引言

　　隨著公路交通的不斷發(fā)展,，長途客運車也隨之不斷增長，方便人們出行的同時,，交通事故不斷發(fā)生，盜竊,、搶劫也時有發(fā)生,。

　　為了能使汽車安全的行駛，乘客放心的乘坐,，開發(fā)研究一套良好的長途客運車無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)就顯得尤其的重要,。

　　近年來傳統(tǒng)的模擬視頻監(jiān)控技術(shù)正在逐步向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化,、智能化發(fā)展,，將監(jiān)控技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完美結(jié)合,，是數(shù)字監(jiān)控領(lǐng)域的新方向,。本文介紹的長途客運車無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)是整合嵌入式技術(shù)、CDMA無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù),、MPEG-4數(shù)字視頻壓縮技術(shù)和GPS定位技術(shù)為一體的視頻終端,。

　　系統(tǒng)簡介

　　整個無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)由車載終端(包括TMS320DM270 CPU模塊,、視頻輸入模塊、CDMA模塊,、GPS模塊等),、通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

　　車載終端被放置在長途客車內(nèi),，用來采集車內(nèi)圖像并利用MPEG-4技術(shù)對圖像進行壓縮，使圖像分辨率達到CIF格式,，幀率在1-8幀/秒可調(diào),。同時GPS模塊實時接收全球定位衛(wèi)星發(fā)射的信號，得到當(dāng)前車輛位置和速度,。最后CPU將壓縮后的視頻流與GPS數(shù)據(jù)通過CDMA無線通信網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心,，從而在監(jiān)控中心可以看到車內(nèi)情形，以及在電子地圖上顯示客車的方位與速度,。

　　車載終端硬件設(shè)計

　　車載終端的設(shè)計是根據(jù)系統(tǒng)的總體要求,，將硬件電路劃分為獨立的硬件功能模塊(TMS320DM270 CPU模塊、視頻輸入模塊,、CDMA模塊,、GPS模塊等)，并給出各個硬件模塊的功能定義以及他們之間的關(guān)系,。車載終端的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。

　　TMS320DM270 CPU模塊

　　TMS320DM270是TI公司推出的一款雙核多媒體處理器。它內(nèi)部集成了兩個處理器：ARM7TDMI RISC處理器,；TMS320C5409 DSP,，并帶有兩個協(xié)處理器——圖像加速器(iMX)和可變步長編解碼器(VLCD)。

　　DM270還集成了SDRAM控制器,、CCD可編程控制器,、預(yù)覽引擎(Preview engine)、專用的硬件3A模塊可以消除主處理器的某些任務(wù)負擔(dān),，如：白平衡,、自動曝光和自動調(diào)焦。除此之外,，還有USB,、UART、SPI,、外圍存儲接口等功能,。

　　視頻輸入模塊

　　視頻輸入模塊主要由鏡頭模塊和模擬前端電路組成。模擬前端的作用是將圖像傳感器輸出的模擬信號鉗位放大,，并完成A/D轉(zhuǎn)換,，這里采用的是TVP5150,。TVP5150是TI的一款高質(zhì)量數(shù)字視頻解碼器，可以很方便將模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號,。TVP5150由一組內(nèi)部寄存器初始化并控制,，因此在系統(tǒng)復(fù)位上電時DM270要通過I2C對TVP5150進行初始化。

　　CDMA模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊

　　作為監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng),，首先要考慮監(jiān)控覆蓋范圍,、實時性、車輛容量,、刷新速率等要求,，選擇合適的無線數(shù)據(jù)鏈路。由于長途客車的行駛范圍比較大,，所以本系統(tǒng)選擇無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大的CDMA網(wǎng)絡(luò),。

　　CDMA是碼分多址的英文縮寫(Code Division Multiple Access)，它是在數(shù)字技術(shù)的分支——擴頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種移動通信技術(shù),。本系統(tǒng)采用Q2358C RJ45接口模塊作為CDMA接入設(shè)備,，它內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，支持高達153.6Kb/s的數(shù)據(jù)吞吐率,，適合窄帶寬視頻傳輸,，有相當(dāng)高的穩(wěn)定性。由于系統(tǒng)采用了先進的MPEG-4編碼技術(shù),，所以完全可以適應(yīng)CDMA的傳輸速率,。

　　網(wǎng)絡(luò)模塊也是本系統(tǒng)中一個重要的組成環(huán)節(jié)，采用的是AX88796網(wǎng)卡芯片,。它負責(zé)將CPU處理后的數(shù)據(jù)(MPEG-4視頻數(shù)據(jù),、GPS數(shù)據(jù))通過RJ45接口發(fā)送給CDMA模塊，CDMA模塊再根據(jù)目的地址把數(shù)據(jù)送給監(jiān)控中心,。

