ARM9系列遠程圖像無(wú)線(xiàn)監控系統
何明聰 胡繼承 孫世磊 2010/01/28
對圖像監控系統，用戶(hù)常常提出這樣的功能需求：希望能夠監控距離較遠的對象
這些對象有可能分布在郊區、深山，荒原或者其他無(wú)人值守的場(chǎng)合；另外，希望能夠獲取比較清晰的監控圖像，但對圖像傳輸的實(shí)時(shí)性要求并不高,很明顯，用傳統的PC機加圖像采集卡的方式很難滿(mǎn)足這樣的需求。
在嵌入式領(lǐng)域，ARM9系列微處理器在高性能和低功耗方面提供了最佳的性能，因此選用ARM9嵌入式處理器S3C2440設計實(shí)現了一個(gè)遠程圖像光線(xiàn)監控系統通過(guò)這個(gè)系統，可以遠在千里之外控制一個(gè)攝像機進(jìn)行圖像采集并回傳。如果這個(gè)攝像機有一個(gè)485接口的云臺，還可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠程控制攝像機的取景角度、鏡頭拉伸、聚焦等功能.
除了獲取圖像數據．系統還提供了多路開(kāi)關(guān)控制和數據采集功能，可以連接溫度、濕度等各類(lèi)傳感器和控制紅外夜視燈等其他外部設備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。最后，通過(guò)GPRS或CDMA無(wú)線(xiàn)通信模塊及Internel互聯(lián)網(wǎng)將數據傳至任何地方
1.系統設計
本系統采用三星公司的S3C2440嵌入式處理器和arm-linux2.4.26操作系統；S3C2440使用ARM920T內核，主頻是400MHz；除了集成通用的串口控制器、USB控制器、A/D轉換器和GPIO等功能之外，還集成了一個(gè)攝像頭接門(mén)(CAMIF)(這個(gè)接口是遠程圖像采集的核心部分)。系統在S3C2440處理器的控制下，從CCD攝像機采集模擬視頻信號，然后經(jīng)過(guò)編碼、DMA傳輸到內存緩沖，接著(zhù)由軟件對內存中的數字視頻數據進(jìn)行壓縮和打包．最后通過(guò)通信單元將圖像以IP包的方式發(fā)送到監控中心的服務(wù)器。整個(gè)系統的硬件結構原理如圖1所示
1.1 圖像采樣接口
S3C2440的攝像頭接口(CAMIF)支持ITU-R BT.601/656
YCbCr8比特標準的圖像數據輸入，最大可采樣4096×4096像素的圖像。攝像頭接口可以有兩種模式與DMA控制器進(jìn)行數據傳輸：一種是P端口模式，把從攝像頭接口采樣到的圖像數據轉為RGB數據，并在DMA控制下傳輸到SDRAM(一般這種模式用來(lái)提供圖像預覽功能)；另一種是C端口模式，把圖像數據按照YCbCr4:2:0或4:2:2的格式傳輸到SDRAM(這種模式主要為MPEG-4、H.263等編碼器提供圖像數據的輸入)。上述兩種工作模式都允許設置一個(gè)剪輯窗口，只有進(jìn)入這個(gè)窗口的圖像數據才能夠傳輸到SDRAM。上述過(guò)程可用圖2說(shuō)明。
S3C2440的攝像機接口接收ITU標準的圖像數據，不能直接接收CCD攝像機輸出的模擬視頻信號，因此還需要1片SAA7113視頻解碼芯片。SAA7113可以輸入4路模擬視頻信號，通過(guò)內部寄存器的不同配置可以對4路輸入進(jìn)行轉換，輸入可以為4路CVBS或2路S視頻(Y/C)信號，輸出8位“VPO”總線(xiàn)，為標準的ITU656、YUV
4:2:2格式。對SAA7113初始化需要通過(guò)I2C 總線(xiàn)進(jìn)行，而S3C2440內部集成的I2C控制器正好可以實(shí)現這個(gè)過(guò)程。S3C2440的攝像機接口與SAA7113的連接原理如圖3所示。
SAA7113 的CE 引腳與S3C2440 的一個(gè)GPIO 引腳相連，這樣可以控制SAA7113的工作狀態(tài)。當無(wú)須采集圖像時(shí)，將該GPIO口輸出低電平，使SAA7113芯片處于低功耗狀態(tài)，節省電能的消耗。對照圖2和圖3可以看出，SAA7113芯片就是圖2的“外部圖像傳感器”。它向嵌入式系統的攝像機接口提供了采樣到的標準ITU視頻數據。這些數據經(jīng)過(guò)DMA的P端口或C端口控制傳輸到了內存，這樣就可以在內存中對圖像數據作進(jìn)一步的加工處理。
1.2 圖像采樣接口的驅動(dòng)
