無(wú)線(xiàn)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)-圖文

2008芷第10期儀表技術(shù)與InstrumentTechnique2008No.10無(wú)線(xiàn)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)趙純,王紅亮(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中北大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院,山西太原030051摘要:介紹了無(wú)線(xiàn)視頻采集傳輸方案,利用CMOS微型數(shù)字圖像傳感器0V7660采樣空間圖像,DSP控制器TMS320DM642芯片根據(jù)OV7660同步時(shí)序控制圖像數(shù)據(jù)采集,并實(shí)現(xiàn)基于H.263的實(shí)時(shí)編碼壓縮,壓縮后的視頻流經(jīng)由基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)無(wú)線(xiàn)傳榆到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心,最后通過(guò)上位機(jī)處理軟件解碼還原圖像。另外,對(duì)壓縮后的視頻數(shù)據(jù)還可以通過(guò)USB接口進(jìn)行本地存儲(chǔ),便于校驗(yàn)和查詢(xún)。采用軟硬件相結(jié)合的方式,降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本。關(guān)鍵詞:OV7660;TMS320DM642;實(shí)時(shí)壓縮;無(wú)線(xiàn)傳輸中圖分類(lèi)號(hào):TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1002—1841(200810—0046—03、DesignofWirelessDigitalVideoSurveillanceSystemZHAOChun,WANGHong-liang(KeyLabratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurement,MinistryofEducationNorthUnivereityofChina,SchoolofElectronicandComputerScienceandTechnology,Taiyuan030051,ChinaAbstract:Theprojectofvideoacquisitionandwirelesstransferswasintroducedindetail.TheimagewassampledbymicrodigitalCMOSsensorOV7660.Accordingtothesynchronaltimerof7660,DSPcontrolledthewholecapturingprocess.TheimagedatawascompressedinH263arithmeticbyDSP.Thecompressedimagedatawastransferredbymultimedianetworkbasedonpro—tocolTCP/1Ptoremotemonitorcenter.ThesoftwareontheremotePCdecodedthetransferreddataandshowedthevideointhescreen.Inaddition,thesystemcanstoreoriginvideoofYUVformatbyUSBinterfaceonlocal.Thecostofthesystemisreducedbythemethodofcombinationofhardwareandsoftware。Keywords:OV7660;TMS320DM642;realcompress;wirelesstransfers0引言圖像監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)主要階段:模擬圖像監(jiān)控技術(shù)、基于PC的數(shù)字圖像監(jiān)控技術(shù)和基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字圖像監(jiān)控技術(shù)。目前,國(guó)內(nèi)還較多地使用本地模擬圖像監(jiān)控系統(tǒng),能夠保證采集到的圖像清晰、不失幀,但存在傳輸距離小,系統(tǒng)可擴(kuò)展性差,后期處理能力不強(qiáng),無(wú)法實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的大容量存儲(chǔ),無(wú)法利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)等方面的局限…?；谶@些考慮,一種應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)可有效降低這種局限性。它利用HPI接口可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的有線(xiàn)連接,利用無(wú)線(xiàn)發(fā)射芯片可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸,避免了有線(xiàn)傳輸帶來(lái)的弊端,如鋪設(shè)視頻線(xiàn)和視頻線(xiàn)的維護(hù)等,可廣泛應(yīng)用于準(zhǔn)實(shí)時(shí)性圖像處理系統(tǒng)。