大型儀器設(shè)備遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

摘要：為了有效地管理高校中分布范圍廣、運行周期長的大型實驗儀器設(shè)備，設(shè)計出一種采用嵌入式ARM處理器和DSP處理器雙核結(jié)構(gòu)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，詳細(xì)分析了視頻采集壓縮、數(shù)據(jù)存儲和設(shè)備上電檢測等主要硬件模塊的設(shè)計方案。系統(tǒng)實現(xiàn)了對大型實驗設(shè)備的遠(yuǎn)程化監(jiān)控和自動化管理功能，為高校設(shè)備管理提供了一種可行的解決方案。
關(guān)鍵詞：ARM；DSP；遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控；硬件設(shè)計

目前，國家對高等教育的重視程度不斷提高，對高等院校的科研資金投入不斷增加。各類高校的科研條件得到很大的改善，許多高校都引進(jìn)或購置了大型的實驗用儀器設(shè)備。這些儀器設(shè)備往往較為昂貴，且對使用條件要求較高。高等院校及科研院所的實驗室大多采用計算機管理系統(tǒng)進(jìn)行管理，但此類管理系統(tǒng)一般都只局限于對設(shè)備賬目的日?；芾?，是一種靜態(tài)的管理。而對設(shè)備的使用狀態(tài)及完好情況、使用設(shè)備的計時收費、實驗教學(xué)情況監(jiān)控、實驗室電源系統(tǒng)的控制以及實驗室安全等方面缺乏完整的監(jiān)控管理系統(tǒng)。因此，設(shè)計一種針對高校大型儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是很有意義的。通過這一系統(tǒng)，設(shè)備管理人員能夠?qū)崿F(xiàn)對儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動化管理。當(dāng)設(shè)備故障時，亦可通過觀看先期存儲的使用狀態(tài)錄像來判斷故障原因，減少了維修時間和維修成本。

1 總體方案設(shè)計
1．1 處理器介紹
數(shù)字信號處理器(DSP)憑借強大的運算處理能力被廣泛應(yīng)用在視頻圖像處理等運算密集的場合，而嵌入式微處理器(ARM)以其強大的控制能力廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等外圍控制的場合。在本系統(tǒng)中，以ARM作為主處理器芯片，完成各種控制和網(wǎng)絡(luò)傳輸功能；采用DSP作為從設(shè)備單元處理器，完成數(shù)據(jù)采集和分析處理的工作。ARM單元和DSP單元構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)的雙核架構(gòu)，并通過數(shù)據(jù)總線將DSP上處理的數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM進(jìn)行傳輸或存儲。
本系統(tǒng)采用芯唐公司的NUC960作為主處理器芯片。NUC960是一款以16／32位ARM926EJ-S為內(nèi)核的精簡指令集微處理器。該內(nèi)核提供了8 kb指令高速緩存和8 kb數(shù)據(jù)高速緩存，并包含一個完整的存儲器管理單元(MMU)。
NUC960集成了豐富的片上資源，包括10 M／100 Mb以太網(wǎng)MAC控制器、EBI總線單元和用于外圍設(shè)備通信的PCI總線接口等。NUC960提供嵌入式Linux系統(tǒng)所需的虛擬存儲功能，尤其適用于各種要求高性能和低功耗的嵌入式產(chǎn)品中。
同時，本系統(tǒng)采用SPCT6100作為從處理器DSP芯片。SPCT6100是一款高性能多媒體數(shù)字信號處理器，主要用于監(jiān)控系統(tǒng)中的編解碼。它采用H．264視頻編解碼技術(shù)，并包含四路視頻輸入、一路音頻輸入和一路音視頻輸出。特別地，SPCT6100包含有兩種接口類型，即PCI(外圍器件接口)和HPI(主機接口)。通過這兩種接口，SPCT6100可以方便地集成到各種嵌入式系統(tǒng)中。
1．2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。NUC960上運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，實現(xiàn)整個監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和網(wǎng)絡(luò)功能等；SPCT6100通過數(shù)字信號處理算法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和傳輸。為了盡可能多的保留NUC960外圍接口，且考慮到芯片引腳特點，NUC960與SPCT6100之間采用PCI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

在本系統(tǒng)中，從外接的CCD攝像頭采集到的視頻模擬量信號經(jīng)由A／D轉(zhuǎn)換進(jìn)入SPCT6100進(jìn)行數(shù)字信號處理。NUC960通過PCI總線讀取經(jīng)過處理后的數(shù)字量信號，并將壓縮的數(shù)據(jù)通過校園網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)阻塞或服務(wù)器故障時，NUC960可以將數(shù)據(jù)存儲在本地的存儲器芯片上。設(shè)備管理人員可以通過Web-server查看設(shè)備當(dāng)前的運行畫面，也可以調(diào)取存儲在服務(wù)器上的設(shè)備早期運行畫面。
考慮到本系統(tǒng)主要面向高校實驗室的儀器設(shè)備，為了方便校園信息化管理，NUC960擴展的UART串口可以連接讀卡器，系統(tǒng)可以通過讀取校園卡來記錄使用實驗設(shè)備人員的信息。另外，本系統(tǒng)還實現(xiàn)了設(shè)備上電檢測的功能，即當(dāng)實驗設(shè)備開始上電運行時，系統(tǒng)才開始處理和存儲視頻信號；當(dāng)實驗設(shè)備關(guān)閉時，系統(tǒng)停止處理數(shù)據(jù)。這樣即可消除大量的冗余數(shù)據(jù)，節(jié)省服務(wù)器開銷。