【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(shù)的里程碑，以后的很多優(yōu)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(shù)據(jù)的采集，并且把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，完成 A/D 轉(zhuǎn)換；視頻處理模塊主要完成視頻數(shù)據(jù)的 編碼和 視頻數(shù)據(jù)的預(yù)處理；中心控制模塊對各個(gè)模塊進(jìn)行控制，配置和協(xié)調(diào)，是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，同時(shí)完成各種協(xié)議的封裝和預(yù)處理；無線傳輸模塊負(fù)責(zé)無線線路的構(gòu)建，傳輸和維護(hù)，將視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)揭蛱鼐W(wǎng)，同時(shí)接收監(jiān)控系統(tǒng)后臺傳來的控制指令。 在編碼的同時(shí)，同時(shí)可以完成音視頻同步，輸出的主要格式 ES/PES/PS/TS。 本文設(shè)計(jì)的嵌入式視頻監(jiān)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?；?PCI 總線的廣泛應(yīng)用，且 PCI總線具備 32Bit 數(shù)據(jù)總線，時(shí)鐘頻率 可達(dá) 66Mhz，最快傳輸速率達(dá)到 264MB/s，能夠滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。然后當(dāng) IRDY與 TRDY都變?yōu)榈碗娖降臅r(shí)候，才能夠可以傳輸數(shù)據(jù)。下圖給出了本系統(tǒng)所需要的 5V 轉(zhuǎn) 的電路原理圖。 IP 網(wǎng)絡(luò) 宿主 機(jī) 目標(biāo)機(jī) RS232 或者 JATG 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 34 圖 42 本設(shè)計(jì)嵌入式開 發(fā)調(diào)試架構(gòu)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(nèi)置的超級終端也是一個(gè)很好的應(yīng)用選擇，用戶可以根據(jù)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(fā)環(huán)境的搭建 SL3512 Linux 開發(fā)環(huán)境通常包括 Linux 服 務(wù)器、 Windows 工作臺及SL3512 視頻 終端評估板，三者同處于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，如圖 42 所示。 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 32 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guī)范 版本，具有 32bit地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用總線，支持非線性傳輸和突發(fā)傳輸，而且?guī)в械刂纷儞Q機(jī)制，可以將內(nèi)部的 PCI 總線地址映射到內(nèi)存或者外圍設(shè)備。中心控制模塊主要有中央微控制器，存儲器電路，相應(yīng)的調(diào)試接口電路和時(shí)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(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 29 塊組成。每種算法都經(jīng)過精心優(yōu)化，能自適應(yīng)對視頻場景進(jìn)行預(yù)先檢測和判斷，從而在保證視頻主觀質(zhì)量的同時(shí)，又使得編碼器輸出的碼率平滑和穩(wěn)定，保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男屎?穩(wěn)定性。中心控制模塊可通過 HIU（主機(jī)接口單元，有 PCI 和 HPI 兩種）訪問 FH35 芯片的內(nèi)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(zhuǎn)換成 8 位 ITUR 格式的數(shù)字視頻信號。 使視頻編碼技術(shù)發(fā)生了革命性的突破，它集中了以往標(biāo)準(zhǔn)的所有優(yōu)點(diǎn)，并且相較于以前的標(biāo)準(zhǔn)，它更易于推廣，具有簡單直觀的視頻編碼技術(shù)，并且在很多技術(shù)領(lǐng)域都有獨(dú)到的創(chuàng)新，在很多方面顯示了其作為新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)新的風(fēng)貌，其主要的特點(diǎn)可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)： a）分層設(shè)計(jì)： 在概念上分為視頻層和網(wǎng)絡(luò)層兩部分，大大提高了編 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 23 碼的效率，并且使編碼后的視頻更適合在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸； b）高精度以及多模式的運(yùn)動(dòng)估計(jì)：支持 1/4 或 1/8 像素精度的運(yùn)動(dòng)矢 量。 MPEG2 相對于MPEG1 在很多技術(shù)上有了突破性的進(jìn)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(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控領(lǐng)域，因此在本文的設(shè)計(jì)中也沒有用到此標(biāo)準(zhǔn)。由此可知其若不壓縮原始數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)非常的成熟，在國外已經(jīng)得到大規(guī)模的應(yīng)用，最后一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是中國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的，最近幾年剛剛商用，并且體現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢。 （ 3）維護(hù)費(fèi)用低，無線監(jiān)控維護(hù)由主要的運(yùn)營商進(jìn)行維護(hù)和管理，前端監(jiān)控設(shè)備是在需要時(shí)可以即插即用，不需要專門的對系統(tǒng)進(jìn)行升級，需要維 護(hù)的費(fèi)用非常的低廉。 （ 7） Android Android 操作系統(tǒng)是由 Google 公司開發(fā)的一款專門針對移動(dòng)終端而設(shè)計(jì)的一款操作系統(tǒng)，它支持眾多的品牌手機(jī)，并且能夠很方便的實(shí)現(xiàn)互聯(lián)和通用移植，因此在智能機(jī)的發(fā)展過程中顯示了其巨大的優(yōu)勢，并且占領(lǐng)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(gè)對屏幕上的窗口進(jìn)行管理的手段，同時(shí)它頁強(qiáng)化了用戶界面視感的一致性 .MWM 支持 Motif 風(fēng)格指南所描述的各種窗口操作及顯示窗口時(shí)的各種約定。 Motif 是開放軟件基金（ OSF） 于 1989 年推出的一個(gè)圖形用戶界面系統(tǒng)。這些軟件包括計(jì)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(tǒng)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(xié)會 (IEEE）最初開發(fā) POSIX 標(biāo)準(zhǔn) ,是為了提高 UNIX 環(huán)境下應(yīng)用程序的可移植性。 在美 國的 F1 FA18 戰(zhàn)斗機(jī)， B2 隱形轟炸機(jī)和愛國者導(dǎo)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?？