摘 要： 針對傳統(tǒng)固定監(jiān)控架設成本高,、監(jiān)控有死角且需要布置的視頻采集端個數(shù)太多的情況,，提出一種基于ARM和FPGA相結(jié)合架構(gòu)的移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)及其軟硬件實現(xiàn)方法，在減少視頻采集端節(jié)點的前提下,，能夠全方位實時捕捉用戶所需的信息,。該系統(tǒng)由電機控制模塊、視頻采集模塊和無線網(wǎng)絡控制模塊構(gòu)成，實現(xiàn)了無線視頻監(jiān)控系統(tǒng),；基于Linux操作系統(tǒng),、Web服務器和視頻編碼器，實現(xiàn)了用戶可以通過Internet遠程查看目標現(xiàn)場的狀況,。
關鍵詞： 視頻監(jiān)控,；ARM；FPGA,；Linux,；Internet
中國視頻監(jiān)控市場快速發(fā)展，數(shù)字監(jiān)控逐步成為主流,，網(wǎng)絡化、個人化和智能化將是中國視頻監(jiān)控市場重要的發(fā)展趨勢,。但當前基于流媒體傳輸?shù)募夹g對網(wǎng)絡條件要求較高,，不能大面積推廣，固定監(jiān)控成本太高,。如何將視頻監(jiān)控與Interne相結(jié)合,，使監(jiān)控人員可以隨時隨地實施監(jiān)控，是現(xiàn)代監(jiān)控技術急需解決的問題,。另一方面,，目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用的微控制器多是ARM9、ARM11等系列微控制器,，ARM微控制器硬件外設出廠時已經(jīng)固定,，不利于用戶進行硬件擴展和升級，而ARM和FPGA相結(jié)合的多芯片解決方案又會導致系統(tǒng)成本太高,，同時還會造成系統(tǒng)資源的浪費,，功耗太大。針對以上不足,，本文提出了一種新的解決方案,，采用Zynq系列處理器，芯片采用的是高性能Cortex-A9雙核和FPGA相結(jié)合,，ARM部分可以解決高清視頻的處理問題,，可編程邏輯FPGA部分可以升級和擴展硬件。
1 移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)
本設計的主控板為Digilent公司的ZedBoard開發(fā)板,，主芯片Zynq7020結(jié)合高性能雙核ARM Cortex-A9 MPCore處理系統(tǒng)和可編程邏輯于一體[1],。視頻采集端位于移動小車之上，從而達到移動采集視頻的目的,。系統(tǒng)的設計主要包括ARM控制部分的設計和FPGA邏輯部分的設計,。ARM部分主要用來運行操作系統(tǒng)和系統(tǒng)上的應用軟件，如Web服務器Boa，視頻編碼器mjpg-streamer,；FPGA部分主要用來擴展硬件資源,，進行小車電機驅(qū)動部分PWM IP核的設計。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。各模塊功能為：攝像頭負責視頻圖像采集,，Zynq主控模塊負責ARM操作系統(tǒng)部分和FPGA邏輯資源部分，電機控制模塊負責智能小車的運動,，Boa Webserver負責網(wǎng)絡的交互,，無線路由器負責無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的收發(fā)。
系統(tǒng)上電之后,，首先自動執(zhí)行芯片內(nèi)部固化的芯片初始化程序,，然后執(zhí)行第一階段的啟動加載器FSBL，使用比特流文件（PWM IP核設計生成的bit文件）對FPGA部分進行配置,，待FPGA配置完成后,，開始執(zhí)行U-boot引導程序，啟動Linux操作系統(tǒng)[2],。系統(tǒng)啟動完成后,，智能小車通過無線路由器產(chǎn)生無線信號，用戶在另一端就可以通過網(wǎng)絡來連接智能小車終端,，實施視頻監(jiān)控,。用戶和系統(tǒng)的交互實現(xiàn)如圖2所示。
本文主要介紹電機控制部分的設計,，具體包括電機控制部分硬件電路的設計,，F(xiàn)PGA部分PWM IP核的設計，Linux操作系統(tǒng)PWM驅(qū)動程序的設計,。
2 電機控制部分的設計
2.1 電機控制部分硬件電路的設計