1系統(tǒng)整體方案無(wú)線(xiàn)數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)主要由4部分構(gòu)成,分別為圖像采集、圖像壓縮、圖像傳輸和圖像顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖像采集前端采用微型數(shù)字圖像傳感器OV7660采樣空間圖像數(shù)據(jù),通過(guò)USB通道傳送數(shù)據(jù)至本地主機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)顯示;圖像壓縮主要采用TMS320DM642通用多媒體數(shù)字可編程處理器完成,采用低碼率的H.263編碼將采集到的YUV格式原始數(shù)據(jù)壓縮為H.263格式的視頻流;圖像傳輸部分則完成圖像數(shù)據(jù)由本地硬盤(pán)向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的傳輸;圖像顯示部分可基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助(50535030收稿日期:2007—08—30收修改稿日期:2008—05—29將采集到的圖像數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)程瀏覽器上顯示出來(lái),供用戶(hù)瀏覽、保存、編輯、打印等。一害焉磊藹OV7660[JSB][本地PC圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖2所示。圖像傳感器OV7660和多媒體數(shù)字信號(hào)處理器DM642的視頻端口VP構(gòu)成系統(tǒng)的圖像采集部分。DM642完成圖像預(yù)處理、圖像壓縮編碼、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等功能,其以太網(wǎng)媒體存取控制器EMAC和外加的以太網(wǎng)收發(fā)器LXT971A、變壓器XFMR以及網(wǎng)絡(luò)接口RJ一45構(gòu)成了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸部分。FLASH用來(lái)存儲(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)的程序代碼和啟動(dòng)代碼;SDRAM為程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器;EEPROM用于存儲(chǔ)OV7660的配置信息、IP地址、MAC地址等相關(guān)參數(shù)。2.1監(jiān)控系統(tǒng)采集前端OV7660是一款1/5”低電壓、完全可編程數(shù)字單片攝像芯片,數(shù)字視頻輸出端提供8位的數(shù)據(jù)輸出格式,圖像數(shù)據(jù)逐行輸出到Y(jié)0~Y7。OV7660具有豐富的編程控制功能,可通過(guò)簍焉萬(wàn)方數(shù)據(jù)第lO期趙純等:無(wú)線(xiàn)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)47VSYNC_.VP0(汀L1MTCLK4'--MTCLKPCLK----4*VPOCLK0MTXEN_.MTXENTPFOP_.TPFOPHREF-_■VPOCTL2MCOL●一MCOLTPFON--pTPFONY[7:0】VPOD[2:91MCRS+一MCRSTPFIP._TPFIPS10D..SDAMTXD[0:3]MTXD[0:3]TPFIN●_TPFIN7660島OJC■一sCLMRcLK●一MRCLKTXP--bTXPMRXD[0:31MRXD[0:3】TXM--pTXMGPIFADR0●l_HCNTL0MRXER._MRXERRXP-RXPMRXDV._MRXDVGPIFADRl●-一HCNTLlRXMq--RXMCⅡm■一HR/W68013CTLl●—_百西豇MDCLK..MDCLK￥558RDY0q---HRDYMDl0t'MDl0R】45INT0+_HINTLXT971A叫25MHzPB[7:0】HD[7:0】DM642圖2硬件框圖SCCB對(duì)其圖像幀頻、曝光時(shí)間、增益控制、Gamma校正、圖像開(kāi)窗等進(jìn)行設(shè)置。對(duì)于數(shù)字圖像傳感器芯片OV7660,要實(shí)現(xiàn)單芯片采集僅需要電壓和時(shí)鐘供給。該系統(tǒng)利用LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓器產(chǎn)生1.8、2.5、2.8V電壓;利用3.3V的24MHz晶振作為OV7660的外部輸入時(shí)鐘。處于工作模式時(shí),0V7660產(chǎn)生VSYNC、HREF、PCLK3種同步信號(hào),分別為場(chǎng)同步輸出脈沖、行同步輸出信號(hào)和用來(lái)鎖存有效數(shù)據(jù)的時(shí)鐘(當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為24MHz時(shí),PCLK為24MHz,即像素時(shí)鐘。當(dāng)HREF為高電平、VSYNC為低、PCLK上升沿時(shí),圖像數(shù)據(jù)有效,這3種同步信號(hào)是圖像數(shù)據(jù)獲取、傳輸?shù)臓顟B(tài)信號(hào)口J。2.2DSP控制采集壓縮模塊該部分是整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn),數(shù)字圖像的采集壓縮控制電路如圖2所示。以O(shè)V7660芯片作為圖像采集芯片,DSP控制器采用TMS320DM642芯片,主頻為600MHz.圖像芯片所采集的圖像數(shù)據(jù)按設(shè)定的頻率(0.5—30I緲s,在DSP控制下,直接將其送到片外存儲(chǔ)器,待壓縮處理。壓縮編碼采用DSP芯片完成。