基于單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文提出了一種網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將單片機(jī)控制技術(shù)、USB數(shù)據(jù)采集技術(shù)與基于TCP/IP協(xié)議棧的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，使人們能夠通過(guò)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的攝像機(jī)和麥克風(fēng)等視頻音頻捕捉設(shè)備。

將監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)通過(guò)局域網(wǎng)傳輸，并送到監(jiān)視器上以獲得實(shí)時(shí)圖像和聲音，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙視現(xiàn)場(chǎng)。

隨著嵌入式系統(tǒng)的飛速發(fā)展，在許多領(lǐng)域，以微控制器為中心的應(yīng)用系統(tǒng)正逐步取代以計(jì)算機(jī)為中心的應(yīng)用。因此，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的研究，越來(lái)越多的研究人員將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到嵌入式系統(tǒng)上來(lái)。基于此背景，本文提出了一種網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案，其目標(biāo)是使人們能夠通過(guò)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的攝像機(jī)和麥克等視頻音頻捕捉設(shè)備，將監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)通過(guò)局域網(wǎng)傳輸，并送到監(jiān)視器上以獲得當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)圖像和聲音，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙視現(xiàn)場(chǎng)。

系統(tǒng)工作原理

在本監(jiān)控方案中，嵌入式主機(jī)系統(tǒng)采用TI公司的混合信號(hào)微控制器MSP430F1611作為系統(tǒng)核心控制器，USB主機(jī)接口芯片采用Cypress公司的 USB Host/Slave接口芯片SL811HS，以太網(wǎng)傳輸芯片采用REALTEK公司的快速以太網(wǎng)控制芯片RTL8139，系統(tǒng)的穩(wěn)壓源選擇NS公司的 LM1117。

系統(tǒng)工作時(shí)，由MSP430F1611和SL811HS控制作為USB從設(shè)備的攝像頭，并讀入視頻數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。同時(shí)，將麥克風(fēng)中的音頻數(shù)據(jù)讀入MSP430F1611進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。然后，將經(jīng)過(guò)傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層封包后的IP數(shù)據(jù)報(bào)由RTL8139封裝成以太網(wǎng)幀，再經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)變壓器 PE68515傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)上。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該方案整個(gè)系統(tǒng)由音/視頻數(shù)據(jù)采集模塊、音/視頻數(shù)據(jù)處理模塊、以太網(wǎng)傳輸控制模塊以及電源模塊四部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

(1) 音/視頻數(shù)據(jù)采集模塊：該模塊主要由攝像頭、麥克風(fēng)及其外圍電路組成。其中攝像頭主要由鏡頭、圖像傳感器和數(shù)字信號(hào)處理芯片ZC0301P組成，完成圖像數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換及傳輸，VGA視頻圖像的傳輸速度可達(dá)每秒15幀。麥克風(fēng)主要用于采集模擬聲音信號(hào)。

(2) 音/視頻數(shù)據(jù)處理模塊主要由MSP430F1611和SL811HS組成，完成數(shù)據(jù)采集與處理。嵌入式USB主/從接口芯片SL811HS和16位單片機(jī) MSP430F1611遵從USB1.1協(xié)議，用以實(shí)現(xiàn)USB主機(jī)功能，并且具有USB總線的接口方式。該模塊作為一個(gè)數(shù)據(jù)接口模塊集成到用戶的嵌入式系統(tǒng)中，對(duì)攝像頭和麥克風(fēng)中讀入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)。

(3) 以太網(wǎng)傳輸控制模塊：主要任務(wù)是將經(jīng)過(guò)傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層封包后的IP數(shù)據(jù)報(bào)經(jīng)過(guò)RTL8139進(jìn)行以太網(wǎng)封包，封裝成以太網(wǎng)幀后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變壓器PE68515傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)上。

(4) 電源模塊根據(jù)系統(tǒng)中各器件對(duì)電源的要求，使外部電源通過(guò)LM1117穩(wěn)壓器后，向系統(tǒng)提供3.3V電壓。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)采用MSP430F1611，它有48KB+256B的FLASH存儲(chǔ)，10KB RAM。MSP430F1611與SL811HS主要完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理功能。MSP430F1611與SL811HS的硬件接口框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件接口電路框圖

圖2中，SL811HS的M/S接低電平，工作在主機(jī)模式下。CM接低電平，使系統(tǒng)工作在48MHz。由于MSP430F1611既要與SL811HS相連，又要與RTL8139相連，而SL811HS的引腳本身無(wú)三態(tài)功能，所以在MSP430F1611與SL811HS之間需要加三態(tài)緩沖器 74HC244，以達(dá)到三方通信的目的。SL811HS通過(guò)緩沖器接MSP430F1611的I/O口;中斷請(qǐng)求端INTR0直接與單片機(jī)的I/O口P1.1相連，SL811HS傳輸完數(shù)據(jù)后產(chǎn)生高電平輸出。通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)從設(shè)備接入，則觸發(fā)外部中斷。

MSP430F1611大部分引腳作為I/O口，主要用來(lái)與SL811HS和RTL8139通信。

MSP430F1611與RTL8139通信的作用是將上層應(yīng)用程序傳來(lái)的音/視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的封裝過(guò)程，通過(guò)傳輸層將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)封裝成UDP(User Datagram Protocol)數(shù)據(jù)包，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層封裝成IP數(shù)據(jù)，以及通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層封裝成以太網(wǎng)幀，然后通過(guò)物理網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)侥康牡亍?/p>

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件部分主要包括采集模塊軟件設(shè)計(jì)和以太網(wǎng)傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)，如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)從設(shè)備接入，則觸發(fā)外部中斷。當(dāng)從設(shè)備發(fā)現(xiàn)后，通過(guò)SL811HS進(jìn)行設(shè)備枚舉，設(shè)置設(shè)備地址、數(shù)據(jù)描述和配置，然后通過(guò)大規(guī)模存儲(chǔ)協(xié)議訪問(wèn)從設(shè)備文件系統(tǒng)。

以太網(wǎng)傳輸模塊中斷子程序流程圖如圖3所示。RTL8139數(shù)據(jù)的接收用中斷方式完成。當(dāng)主處理器向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將1幀數(shù)據(jù)通過(guò)DMA通道送到控制器的發(fā)送緩沖區(qū)，然后發(fā)出傳送命令，RTL8139按照PCI總線主模式將數(shù)據(jù)從發(fā)送緩沖區(qū)轉(zhuǎn)移到內(nèi)部發(fā)送FIFO中。當(dāng)FIFO中數(shù)據(jù)包完整時(shí)，RTL8139即開(kāi)始包發(fā)送?？刂破髟跀?shù)據(jù)發(fā)送完成后通過(guò)中斷方式通知主處理器。接收數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)上傳送來(lái)的數(shù)據(jù)包首先被放在接收FIFO中，同時(shí) RTL8139要進(jìn)行地址過(guò)濾。當(dāng)接收FIFO中數(shù)據(jù)包已達(dá)到接收配置寄存器的要求時(shí)，RTL8139請(qǐng)求PCI總線按照PCI模式將數(shù)據(jù)傳到接收緩沖區(qū)，接收滿1幀后，同樣以中斷方式通知主處理器數(shù)據(jù)收發(fā)的狀態(tài)。

結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)主要是針對(duì)家居安防中應(yīng)用而提出的，系統(tǒng)最終可達(dá)到的數(shù)據(jù)傳輸速率為8～10Mbps。隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日益普遍和嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展，未來(lái)會(huì)有更多嵌入式網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品產(chǎn)生。