基于AT91RM9200的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)設(shè)計(jì)

　　隨著通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展, 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控重要場(chǎng)所已倍受人們關(guān)注, 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在此背景下產(chǎn)生, 并成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)要將高清晰度的實(shí)時(shí)視頻信息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送到監(jiān)控終端, 因其信息量巨大, 所以必須壓縮。通常人們采用DSP 與MPEG- 4 算法相結(jié)合的方案來(lái)實(shí)現(xiàn), 不僅編程工作量大, 而且產(chǎn)品的成本高。本文所介紹的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采用專用的MPEG- 4 壓縮芯片、以嵌入式Linux 作為操作系統(tǒng), 不僅開發(fā)便捷、成本低廉, 而且實(shí)時(shí)性好, 適用范圍廣。

　　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件設(shè)計(jì)模塊主要包括微控制器模塊、壓縮編碼模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊和相機(jī)控制模塊四部分。微控制器模塊主要由主控芯片、DataFlash 和SDRAM(1)組成。其中, 主控芯片是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心, 它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度工作。DataFlash 里固化了嵌入式Linux 內(nèi)核、及其文件系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和系統(tǒng)配置文件。SDRAM(1)作為內(nèi)存供系統(tǒng)運(yùn)行使用。壓縮編碼模塊由視頻數(shù)據(jù)采集芯片、MPEG- 4 壓縮編碼芯片、SDRAM(2)組成,負(fù)責(zé)將視頻流轉(zhuǎn)化為MPEG- 4 碼流。網(wǎng)絡(luò)接口模塊主要是配合主控芯片傳送MPEG- 4 碼流。相機(jī)的控制模塊主要由串口芯片組成, 其完成轉(zhuǎn)發(fā)控制相機(jī)命令的功能。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí), 微控制器通SPI( Serial PeripheralInterface, 串行外設(shè)接口) 將Linux 內(nèi)核轉(zhuǎn)入SDRAM( 1) 中, 系統(tǒng)從SDRAM( 1) 中啟動(dòng)。系統(tǒng)啟動(dòng)后, 微控制器通過(guò)HPI(Host Peripherial Interface, 主機(jī)接口)控制MPEG- 4 編碼模塊。統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　軟件設(shè)計(jì)部分主要包括嵌入式Linux 移植、MPEG- 4 壓縮編碼模塊、CGI 控制程序和MPEG- 4 解碼程序四部分。嵌入式Linux 系統(tǒng)存放到由AT91RM9200 控制的DataFlash 里,它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)軟件的調(diào)度工作。MPEG- 4 壓縮編碼模塊主要負(fù)責(zé)模擬視頻流的采集, 并將數(shù)字視頻流壓縮為MPEG- 4 數(shù)據(jù)流。CGI 控制程序主要負(fù)責(zé)對(duì)攝像機(jī)的控制和對(duì)MPEG- 4 視頻流的相關(guān)設(shè)置。MPEG- 4 解碼程序主要負(fù)責(zé)對(duì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)得到的MPEG- 4 數(shù)據(jù)流的解碼工作。'

　　硬件設(shè)計(jì)

　　微控制器模塊

　　微控制器是本系統(tǒng)的核心部件, 選用的是ATMEL公司的AT91RM9200。它是一款基于ARM920T 核的32位微控制器。其主頻為180MHz, 處理速度快, 功能強(qiáng), 性價(jià)比高, 能很好滿足嵌入式Linux 系統(tǒng)的需求。它在系統(tǒng)中的主要作用是在系統(tǒng)上電時(shí)配置其他芯片的功能寄存器, 在正常工作狀態(tài)下調(diào)度控制整個(gè)系統(tǒng)工作, 通過(guò)片內(nèi)以太網(wǎng)控制器控制物理層芯片發(fā)送碼流。

　　AT91RM9200 通過(guò)片內(nèi)的SPI 總線和SDRAM控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍DataFlash 和SDRAM的控制, 利用片內(nèi)的USART 實(shí)現(xiàn)對(duì)串口芯片的控制, 通過(guò)片內(nèi)的以太網(wǎng)控制器對(duì)片外網(wǎng)絡(luò)芯片進(jìn)行控制。其控制原理圖如圖2 所示。

