基于ARM和DSP的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)-設(shè)計應用

精品文檔-下載后可編輯基于ARM和DSP的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)-設(shè)計應用監(jiān)控系統(tǒng)，尤其是視頻監(jiān)控以其直觀方便、準確、信息內(nèi)容豐富而廣泛應用于許多場合，已經(jīng)滲透到交通、城市治安、國防甚至家庭安防等多種領(lǐng)域，在人們的日常生活中扮演著越來越重要的作用。由于傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)存在著結(jié)構(gòu)復雜、穩(wěn)定性可靠性不高、價格昂貴而且傳輸距離明顯受限的缺點，隨著社會安全與保障體系的健全，監(jiān)控系統(tǒng)應用的場合和監(jiān)控點越來越多，流媒體監(jiān)控系統(tǒng)也已經(jīng)從原始的采用攝像機的模擬本地圖像監(jiān)控發(fā)展到基于PC的多媒體監(jiān)控系統(tǒng)ilI。由于傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)其視頻編碼與解碼全部采用基于PC機的視頻卡，使得視頻前端較為復雜，穩(wěn)定性和可靠性不高，而且操作較為復雜。近年來，隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)、電子與通信、圖像處理等技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)應用而生吲，為了適應智能化的需要，本文提出了一種雙核嵌入式流媒體監(jiān)控系統(tǒng)，即基于ARM和DSP的流媒體監(jiān)控系統(tǒng)。

本文設(shè)計了基于ARM和DSP的雙核嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時采集物理環(huán)境的數(shù)據(jù)信息并可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇K端以得到即時處理。系統(tǒng)以ARM芯片為主設(shè)備單元處理器，完成各種控制和網(wǎng)絡(luò)功能，以DSP芯片作為從設(shè)備單元處理器，完成數(shù)據(jù)采集和分析處理，ARM單元和DSP單元構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)的雙核架構(gòu)。該系統(tǒng)通過自主運行采集和分析處理被監(jiān)控區(qū)域的物理信息，依據(jù)實際需求將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)或做出如報警、跳閘等即時處理，實現(xiàn)對被檢測區(qū)域的物理事件的實時監(jiān)控與檢測。

1系統(tǒng)的設(shè)計方案

檢測被監(jiān)控環(huán)境中物理信息的傳統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備，一般采用單核DSP處理器結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)設(shè)計較為復雜，穩(wěn)定性不高。本設(shè)計采用ARM與DSP雙核結(jié)構(gòu)，通過系統(tǒng)主從兩個設(shè)備單元的硬件通信接口的設(shè)計和軟件通信的設(shè)計，將32位嵌入式微處理器ARM與數(shù)字信號處理器DSP相結(jié)合，以充分利用雙核處理器的優(yōu)勢。ARM系統(tǒng)單元采用經(jīng)過裁剪的Linux嵌入式實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)整個設(shè)備系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和網(wǎng)絡(luò)功能等；DSP單元通過檢測算法的移植，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集分析、處理和數(shù)據(jù)傳輸。

該雙核設(shè)備系統(tǒng)中，ARM系統(tǒng)作為主設(shè)備單元實現(xiàn)各控制功能，向DSP單元發(fā)出控制指令，通過硬件接口接收DSP采集的數(shù)據(jù)；DSP系統(tǒng)作為從設(shè)備單元，搜集、分析和處理傳感器或CCD等外設(shè)獲取的物理數(shù)據(jù)，并向主設(shè)備單元發(fā)送有效信息。其中，ARM和DSP之間數(shù)據(jù)交換的速度決定了整個系統(tǒng)的運行速度和性能。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成

監(jiān)控系統(tǒng)主要由兩部分組成：ARM微處理器主設(shè)備單元和DSP數(shù)據(jù)處理器從設(shè)備單元。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。為提高主從設(shè)備單元之間的數(shù)據(jù)交換速度從而有效提高系統(tǒng)的運行性能，主處理器采用Samsung公司的ARM9內(nèi)核芯片S3C2410A，從處理器采用TI公司的TMS320C6211DSP芯片。

采用Samsung公司的處理器S3C2410。處理器內(nèi)部集成了ARM公司ARM920T處理器核的32位微控制器，資源豐富，帶獨立的16KB的指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache、LCD控制器、RAM控制器、3路URAT、4路DMA、并行I／O口、2路SPI等，主頻可達203MHz。TMS320C6211已經(jīng)廣泛應用于視頻檢測卡中，可做到以視頻圖像幀速率檢測信息，外設(shè)接口豐富。如圖1所示，ARM處理器選擇通用外部接口GPIO(GeneralpurposeI/O)的PortC端口16根數(shù)據(jù)線與DSP的主機接口HPI(HostPortInterface)相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息傳輸。ARM在接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)需要做出相應處理，如將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)、報警等；DSP通過中斷的方式定時向ARM單元提出數(shù)據(jù)傳輸申請，經(jīng)響應后將數(shù)據(jù)傳輸給主設(shè)備單元，進而通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇K端。

