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

　　1.引言

　　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，只要標準的網(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)計階段得到的目標系統(tǒng)的邏輯模型轉(zhuǎn)換為目標系統(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)標準的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。

　　3.3網(wǎng)絡(luò)模塊

　　網(wǎng)絡(luò)模塊硬件設(shè)計原理如圖4所示。

　　圖4網(wǎng)絡(luò)模塊電路

　　AT91RM9200的在片以太網(wǎng)卡端口和網(wǎng)絡(luò)物理層芯片DM9161E的MII接口通信。發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先置發(fā)送使能信號ETXEN有效。數(shù)據(jù)發(fā)送端ETX0~ETX1與DM9161的ETXO~ETX1引腳對應(yīng)連接，作為數(shù)據(jù)發(fā)送通道，以DM9161E的時鐘信號REF_CLK發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收端ERX 0~ERX1與DM9161E的RXDO~RXD1引腳對應(yīng)連接，作為數(shù)據(jù)接收通道。管理時鐘信號EMDC和管理數(shù)據(jù)輸入輸出信號EMDIO用來芯片控制參數(shù)的寫入和讀取。DM9161E的MDINTR端用來產(chǎn)生中斷信號。

　　片內(nèi)以太網(wǎng)卡通過DMA通道進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，不影響AT91RM9200的正常運行。首先正確設(shè)置傳送控制寄存器和傳送地址寄存器的傳送數(shù)據(jù)塊字節(jié)數(shù)、數(shù)據(jù)塊存儲首地址等參數(shù)，隨后依次從指定數(shù)據(jù)存儲區(qū)地址讀取1024b數(shù)據(jù)，送入內(nèi)部發(fā)送緩沖器中，由MAC對數(shù)據(jù)進行封裝發(fā)送，同時記錄已傳送字節(jié)數(shù)，直到數(shù)據(jù)塊發(fā)送完畢。當發(fā)送完一組數(shù)據(jù)后，發(fā)出DMA中斷請求，由AT91RM9200進行相應(yīng)的處理。整個網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)電路由AT91RM9200控制和調(diào)度。

　　4.軟件設(shè)計

　　嵌入式Linux系統(tǒng)主要由四個部分組成引導(dǎo)內(nèi)核啟動的文件(bootloader)、Linux內(nèi)核文件(kernel)、虛擬磁盤文件(ramdisk)、用戶空間文件(user)。它們分別被放在DataFlash內(nèi)的四個分區(qū)模塊中。根據(jù)不同模塊的具體功能采用不同的文件系統(tǒng)：bootloader、kernel、ramdisk，移植完成后不需要動態(tài)改變，使用較節(jié)省空間的ROMFS只讀文件系統(tǒng);user模塊內(nèi)放置一些可以動態(tài)更新的配置文件等，需要進行較多的讀寫操作，所以使用支持動態(tài)擦寫保存的JFFS2文件系統(tǒng)。inux做嵌入式的優(yōu)勢，首先，Linux是開放源代碼的，不存在黑箱技術(shù)，遍布全球的眾多Linux愛好者又是Linux開發(fā)者的強大技術(shù)支持;其次，Linux的內(nèi)核小、效率高，內(nèi)核的更新速度很快，linux是可以定制的，其系統(tǒng)內(nèi)核最小只有約134KB.第三，Linux是免費的OS，在價格上極具競爭力。Linux還有著嵌入式操作系統(tǒng)所需要的很多特色，突出的就是Linux適應(yīng)于多種CPU和多種硬件平臺，是一個跨平臺的系統(tǒng)。到目前為止，它可以支持二三十種CPU.而且性能穩(wěn)定，裁剪性很好，開發(fā)和使用都很容易。

　　Linux移植技術(shù)已經(jīng)成熟，本文不作詳細的闡述。下文主要介紹MPEG-4壓縮編碼模塊和CGI模塊的程序設(shè)計。

　　4.1 MPEG-4壓縮編碼模塊程序設(shè)計

　　該模塊主要完成MPG440和TI5150相關(guān)寄存器的配置，并保證MPEG-4碼流的正常輸出。當嵌入式Linux系統(tǒng)啟動后，首先配置MPG440的相關(guān)寄存器，其初始化完成后，通過I2C總線對TVP5150進行初始化配置。當系統(tǒng)開始壓縮編碼時，MPEG-4碼流接收存儲程序由MPEG-440的數(shù)據(jù)流緩沖器標志信號控制。