　　GPS模塊

　　GPS(Global Positioning System)是一套由美國國防部歷時20年,，耗資200億美元，于1994年建成的衛(wèi)星定位系統(tǒng),，其基本原理是利用繞著地球的24顆衛(wèi)星所發(fā)射的信號，再加以幾何上的計算,，來得到接收者的位置,。本系統(tǒng)采用的是Motorola UART接口的一款GPS模塊，定位誤差小于25米,，測量速度范圍是515米/秒,。該模塊將接收的衛(wèi)星數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為規(guī)定的數(shù)據(jù)格式，其中包括經(jīng)度,、維度,、高度,、速度等。CPU從串口讀取這些數(shù)據(jù),，確定車輛的位置與速度,。

　　FLASH和SDRAM模塊

　　本系統(tǒng)設(shè)計2M的NORFLASH用來存儲程序，NORFLASH的2M空間被劃分為四部分,，分別存放Bootloader,、參數(shù)、內(nèi)核和文件系統(tǒng),。16M的SDRAM用于系統(tǒng)軟件的運行以及各種數(shù)據(jù)(MPEG-4視頻數(shù)據(jù),、GPS數(shù)據(jù))的存取。

　　車載終端軟件設(shè)計

　　基于DM270的軟件設(shè)計分為兩部分：ARM端設(shè)計,、DSP端設(shè)計,。DSP端的軟件設(shè)計主要是圖像算法的設(shè)計，本系統(tǒng)采用的是MPEG-4算法,，同時把DSP作為嵌入式uClinux的外部設(shè)備,，并編寫DSP的驅(qū)動程序，注冊進內(nèi)核,；ARM端運行uClinux操作系統(tǒng),，處理非成像功能，用來控制整個系統(tǒng)的各個模塊,。系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)如圖3所示,。

　　uClinux內(nèi)核移植

　　uClinux是Linux的一個分支，源代碼開放,，并且被廣泛的移植到多種CPU平臺上,。uClinux內(nèi)核是由Linux內(nèi)核根據(jù)所要運行的CPU裁減、修改而來的,，因此它保持了原有Linux操作系統(tǒng)的主要優(yōu)點,，如穩(wěn)定性好，出色的文件系統(tǒng)支持功能,，完善的應(yīng)用程序和驅(qū)動程序開發(fā)環(huán)境,，以及Linux原有的完整的TCP/IP協(xié)議包。這樣,，當(dāng)越來越多的嵌入式系統(tǒng)需要提供網(wǎng)絡(luò)支持功能時,，uClinux便成了首選的操作系統(tǒng)。

　　uClinux的移植工作主要包括內(nèi)核的修改,、裁減與編譯,。

　　首先是開發(fā)環(huán)境的建立。主要由目標(biāo)系統(tǒng)硬件開發(fā)板和宿主PC機構(gòu)成,。先在宿主PC機上安裝標(biāo)準(zhǔn)Linux發(fā)行版Red-Hat Linux和交叉編譯工具arm-elf-tools-20030314.sh,，再從網(wǎng)絡(luò)上獲得免費的uClinux內(nèi)核源代碼uClinux-dist-20041215.tar.gz,，并在宿主PC機上執(zhí)行tar zxvf uClinux-dist-20041215.tar.gz對其解壓。

　　其次是內(nèi)核的修改,。修改的文件主要有：

　　1)uClinux-dist/linux-2.4.x/arch/armnommu/boot/compressed/head.S,，啟動文件。

　　2)uClinux-dist/linux-2.4.x/arch/armnommu/boot/Makefile,，啟動配置文件,，主要修改的是ZTEXTADDR(自解壓代碼的起始地址)和ZRELADDR(內(nèi)核解壓后代碼輸出起始地址)。

　　3)uClinux-dist/linux-2.4.x/arch/armnommu/config.in,，修改DRAM_BASE,、DRAM_SIZE、FLASH_MEM_BASE和FLASH_SIZE,，主要為確定SDRAM,、FLASH的起始地址和大小。

　　4)uClinux-dist/linux-2.4.x/arch/armnommu/Makefile,，修改TEXTADDR來配置內(nèi)核的起始地址,。

　　5)uClinux-dist/linux-2.4.x/drivers，修改并添加所需的驅(qū)動程序,。

　　6)uClinux-dist/linux-2.4.x/drivers/block/blkmem.c,，ROM文件系統(tǒng)的定位修改。

　　7)uClinux-dist/vendors/TI/dm270,，修改硬件配置文件,。

　　8)uClinux-dist/linux-2.4.x/Makefile，選擇CPU體系機構(gòu)(ARCH?:=?armnommu)和交叉編譯器(CROSS_COMPILE?=?arm-elf-),。

　　對內(nèi)核修改完畢后,，在uClinux-dist目錄下執(zhí)行make menuconfig。在彈出的對話框中對內(nèi)核進行配置和裁減,。

　　最后就是編譯內(nèi)核,。依次執(zhí)行make dep(編譯相關(guān)依賴文件)，make clean(在編譯內(nèi)核之前把內(nèi)核清理干凈),，make(最終的編譯命令),，此時在images目錄下生成了image.ram和image.rom文件，iamge.rom便是要燒寫到FLASH中的內(nèi)核映像文件,。