由于視頻處理中具有大量的數(shù)據(jù),DSP芯片具有數(shù)據(jù)空間與存儲(chǔ)空間分離,數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)同時(shí)進(jìn)行以及快速訪(fǎng)問(wèn)片內(nèi)空間等特點(diǎn)。2.3無(wú)線(xiàn)傳輸模塊DM642片上集成了一個(gè)以太網(wǎng)媒體存取控制器(EMAC,采用標(biāo)準(zhǔn)的MII接口(MediaIndependentInterface可直接連接以太網(wǎng)收發(fā)器。系統(tǒng)采用LXT971作為物理層網(wǎng)絡(luò)處理芯片,通過(guò)RJ一45接口與以太網(wǎng)相連。由于MII接口支持MAC,而DM642內(nèi)部集成了以太網(wǎng)媒體存取控制器,所以L(fǎng)X'1971可以和DM642實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。網(wǎng)絡(luò)連接原理如圖2所示。從DM642傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)LX7971轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)物理層能接收的數(shù)據(jù)后,通過(guò)RJ一45傳輸?shù)揭蛱鼐W(wǎng)。DM642的EMAC負(fù)責(zé)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀收發(fā),提供標(biāo)準(zhǔn)的MII接口,可與外置以太網(wǎng)收發(fā)器LXT971A直接相連。MDIO模塊負(fù)責(zé)對(duì)LXT971A進(jìn)行配置以及讀取其工作狀態(tài)。LXT971A可在外部連接25MHz有源時(shí)鐘,以提供高達(dá)100Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。在此基礎(chǔ)上,LXT971A還負(fù)責(zé)提供EMAC部分的接收時(shí)鐘MRCLK和發(fā)送時(shí)鐘MTCLK.在LXT971A與RJ一45之間連接了一個(gè)隔離變壓器￥558—5999一耵7,其主要作用是將外部線(xiàn)路與LXT971A隔離,防止信號(hào)干擾及外部沖擊竄入燒壞元器件,從而實(shí)現(xiàn)帶電插拔功能。2.4本地存儲(chǔ)USB模塊采用CY7C68013作為USB控制芯片,是可編程外圍接口,其數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到56MB/s,可以提供USB2.0的最大帶寬。系統(tǒng)用TMS320DM642通過(guò)HPI接口與CY7C68013進(jìn)行數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)本地存儲(chǔ)。該系統(tǒng)讀取圖像數(shù)據(jù)時(shí)采用的是GPIF模式,CY7C68013作為主機(jī),是HPI的主控者,它可以通過(guò)HPI接口直接訪(fǎng)問(wèn)CPU的內(nèi)存空間。HPI接口的硬件連接如圖2所示。CY7C68013的地址線(xiàn)與HCNTL[1:0]引腳相連,可以通過(guò)對(duì)不同地址的訪(fǎng)問(wèn),來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)HPI的3個(gè)寄存器的訪(fǎng)問(wèn)。HR/w與CTL0相連,CTL0作為HPI接口的讀寫(xiě)選通信號(hào)。HRDY與輸入信號(hào)線(xiàn)RDY0連接,用于查詢(xún)HPl接口是否己經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行1次數(shù)據(jù)傳輸。HINT作為外部中斷信號(hào),與CY7C68013的INrIU相連。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件部分主要由DSP控制采集壓縮程序、USB讀取本地?cái)?shù)據(jù)的固件程序和驅(qū)動(dòng)程序以及圖像解碼顯示軟件3部分構(gòu)成。DSP程序可以很好地控制0V7660實(shí)時(shí)采集圖像數(shù)據(jù),將捕獲到的圖像壓縮為H.263格式視頻流;USB固件程序和驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)壓縮后數(shù)據(jù)的回讀和本地存儲(chǔ)。圖像采集軟件完成圖像的捕獲并由用戶(hù)選擇保存成BMP文件或YUV視頻流;圖像解碼顯示軟件可以使通過(guò)GPRS模塊傳輸至遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上的壓縮后文件解碼并顯示出來(lái)。3.1視頻采集壓縮DSP程序DSP程序功能包括OV7660芯片初始化、寄存器設(shè)置及H.263壓縮編碼實(shí)現(xiàn)。通過(guò)TMS320DM642的SDA、SCL控制IIC總線(xiàn)對(duì)圖像傳感器0V7660的寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置,完成對(duì)圖像芯片的初始化,數(shù)據(jù)輸出格式、分辨率、亮度、色度、曝光時(shí)間等設(shè)置。H.263壓縮編碼的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是DSP程序的重點(diǎn)。在編碼萬(wàn)方數(shù)據(jù)InstrumentTechniqueandSensorOct.2008初始化階段,預(yù)先在SDHAM中開(kāi)設(shè)3個(gè)幀緩沖區(qū),分別用于保存當(dāng)前編碼幀、當(dāng)前編碼圖像重建幀、參考圖像幀的數(shù)據(jù)。