　　MPEG-4壓縮編碼模塊程序流程如圖4所示。

　　圖5 MPEG-4壓縮編碼模塊程序流程圖

　　4.2 CGI程序模塊設(shè)計

　　CGI(Common Gateway Interface)是外部擴展應(yīng)用程序與WWW服務(wù)器交互的一個標準接口。本系統(tǒng)CGI的工作過程：在PC機端的IE瀏覽器中輸入網(wǎng)絡(luò)攝像機IP地址，嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器根據(jù)請求，將相應(yīng)的控制頁面反饋給IE瀏覽器，用戶填寫表單，然后提交，CGI程序提取表單的信息，根據(jù)不同信息來分別處理相應(yīng)的事件，如調(diào)節(jié)MPEG-4相關(guān)屬性、相機的相關(guān)操作等。CGI控制原理如圖5所示。

　　圖6 CGI控制原理圖

　　CGI模塊的設(shè)計主要包括三部分：嵌入式web服務(wù)器的配置、html頁面的編寫、CGI程序的設(shè)計。

　　嵌入式web服務(wù)器采用的是Apache，其配置是以配置文件的形式提供，放在Ramdisk中/etc/httpd/conf/目錄下。其配置主要涉及以下三個方面：

　　1配置根文件的路徑："DocumentRoot /home/httpd/html"，html頁面必須放到此目錄下。

　　2配置CGI外部程序所放的路徑："ScriptAlias /cgi-bin/ home/httpd/cgi-bin/".

　　3配置環(huán)境變量："SetEenv D_LIBRARY_PATH=/lib：/usr/local/lib：/usr/lib"，該變量將會被傳送到CGI腳本和SSI頁面，以保證CGI程序能正確找到所依賴的庫。

　　網(wǎng)頁編寫采用html與shtml相結(jié)合的方式。html的解析速度較快，shtml可以在普通網(wǎng)頁中嵌入外部CGI程序，通過這種方式將系統(tǒng)的默認配置反饋給客戶端。

　　CGI程序采用的是C語言和shell腳本相結(jié)合的方式，C語言是一種計算機程序設(shè)計語言。它既具有高級語言的特點，又具有匯編語言的特點。它可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計語言，編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計語言，編寫不依賴計算機硬件的應(yīng)用程序。因此，它的應(yīng)用范圍廣泛，不僅僅是在軟件開發(fā)上，而且各類科研都需要用到C語言，具體應(yīng)用比如單片機以及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。具體編寫過程，與通常的了Linux下編程相同。

　　4.3 MPEG-4解碼程序

　　MPEG4于1998年11月公布，原預(yù)計1999年1月投入使用的國際標準MPEG4不僅是針對一定比特率下的視頻、音頻編碼，更加注重多媒體系統(tǒng)的交互性和靈活性。MPEG專家組的專家們正在為MPEG-4的制定努力工作。MPEG-4標準主要應(yīng)用于視像電話(Video Phone)，視像電子郵件(Video Email)和電子新聞(Electronic News)等，其傳輸速率要求較低，在4800-64000bits/sec之間，分辨率為176X144.MPEG-4利用很窄的帶寬，通過幀重建技術(shù)，壓縮和傳輸數(shù)據(jù)，以求以最少的數(shù)據(jù)獲得最佳的圖像質(zhì)量。與MPEG-1和MPEG-2相比，MPEG-4的特點是其更適于交互AV服務(wù)以及遠程監(jiān)控。MPEG-4是第一個使你由被動變?yōu)橹鲃?不再只是觀看，允許你加入其中，即有交互性)的動態(tài)圖像標準，它的另一個特點是其綜合性。從根源上說，MPEG-4試圖將自然物體與人造物體相溶合(視覺效果意義上的)。MPEG-4的設(shè)計目標還有更廣的適應(yīng)性和更靈活的可擴展性。映佳科技已提供供二次開發(fā)的MPEG-4解碼插件OCX，OCX在PC機端注冊后，OCX函數(shù)可方便地被網(wǎng)頁調(diào)用，從而實現(xiàn)在PC機端觀看實時圖像。

　　5總結(jié)

　　本文介紹了一種利用AT91RM9200、TVP5150，MPG440和DM9161E等芯片設(shè)計的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機。經(jīng)測試，該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、實時性好、圖像質(zhì)量出色。該產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于交通監(jiān)控和工業(yè)監(jiān)控以及家庭監(jiān)控、視頻會議話等眾多領(lǐng)域。

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