引言
安全防范和環(huán)境監(jiān)控起到了不可忽視的作用,。視頻監(jiān)控系統(tǒng)正逐步由模擬化走向數(shù)字化,，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展和多媒體視頻編解碼技術(shù)的日益成熟，高性能,、復(fù)雜的視頻流壓縮算法在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用成為了現(xiàn)實(shí),。如今監(jiān)控系統(tǒng)多采用專用處理器或RISC嵌入式處理器與DSP相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)，本文探討的是用ARM處理器與軟件壓縮相結(jié)合的辦法實(shí)現(xiàn),。
視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
首先需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體規(guī)劃,，將系統(tǒng)劃分成幾個(gè)功能模塊，確定各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)方法,。整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu),，從主體上分為兩部分：服務(wù)器端和客戶端。服務(wù)器端主要包括S3C2410平臺(tái)上運(yùn)行的采集,、壓縮,、傳輸程序，客戶端是PC機(jī)上運(yùn)行的接收,、解壓,、回放程序。視頻監(jiān)控終端從現(xiàn)場(chǎng)的攝像頭捕獲實(shí)時(shí)的視頻信息,，壓縮之后通過以太網(wǎng)傳輸?shù)揭曨l監(jiān)控服務(wù)器上,。
如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（圖1）所示，視頻圖像采集和打包發(fā)送在服務(wù)器端完成,，圖像的接收解包和回放將在客戶端完成,。
系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，主要包括以下幾個(gè)模塊：主控制器模塊,、儲(chǔ)存電路模塊,、外圍接口電路模塊、電源和復(fù)位電路,，如圖2所示,。
S3C2410主控器模塊
主控器模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心,，采用的S3C2410處理器是Samsung公司基于ARM920T處理器核的16/32位微控制器，該處理器最高運(yùn)行頻率可達(dá)到203MHz,，它的低功耗,、精簡(jiǎn)和全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適合于對(duì)成本和功耗敏感的應(yīng)用。S3C2410提供了豐富的片內(nèi)資源,，支持Linux,，是本系統(tǒng)的合適選擇。它能完成整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度工作,，在系統(tǒng)上電時(shí)配置所有需工作的芯片的功能寄存器,，完成視頻流的編碼，并通過以太網(wǎng)控制器控制物理層芯片發(fā)送視頻碼流,。
系統(tǒng)存儲(chǔ)電路模塊
主控器還需一些外圍存儲(chǔ)單元如Nand Flash,，和SDRAM。Nand Flash 中包含Linux 的Bootloader,、系統(tǒng)內(nèi)核,、文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序以及環(huán)境變量和系統(tǒng)配置文件等,；SDRAM讀寫速度快,，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)把它作為內(nèi)存單元使用。設(shè)計(jì)采用了64M的Nand Flash和64M的SDRAM,。
外圍電路模塊
本設(shè)計(jì)用到的外設(shè)有USB接口,，網(wǎng)卡接口，RS232接口和JTAG接口,。
視頻監(jiān)控終端的USB主控制器模塊通過專用的USB集線器與多個(gè)USB攝像頭相連,。在實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)下，各個(gè)攝像頭上捕獲的圖像數(shù)據(jù)通過USB集線器傳輸?shù)揭曨l監(jiān)控終端的USB主控制器模塊上,，然后再由USB主控制器模塊交由S3C2410處理器集中處理,。S3C2410對(duì)采集到的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)編碼壓縮，編碼之后的碼流直接傳輸?shù)桨l(fā)送緩沖區(qū)中,，等候發(fā)送,。
