基于ARM的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

張仕海+周穎

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)愈加重要，在公路、鐵路以及其他公共場(chǎng)合安防產(chǎn)品都是不可或缺的重要組成部分。本設(shè)計(jì)的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用ARM11的UP-CUP6410-II開(kāi)發(fā)平臺(tái)采集和顯示圖像，實(shí)現(xiàn)多路視頻之間的動(dòng)態(tài)切換，并把采集的模擬攝像頭數(shù)據(jù)壓縮為H264格式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。

關(guān)鍵詞：ARM；嵌入式；監(jiān)控系統(tǒng)；硬件設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）05-00-03

0 引 言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)已遍布市區(qū)各個(gè)角落，不僅可為市民的安全出行保架護(hù)航，還能在出現(xiàn)糾紛時(shí)提供有力證據(jù)，極大地避免了因遇“碰瓷”而出現(xiàn)有理說(shuō)不清等狀況發(fā)生。文中設(shè)計(jì)了一款基于ARM的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可有效免除大家做好事的后顧之憂(yōu)。

1 視頻采集電路的總體結(jié)構(gòu)

該嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用了ARM11平臺(tái)UP-CUP6410-II采集和顯示圖像，可實(shí)現(xiàn)多路視頻之間的動(dòng)態(tài)切換，并能采集模擬攝像頭數(shù)據(jù)顯示在LCD屏幕上，將采集的數(shù)據(jù)保存為H264文件，備份到外部存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行視頻回放。使用Qt4開(kāi)發(fā)圖形界面，支持用戶(hù)操作，可實(shí)現(xiàn)視頻切換和云臺(tái)控制功能，使用 TV-OUT接口將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在外置LCD上，支持多屏顯示。具有視頻切換和云臺(tái)控制功能的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

采集的模擬攝像頭數(shù)據(jù)壓縮為H264格式還能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)H264視頻服務(wù)，支持多客戶(hù)端點(diǎn)播功能。視頻圖像的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)框圖如圖2所示。

由于MFC編碼只能從YUV數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為H264，而實(shí)際攝像頭采集的數(shù)據(jù)就是YUV 數(shù)據(jù)，所以為避免對(duì)采集的攝像頭進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換，此處只使用MFC編碼，不使用PP編碼，采集的數(shù)據(jù)格式為YUV數(shù)據(jù)，經(jīng)MFC轉(zhuǎn)換后為H264格式的視頻流。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)包括ARM11平臺(tái)UP-CUP6410-II型系統(tǒng)平臺(tái)和視頻采集單元。文中采用模塊化設(shè)計(jì)方案，主要包括主控制器模塊、存儲(chǔ)電路模塊、外圍接口電路模塊、電源和復(fù)位電路，視頻采集單元。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

基于S3C6410X處理器構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)，硬件設(shè)計(jì)中需要注意處理器的特點(diǎn)，下面列出UP-TECH 6410DVK硬件架構(gòu)中考慮的問(wèn)題和采用的方式：

（1） S3C6410X的存儲(chǔ)器有兩個(gè)外部接口。DRAM接口用于連接動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，本設(shè)計(jì)采用MobileDDR存儲(chǔ)芯片，在PCB設(shè)計(jì)中要注意DDR布線(xiàn)規(guī)則。DRAM接口的電壓為1.8 V，可以和存儲(chǔ)芯片一起供電。

（2） 其他Flash芯片和外設(shè)均在SROM端口上，此端口供電電壓為1.8 V，連接3.3 V Flash等芯片，電路中設(shè)有電平轉(zhuǎn)換芯片，可增強(qiáng)總線(xiàn)的驅(qū)動(dòng)能力。

（3） S3C6410X的CF控制器可通過(guò)兩種方式連接CF卡，利用SROM端口總線(xiàn)間接連接或利用獨(dú)立的CF總線(xiàn)直接連接。間接方式支持PC卡的IO和Memory模式及ATA的IO模式，但直接方式只支持ATA的UDMA模式。本設(shè)計(jì)采用直接模式，故只支持IDE UDMA模式的CF卡和IDE硬盤(pán)。

（4） S3C6410X支持多種SROM類(lèi)的存儲(chǔ)芯片，包括SRAM/SROM、NorFlash、OneNandFlash、NandFlash和CF等。每種存儲(chǔ)器都有對(duì)應(yīng)的控制器，多種控制器共享SROM端口。每種控制器可占用指定的存儲(chǔ)Bank和外部片選信號(hào)。此外，XSELNAND引腳用于選擇OneNandFlash或NandFlash，盡管二者控制器占用不同的Bank和片選，卻不能同時(shí)存在于系統(tǒng)之中（部分信號(hào)線(xiàn)復(fù)用）。本設(shè)計(jì)將XSELNAND引腳接高電平，只使用NandFlash芯片。

