淺談AT91RM9200的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機的設(shè)計與實現(xiàn)

　　隨著通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)遠程實時監(jiān)控重要場所已倍受人們關(guān)注，網(wǎng)絡(luò)攝像機在此背景下產(chǎn)生，并成為人們關(guān)注的焦點。網(wǎng)絡(luò)攝像機是一種結(jié)合傳統(tǒng)攝像機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所產(chǎn)生的新一代攝像機，它可以將影像通過網(wǎng)絡(luò)傳至地球另一端，且遠端的瀏覽者不需用任何專業(yè)軟件，只要標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器（如"Microsoft IE或Netscape）即可監(jiān)視其影像。網(wǎng)絡(luò)攝像機要將高清晰度的實時視頻信息通過互聯(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)合的方案來實現(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，而且實時性好，適用范圍廣。

　　2. 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　系統(tǒng)總體設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。這兩部分工作是互相聯(lián)系的，需要交叉進行，系統(tǒng)設(shè)計是開發(fā)人員進行的工作，他們將系統(tǒng)設(shè)計階段得到的目標(biāo)系統(tǒng)的邏輯模型轉(zhuǎn)換為目標(biāo)系統(tǒng)的物理模型，該階段得到工作成果――系統(tǒng)設(shè)計說明書是下一個階段系統(tǒng)實施的工作依據(jù)。硬件設(shè)計模塊主要包括微控制器模塊、微控制器是將微型計算機的主要部分集成在一個芯片上的單芯片微型計算機。微控制器誕生于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，其成本越來越低，而性能越來越強大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無處不在，遍及各個領(lǐng)域。例如電機控制、條碼閱讀器/掃描器、消費類電子、游戲設(shè)備、電話、HVAC、樓宇安全與門禁控制、工業(yè)控制與自動化和白色家電（洗衣機、微波爐）等。壓縮編碼模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊和相機控制模塊四部分。微控制器模塊主要由主控芯片、DataFlash和SDRAM（1）組成。其中，主控芯片是整個控制系統(tǒng)的核心，它負責(zé)整個系統(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。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)控制相機命令的功能。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，微控制器通SPI（Serial Peripheral Interface,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。系統(tǒng)啟動后，微控制器通過HPI（Host Peripherial Interface, 主機接口）控制MPEG-4編碼模塊。統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　軟件設(shè)計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，它負責(zé)整個系統(tǒng)軟件的調(diào)度工作。MPEG-4壓縮編碼模塊主要負責(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控制程序主要負責(zé)對攝像機的控制和對MPEG-4視頻流的相關(guān)設(shè)置。簡稱CGI.在物理上是一段程序，運行在服務(wù)器上，提供同客戶端 HTML頁面的接口。這樣說大概還不好理解。那么我們看一個實際例子： 現(xiàn)在的個人主頁上大部分都有一個留言本。留言本的工作是這樣的：先由用戶在客戶端輸入一些信息，如名字之類的東西。接著用戶按一下"留言"（到目前為止工作都在客戶端），瀏覽器把這些信息傳送到服務(wù)器的CGI目錄下特定的cgi程序中，于是cgi程序在服務(wù)器上按照預(yù)定的方法進行處理。在本例中就是把用戶提交的信息存入指定的文件中。然后cgi程序給客戶端發(fā)送一個信息，表示請求的任務(wù)已經(jīng)結(jié)束。此時用戶在瀏覽器里將看到"留言結(jié)束"的字樣。整個過程結(jié)束。MPEG-4解碼程序主要負責(zé)對通過網(wǎng)絡(luò)得到的MPEG-4數(shù)據(jù)流的解碼工作。

　　3. 硬件設(shè)計

　　3.1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，性價比高，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)度控制整個系統(tǒng)工作，通過片內(nèi)以太網(wǎng)控制器控制物理層芯片發(fā)送碼流。

　　AT91RM9200通過片內(nèi)的SPI總線和SDRAM控制器實現(xiàn)對外圍DataFlash和SDRAM的控制，利用片內(nèi)的USART實現(xiàn)對串口芯片的控制，通過片內(nèi)的以太網(wǎng)控制器對片外網(wǎng)絡(luò)芯片進行控制。其控制原理圖如圖2所示。

　　圖2 控制原理圖

　　3.2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也可是S-Video端子的視頻信號，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)字信號或者8bit同步ITU-R BT.656數(shù)字信號。MPG440芯片具有符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的16b/32b的雙向主機接口，分別用來與視頻采集芯片和微控制器芯片通信。同時，具有移動偵測、防偽水印、動態(tài)調(diào)整IP畫格比率、動態(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。微壓縮編碼模塊的硬件設(shè)計原理如圖3所示。

　　圖3 壓縮編碼電路

　　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。模擬信號經(jīng)過采樣處理之后通過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的上升沿時獲得YOUT的信號。TVP5150分場同步脈沖和行同步脈沖，分別對應(yīng)其輸出端VSYNC、HSYNC.MPG440正是根據(jù)與之相連的VSYNC和HSYNC信號線來實現(xiàn)圖像的場同步和行同步操作。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，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SDRAM（2）訪問，同時將得到的數(shù)據(jù)流輸送往HPI（主機總線接口，Host Peripherial Interface），以等待AT91RM9200通過DMA通道將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。

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