基于ARM和以太網(wǎng)供電的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)設(shè)計(jì)

陳顯明

（西京學(xué)院，西安710123）

引 言

本文提出了一種基于ARM和POE的嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)設(shè)計(jì)方案。該方案以AT91RM9200處理器及其外圍模塊作為硬件平臺(tái)，以嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用以太網(wǎng)供電，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的功能，不必提供專門供電線路，這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是一個(gè)創(chuàng)新。同時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，該設(shè)計(jì)將具有極好的市場應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由AT91RM9200處理器、CMOS傳感器、音頻采集系統(tǒng)、以太網(wǎng)供電系統(tǒng)和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信等幾部分組成。首先，通過CMOS傳感器鏡頭采集圖像，同時(shí)還可以進(jìn)行音頻采集，經(jīng)過AT91RM9200處理器處理，整個(gè)過程通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行供電，從而實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)供電的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)系統(tǒng)功能。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 AT91RM9200相關(guān)設(shè)計(jì)

AT91RM9200［1]嵌入ARM920TARM Thumb處理器核，工作于180MHz時(shí)，性能高達(dá)200MIPS，存儲(chǔ)器管理單元SRAM為16K，ROM為128K。AT91RM9200集成了許多標(biāo)準(zhǔn)接口，包括USB 2.0全速主機(jī)和設(shè)備端口、多數(shù)外設(shè)和在網(wǎng)絡(luò)層廣泛使用10／100Base－T以太網(wǎng)媒體訪問控制器（MAC）。此外，它還提供一系列符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)，可在音頻、電信、Flash卡紅外線及智能卡中使用。

獨(dú)立的媒體接口（MII）或簡化的獨(dú)立媒體接口（RMII），對(duì)于接收與發(fā)送有集成的28字節(jié)FIFO及專用的DMA通道。自動(dòng)協(xié)議控制及快速自動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸與MMC及SD存儲(chǔ)器卡兼容，支持兩個(gè)SD存儲(chǔ)器、32位的高速數(shù)據(jù)流傳輸，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。AT91RM9200作為系統(tǒng)的CPU，采用MT9D131作圖像采集傳感器。MT9D131［3]是CMOS傳感器，擁有200萬像素圖像傳感器芯片，因?yàn)槠漭^好的性能，廣泛應(yīng)用于監(jiān)控行業(yè)。捕獲麥克風(fēng)的音頻信號(hào)，通過WM8731進(jìn)行處理，WM8731［4]是一款帶有集成耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器的低功耗、高質(zhì)量音頻編碼／解碼器，專為便攜數(shù)字音頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)。該器件可以提供CD音質(zhì)的音頻錄音和回放，為16Ω的負(fù)載提供50mW的輸出功率。此外，AT91RM9200具有豐富的外設(shè)及I／O，這對(duì)將來的系統(tǒng)升級(jí)也提供了很大的便利。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2.2 POE電源設(shè)計(jì)

2.2.1 POE供電的工作過程

首先，PSE設(shè)備在端口輸出很小的電壓，直到其檢測到線纜終端的連接為一個(gè)支持IEEE802.3af標(biāo)準(zhǔn)的受電端設(shè)備。當(dāng)檢測到受電端設(shè)備PD之后，PSE設(shè)備可能會(huì)為PD設(shè)備進(jìn)行分類，并且評(píng)估此PD設(shè)備所需的功率損耗。

POE技術(shù)允許在現(xiàn)有的五類線、超五類線和六類線網(wǎng)絡(luò)上安全可靠地傳輸功率高達(dá)15W的48V電源，特別適合于通信方面的應(yīng)用。它可以為13W（在被供電設(shè)備測量）范圍內(nèi)的IP電話、WLAN接入點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和其他各類網(wǎng)絡(luò)終端供電。POE供電原理圖如圖2所示。

圖2 POE供電原理圖

2.2.2 以太網(wǎng)供電控制器LTC4269

凌力爾特公司（Linear Technology）推出IEEE802.3af以太網(wǎng)供電（POE）控制器LTC4269［2]，它具有一個(gè)集成開關(guān)穩(wěn)壓器，極大簡化了受電設(shè)備（PD）設(shè)計(jì)。LTC4269增強(qiáng)了傳統(tǒng)POE功能。

用戶可以配置一個(gè)代表PD功率分級(jí)的分級(jí)負(fù)載電流，一個(gè)堅(jiān)固100V熱插拔MOSFET，在檢測和分級(jí)時(shí)隔離以太網(wǎng)供電接口DC／DC轉(zhuǎn)換器，同時(shí)提供100mA浪涌電流，當(dāng)采用任何PSE時(shí)能順利地加電過渡。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)組成包括系統(tǒng)引導(dǎo)程序Bootloader、嵌入式操作系統(tǒng)以及上層應(yīng)用程序。大多數(shù)Bootloader都包含兩種不同的操作模式：啟動(dòng)加載和下載。啟動(dòng)加載模式也稱為自主模式，即Bootloader將操作系統(tǒng)從目標(biāo)機(jī)上的存儲(chǔ)設(shè)備加載到RAM中運(yùn)行，整個(gè)過程并沒有用戶的介入。下載模式下，目標(biāo)機(jī)上的Bootloader將通過串口連接或網(wǎng)絡(luò)連接等通信手段從主機(jī)（Host）下載文件。

軟件系統(tǒng)還包括網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)關(guān)鍵的TCP／IP、UDP協(xié)議庫。應(yīng)用軟件包括完成文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、郵件發(fā)送、文件傳送、偵測報(bào)警等。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序把語音、圖像發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)端口，以供其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來訪問［4]。

U－Boot移植過程：U－Boot的源代碼可以到官方網(wǎng)站下載。在Linux里安裝交叉編譯器，編譯代碼，生成UBoot.bin文件。啟動(dòng)后顯示。代碼如下：

結(jié) 語

本文介紹了以AT91RM9200處理器為核心的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)供電模塊LTC4269增強(qiáng)了傳統(tǒng)POE功能的DC／DC控制器。CMOS傳感器MT9D131實(shí)現(xiàn)圖像的采集，其強(qiáng)大的圖像采集能力，保證了動(dòng)態(tài)圖像的清晰可靠。

音頻編碼解碼器WM8731可以實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)音頻的采集。目前AT91RM9200在音頻／視頻、語音和多媒體等消費(fèi)電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。因此，該系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。

［1] Atmel.ATMEL AT91ARM Thumb Microcontrollers Datasheet，2009.

［2] Linear Technology.Power over Ethernet IEEE 802.3af PD Interface with Integrated Switching Regulator Datasheet，2004.

［3] National Semiconductor.Boosted Class D Audio Power Amplifier Datasheet，2007.

［4] 張海亮.基于FIC8120和POE的IP－CAMERA設(shè)計(jì)［J] .微計(jì)算機(jī)信息，2007（35）.