（5） 影響每個(gè)片選和控制器關(guān)系的因素除XSELNAND引腳、MP0_CS_CFG寄存器設(shè)置外還有啟動(dòng)方式。S3C6410X有多種啟動(dòng)方式，本設(shè)計(jì)采用從NorFlash啟動(dòng)和從NandFlash啟動(dòng)方式，同時(shí)也支持從IROM（內(nèi)部ROM代碼）啟動(dòng)下各子模式。MP0_CS_CFG寄存器設(shè)置及啟動(dòng)方式見(jiàn)表1所列。

表1中雖并未列出直接從NandFlash啟動(dòng)的選項(xiàng)，但前4個(gè)標(biāo)有RESERVED的選項(xiàng)就是NandFlash啟動(dòng)選項(xiàng)，分別針對(duì)不同容量或規(guī)格的芯片。本設(shè)計(jì)中的NandFlash芯片為K9F1G08，頁(yè)大小為2 KB，OM[4：0]設(shè)置為0010時(shí)可直接從NandFlash啟動(dòng)。

（6） 每個(gè)Bank的地址空間如表2所列。在底板設(shè)計(jì)中，連接到系統(tǒng)總線(xiàn)的DM9000A、16C550和CPLD等芯片，都使用nCS1和若干地址線(xiàn)譯碼得到各自的片選信號(hào)，因此基地址都為0x1800 0000。

3 UP-CUP6410-II型系統(tǒng)平臺(tái)

3.1 UP-CUP6410-II開(kāi)發(fā)板硬件構(gòu)成

S3C6410X的DRAM接口可配置為支持mobileDDR、DDR、mobileSDRAM和SDRAM，而Flash/ROM接口支持NOR-Flash、NAND-Flash、OneNAND、CF和ROM類(lèi)型的外設(shè)。S3C6410X包含多種硬件外設(shè)，攝像頭接口、24位真彩LCD控制器、4路UART、32路DMA、5路32位定時(shí)器和PWM、GPIO、AC97、I2S、I2C、USB Host、高速USB OTG、3路SD/MMC控制器等。

S3C6410X基于ARM1176JZF-S核，包括16 KB指令和16 KB數(shù)據(jù)Caches，16 KB指令和16 KB數(shù)據(jù)TCM，MMU支持虛擬內(nèi)存管理。UP-CUP6410-II開(kāi)發(fā)板的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

框圖中央為核心板，XM1總線(xiàn)是DRAM端口，直接連接MobileDDR芯片；XM0總線(xiàn)是SROM端口，經(jīng)BusBuffer后形成系統(tǒng)總線(xiàn)；NorFlash和NandFlash也連接到此系統(tǒng)總線(xiàn)上。系統(tǒng)總線(xiàn)在底板上連接了兩片DM9000A網(wǎng)卡芯片，即16C550和CPLD。CPLD內(nèi)部邏輯完成各芯片的片選譯碼，并提供部分資源的控制功能以及系統(tǒng)電源控制。UP-TECH 6410DVK配置了雙網(wǎng)卡和GPRS模塊。

S3C6410X擁有獨(dú)立的Camera接口CIF，本設(shè)計(jì)中的攝像頭（目前支持的攝像頭模組芯片為MT9D111）和模擬視頻輸入均通過(guò)CIF總線(xiàn)輸入到CPU。攝像頭信號(hào)添加總線(xiàn)緩沖器后接到CIF總線(xiàn)，模擬視頻信號(hào)（復(fù)合視頻信號(hào)或S-VIDEO）經(jīng)視頻ADC電路接到CIF總線(xiàn)。這兩個(gè)信號(hào)源只能有一個(gè)工作，通過(guò)CPLD切換。

S3C6410X模擬視頻信號(hào)（復(fù)合視頻信號(hào)或S-VIDEO）輸出經(jīng)過(guò)視頻放大器后可接電視機(jī)等設(shè)備，有一組數(shù)字顯示輸出信號(hào)，可直接驅(qū)動(dòng)TFT-LCD。本設(shè)計(jì)還預(yù)留了將此數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VDS總線(xiàn)的電路，可接LVDS接口的TFT-LCD顯示器。同時(shí)，將此數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬RGB信號(hào)，可接VGA顯示器。