紤]到監(jiān)控終端對于視頻高清和智能化的要求，系統(tǒng)采用富瀚公司推出的專 門針對高清智能監(jiān)控的專用 壓縮芯片 FH8735。因?yàn)椴煌?ARM 芯片都有自己專一的特定特色，或是針對具體應(yīng)用，或是針對降低功耗，或是針對某一性能，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需求，選出性價(jià)比最高的 ARM 芯片來設(shè)計(jì)自己的產(chǎn)品。 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 14 （ 4） x86 處理器 X86 處理器是基于 CISC(復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī) )架構(gòu)的處理器，曾經(jīng)在通用電腦的應(yīng)用方面獲得了巨大的成功，至今為止仍然是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最具優(yōu)勢的處理器。在現(xiàn)在的微處理器領(lǐng)域，有很多的嵌入式處理器能夠供我們選擇，現(xiàn)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(wǎng)、收發(fā)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(shí)時(shí)多任務(wù)編程技術(shù)和交叉開發(fā)工具技術(shù)來控制功能復(fù)雜性，簡化應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、保障軟件質(zhì)量和縮短開發(fā)周期。與此間時(shí)，傳統(tǒng)的模擬產(chǎn)品也開始了網(wǎng)絡(luò)化之路。 第二代視頻監(jiān)控系統(tǒng)是指以硬盤錄像機(jī)為代表的半數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢在于充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)技術(shù)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(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 9 理 方式。 本文監(jiān)控終端所涉及的主要應(yīng)用領(lǐng)域和未來的研究方向進(jìn)行總結(jié)和展望，對進(jìn)一步需要補(bǔ)充和完善的地方進(jìn)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?shù)膱D像相比較以前的 MPEG 方案質(zhì)量更加的好，并且數(shù)據(jù)量很小，在以流量計(jì)費(fèi)的 3G 時(shí)代，更加凸顯了本終端的優(yōu)勢。視頻監(jiān)控的應(yīng)用范圍不再局限在一般的公共場所安全防范，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營監(jiān)控、道路交通智能化管理、家庭安全監(jiān)控等新的領(lǐng)域也受到了廣泛的應(yīng)用。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案采用 ARM 與專用視頻處理芯片相結(jié)合， ARM 完成網(wǎng)絡(luò)管理和進(jìn)程管理等任務(wù)，而視頻芯片完成原始數(shù)據(jù)的 壓縮。 和基本原理進(jìn)行了全面的闡述，在一定程度上彌補(bǔ)了以前嵌入式終端設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)程序的開發(fā)和加載。系統(tǒng)只是解決小范圍 ，短距離的監(jiān)控靂求。 第三代視頻監(jiān)控系統(tǒng)是指以前端網(wǎng)絡(luò)視頻為代表的全數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，視頻從前端圖像采 集、傳輸即為數(shù)字信號，并以網(wǎng)絡(luò)為傳輸媒介，實(shí)現(xiàn)視頻在網(wǎng)上的傳輸，并通過設(shè)在網(wǎng)上相應(yīng)的功能控制主機(jī)來實(shí)現(xiàn)對整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的瀏覽、控制與存儲。當(dāng)然，這也是市場競爭的結(jié)果。 未來的嵌入式產(chǎn)品是軟硬件緊密結(jié)合的設(shè)備，為了減低功耗和成本，需要設(shè)計(jì)者盡量精簡系統(tǒng)內(nèi)核，只保留和系統(tǒng)功能緊密相關(guān)的軟硬件，利用最低的資源實(shí)現(xiàn)最適當(dāng)?shù)墓δ?，這就要求設(shè)計(jì)者選用最佳的編程模型和不斷改進(jìn)算法，優(yōu)化編譯器性能。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)為核心的軟件平臺以及相應(yīng)的應(yīng)用程序組成。但是在針對手持終端設(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發(fā)的可操作性上，暫時(shí)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?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。 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。 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(shè)計(jì)開發(fā)的一種實(shí)時(shí)操作系統(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。它有開放的操作系統(tǒng)應(yīng)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(yīng)用程序。操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核至少需要 200KB 的 ROM。一般來說，應(yīng)用程序中這兩個(gè)部分是不會相互干擾的。它不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)，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(shí)際的物理地址。具體說來 無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。 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)語音視頻、高速多媒體和移動(dòng)因特網(wǎng)訪問及相關(guān)業(yè)務(wù)。 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)的無線傳輸。 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。 和 都是以 為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。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 無線傳輸模塊 存儲電路及外圍設(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、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(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。 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(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)對視頻采集模塊、視頻處理模塊和無線傳輸傳輸模塊進(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。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)