基于ARM平台的远程视频监控系统的研究

关键词： arm , 视频监控

视频监控系统是安全防范系统的组成部分，它是一种防范能力较强的综合系统。现今监控系统已经步入了数字化、网络化时代，即视频从前端图像采集设备输出时即为数字信号，并以网络为传输媒介，基于TCP/IP协议，采用流媒体技术实现视频在网上的多路复用传输。使用嵌入式系统实现远程视频监控技术，符合网络化数字化的特点，对公安、安防等行业有着重要的现实意义。
       视频监控系统一般采用基于PC机平台＋视频采集卡的形式，该方案系统体积大、成本高，在远距离、多点系统中实现困难。本设计采用三星公司的S3C2440[1]硬件平台（CPU芯片含有视频采集接口），软件平台是Linux-2.4.20操作系统内核，由于Linux操作系统的开放特性、优良的网络支持性能、模块化的结构，较好满足系统的需要。
       1.系统硬件设计
       系统主要由视频采集和传输部分组成。有嵌入式处理器、CMOS图像传感器、存储器、以太网接口、串口、及电源管理电路。嵌入式处理器是韩国三星公司的基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器（型号：S3C2440），主要面向高性价比、低功耗的应用。为了处理图像数据，CPU的工作频率可达400MHz。S3C2440的资源包括LCD控制器，SDRAM控制器，摄像头接口，3路串行接口，IICBUS接口，USB接口，触摸屏接口。在处理器丰富资源的基础上，还进行了相关的扩展，配置了32M Flash ROM和256MBSDRAM。在嵌入式处理器的控制下，CMOS图像传感器(片上)采集到的数据经帧同步信号触发产生中断后被拷贝到SDRAM，经过MPEG-4编码后由网口发送到远端监控中心显示，系统框图如图一所示。
        1.1视频采集模块的设计
       图像传感器接口电路是硬件设计的关键部分，如何有效的采集数据也是系统的关键问题。视频采集模块采用OV9640图像传感器[3]，它是一款高集成度、高分辨率（1280*960）的CMOS传感芯片，内部集成了时序电路，模拟信号处理电路，数字信号处理电路。该芯片支持RGB(4:2:2)，YUV(4:2:2),YCrCb(4:2:2)数据输出格式，内置138个设备控制寄存器，地址分别从0x00到0x8A,通过SCCB（Serial Camera ControlBus）接口可以方便的设置传感器视窗大小、增益、白平衡校正、曝光控制、饱和度、色调等。由于S3C2440芯片有一个专用的视频接口，所以CPU可以直接和CMOS图像传感器连接。图像传感器输出的数据及控制信号包括像素时钟(PCLK)、水平参考(HREF)、帧同步(VSYNC)和数据总线(D0-D7)，分别和主处理器的相应信号相连。PCLK与HREF在处理器内部相与后产生有效的像素时钟信号，在有效时钟信号的上升沿或下降沿将数据锁定[4]。模块和S3C2440接口电路如图二所示。在OV9640图像传感器中，如果输出YUV格式[5]，要用到数据线的Y2-Y9；如果输出RGB格式，则要用数据线Y0-Y9。本设计中采用了YUV格式。

图二 视频采集模块接口

        1.2网络接口的设计
       在S3C2440芯片上无网络接口，为了实现在系统调试时，下载操作系统内核、文件系统映像，及在系统运行中实现视频数据的网络传输等功能，所以在系统中扩展网络接口模块（DM90000）。该芯片为10M/100M以太网物理层芯片，具有通用的处理器接口。模块与2440接口如图三所示：其中CMD为命令类型引脚，在高电平时为数据周期，在低电平时为地址周期。可通过CMD与数据总线访问内部54个控制及状态寄存器。当AS9-AS8设置成高，SA7设置成低，SA6-4与TXD2-0匹配时，DM90000由AEN引脚唯一控制是否被选中。此外，DM9000工作在正常模式，TEST1-4依次为1、1、0、0。为了保证DM90000收发正常，还要加上25M的晶振。
        2.系统的软件设计
       软件平台由三部分组成：系统引导加载程序、嵌入式Linux内核、文件系统及应用程序。本设计中通过向ARM平台移植u-boot-1.1.1实现系统的引导加载，uboot除了正常的引导嵌入式Linux外，还可以方便的切换到下载更新模式，利用TFTP功能对内核映像及文件系统实时更新。嵌入式操作系统采用Linux2.4.20，开发模式采用最为普遍的宿主开发模式，即在宿主机上编译内核及应用程序然后通过网口下载到目标平台上运行，通过打印终端打印调试信息。文件系统是嵌入式系统软件平台占用存储量最大的一部分，它存储了系统配置文件、系统程序和系统外设驱动程序。嵌入式Linux内核移植[2]好后，主要工作就变成在操作系统下编写驱动程序。在这里我们着重介绍OV9640的驱动程序的开发及MPEG-4编码的实现。