　　壓縮編碼模塊

　　壓縮編碼模塊包括模擬視頻采集模塊和MPEG- 4壓縮模塊。視頻采集芯片采用TI 公司的TVP5150, 數(shù)據(jù)壓縮芯片采用映佳公司的MPG440。TVP5150 輸入端可是兩種混合視頻信號(hào)也可是S- Video 端子的視頻信號(hào), 支持NTSC、PAL、SECAM等3 種制式, 其輸出的數(shù)據(jù)色彩格式可以為8bit 4: 2: 2 數(shù)字信號(hào)或者8bit 同步ITU- R BT.656 數(shù)字信號(hào)。MPG440 芯片具有符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的16b/32b 的雙向主機(jī)接口, 分別用來(lái)與視頻采集芯片和微控制器芯片通信。同時(shí), 具有移動(dòng)偵測(cè)、防偽水印、動(dòng)態(tài)調(diào)整IP 畫格比率、動(dòng)態(tài)調(diào)整圖像質(zhì)量等特性, 支持D1、VGA、CIF、QVGA、QCI 等五種分辨率模式。微控制器通過(guò)主機(jī)接口實(shí)現(xiàn)MPG440 的初始配置, 也由此接收MPEG- 4 碼流。壓縮編碼模塊的硬件設(shè)計(jì)原理如圖3 所示。

　　TVP5150 的AI 模擬輸入口與模擬攝像頭輸出端連接, 向視頻處理芯片傳送模擬視頻信號(hào)。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣處理之后通過(guò)YOUT0～YOUT7 引腳送到MPG440, 采樣數(shù)據(jù)在PCLK 的上升沿有效, MPG440的VIDEO_CLK 在收到PCLK 的上升沿時(shí)獲得YOUT的信號(hào)。TVP5150 分場(chǎng)同步脈沖和行同步脈沖, 分別對(duì)應(yīng)其輸出端VSYNC、HSYNC。MPG440 正是根據(jù)與之相連的VSYNC 和HSYNC 信號(hào)線來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的場(chǎng)同步和行同步操作。MPG440 的視頻輸入數(shù)據(jù)線DATA_TV0 ～DATA_TV7 與TVP5150 的YOUT0 ～YOUT7 相連。MPG440 在接收數(shù)據(jù)的同時(shí), 將其得到的數(shù)據(jù)流傳送給MPEG- 4 壓縮編碼單元, 編碼后的MPEG- 4 數(shù)據(jù)流暫存到SDRAM(2)中。MPG440 片內(nèi)PDMA 控制器根據(jù)配置寄存器的設(shè)置準(zhǔn)確發(fā)起對(duì)SDRAM(2)訪問(wèn), 同時(shí)將得到的數(shù)據(jù)流輸送往HPI(主機(jī)總線接口,Host Peripherial Interface) , 以等待AT91RM9200 通過(guò)DMA 通道將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。

　　MPG440 通過(guò)HPI 與AT91RM9200 通信,AT91RM9200 將MPG440 的寄存器、存儲(chǔ)空間等資源作為其本身內(nèi)存尋址訪問(wèn)。MPG440 由AT91RM9200選通線NCS4 來(lái)選通, 其在AT91RM9200 尋址空間中的地址段為0X50000000 到0X5FFFFFFF。通過(guò)對(duì)MPG440 一系列寄存器的設(shè)置, 可以訪問(wèn)MPG440 系統(tǒng)存儲(chǔ)空間。MPG440 中斷信號(hào)RSC_INT0 從通用I/O引腳的PB29 輸入, 當(dāng)緩沖器填滿時(shí), RSC_INT0 引腳置低提示AT91RM9200 通過(guò)DMA 通道提取MPEG- 4數(shù)據(jù)流。編碼后視頻數(shù)據(jù)讀取過(guò)程和MPG440 與主機(jī)通信過(guò)程由AT91RM9200 讀信號(hào)CFRD 和寫信號(hào)CFWE 控制。