基于單片機的網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計

本文提出了一種網絡化視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將單片機控制技術、USB數(shù)據(jù)采集技術與基于TCP/IP協(xié)議棧的計算機網絡結構有機結合起來，使人們能夠通過監(jiān)控現(xiàn)場的攝像機和麥克風等視頻音頻捕捉設備。

將監(jiān)控現(xiàn)場的信號通過局域網傳輸，并送到監(jiān)視器上以獲得實時圖像和聲音，從而實現(xiàn)遠程遙視現(xiàn)場。

隨著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展，在許多領域，以微控制器為中心的應用系統(tǒng)正逐步取代以計算機為中心的應用。因此，對于網絡應用系統(tǒng)的研究，越來越多的研究人員將研究重點轉移到嵌入式系統(tǒng)上來。基于此背景，本文提出了一種網絡化視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案，其目標是使人們能夠通過監(jiān)控現(xiàn)場的攝像機和麥克等視頻音頻捕捉設備，將監(jiān)控現(xiàn)場的信號通過局域網傳輸，并送到監(jiān)視器上以獲得當?shù)貙崟r圖像和聲音，從而實現(xiàn)遠距離遙視現(xiàn)場。

系統(tǒng)工作原理

在本監(jiān)控方案中，嵌入式主機系統(tǒng)采用TI公司的混合信號微控制器MSP430F1611作為系統(tǒng)核心控制器，USB主機接口芯片采用Cypress公司的 USB Host/Slave接口芯片SL811HS，以太網傳輸芯片采用REALTEK公司的快速以太網控制芯片RTL8139，系統(tǒng)的穩(wěn)壓源選擇NS公司的 LM1117。

系統(tǒng)工作時，由MSP430F1611和SL811HS控制作為USB從設備的攝像頭，并讀入視頻數(shù)據(jù)，對其進行處理和存儲。同時，將麥克風中的音頻數(shù)據(jù)讀入MSP430F1611進行數(shù)據(jù)轉換和存儲。然后，將經過傳輸層、網絡層封包后的IP數(shù)據(jù)報由RTL8139封裝成以太網幀，再經過以太網變壓器 PE68515傳輸?shù)骄钟蚓W上。

系統(tǒng)結構框圖

該方案整個系統(tǒng)由音/視頻數(shù)據(jù)采集模塊、音/視頻數(shù)據(jù)處理模塊、以太網傳輸控制模塊以及電源模塊四部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

(1) 音/視頻數(shù)據(jù)采集模塊：該模塊主要由攝像頭、麥克風及其外圍電路組成。其中攝像頭主要由鏡頭、圖像傳感器和數(shù)字信號處理芯片ZC0301P組成，完成圖像數(shù)據(jù)的采集、轉換及傳輸，VGA視頻圖像的傳輸速度可達每秒15幀。麥克風主要用于采集模擬聲音信號。

(2) 音/視頻數(shù)據(jù)處理模塊主要由MSP430F1611和SL811HS組成，完成數(shù)據(jù)采集與處理。嵌入式USB主/從接口芯片SL811HS和16位單片機 MSP430F1611遵從USB1.1協(xié)議，用以實現(xiàn)USB主機功能，并且具有USB總線的接口方式。該模塊作為一個數(shù)據(jù)接口模塊集成到用戶的嵌入式系統(tǒng)中，對攝像頭和麥克風中讀入的數(shù)據(jù)進行處理并存儲。

(3) 以太網傳輸控制模塊：主要任務是將經過傳輸層、網絡層封包后的IP數(shù)據(jù)報經過RTL8139進行以太網封包，封裝成以太網幀后，通過網絡變壓器PE68515傳輸?shù)骄钟蚓W上。

(4) 電源模塊根據(jù)系統(tǒng)中各器件對電源的要求，使外部電源通過LM1117穩(wěn)壓器后，向系統(tǒng)提供3.3V電壓。

系統(tǒng)硬件設計

本設計中，單片機采用MSP430F1611，它有48KB+256B的FLASH存儲，10KB RAM。MSP430F1611與SL811HS主要完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理功能。MSP430F1611與SL811HS的硬件接口框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件接口電路框圖

圖2中，SL811HS的M/S接低電平，工作在主機模式下。CM接低電平，使系統(tǒng)工作在48MHz。由于MSP430F1611既要與SL811HS相連，又要與RTL8139相連，而SL811HS的引腳本身無三態(tài)功能，所以在MSP430F1611與SL811HS之間需要加三態(tài)緩沖器 74HC244，以達到三方通信的目的。SL811HS通過緩沖器接MSP430F1611的I/O口;中斷請求端INTR0直接與單片機的I/O口P1.1相連，SL811HS傳輸完數(shù)據(jù)后產生高電平輸出。通過單片機定時器檢測設備狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)從設備接入，則觸發(fā)外部中斷。

MSP430F1611大部分引腳作為I/O口，主要用來與SL811HS和RTL8139通信。

MSP430F1611與RTL8139通信的作用是將上層應用程序傳來的音/視頻數(shù)據(jù)進行處理并存儲后，進行數(shù)據(jù)的封裝過程，通過傳輸層將存儲的數(shù)據(jù)封裝成UDP(User Datagram Protocol)數(shù)據(jù)包，通過網絡層封裝成IP數(shù)據(jù)，以及通過數(shù)據(jù)鏈路層封裝成以太網幀，然后通過物理網絡傳輸?shù)侥康牡亍?/p>

系統(tǒng)軟件設計

本設計的軟件部分主要包括采集模塊軟件設計和以太網傳輸模塊軟件設計。通過單片機定時器檢測設備狀態(tài)，如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)從設備接入，則觸發(fā)外部中斷。當從設備發(fā)現(xiàn)后，通過SL811HS進行設備枚舉，設置設備地址、數(shù)據(jù)描述和配置，然后通過大規(guī)模存儲協(xié)議訪問從設備文件系統(tǒng)。

以太網傳輸模塊中斷子程序流程圖如圖3所示。RTL8139數(shù)據(jù)的接收用中斷方式完成。當主處理器向網上發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將1幀數(shù)據(jù)通過DMA通道送到控制器的發(fā)送緩沖區(qū)，然后發(fā)出傳送命令，RTL8139按照PCI總線主模式將數(shù)據(jù)從發(fā)送緩沖區(qū)轉移到內部發(fā)送FIFO中。當FIFO中數(shù)據(jù)包完整時，RTL8139即開始包發(fā)送?？刂破髟跀?shù)據(jù)發(fā)送完成后通過中斷方式通知主處理器。接收數(shù)據(jù)時，網上傳送來的數(shù)據(jù)包首先被放在接收FIFO中，同時 RTL8139要進行地址過濾。當接收FIFO中數(shù)據(jù)包已達到接收配置寄存器的要求時，RTL8139請求PCI總線按照PCI模式將數(shù)據(jù)傳到接收緩沖區(qū)，接收滿1幀后，同樣以中斷方式通知主處理器數(shù)據(jù)收發(fā)的狀態(tài)。

結語

本設計主要是針對家居安防中應用而提出的，系統(tǒng)最終可達到的數(shù)據(jù)傳輸速率為8～10Mbps。隨著網絡應用的日益普遍和嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展，未來會有更多嵌入式網絡產品產生。