基于OMAP5912的電力載波視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

李超雄，杭亦文，萬 立

(1.武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院，湖北武漢 430070;武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢 430070)

隨著嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟，視頻監(jiān)控正朝高清化、智能化和便捷化的方向發(fā)展，在整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)中所需處理的數(shù)據(jù)量也大大增加，這對傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的視頻處理和傳輸模式提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

目前電力載波(power line communication，PLC)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，多家國際芯片廠商已經(jīng)推出14 Mb/s、85 Mb/s和200 Mb/s速率的PLC芯片，該技術(shù)逐步從以前單一的遠(yuǎn)程抄表走向多媒體應(yīng)用等更多的方面。采用電力載波通信技術(shù)，以電力線作為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的接入和傳輸介質(zhì)，具有成本低、不用額外布線和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)［1］。

根據(jù)傳統(tǒng)視頻監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)分布的不足，以及電力載波技術(shù)特有的優(yōu)勢，筆者提出了基于OMAP5912雙核處理器和電力載波的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計中利用雙核處理器的ARM端進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)度與控制，DSP端進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的處理，并采用電力載波模塊對采集到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實時傳輸。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

圖1 系統(tǒng)整體方案框圖

系統(tǒng)整體方案框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括3大部分:OSK(OMAP starter kit)控制系統(tǒng)、PLC數(shù)據(jù)傳輸模塊和上位機(jī)監(jiān)控。OSK控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行、視頻信號的采集處理、雙核之間的數(shù)據(jù)交換以及與電力載波模塊的數(shù)據(jù)通信等，是整個系統(tǒng)的重要組成部分;電力載波模塊主要負(fù)責(zé)將OSK系統(tǒng)采集的視頻數(shù)據(jù)在電力線上傳輸，電力載波模塊能否實時傳輸采集到的視頻數(shù)據(jù)將直接影響整個系統(tǒng)的整體性能;上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將電力載波模塊傳輸來的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示及存儲等工作。整個系統(tǒng)設(shè)計有如下幾個關(guān)鍵點(diǎn):

(1)USB攝像頭的驅(qū)動及視頻信息的采集;

(2)系統(tǒng)雙核通信和視頻的壓縮;

(3)電力載波的實時視頻數(shù)據(jù)傳輸。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 OSK控制板設(shè)計

電力載波視頻監(jiān)控系統(tǒng)的控制板不僅要負(fù)責(zé)系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)度、視頻數(shù)據(jù)的采集處理，還需要與PLC模塊進(jìn)行實時通信。該系統(tǒng)采用Montavista Linux操作系統(tǒng)，為了保存操作系統(tǒng)運(yùn)行所需的各種數(shù)據(jù)，如U-Boot、系統(tǒng)參數(shù)、Linux內(nèi)核、DSP/BIOS和文件系統(tǒng)等，系統(tǒng)需要有外擴(kuò)Flash的支持，另外為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的速度，系統(tǒng)外擴(kuò)的緩沖也是必需的。因此筆者采用了TI公司的OSK控制板作為系統(tǒng)的控制板，以O(shè)MAP5912雙核控制器作為主控芯片，它是一個高度集成的軟硬件的處理器，由一個實現(xiàn)控制功能的ARM92處理器和高性能低功耗的TMS320C55xDSP組成，相對于單核系統(tǒng)OMAP5912的一個顯著優(yōu)勢是能夠大大提高操作系統(tǒng)的效率［2-3］。OSK控制板不僅有串口、JTAG口、USB口以及網(wǎng)絡(luò)接口等常用的外擴(kuò)接口，還外擴(kuò)了32 M的Flash和32 M的DDR型SDRAM。另外系統(tǒng)中的各種外擴(kuò)芯片采用的電壓各不相同，如主控芯片OMAP5912采用1.6 V低功耗的電壓、USB和串口電壓為5 V、Flash及以太網(wǎng)口電壓為3.3 V，因此一個穩(wěn)定可靠的電源是整個系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。系統(tǒng)采用了TPS65010低壓線性穩(wěn)壓器來管理系統(tǒng)的電源，它不僅能滿足多種不同電壓的輸出，同時在靜態(tài)工作時有最小3.2 μA的靜態(tài)電流，這符合嵌入式系統(tǒng)低功耗的需求并且能在較寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。系統(tǒng)的電源管理電路如圖2所示。

圖2 TPS65010電源管理電路

2.2 電力載波模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用電力載波為傳輸介質(zhì)是由于其具有不需布線、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、連接方便、投資少和見效快等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)下位機(jī)中電力載波模塊主要與主控制板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并將接收到的視頻數(shù)據(jù)封裝成電力載波幀在電力線上進(jìn)行傳輸;上位機(jī)中電力載波模塊主要是接收電力線上傳播的電力載波幀，并將其還原成壓縮的視頻數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)。為保證視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實時監(jiān)控能力，系統(tǒng)選擇了基于HomePlug1.0協(xié)議INT5500芯片的電力載波模塊，該模塊的最高傳輸速度可達(dá)到85 Mb/s，具備多點(diǎn)廣播的功能［4］。理論上模塊最遠(yuǎn)傳輸距離為300 m并支持最大128路的擴(kuò)展，但實際測試中因為使用環(huán)境中的各種干擾源等問題，模塊間的傳輸距離在100 m以內(nèi)能保證理想的速度，當(dāng)距離超過100 m時，模塊的傳輸速率會隨距離的增大而減少。該模塊直接通過網(wǎng)絡(luò)接口與控制板進(jìn)行連接，其基本連接如圖3所示。