　　驅(qū)動程序設(shè)計

　　設(shè)備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分,，是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機器硬件之間的接口。Linux操作系統(tǒng)將所有的設(shè)備看作具體的文件,，對與用戶而言,，可以通過設(shè)備驅(qū)動程序所提供的一組入口點(open(),、close(),、read(),、write()、ioctl()等)來完成對設(shè)備文件的訪問和控制,。在Linux系統(tǒng)里,，設(shè)備驅(qū)動程序提供的這組入口點是由結(jié)構(gòu)

　　向系統(tǒng)注冊設(shè)備，登記驅(qū)動程序所提供的入口點,。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備操作時,，會根據(jù)file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)指針找到相應(yīng)的操作函數(shù)并進行調(diào)用。圖3中的驅(qū)動程序都是按照上述來完成的,。

　　應(yīng)用程序設(shè)計

　　在應(yīng)用程序中設(shè)計了兩個進程：GPS進程和視頻進程,，應(yīng)用程序流程圖如圖4所示。

　　GPS進程,，首先設(shè)置車載終端的IP地址,，初始化GPS模塊，然后通過Linux Socket編程和服務(wù)器建立鏈接,，等待服務(wù)器命令,，如果10秒鐘內(nèi)沒有收到命令，則通過CDMA發(fā)送GPS數(shù)據(jù)到服務(wù)器,。

　　視頻進程,，首先注冊信號量SIGUSR1，其次是對視頻相關(guān)硬件(DSP,、TVP5150,、CCDC、Preview engine)的初始化,，初始化的具體實現(xiàn)是在各個驅(qū)動程序中完成的,，然后利用Linux Socket編程和服務(wù)器建立鏈接，最后啟動MPEG-4編碼器,。當(dāng)視頻進程成收到SIGUSR1信號后,，便通過CDMA傳送編碼好的視頻數(shù)據(jù)。

　　ARM與DSP通訊

　　整個程序運行過程中時刻存在著ARM與DSP之間的通訊,。

　　在視頻編碼開始前,，DSP的引導(dǎo)由ARM來控制，首先ARM將DSP掛起在復(fù)位狀態(tài),，隨后向DSP下載MPEG-4編碼程序,，最后喚醒DSP開始編碼。DSP的引導(dǎo)順序如圖5所示,。

　　在視頻編碼過程中,，ARM與DSP通過HPIB進行通信。ARM管理著DSP數(shù)據(jù)空間的數(shù)據(jù)輸入輸出。在DSP數(shù)據(jù)空間定義了一段內(nèi)存空間作為命令寄存器,，然后通過HPI訪問這些寄存器,，這就是ARM與DSP之間的一個通訊接口，ARM和DSP都可以異步地向?qū)Ψ桨l(fā)出命令,，不存在主從關(guān)系,。為了建立這種雙向通訊，系統(tǒng)設(shè)計了兩組寄存器,，一組用于ARM(命令由DSP發(fā)出),，另一組用于DSP(命令由ARM發(fā)出)。在編碼過程中就是利用這組寄存器以及HPI中斷完成了圖像數(shù)據(jù)的讀取,、編碼和發(fā)送,。DSP的HPI中斷過程如圖6所示。DSP通過寫寄存器并發(fā)出HPI中斷,，向ARM發(fā)送命令,。ARM在HPI中斷服務(wù)程序中判斷命令類型并執(zhí)行，其中一種命令是DPS向ARM請求原始圖像數(shù)據(jù)進行編碼,；另一種命令是DPS請求ARM發(fā)送壓縮后的MPEG-4視頻數(shù)據(jù),，在這個命令中會向視頻進程發(fā)出SIGUSR1信號。ARM執(zhí)行完命令之后發(fā)出HPI通知DSP,。

　　結(jié)語

　　本系統(tǒng)把無線視頻監(jiān)控技術(shù)和GPS定位系統(tǒng)相結(jié)合,，同單一的GPS定位系統(tǒng)相比有明顯的優(yōu)勢。在實際測試中,，實現(xiàn)了視頻和GPS的同步傳輸,。視頻傳輸速度可達8幀/秒，圖像分辨率達到CIF格式,。同時通過對GPS數(shù)據(jù)的解析,，可準(zhǔn)確的確定客車的位置和速度。隨著MPEG-4算法的優(yōu)化,，無線網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展以及3G的推出,，傳輸效果將會更加的理想。雖然該系統(tǒng)是為長途客運車而設(shè)計,，但它的整個解決方案可用于其它需要遠程監(jiān)控的行業(yè),，比如可廣泛應(yīng)用于軍事、交通,、油田,、煤礦以及手持娛樂設(shè)備等。