2.2主設(shè)備單元設(shè)計

系統(tǒng)主設(shè)備為ARM處理器，負責系統(tǒng)控制管理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)，通過相應的外設(shè)可以實時顯示或相應處理。此外，在利用處理器$3C2410豐富資源的基礎(chǔ)上，還進行了相關(guān)的配置和擴展，增加了8MBl6位的FLASH和16MB32位的SDRAM；通過以太網(wǎng)控制器芯片DM9000E擴展了一個網(wǎng)口，用以進行網(wǎng)絡(luò)傳輸；另外通過RS485接口連接攝像頭云臺，用以控制攝像頭。

主設(shè)備控制單元模塊中，外接1片8M×16bit的Flash，一個16M×16bit寬的SDRAM，加上處理器自帶的內(nèi)存，總共構(gòu)成32MBFlash、96MBSDRAM，可充分滿足嵌入式操作系統(tǒng)的移植和數(shù)據(jù)存儲的需求。控制單元通過USB口與外設(shè)或上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與系統(tǒng)移植，利用專用的JTAG調(diào)試接口實現(xiàn)功能調(diào)試。另外，可以利用GPIO外接多種不同的設(shè)備，如顯示器、報警器，也可以通過自帶的網(wǎng)口連接到辦公網(wǎng)絡(luò)等。

2.3從設(shè)備單元設(shè)計

從設(shè)備單元以TMS320C6211芯片為，該芯片采用的哈佛結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)存儲區(qū)和程序存儲區(qū)分開，具有更高的運算速度。

TMS320C6211芯片有兩種方式實現(xiàn)與ARM控制芯片相連接：(1)利用HPI接口，主設(shè)備單元直接訪問DSP，DSP作為從設(shè)備使用；(2)利用直接存儲器訪問控制器EMIF，把ARM控制器映射到EMIF的存儲空間的方式，使用EMIF控制DSP與ARM的數(shù)據(jù)傳輸，DSP作為主設(shè)備使用。本文利用種方式。

TMS320C6211芯片的主機接口HPI是1個16bit并行端口，主設(shè)備芯片S3C2410A掌管該接口的主控權(quán)，HPI接口允許主設(shè)備芯片通過HPI的3個寄存器實現(xiàn)對DSP存儲空間的隨機地址存取和自增地址存取。DSP芯片的HPI接口3個寄存器分別是：控制寄存器(HPIC)、數(shù)據(jù)鎖存器(HPID)、地址寄存器(HPIA)。HPI接口信號及其功能如表1所示。主設(shè)備芯片S3C2410A和TMS320C6211都可以存取HPI控制寄存器，主設(shè)備還可以存取HPI地址寄存器和HPI數(shù)據(jù)寄存器，HPI的3個寄存器都采用存儲器映射方式映射到主設(shè)備的存儲空間。

2.4主從設(shè)備單元的接口設(shè)計

S3C2401A作為主處理單元的處理器工作在主機模式下，TMS320C6211作為信號采集與處理單元的處理器工作在從機模式下。ARM系統(tǒng)單元在系統(tǒng)上電時對DSP系統(tǒng)單元進行初始化并加載檢測程序及參數(shù)，利用I/O口進行數(shù)據(jù)傳輸操作，通過HPI接口訪問DSP的整個存儲空間。ARM給DSP發(fā)送控制信息時，通過HPI接口將控制數(shù)據(jù)直接寫入DSP的某個存儲區(qū)域內(nèi)，DSP經(jīng)查詢控制信息后，到約定好的DSP存儲區(qū)域內(nèi)取數(shù)據(jù)并作相應處理，如寫數(shù)據(jù)到HPI端口等。

S3C2401A通過端口C(PortC)的16根數(shù)據(jù)線和TMS320C6211的HPI接口HD[15：0]連接傳輸數(shù)據(jù)，通過控制線分別產(chǎn)生不同的硬件控制信號。S3C2410A的2根地址線ADDR2、ADDR3分別接到TMS320C6211的HCNTL0、HCNTL1，以完成對HPI接口不同寄存器的訪問。地址線ADDR4代替HR/W信號和HPI口的HR/W相接，用于選擇HPI接口處于寫或讀狀態(tài)。地址線ADDR1與DSP的HHWIL與相連接，其信號表明并區(qū)分HD[15：0]上傳輸?shù)氖?2bit數(shù)據(jù)中的高16bit還是低16bit。TMS320C6211與S3C2401A間所有的數(shù)據(jù)交換是32bit寬，而HPI端口為16bit，所以每次數(shù)據(jù)訪問都需要進行2次存取，由HPI自動將HD[15：0]上連續(xù)的2個16bit數(shù)據(jù)合成32bit，也可以用其進行反向分解。

