【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(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)的預處理；中心控制模塊對各個模塊進行控制，配置和協(xié)調(diào)，是整個系統(tǒng)的心臟，同時完成各種協(xié)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(shù)據(jù)經(jīng)過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)揭蛱鼐W(wǎng)，同時接收監(jiān)控系統(tǒng)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(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 總線的廣泛應用，且 PCI總線具備 32Bit 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。然后當 IRDY與 TRDY都變?yōu)榈碗娖降臅r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 宿主 機 目標機 RS232 或者 JATG 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設計與實現(xiàn) 34 圖 42 本設計嵌入式開 發(fā)調(diào)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(nèi)置的超級終端也是一個很好的應用選擇，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 務器、 Windows 工作臺及SL3512 視頻 終端評估板，三者同處于一個網(wǎng)絡中，如圖 42 所示。 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設計與實現(xiàn) 32 本系統(tǒng)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(guī)范 版本，具有 32bit地址 /數(shù)據(jù)復用總線，支持非線性傳輸和突發(fā)傳輸，而且?guī)в械刂纷儞Q機制，可以將內(nèi)部的 PCI 總線地址映射到內(nèi)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(diào)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(jiān)控終端的設計與實現(xiàn) 29 塊組成。每種算法都經(jīng)過精心優(yōu)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(zhì)量的同時，又使得編碼器輸出的碼率平滑和穩(wěn)定，保證網(wǎng)絡傳輸?shù)男屎?穩(wěn)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(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。 使視頻編碼技術發(fā)生了革命性的突破，它集中了以往標準的所有優(yōu)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(chuàng)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(wǎng)絡層兩部分，大大提高了編 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設計與實現(xiàn) 23 碼的效率，并且使編碼后的視頻更適合在網(wǎng)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(wǎng)絡視頻監(jiān)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(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(jīng)非常的成熟，在國外已經(jīng)得到大規(guī)模的應用，最后一個標準是中國具有自主知識產(chǎn)權的，最近幾年剛剛商用，并且體現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢。 （ 3）維護費用低，無線監(jiān)控維護由主要的運營商進行維護和管理，前端監(jiān)控設備是在需要時可以即插即用，不需要專門的對系統(tǒng)進行升級，需要維 護的費用非常的低廉。 （ 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終端而設計的一款操作系統(tǒng)，它支持眾多的品牌手機，并且能夠很方便的實現(xiàn)互聯(lián)和通用移植，因此在智能機的發(fā)展過程中顯示了其巨大的優(yōu)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(tǒng)。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(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 標準 ,是為了提高 UNIX 環(huán)境下應用程序的可移植性。 在美 國的 F1 FA18 戰(zhàn)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?？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(jù)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(chǎn)品。 基于 ARM 的嵌入式監(jiān)控終端的設計與實現(xiàn) 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(jīng)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(yōu)勢的處理器。在現(xiàn)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(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 方面采用實時多任務編程技術和交叉開發(fā)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(zhì)量和縮短開發(fā)周期。與此間時，傳統(tǒng)的模擬產(chǎn)品也開始了網(wǎng)絡化之路。 第二代視頻監(jiān)控系統(tǒng)是指以硬盤錄像機為代表的半數(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(jiān)控終端的設計與實現(xiàn) 9 理 方式。 本文監(jiān)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?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，在以流量計費的 3G 時代，更加凸顯了本終端的優(yōu)勢。視頻監(jiān)控的應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)控等新的領域也受到了廣泛的應用。系統(tǒng)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(wǎng)絡管理和進程管理等任務，而視頻芯片完成原始數(shù)據(jù)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(qū)動程序的開發(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)絡為傳輸媒介，實現(xiàn)視頻在網(wǎng)上的傳輸，并通過設在網(wǎng)上相應的功能控制主機來實現(xiàn)對整個監(jiān)控系統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)內(nèi)核，只保留和系統(tǒng)功能緊密相關的軟硬件，利用最低的資源實現(xiàn)最適當?shù)墓δ?，這就要求設計者選用最佳的編程模型和不斷改進算法，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。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。 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(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 年設計開發(fā)的一種實時操作系統(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。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。操作系統(tǒng)的基本內(nèi)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(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。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。 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。 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。 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。 和 都是以 為基礎發(fā)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(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。 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。 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(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。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