S3C6410X的音頻總線(xiàn)非常豐富，有兩組I2S、兩組PCM總線(xiàn)、一組AC97總線(xiàn)和一組可支持5.1聲道的I2S總線(xiàn)。本設(shè)計(jì)板上使用了AC97總線(xiàn)，通過(guò)一個(gè)CODEC芯片連接MIC輸入和耳機(jī)輸出。同時(shí)將一組立體聲I2S和5.1聲道I2S總線(xiàn)引出到擴(kuò)展槽，可外擴(kuò)5.1聲道環(huán)繞聲CODEC芯片，形成更高級(jí)的音頻系統(tǒng)。

S3C6410X有一個(gè)USB HOST，本設(shè)計(jì)中使用USB HUB芯片將其擴(kuò)展為4個(gè)下行口。用戶(hù)可以駁接USB鍵盤(pán)等4個(gè)設(shè)備。

3.2 UP-CUP6410-II開(kāi)發(fā)板硬件資源

S3C6410X具有64/32位內(nèi)部總線(xiàn)，由AXI/AHB/APB總線(xiàn)構(gòu)成。S3C6410X含有多個(gè)強(qiáng)大的硬件加速器，非常適合音視頻、2D圖形、顯示運(yùn)算等應(yīng)用。內(nèi)部集成的MFC（多格式CODEC）支持MPEG4/H.263/H.264的編解碼，該硬件編解碼器支持實(shí)時(shí)視頻會(huì)議和電視輸出（NTSC和PAL制式）。UP-CUP6410-II開(kāi)發(fā)板的主要硬件資源見(jiàn)表3所列。

4 視頻采集模塊設(shè)計(jì)

使用S3C6410處理器作為攝像頭數(shù)據(jù)的接收與處理芯片，由于該芯片不能直接接收模擬數(shù)據(jù)，因此需要進(jìn)行視頻信號(hào)的編解碼，在本設(shè)計(jì)中采用SAA7113H作為視頻解碼芯片。這是一款功能非常強(qiáng)大的9位視頻輸入處理芯片，采用CMOS工藝，通過(guò)I2C總線(xiàn)與處理器或DSP芯片直接連接就可方便地構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單。設(shè)置SAA7113H芯片的工作時(shí)鐘為24.576 MHz，數(shù)據(jù)輸出格式為4∶2∶2，幀頻為25 f/s。視頻采集芯片SAA7113H上電后，首先對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化才能正常工作。它必須由多媒體處理芯片如Hi3510通過(guò)I2C總線(xiàn)對(duì)其內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置后，才能采集模擬視頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。視頻采集芯片SAA7113H的接口連接框圖如圖4所示。

除了上述操作外還可控制云臺(tái)進(jìn)行360°全方位的監(jiān)視掃描。系統(tǒng)還具有本地存儲(chǔ)、視頻錄像、停止錄像、視頻播放等功能，可以進(jìn)行視頻錄制，視頻保存的路徑在外界U盤(pán)上，為H264格式，所以用戶(hù)還可以把錄制的H264文件在PC上查看，在8英寸或15英寸顯示屏幕上顯示。

通過(guò)SPI總線(xiàn)設(shè)置一路CAN總線(xiàn)。S3C6410X有4路UART接口，其中UART0直接經(jīng)過(guò)RS 232電平轉(zhuǎn)換接到DB9插座，用于調(diào)試控制臺(tái)。另外3路則連接到CPLD，由內(nèi)部路由邏輯連接到RS 485、IrDA、擴(kuò)展槽等。

5 結(jié) 語(yǔ)

將UP-CUP6410-II開(kāi)發(fā)板作為平臺(tái)，使用S3C6410芯片作為主控芯片，采集目標(biāo)數(shù)據(jù)，并對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、傳輸。在設(shè)計(jì)中，采用CPLD芯片對(duì)模擬數(shù)據(jù)和攝像頭輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行切換。該系統(tǒng)裝置可作為高速公路、城市交通道路智能化的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)視頻信息采集、錄制等功能。

參考文獻(xiàn)

[1]吳平.基于ARM的圖像采集與處理系統(tǒng) [D].無(wú)錫：江南大學(xué)，2011.

[2]黃輝，張伯虎.基于Hi3510的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[J].安防科技，2009（1）：28-31.

[3]楊慶國(guó).基于ARM和WinCE的手指靜脈識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[4]周慧芳.基于HMM的嵌入式語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2011.

[5]李倩.一種嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[J].信息化研究，2010，36（3）：22-25.

[6]周新山，楊彬彬，張毅.基于ARM嵌入式設(shè)計(jì)的天然氣壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（2）：17-18.

[7]胡東，黃辰，朱文杰，等.基于H264的智能家居視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（2）：25-26.

[8]彭鐵鋼，劉國(guó)繁，曹少坤，等.基于ARM的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與技術(shù)，2010，31（6）：1191-1194.