該模塊主要由L298P雙H橋直流電機驅(qū)動芯片實現(xiàn),。由于一個L298P芯片可以驅(qū)動兩個直流電機，小車有4個車輪,，因此需要兩塊L298P芯片[3],。同時，為了減少使用的FPGA I/O引腳數(shù)量,，在原理圖設計中采用了四二輸入或非門芯片SN74HC02D,，這樣用兩個I/O引腳就可以控制L298P的4個輸入端。DIR1,、DIR2,、PWM1、PWM2通過Zedboard的PMOD接口與FPGA相連,。原理圖如圖3所示,，圖中IN1,、IN2、IN3,、IN4為輸入信號,，ENA、ENB為使能信號,。ENA控制IN1,、IN2的輸入使能，ENB控制IN3,、IN4的輸入使能,。當ENA為1，DIR1為1時（也就是IN1為0,，IN2為1時）,，P1接口上的電動機正轉(zhuǎn)；當ENA為1,，DIR1為0時（也就是IN1為1,，IN2為0時），P1接口上的電動機反轉(zhuǎn),；當ENA為0時,，P1接口上的電動機停止,。與P2口連接的電動機原理同上,。
2.2 FPGA部分PWM IP核的設計
Xilinx嵌入式系統(tǒng)部分的設計由其公司推出的EDK（Embedded Development Kit）開發(fā)套件實現(xiàn)，EDK具有完成嵌入式系統(tǒng)設計的一整套工具,，即：硬件設計工具XPS（Xilinx Platform Studio）和軟件設計工具SDK（Xilinx Software Development Kit）,，硬件設計步驟如下：（1）設置新工程路徑；（2）自定義IP配置外設,；（3）建立UCF文件,；（4）bit流的生成[4]。自定義IP的部分主要實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn),，反轉(zhuǎn)和停止控制,。關鍵VerilogHDL代碼如下：
case（state）
//電機停止
′NOP：{pwm_left，pwm_right}<={7′d0,，7′d0},；
′GOING：//電機正向旋轉(zhuǎn)
begin
if（dis_value>31）
{pwm_left，pwm_right,，dir_lself,，dir_rself}
<={7′d100，7′d100,，1′d0,，1′d0},；
else
{pwm_left，pwm_right,，dir_lself,，dir_rself}<=
{{dis_value[4：0]，2′b0},，{dis_value[4：0],，2′b0}，1′d1,，1′d1},；
end
′RETURN：//電機反向旋轉(zhuǎn)
begin
if（dir_value==3′b010）
{pwm_left，pwm_right,，dir_lself,，dir_rself}<={7′d80，7′d80,，1′d1,，1′d0}；
else
{pwm_left,，pwm_right,，dir_lself，dir_rself}<={7′d80,，7′d80,，1′b0，1′b1},；
end
endcase
在本設計中,，對電機的控制，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小,，只需要添加一個低速的AXI4-Lite總線設備PWM模塊來控制PMOD接口就可以實現(xiàn)硬件設備之間通信,，其中AXI4-Lite的全局時ACLK設置為100 MHz，PWM模塊分配的起始物理地址為0x6CA00000,，空間大小為64 KB,，PWM配置信息如圖4所示。
2.3 Linux下電機驅(qū)動部分的設計
由于遠端傳輸是在Linux系統(tǒng)下TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)的,，因此,，編寫Linux下的IP驅(qū)動，應用程序就可以通過Linux的標準接口訪問FPGA的PMOD接口設備,。本設計編寫的是字符型設備驅(qū)動程序,，包含設備加載、設備卸載以及文件操作函數(shù),。PWM模塊加載時系統(tǒng)調(diào)用module_init（pwm_init）宏實現(xiàn)模塊的初始化操作,，在本系統(tǒng)中pwm_init（）函數(shù)主要完成以下工作：（1）內(nèi)核注冊字符型設備驅(qū)動,；（2）創(chuàng)建PWM設備類；（3）利用PWM設備類創(chuàng)建設備,；（4）將PWM模塊物理地址映射到虛擬地址上[5],。部分關鍵代碼如下所示：
//XPS分配的物理地址