按照Linux視頻設備驅動(dòng)的模型V4L(video for Linux)編寫(xiě)了SAA7113與S3C2440攝像機接口的驅動(dòng)。驅動(dòng)使用C端口模式與DMA進(jìn)行通信。采樣1幀圖像之前，首先設置采樣圖像的分辨率和剪輯窗口大小等參數，然后設置DMA控制器訪(fǎng)問(wèn)的視頻采樣輸出緩沖的內存地址，接著(zhù)就可以通過(guò)設置S3C2440的CAMIF接口控制寄存器啟動(dòng)1幀圖像的采集。當采集完1幀圖像時(shí)，CAMIF接口會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)1次C端口的DMA通信，把采集的圖像數據傳到內存。傳輸結束后，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)C端口的中斷，通知驅動(dòng)1幀數據采樣和傳輸結束。具體來(lái)說(shuō)，這個(gè)驅動(dòng)需要實(shí)現以下功能：
初始化S3C2440的CAMIF接口的時(shí)鐘寄存器。主要是根據SAA7113的外接晶振頻率設置攝像機時(shí)鐘分頻寄存器(CAMDIVN)。該寄存器的0～3位是分頻系數，其計算方法是：
CAMCLK_DIV=UPLL/(CAMCLK * 2)-1
(初始化代碼略— — 編者注)
配置CAMIF接口的采樣參數。主要是輸入源圖像數據的格式、輸出的圖像格式、采樣的窗口大小、DMA的訪(fǎng)問(wèn)地址等參數。這里定義了一個(gè)結構，用于存儲與CAMIF接口相關(guān)的配置信息：
struct s3c2440_camif_cfg_t {
int src_x; //輸入的源圖像寬度
int src_y; //輸入的源圖像高度
int
dst_x; //輸出的目標圖像寬度
int dst_y; //輸出的目標圖像高度
int dst_fmt;
//輸出的目標圖像數據格式
int pre_x; //預覽通道(P端口模式)輸出的圖像寬
int pre_y;
//預覽通道(P端口模式)輸出的圖像高
int pre_fmt; //使用通道(P端口模式)時(shí)設為1
__u16 bypass;
//為1時(shí)表示不啟用按比例的圖像放大/縮小
__u16 ycbcr; //輸入圖像的YcbCr順序
struct s3c2440_camif
*dev; //設備的系統信息
};
上述這些配置信息最終是與一系列的寄存器相關(guān)聯(lián)的。這個(gè)結構為讀/寫(xiě)寄存器提供了一個(gè)清晰的、集中的存儲緩沖。
打開(kāi)、關(guān)閉和控制攝像機的接口函數。這3個(gè)接口函數是按V4L規范編寫(xiě)的，其原型如下：
① 打開(kāi)攝像機接口函數：
static int
v4l_cam_open(struct video_device *v,int mode);
② 控制攝像機接口函數：
static int
v4l_cam_ioctl(struct video_device *v,unsigned int cmd,void *arg);
③ 關(guān)閉攝像機接口函數：
static void v4l_cam_close(struct video_device *v);
中斷處理接口函數。該中斷處理函數在使用C端口模式完成1幀圖像采集后被調用。函數原型定義如下：
static void
s3c2440_camif_isr_c(int irq,void *dev_id,struct pt_regs *regs);
讀取圖像數據的實(shí)現函數。該函數通過(guò)dev→rdy的值判斷1幀圖像有無(wú)采集轉換結束。如果該值置1，則表示采樣結束，這時(shí)就可以從圖像數據的緩沖中拷貝數據到用戶(hù)的存儲空間；如果為0，則函數進(jìn)入阻塞或返回EAGAIN標志。順便提一下，dev→rdy的值是在中斷處理函數中設置的。(實(shí)現代碼略——編者注)
1.3 圖像數據的壓縮
S3C2440的CAMIF接口處理得到的1幀圖像數據比較大，還要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的壓縮才能適合進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )數據傳輸。S3C2440處理器內部沒(méi)有提供硬件的圖像壓縮編碼器，但因為它的主頻較高，可以使用軟件來(lái)進(jìn)行圖像壓縮。考慮到CPU的處理能力和對單幀采樣圖像的清晰度有較高的要求，采用基于離散余弦變換算法(DCT)的JPEG/MJPEG方式對圖像數據進(jìn)行壓縮編碼。
1.4 圖像數據的傳輸
