領(lǐng)域之一。本文所設(shè)計的嵌入式視頻監(jiān)控終端以及所涉及的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖 21 所示： 圖 21 視頻監(jiān)控系統(tǒng)基本框 架 嵌入式視頻監(jiān)控終端 傳輸網(wǎng)絡(luò) 后臺控制中心 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn) 13 硬件整體架構(gòu)的選擇 嵌入式微處理器是嵌入式視頻監(jiān)控終端的 CPU，它的性能的好壞直接關(guān)系到本系統(tǒng)整體的性能，是硬件選擇中最重要的一部分。這類處理器的應(yīng)用領(lǐng)域十分的廣泛，并且獲得了巨大的成功，已經(jīng)逐漸成為移動通信、手持設(shè)備、多媒體數(shù)字消費嵌入式解決方案的 RISC 標準。 （ 3） Power PC 處理器 由 IBM、 Apple 和 Motorola 公司開發(fā)的 Power Pc 處理器也是位處理器領(lǐng)域極具代表性的芯片之一，并且其架構(gòu)具有可伸縮性好，方便靈活的優(yōu)勢，在許多對性能要求很高的場合發(fā)揮了其獨特的優(yōu)勢。 表 22 中列出了主要的嵌入式微處理器的特性。同時 ARM 芯片的價格也是非常的低，甚至有的也就十幾元，這在嵌入式開發(fā)領(lǐng)域無疑能夠極大地降低成本，因此成就了很多的低中端用戶。采用基于 ARM 內(nèi)核的處理器開發(fā)自己的產(chǎn)品，不但能夠運用成熟的軟硬件支持來縮短開發(fā)周期，并且在業(yè)內(nèi)有許許多多的專業(yè)人士供我們溝通交流，來進一步提高我們的水平。同時由于本系統(tǒng)是專門針對視頻監(jiān)控而設(shè)計，視頻圖像處理需要很大的計算量，因此對處理器的計算性能提出了更高的要求，用單純的 ARM 處理器進行視頻數(shù)據(jù)的處理顯然不能滿足本方案的設(shè)計要求。 （ 2）方案開發(fā)周期短 該方案的軟硬件設(shè)計簡單，軟件方面由于復(fù)雜的視音頻編碼完全由硬件完成，并已經(jīng)有穩(wěn)定的驅(qū)動和 SDK，我們在開發(fā)時候只要基于驅(qū)動和 SDK 就能夠完成定制化的應(yīng)用程序。 VxWorks 擁有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及良好的用戶開發(fā)環(huán)境，在實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)一席之地。它支持多種處理器，如 x86， i960，Sun Sparc， Motorola MC68xxx， MIPS RX000， Power PC， ARM ， StrongARM等。所有其他操作系統(tǒng)服務(wù)都實現(xiàn)為協(xié)作的用戶進程，因此 QNX 內(nèi)核非常小巧 (QNX4． x 大約為 12KB)，而且運行速度極快。 POSIX 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一個非常龐大的標準族，某些部分正處在開發(fā)過程中。 目前共有 3500 多個應(yīng)用程序可以運行在 Palm Pilot 上。 Palm Pilot 可以與流行的 PC 平臺上的應(yīng)用程序 (如 Word， Excel等 )進行數(shù)據(jù)交換。 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn) 18 (5) LynxOS Lynx Realtime Systems 的 LynxOS 是一個分布式、嵌入式、可規(guī)模擴展的實時操作系統(tǒng) ,它遵循 ， 和 標準。 目前 Motif 已作為軟件產(chǎn)品在 OS/2 、 Unix、 Sys V、 OSF/1 、 VMS 、Macintosh OS、 Ultrix 等 48 中操作系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)，并可在 PC、工作站、小型機和大型機等各種計算機系統(tǒng)上運行。比如說菜單項位置的變動、標圖的更換就都不會影響應(yīng)用程序的功能。 (6) 嵌入式 Linux 隨著 Linux 的迅速發(fā)展，嵌入式 Linux 現(xiàn)在已經(jīng)有許多的版本，包括強實時的嵌入式 Linux(如新墨西哥工學(xué)院的 RTLinux 和堪薩斯大學(xué)的 KURTLinux)和一般的嵌入式 Linux 版本 (如 uClinux 和 Pocket Linux 等 )。它專為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作。 嵌入式操作系統(tǒng)的選擇是前期設(shè)計過程的一項重要工作，這 將影響到工程后期的發(fā)布以及軟件的維護。在這些地方采用無線傳輸方案，不用進行復(fù)雜的布線工程，可以擺脫布線等傳統(tǒng)有線傳輸帶來的束縛。 目前，大多數(shù)無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案是基于GSM/GPRS 模塊進行無線傳輸?shù)模窃诶硐霠顟B(tài)下二代通信網(wǎng)絡(luò)理只能以100k 左右的速率進行傳輸，在實際應(yīng)用中加上客觀條件的限制，一般在傳輸中只能達到幾十 K 的實際傳輸速率。 目前主流的 3G 國際標準主有四個， 它們分別是 WCDMA， CDMA20xx，TDSCDMA 和 WIMAX。