本設(shè)計(jì)采用CS8900A擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口，它是CIRRUS LOGIC公司生產(chǎn)的16位以太網(wǎng)控制器,，通過內(nèi)部寄存器的設(shè)置來適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境,。S3C2410通過地址、數(shù)據(jù),、控制線以及片選信號(hào)線對(duì)CS8900A網(wǎng)絡(luò)芯片進(jìn)行控制和通信,。CS8900A與S3C2410的連接如圖3所示，CS8900A由S3C2410的nGCS3信號(hào)選通,，CS8900A的INTRQ0端用來產(chǎn)生中斷信號(hào),，與S3C2410的16位數(shù)據(jù)總線相連,，地址線使用了A[24:0]。
CS8900A以太網(wǎng)控制芯片通過DMA通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,。首先設(shè)置好傳輸控制和傳輸?shù)刂芳拇嫫鞯膮?shù),，依次從指定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域讀取數(shù)據(jù),，送入內(nèi)部發(fā)送緩沖器中,，用MAC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝發(fā)送。一組數(shù)據(jù)發(fā)送完后,，請(qǐng)求DMA中斷,，由S3C2410進(jìn)行處理。
RS-232接口與PC機(jī)串行總線相連,，通過PC機(jī)對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)信息顯示和控制,。而JTAG接口主要是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，還可將程序燒寫到Flash中,。
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
視頻監(jiān)控終端的軟件設(shè)計(jì)主要完成兩方面的工作：
?。?）在硬件上搭建一個(gè)軟件平臺(tái)，搭建嵌入式Linux軟件開發(fā)平臺(tái)需要完成UBOOT移植,、嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核移植以及嵌入式Linux操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)等工作,。
（2）在軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上,，開發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用程序,。借助交叉編譯工具,開發(fā)視頻監(jiān)控終端上運(yùn)行的采集、壓縮,、傳輸程序,。
構(gòu)建基于S3C2410的Linux平臺(tái)
Linux具有許多優(yōu)點(diǎn)，如開放源碼,；功能強(qiáng)大的內(nèi)核,，支持多用戶、多線程,、多進(jìn)程,、實(shí)時(shí)性好、功能強(qiáng)大穩(wěn)定,；大小功能可定制,；支持多種體系結(jié)構(gòu)。
構(gòu)建嵌入式Linux開發(fā)平臺(tái)需要先構(gòu)建交叉編譯環(huán)境,，如圖4所示,。一套完整的交叉編譯環(huán)境包括主機(jī)和目標(biāo)機(jī)。在開發(fā)中主機(jī)是一臺(tái)裝有紅帽公司的FedoreCore 2操作系統(tǒng)的PC機(jī),，目標(biāo)機(jī)是基于S3C2410的視頻監(jiān)控終端,。選用的交叉編譯器是GCC3.3.4 for ARM版,，嵌入式Linux內(nèi)核源代碼包版本號(hào)為2.6.8RC。
2.6.8RC版的Linux內(nèi)核源代碼包中包含了所有的功能模塊,。系統(tǒng)中只用到了其中的一部分,。因此，編譯內(nèi)核之前首先要配置內(nèi)核,，裁減掉冗余的功能模塊,，經(jīng)過定制的內(nèi)核才符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)。具體步驟如下：
（1）鍵入命令make menuconfig,，對(duì)內(nèi)核進(jìn)行配置,，選擇YAFFS文件系統(tǒng)，支持NFS啟動(dòng),，系統(tǒng)使用的是USB接口的攝像頭,，故要啟用USB設(shè)備支持模塊，包括USB設(shè)備文件支持模塊,、USB主控制器驅(qū)動(dòng)模塊等,。此外，USB攝像頭屬于視頻設(shè)備,，為了使應(yīng)用程序能夠訪問它,，還需要啟用Video4Linux模塊。
?。?）用make dep命令生成內(nèi)核程序間依賴關(guān)系,。
（3）make zImage命令生成內(nèi)核映像文件,。