通信單元承擔了圖像的數據傳輸任務(wù)。在本系統中，有兩種通信單元可供使用。一種是GPRS/CDMA無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。它們通過(guò)串口與S3C2440處理器相連接，在以太網(wǎng)絡(luò )傳輸線(xiàn)纜難以鋪設的環(huán)境中可以使用這種通信方式。它的缺點(diǎn)是通信帶寬小，傳輸速度慢，但是如果對實(shí)時(shí)性要求不高，也能夠傳輸高清晰的靜態(tài)圖片。另一種通信單元是10MHz的CS8900a以太網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊。它可與局域網(wǎng)相連接，然后將監控圖像發(fā)送到局域網(wǎng)的監控服務(wù)器或者通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上。這種通信方式速度高，實(shí)時(shí)性好，但監控現場(chǎng)要安裝有線(xiàn)的以太網(wǎng)絡(luò )。
1.5 攝像機云臺的控制
攝像機的云臺控制接口采用RS485通信方式。因S3C2440內部只有RS232的控制器，為此使用MAX485芯片設計了一個(gè)RS232到RS485的轉換接口。該電路原理如圖4所示。
圖4中RS485的數據流方向由GPE13口的電平進(jìn)行控制。
2.系統軟件的設計
系統軟件包含下位機軟件、服務(wù)器軟件和客戶(hù)端軟件。下位機軟件部署在遠程圖像監控設備上。這個(gè)軟件作為一個(gè)Linux的守護進(jìn)程啟動(dòng)，負責壓縮采樣到的圖像數據，并把壓縮后的圖像打包，然后通過(guò)Socket通信方式上傳到監控服務(wù)器。如果使用GPRS/CDMA無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，上位機軟件在系統啟動(dòng)完成后，就自動(dòng)進(jìn)行PPP撥號，建立起一條TCP/IP的通信管道。客戶(hù)端軟件部署在一臺連接到互聯(lián)網(wǎng)的PC機上，它提供給最終用戶(hù)瀏覽監控畫(huà)面，設置監控參數等功能。服務(wù)器軟件也部署在一臺連接到互聯(lián)網(wǎng)的計算機上。這臺計算機在互聯(lián)網(wǎng)上有固定的IP或者域名，服務(wù)器軟件作為一個(gè)后臺進(jìn)程啟動(dòng)，為客戶(hù)端和遠程圖像監控設備之間的通信起到一個(gè)橋梁的作用。因為遠程監控設備的IP地址是動(dòng)態(tài)的，無(wú)法被客戶(hù)端直接尋址，因此就需要服務(wù)器作為雙方通信的中間橋梁。
下位機軟件通過(guò)驅動(dòng)程序提供的接口，在遠程圖像監控設備中完成硬件的初始化、控制等功能，同時(shí)又負責圖像的壓縮和傳輸。它是所有設備的控制中樞，因此這里著(zhù)重描述下位機軟件的工作流程，如圖5所示。
為了省電，一些像SAA7113、攝像機和夜視紅外燈等大功耗的器件和設備只有在需要時(shí)才工作，所以這些設備在初始化時(shí)都是斷開(kāi)電源的。
下位機程序讀取保存在設備上的設備ID號(該ID號是唯一的)，以及監控服務(wù)器的域名/IP地址和端口，然后下位機程序作為Socket連接的客戶(hù)端主動(dòng)與監控服務(wù)器進(jìn)行連接。連接成功之后，送出設備的ID號。這時(shí)如果有監控的客戶(hù)端想要查看某個(gè)遠程監控設備的圖像，只要向監控服務(wù)器發(fā)出請求，告訴服務(wù)器要連接的設備ID號，服務(wù)器就會(huì )根據這個(gè)ID號對應的Socket句柄，為客戶(hù)端和遠程監控設備建立一個(gè)Socket連接通道。
3.總結
遠程圖像無(wú)線(xiàn)監控系統在高壓輸電線(xiàn)路的覆冰監測中得到了成功的應用。在野外全天候環(huán)境下，適時(shí)準確地監測高壓輸電線(xiàn)路覆冰厚度，同時(shí)發(fā)出預警處理信息，從而有效地避免了斷纜事故的發(fā)生。
遠程圖像監控技術(shù)是隨著(zhù)計算機技術(shù)、數字通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及LSI、VLSI集成電路的發(fā)展而發(fā)展的，而基于A(yíng)RM9嵌入式處理器的本系統正是這些技術(shù)學(xué)科相互交叉和融合發(fā)展的集中體現。實(shí)踐證明，ARM9處理器的低功耗、高性能和多功能的特性滿(mǎn)足了遠程圖像監控的許多特殊需求，是實(shí)現遠程圖像監控的很好選擇。
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