圖3 電力載波模塊連接圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括開發(fā)環(huán)境的建立、USB攝像頭驅(qū)動開發(fā)、雙核之間的通信、視頻數(shù)據(jù)的壓縮以及通信模塊驅(qū)動等。該系統(tǒng)采用用途廣泛的開源Linux系統(tǒng)為操作系統(tǒng)，通過USB采集視頻數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)絡(luò)模塊與電力載波模塊進(jìn)行通信。雙核通信采用TI的DSP/BIOS軟件開發(fā)包。其主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 視頻圖像采集

3.2.1 USB攝像頭驅(qū)動

為了使該系統(tǒng)能支持不同的USB攝像頭，筆者采用了一個開源的USB攝像頭驅(qū)動包SPCA5XX。它包括了現(xiàn)在市場上多數(shù)攝像頭的驅(qū)動程序，其源碼包由4個部分組成:設(shè)備模塊的初始化模塊、卸載模塊、上層軟件接口模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊［5］。整個代碼從設(shè)備模塊初始化模塊module_init(usb_spca5xx_init)開始執(zhí)行，以設(shè)備模塊的卸載模塊module_exit(usb_spca5xx_exit)結(jié)束。移植SPCA5XX到OSK5912控制平臺還需對內(nèi)核中的Kconfig、Makefile等文件進(jìn)行修改，并將USB Multimedia devices下的SPCA5XX編譯進(jìn)內(nèi)核。另外，USB攝像頭驅(qū)動要正常工作，需要將Multimedia devices-＞Video For Linux和USB support-＞Support for Host-side USB-＞USB Host Controller Drivers- ＞OHCI HCD support編譯進(jìn)內(nèi)核。

3.2.2 視頻圖像采集

視頻設(shè)備在Linux中屬于設(shè)備文件，在完成USB攝像頭驅(qū)動后，在Linux中就可以找到與攝像頭相對應(yīng)的設(shè)備文件:/dev/video0，然后就可以像訪問普通文件一樣對其進(jìn)行讀寫操作［6-7］。視頻圖像采集測試代碼如下:

3.2.3 雙核數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)雙核通信軟件采用了TI公司專門為雙核處理器開發(fā)的DSP實時操作系統(tǒng)DSP/BIOS II，它能通過DSP/BIOS Link特有的API函數(shù)實現(xiàn)與ARM 端的GPP鏈接［8］。通過對API函數(shù)的操作即可實現(xiàn)對DSP信號的初始化處理、任務(wù)交換、數(shù)據(jù)流信息交換、管理DSP的任務(wù)以及資源狀況的查詢。配置完DSP/BIOS Link后對GPP的編譯步驟如下:

當(dāng)編譯成功后在內(nèi)核模塊和用戶函數(shù)庫中將創(chuàng)建以下路徑的函數(shù):

完成以上步驟即可實現(xiàn)雙核之間的數(shù)據(jù)通信，雙核間數(shù)據(jù)處理流程圖如圖5所示。

圖5 雙核通信流程圖

3.3 通信模塊設(shè)計

為保證視頻監(jiān)控的實時性和可靠性，在通信模塊中采用了實時的傳輸協(xié)議RTP/RTCP，該協(xié)議建立在傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議之上，能夠支持高效的數(shù)據(jù)傳輸［9］?？紤]到網(wǎng)絡(luò)拓展和維護(hù)等各方面的性能，設(shè)計中將采用C/S(cilent/server客戶機(jī)/服務(wù)器)的網(wǎng)絡(luò)傳輸模型［10］，在控制模塊與電力傳輸模塊之間以及電力傳輸模塊與上位機(jī)之間將通過網(wǎng)絡(luò)建立相應(yīng)的TCP/IP鏈接，依據(jù)實時的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和系統(tǒng)控制。服務(wù)器通過SendPacket()發(fā)送RTP數(shù)據(jù)，通過Poll()函數(shù)處理接收到的RTCP SR包。客戶端與服務(wù)器的鏈接通過Scoket建立，檢測客戶端訪問的服務(wù)器地址和端口正確后，客戶端便向服務(wù)器發(fā)送請求數(shù)據(jù)，服務(wù)器接收到請求后將接收數(shù)據(jù)，同時解壓圖像數(shù)據(jù)并在屏幕上顯示。

4 結(jié)論

系統(tǒng)實現(xiàn)了以電力載波為傳輸方式的視頻監(jiān)控的設(shè)計，并且較好地將OMAP5912雙核技術(shù)與電力載波技術(shù)結(jié)合，為視頻監(jiān)控提供了新的傳輸方式。電力網(wǎng)的廣泛覆蓋和電力載波視頻監(jiān)控即插即用的便捷方式，使得該系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。目前的載波芯片的傳輸距離和擴(kuò)展能力還有局限，特別是無法穿越不同變壓器的電力網(wǎng)絡(luò)，如何在提高電力載波芯片的傳輸速率和傳輸距離的同時提高雙核系統(tǒng)的利用率將是系統(tǒng)設(shè)計下一步需要解決的問題。

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