S3C2410A的讀/寫信號nOE和nWE分別接到HDS1和HDS2，HPI口的HDS1和HDS2是數(shù)據(jù)選通信號，所有的地址線和控制線都在它們的下降沿采樣。從機HRDY信號接到主機的nWAIT(等待信號)上，HRDY是HPI準備好端，低電平表示HPI已準備好執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送，高電平表示HPI正忙于完成當前事務(wù)。HPI口的中斷信號HINT連接到主機上的外部中斷引腳EINT8，用于產(chǎn)生或偵聽中斷信號。HAS是地址選通信號，此信號用于主機的數(shù)據(jù)線和地址線復用的情況，不用時此信號應接高電平。

把TMS320C6211映射到S3C2410A的存儲空間組BANK2，將BANK2的片選信號nGCS2與HPI接口的片選信號HCS相連接，只要對BANK2進行操作，就可以產(chǎn)生DSP的片選信號。將TMS320C6211的引導模式設(shè)置為HPIboot模式，在復位后由主機通過HPI口對DSP進行初始化操作，包括初始化CPU和EMIF及向DSP加載程序和數(shù)據(jù)等，主從設(shè)備之間硬件接口連接如圖3所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1系統(tǒng)的初始化

在設(shè)計好ARM與DSP硬件連接的基礎(chǔ)上，需要通過正確的初始化和編程才能實現(xiàn)設(shè)備之間的通信。對DSP芯片HPI接口進行讀/寫操作時，將HPI接口看作一個連接到ARM芯片的外部設(shè)備，將完成讀/寫操作的程序看成在ARM核Linux系統(tǒng)下面的一個字符型驅(qū)動程序進行開發(fā)。程序在上位機開發(fā)完畢后，經(jīng)JTAG口固化到ARM的存儲空間里。S3C2410A與TMS320C6211之間的初始化程序主要由ARM芯片的初始化和HDI接口讀寫初始化組成。

(1)ARM芯片的初始化

ARM處理器先要完成自身工作模式等一系列的初始化，才能正常進行HPI接口的讀/寫。初始化主要有嵌入式操作系統(tǒng)的移植、GPIO口管腳功能定義、中斷控制、代碼啟動，還有PLL、時鐘、存儲器系統(tǒng)以及堆棧等初始化，I/O及BANK存儲空間初始化的部分代碼如圖4所示。

(2)HPI接口讀寫初始化

系統(tǒng)設(shè)計中HPI口將占用外部I/O接口BANK2的地址，需要對TMS320C6211的BANK進行配置，同時對HPI接口寄存器的地址進行宏定義。由于使用單獨的地址線來模擬HPI16接口的HR/W，因此對同一個寄存器分別進行讀/寫操作時，看起來像是對不同的地址進行相應的操作。DSP芯片部分初始化源代碼如圖5所示。

在定義宏后，ARM通過HPI驅(qū)動程序就可以將DSP中的數(shù)據(jù)通過HPI口讀出來，并送到指定的用戶緩沖區(qū)中，再通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶終端。

3.2數(shù)據(jù)傳輸流程

由ARM和DSP雙核構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸由ARM發(fā)起。ARM單元在啟動后，開啟數(shù)據(jù)傳輸進程與DSP單元建立通信連接，周期地查詢外設(shè)端口是否有DSP數(shù)據(jù)輸入。在接收到DSP數(shù)據(jù)后，依據(jù)控制單元的程序進行分析和處理，以及依據(jù)需要做出相應操作或?qū)?shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)等。

DSP數(shù)據(jù)采集單元在啟動后，通過所連接的外設(shè)采集監(jiān)控區(qū)域的物理信息。應用移植到DSP核中的程序算法，對接收到的數(shù)據(jù)實現(xiàn)分析和處理。在接收到主設(shè)備控制單元的數(shù)據(jù)傳輸指令后，將經(jīng)過分析處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM控制單元。具體的設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸流程如圖6所示，其中，ARM控制單元和DSP數(shù)據(jù)處理單元各自并行執(zhí)行相關(guān)操作。

本系統(tǒng)采用了目前先進的ARM、DSP技術(shù)，ARM作為主處理器完成系統(tǒng)管理及網(wǎng)絡(luò)通信，DSP作為協(xié)處理器完成數(shù)據(jù)采集、分析和處理，整個系統(tǒng)方案簡潔高效且具有可重構(gòu)性。DSP的快速數(shù)據(jù)處理能力和ARM卓越的控制、通信能力保證了動態(tài)信號采集和分析系統(tǒng)的實時性要求。由于DSP及ARM均是可編程的系統(tǒng)配置，運算靈活，其性價比高、體積小、功耗低，嵌入式操作系統(tǒng)支持的軟件豐富，源代碼開放裁剪靈活等特點，使本系統(tǒng)設(shè)計滿足了數(shù)據(jù)采集分析對易操作、網(wǎng)絡(luò)化和低成本等方面的要求，適用于不同環(huán)境的檢測和監(jiān)控。

參考文獻:

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