內(nèi)部存儲(chǔ)器用于保存編碼過(guò)程中頻繁訪(fǎng)問(wèn)的數(shù)據(jù),每次處理從外部輸入幀緩沖區(qū)讀人的Ⅳ個(gè)宏塊,對(duì)每個(gè)宏塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)估計(jì)和補(bǔ)償、DCT變換、量化、編碼,同時(shí)重建當(dāng)前宏塊。編碼流程如圖3所示。初始化編碼器參數(shù)編碼塊組層7++從SDRAM讀人當(dāng)前要編編碼塊組中的每一宏塊碼的一幀圖像到幀緩沖區(qū)●●更新塊組量化參數(shù)l編碼圖像層l+——叫!島匠多讀入當(dāng)前編碼的塊組數(shù)據(jù)到片內(nèi)緩沖區(qū)山Y(jié)I.......................~發(fā)送當(dāng)前幀的編碼數(shù)據(jù)●更新圖像量化參數(shù)值圖3編碼器編碼流程圖TI推出的基于C64x的圖像庫(kù)函數(shù),包括壓縮/解壓、圖像分析、圖像濾波/格式轉(zhuǎn)換3大類(lèi),該系統(tǒng)使用的函數(shù)有8×8塊DCT和IDCT,8×8塊SAD和16×16塊SAD.另外,利用流水處理提高了程序的并行性。3.2USB固件程序USB接口的功能主要是讀取壓縮后數(shù)據(jù)到本地計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ),讀數(shù)模式采用GPIF.固件程序作為連接硬件和軟件的一個(gè)橋梁,由以下幾部分組成:(1USB2.0接口的初始化程序設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)CY7C68013寄存器進(jìn)行設(shè)定,使其工作頻率為48MHz;同時(shí)通過(guò)對(duì)CY7C68013的IFCONFIG寄存器設(shè)定,使其CY7C68013工作在從GPlF方式下。(2GPIF讀數(shù)程序。對(duì)DSP壓縮后數(shù)據(jù)根據(jù)同步信號(hào)進(jìn)行邏輯控制,編寫(xiě)GPIF波形,避免數(shù)據(jù)丟失。(3主程序設(shè)計(jì)。在主程序中,還要給出USB控制傳輸?shù)墓碳?yīng)答程序及相應(yīng)的中斷初始化。3.3視頻解碼還原通過(guò)VisualC++6.0實(shí)現(xiàn)圖片的解碼、圖片的顯示及視頻流的播放。4結(jié)束語(yǔ)系統(tǒng)采用0V7660直接輸出數(shù)字信號(hào),集成度高,實(shí)現(xiàn)單芯片采集;采用DSP芯片DM642進(jìn)行基于H.263的視頻壓縮處理,因其具有可編程性,便于系統(tǒng)的改進(jìn)和升級(jí)。USB接口傳輸速度高,實(shí)現(xiàn)視頻的本地存儲(chǔ);以太網(wǎng)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊完成數(shù)字視頻的無(wú)線(xiàn)傳輸.為野外和惡劣環(huán)境工作提供了方便。該方案結(jié)構(gòu)合理,各部分模塊功能明確,可廣泛應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng),如無(wú)人值守的倉(cāng)庫(kù)、機(jī)房、變電所、事故現(xiàn)場(chǎng)等。參考文獻(xiàn):(上接第45頁(yè)該項(xiàng)目采用控件MSComm實(shí)現(xiàn)串行通信"o,把MSComm控件加到VC++程序中,在對(duì)話(huà)框中創(chuàng)建通信控件MSComm,這種方法簡(jiǎn)單易用。數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),以便對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣含量情況進(jìn)行分析,同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)可以簡(jiǎn)化一些用戶(hù)的操作,還可以對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇和查找,根據(jù)系統(tǒng)的功能需要,數(shù)據(jù)庫(kù)軟件采用了Access2000。采用基于Windows的窗口化程序設(shè)計(jì)方法,上位機(jī)軟件系統(tǒng)見(jiàn)圖5,包括串口通信、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、顯示監(jiān)控界面、報(bào)表輸出等功能模塊。文中僅介紹與串口通信相關(guān)的程序流程。首先,上位機(jī)完成串口的初始化,在需要采集數(shù)據(jù)時(shí),上位機(jī)先通過(guò)串口發(fā)送命令,然后發(fā)控制符確定是進(jìn)行遠(yuǎn)程控制還是接收所有數(shù)據(jù),最后接收下位機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)(一組或多組,在傳輸完成后關(guān)閉串L]。此后,上位機(jī)根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的采集周期,等待一段時(shí)間后進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)采集。該例中的遠(yuǎn)程控制僅包括更改下位機(jī)的系統(tǒng)時(shí)間和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。該系統(tǒng)可以進(jìn)行人機(jī)交互,采集尾氣含量。4結(jié)束語(yǔ)該Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)