#define PWM_MOUDLE_PHY_ADDR 0x6CA00000
//注冊驅(qū)動
pwm_driver_major=register_chrdev（0，DEVICE_NAME,，&pwm_driver_fops）,；
pwm_driver_class=class_create（THIS_MODULE，"
pwm_driver"）,；//創(chuàng)建設備類
pwm_driver_device=device_create（pwm_driver_class,，NULL，MKDEV（pwm_driver_major,，0）,，NULL，"pwm_device"）,；
//利用設備類創(chuàng)建設備
//將PWM IP物理地址映射為虛擬地址
pwm_fre_addr=（unsignedlong）ioremap（PWM_MOUDLE_ PHY_ADDR,，sizeof（u32））；
初始化工作結(jié)束,，但是僅有初始化函數(shù),，設備仍然無法工作，還需要有實現(xiàn)頻率和占空比的調(diào)節(jié)機制,?？刂芇WM的頻率函數(shù)如下所示：
static ssize_t sys_pwm_frequency_set（struct device*dev， struct device_attribute*attr,，const char*buf,，size_t count）
{
long value=0,；
int i,；
frequency=0；
//修改頻率之前,，關閉PWM模塊
outl（value,，pwm_fre_addr）；
//將寫入pwm_frequency中的字符串轉(zhuǎn)化為整數(shù)
for（i=0,；i<count-1,；i++）
{
frequency*=10；
frequency+=buf[i]-′0′,；
}
//100 MHz/frequency,，100 MHz在XPS中已經(jīng)設定
if（value>100000000）value=100000000；
value=100000000/frequency,；
//將計數(shù)值寫入到PWM模塊的pwm_fre_addr寄存器中
outl（value,，pwm_fre_addr）,；
return count；
}
控制PWM占空比的函數(shù)和控制PWM頻率的函數(shù)一樣,。
3 實驗結(jié)果及測試
系統(tǒng)的主控制板為Zedboard開發(fā)板,，上電啟動后，無線路由器會發(fā)布一個SSID為Tp_Link_5C90的無線網(wǎng)絡,，可以通過任何可以上網(wǎng)的設備連接這個網(wǎng)絡,。在瀏覽器中輸入網(wǎng)址：192.168.1.100，就會登錄到移動視頻監(jiān)控的網(wǎng)頁上,，通過界面的按鈕控制視頻終端的運行,。
本文設計采用Xilinx All Programmable芯片Zynq作為主控CPU，F(xiàn)PGA部分可以實現(xiàn)邏輯擴展和功能補充,。例如：自定義通信協(xié)議,、IP核，同時還可以利用Xilinx的部分可重配置技術升級硬件系統(tǒng)，易于后期擴展和硬件升級；ARM部分采用的是性能較高的Cortex-A9雙核,，使得對高清晰視頻的處理較為流暢,，而且系統(tǒng)整體功能也比較穩(wěn)定。相比于傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控,，數(shù)字視頻處理技術提高了圖像的質(zhì)量和監(jiān)控效率。
設計中采用軟硬件協(xié)同設計的方法，即：在整個系統(tǒng)及定義的基礎上,，同時對軟硬件進行設計和協(xié)調(diào)，其中包括軟硬件的劃分（哪些功能使用軟件完成,，哪些功能使用硬件完成）,、軟硬件系統(tǒng)的開發(fā)與聯(lián)合調(diào)試，降低了開發(fā)風險,，縮短了開發(fā)周期,。
參考文獻
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[2] Xilinx Inc. UG873,， Zynq-7000 All Programmable SoC： Concepts,， Tools and Techniques[Z]. 2013：12-35，40-53.
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