同時在傳輸方案上，融合了傳統(tǒng) 的 TDMA 與 CDMA 等基本傳輸方法，傳輸?shù)娜萘肯啾容^其他的兩個 3G 網(wǎng)絡(luò)顯示了其不凡的實力。 視頻壓縮標準的選擇 本文所設(shè)計的視頻監(jiān)控終端主要針對于視頻監(jiān)控，而原始視頻數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量是非常大的。目前，在眾多視頻壓縮算法中，影響最大并被廣泛 應(yīng)用的標準是 MPEG 系列編碼標準和 H 系列編碼標準。 MPEG1 視頻部分是其編碼標準的核心，在理論上非常的成熟， 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn) 22 但是在實際應(yīng)用過程中會出現(xiàn)諸如噪聲等難以 客服的問題，很難應(yīng)用在本為所涉及的網(wǎng)絡(luò)視頻的運用上，因此在本文設(shè)計中最先淘汰的是這個標準。 MPEG4 在高清數(shù)字電影領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，同時由于其在壓縮比率和圖像質(zhì)量方面所存在的巨大的優(yōu)勢，在網(wǎng)絡(luò)視頻領(lǐng)域更是掀起了很大的狂瀾，深受網(wǎng)絡(luò)用戶的喜愛，此標準也比較符合本終端的設(shè)計應(yīng)用，因此是本終端在考慮視頻壓縮標準時候的主要選擇之一。 標準等同于 MPEG2，而 被公認為以像素為基礎(chǔ)的第一代混合編碼技術(shù)方案所能達到的作家效果。 標準的高編碼效率以及同樣畫面質(zhì)量下的低碼流使其非常適合 3G 無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸，在以數(shù)據(jù)流量計費的 3G 無線網(wǎng)絡(luò)中這一點更加的明顯。攝像頭主要負責采集模擬數(shù)據(jù)的采集，云臺接收中央處理器模塊發(fā)出的云臺控制指令，并由云臺解碼器依據(jù) 接收的云臺控制指令實現(xiàn)鏡頭的上下、左右、自動等機械運動。中心控制芯片可以通過 GPIO 口對視頻采集芯片的工作模式進行調(diào)節(jié)，當空閑狀態(tài)時，芯片可以停止模數(shù)轉(zhuǎn)換；當系統(tǒng)需要時，可以通過 GPIO 喚醒 TW2865，啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過這樣一個機制，可以使系統(tǒng)功耗做到最低。 FH8735 可以接收來自 CMOS/CCD 模組 , 視頻解碼器， LVDS 接收器以及 HDMI 接收器等輸出的數(shù)字視頻，在本文中 FH8735 視頻接收方式為直接接收 TW2865 輸出的增強 視頻。 FH8735 內(nèi)部有兩組獨立的 DDR 控制器，可以接兩組外部 DDR SDRAM，根據(jù)實際系統(tǒng)對編碼器性能的需求配置一組或者兩組外部 DDR SDRAM。 為了滿足數(shù)字視頻監(jiān)控的智能化需求， FH8735 提供了靈活的視頻編碼選項和專門的數(shù)字視頻處理功能。系統(tǒng)的應(yīng)用軟件可以通過調(diào)用FH35 SDK 提供的函數(shù)便能實現(xiàn)系統(tǒng)所有模塊的配置和管理，使各模塊按既定工作流程進行工作。中心控制模塊將通過 PCI 總線從 DSP模塊接收到的數(shù)據(jù)進行緩存，并按照嵌入式終端的通信協(xié)議對接收到得數(shù)據(jù)進行協(xié)議封裝，交由傳輸模塊發(fā)送到后端監(jiān)控中心。 圖 35 中央控制模塊架構(gòu)圖 PCI 接口電路設(shè)計 PCI 是外圍設(shè)備互聯(lián)總線的簡稱，嵌入式視頻監(jiān)控終端中心控制模塊和視頻處理模塊通過此總線完成數(shù)據(jù)的交互。 SL3512 內(nèi)部集成了 PCI（ MINIPCI） amp。中內(nèi)存和閃存 時鐘模塊 中央微控制器 其他模塊 調(diào)試電路 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn) 30 心處理模塊和視頻處理模塊實現(xiàn)的 PCI 接口的原理圖如下 310 所示： 主要原理如下、當 PCI 總線進行操作時，發(fā)起者 (Master)先置 REQ為低電平，當?shù)玫街俨闷?(Arbiter)的許可時 (GNT)，會將 FRAME設(shè)置為低電平，此時Slave 地址放置在 A/D 總線上，同時 C/BE放置命令信號，此信號命令會說明接下來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型。 圖 310 8735 PCI 電路連接示意圖 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn) 31 圖 311 3512 PCI 電路連接示意圖 電源模塊 電源是嵌入式視頻監(jiān)控終端設(shè)計中的重要組成部分，一個優(yōu)秀的電源模塊對可靠性和穩(wěn)定性要求是非常高的。其中三端穩(wěn)壓器是固定電壓輸出的集成三端電壓穩(wěn)壓器； FAN1117 是非線性差電壓調(diào)節(jié)器系列；去耦電容一般是采用鉭電容系列對電源進行濾波。在本終端的設(shè)計中采用傳統(tǒng)的交叉編譯調(diào)試的方式進行，即“宿主機＋目標機（評估板）”的形式。 Linux 服務(wù)器上則需要配置交叉編譯工具，以編譯可以在評估板上運行的Linux 系統(tǒng)和各種應(yīng)