?。?）make modules和make modules_install命令生成系統(tǒng)可加載模塊。
這樣就生成了zImage內(nèi)核映像文件,，把它下載到目標(biāo)平臺(tái)的Flash中,。
本設(shè)計(jì)采用USB外置攝像頭，在內(nèi)核配置時(shí)要求以模塊形式加載,。首先要完成驅(qū)動(dòng)程序,，驅(qū)動(dòng)中需要提供基本的I/O操作接口函數(shù)open、read,、write,、close的實(shí)現(xiàn)，對(duì)中斷的處理實(shí)現(xiàn),，內(nèi)存映射功能以及對(duì)I/O通道的控制接口函數(shù)ioctl等,，并把他們定義在struct file_operations中。這樣當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進(jìn)行諸如open、close,、read,、write等，系統(tǒng)調(diào)用操作時(shí),，嵌入式Linux內(nèi)核將通過file_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動(dòng)程序提供的函數(shù),。接著把USB驅(qū)動(dòng)程序編譯成可以動(dòng)態(tài)加載的模塊，這樣攝像頭就可正常工作了,。
視頻監(jiān)控終端軟件的設(shè)計(jì)
視頻監(jiān)控終端軟件按功能分為三部分：視頻采集,、壓縮、傳輸,。這個(gè)軟件的開發(fā)都是基于先前配置好的嵌入式內(nèi)核,。
(1）視頻采集部分
使用Video4Linux接口函數(shù)訪問USB攝像頭設(shè)備,，捕獲實(shí)時(shí)的視頻流,。首先完成v4l_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義，如設(shè)備基本信息,，圖像屬性,，各個(gè)信號(hào)源屬性等；采集模塊一方面通過USB集線器采集USB攝像頭中的圖像,，另一方面啟動(dòng)多個(gè)采集線程,，分別在不同的端口上監(jiān)聽，一旦有請(qǐng)求連接,，采集線程立即從設(shè)備緩沖區(qū)中把視頻流數(shù)據(jù)讀出,，放入到視頻處理緩沖區(qū)中進(jìn)行下一步的處理。
(2）視頻數(shù)據(jù)的壓縮部分
在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,，大量的數(shù)據(jù)需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸,，為了保證傳輸質(zhì)量和傳輸實(shí)時(shí)性，就需要在傳輸之前進(jìn)行編碼壓縮以減少數(shù)據(jù)量,，本文采用MPEG-4編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮,。在網(wǎng)絡(luò)上可以下載到開源的xvidcore軟件作為視頻壓縮的核心算法，xvidcore是一個(gè)高效的,、移植性很強(qiáng)的多媒體編碼軟件,，將它在PC機(jī)上進(jìn)行交叉編譯，生成的文件拷貝到目標(biāo)系統(tǒng)下,。
(3) 視頻數(shù)據(jù)傳輸部分
傳輸模塊的作用在于把壓縮之后的視頻流傳送到遠(yuǎn)程的PC機(jī)客戶上,，視頻流數(shù)據(jù)的傳輸是基于TCP/IP協(xié)議。視頻傳輸采用了標(biāo)準(zhǔn)的RTP傳輸協(xié)議,。RTP是目前解決流媒體實(shí)時(shí)傳輸問題的最好辦法,，在Linux平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)時(shí)流媒體編程，需要使用一些開放源代碼的RTP庫(kù),，如LIBRTP,、JRTPLIB等,。定義一種較為簡(jiǎn)單的握手協(xié)議：PC機(jī)端的采集程序不停地發(fā)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包到采集終端，采集終端把已經(jīng)捕獲的圖像打包返回給主機(jī),。每個(gè)RTP信息包被封裝在UDP消息段中,，然后再封裝在IP數(shù)據(jù)包中發(fā)送出去。接收方自動(dòng)組裝接收到的數(shù)據(jù)幀,，還原成視頻數(shù)據(jù),。
結(jié)束語
本文介紹了一種基于ARM的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，采用軟壓縮算法,，討論了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì),。本系統(tǒng)和市場(chǎng)上其它視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比，開發(fā)周期短,，價(jià)格低廉,，適用于對(duì)視頻圖像要求不太高的場(chǎng)合。
