大型儀器設備遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計

摘要：為了有效地管理高校中分布范圍廣、運行周期長的大型實驗儀器設備，設計出一種采用嵌入式ARM處理器和DSP處理器雙核結(jié)構(gòu)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，詳細分析了視頻采集壓縮、數(shù)據(jù)存儲和設備上電檢測等主要硬件模塊的設計方案。系統(tǒng)實現(xiàn)了對大型實驗設備的遠程化監(jiān)控和自動化管理功能，為高校設備管理提供了一種可行的解決方案。
關鍵詞：ARM；DSP；遠程視頻監(jiān)控；硬件設計

目前，國家對高等教育的重視程度不斷提高，對高等院校的科研資金投入不斷增加。各類高校的科研條件得到很大的改善，許多高校都引進或購置了大型的實驗用儀器設備。這些儀器設備往往較為昂貴，且對使用條件要求較高。高等院校及科研院所的實驗室大多采用計算機管理系統(tǒng)進行管理，但此類管理系統(tǒng)一般都只局限于對設備賬目的日?；芾?，是一種靜態(tài)的管理。而對設備的使用狀態(tài)及完好情況、使用設備的計時收費、實驗教學情況監(jiān)控、實驗室電源系統(tǒng)的控制以及實驗室安全等方面缺乏完整的監(jiān)控管理系統(tǒng)。因此，設計一種針對高校大型儀器設備的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是很有意義的。通過這一系統(tǒng)，設備管理人員能夠?qū)崿F(xiàn)對儀器設備的遠程監(jiān)控和自動化管理。當設備故障時，亦可通過觀看先期存儲的使用狀態(tài)錄像來判斷故障原因，減少了維修時間和維修成本。

1 總體方案設計
1．1 處理器介紹
數(shù)字信號處理器(DSP)憑借強大的運算處理能力被廣泛應用在視頻圖像處理等運算密集的場合，而嵌入式微處理器(ARM)以其強大的控制能力廣泛應用于網(wǎng)絡服務等外圍控制的場合。在本系統(tǒng)中，以ARM作為主處理器芯片，完成各種控制和網(wǎng)絡傳輸功能；采用DSP作為從設備單元處理器，完成數(shù)據(jù)采集和分析處理的工作。ARM單元和DSP單元構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)的雙核架構(gòu)，并通過數(shù)據(jù)總線將DSP上處理的數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM進行傳輸或存儲。
本系統(tǒng)采用芯唐公司的NUC960作為主處理器芯片。NUC960是一款以16／32位ARM926EJ-S為內(nèi)核的精簡指令集微處理器。該內(nèi)核提供了8 kb指令高速緩存和8 kb數(shù)據(jù)高速緩存，并包含一個完整的存儲器管理單元(MMU)。
NUC960集成了豐富的片上資源，包括10 M／100 Mb以太網(wǎng)MAC控制器、EBI總線單元和用于外圍設備通信的PCI總線接口等。NUC960提供嵌入式Linux系統(tǒng)所需的虛擬存儲功能，尤其適用于各種要求高性能和低功耗的嵌入式產(chǎn)品中。
同時，本系統(tǒng)采用SPCT6100作為從處理器DSP芯片。SPCT6100是一款高性能多媒體數(shù)字信號處理器，主要用于監(jiān)控系統(tǒng)中的編解碼。它采用H．264視頻編解碼技術，并包含四路視頻輸入、一路音頻輸入和一路音視頻輸出。特別地，SPCT6100包含有兩種接口類型，即PCI(外圍器件接口)和HPI(主機接口)。通過這兩種接口，SPCT6100可以方便地集成到各種嵌入式系統(tǒng)中。
1．2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。NUC960上運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，實現(xiàn)整個監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和網(wǎng)絡功能等；SPCT6100通過數(shù)字信號處理算法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和傳輸。為了盡可能多的保留NUC960外圍接口，且考慮到芯片引腳特點，NUC960與SPCT6100之間采用PCI總線進行數(shù)據(jù)通信。

在本系統(tǒng)中，從外接的CCD攝像頭采集到的視頻模擬量信號經(jīng)由A／D轉(zhuǎn)換進入SPCT6100進行數(shù)字信號處理。NUC960通過PCI總線讀取經(jīng)過處理后的數(shù)字量信號，并將壓縮的數(shù)據(jù)通過校園網(wǎng)絡傳送到服務器。當網(wǎng)絡阻塞或服務器故障時，NUC960可以將數(shù)據(jù)存儲在本地的存儲器芯片上。設備管理人員可以通過Web-server查看設備當前的運行畫面，也可以調(diào)取存儲在服務器上的設備早期運行畫面。
考慮到本系統(tǒng)主要面向高校實驗室的儀器設備，為了方便校園信息化管理，NUC960擴展的UART串口可以連接讀卡器，系統(tǒng)可以通過讀取校園卡來記錄使用實驗設備人員的信息。另外，本系統(tǒng)還實現(xiàn)了設備上電檢測的功能，即當實驗設備開始上電運行時，系統(tǒng)才開始處理和存儲視頻信號；當實驗設備關閉時，系統(tǒng)停止處理數(shù)據(jù)。這樣即可消除大量的冗余數(shù)據(jù)，節(jié)省服務器開銷。