淺談AT91RM9200的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　隨著通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控重要場(chǎng)所已倍受人們關(guān)注，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)在此背景下產(chǎn)生，并成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是一種結(jié)合傳統(tǒng)攝像機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所產(chǎn)生的新一代攝像機(jī)，它可以將影像通過網(wǎng)絡(luò)傳至地球另一端，且遠(yuǎn)端的瀏覽者不需用任何專業(yè)軟件，只要標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器（如"Microsoft IE或Netscape）即可監(jiān)視其影像。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)要將高清晰度的實(shí)時(shí)視頻信息通過互聯(lián)網(wǎng)傳送到監(jiān)控終端，因其信息量巨大，所以必須壓縮。通常人們采用DSP與MPEG-4算法相結(jié)合的方案來實(shí)現(xiàn)，不僅編程工作量大，而且產(chǎn)品的成本高。本文所介紹的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采用專用的MPEG-4壓縮芯片、以嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，不僅開發(fā)便捷、成本低廉，而且實(shí)時(shí)性好，適用范圍廣。

　　2. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。這兩部分工作是互相聯(lián)系的，需要交叉進(jìn)行，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是開發(fā)人員進(jìn)行的工作，他們將系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段得到的目標(biāo)系統(tǒng)的邏輯模型轉(zhuǎn)換為目標(biāo)系統(tǒng)的物理模型，該階段得到工作成果――系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書是下一個(gè)階段系統(tǒng)實(shí)施的工作依據(jù)。硬件設(shè)計(jì)模塊主要包括微控制器模塊、微控制器是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。微控制器誕生于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，其成本越來越低，而性能越來越強(qiáng)大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無處不在，遍及各個(gè)領(lǐng)域。例如電機(jī)控制、條碼閱讀器/掃描器、消費(fèi)類電子、游戲設(shè)備、電話、HVAC、樓宇安全與門禁控制、工業(yè)控制與自動(dòng)化和白色家電（洗衣機(jī)、微波爐）等。壓縮編碼模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊和相機(jī)控制模塊四部分。微控制器模塊主要由主控芯片、DataFlash和SDRAM（1）組成。其中，主控芯片是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度工作。DataFlash里固化了嵌入式Linux內(nèi)核、及其文件系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和系統(tǒng)配置文件。壓縮編碼模塊由視頻數(shù)據(jù)采集芯片、MPEG-4壓縮編碼芯片、SDRAM（2）組成，負(fù)責(zé)將視頻流轉(zhuǎn)化為MPEG-4碼流。網(wǎng)絡(luò)接口模塊主要是配合主控芯片傳送MPEG-4碼流。相機(jī)的控制模塊主要由串口芯片組成，其完成轉(zhuǎn)發(fā)控制相機(jī)命令的功能。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，微控制器通SPI（Serial Peripheral Interface,串行外設(shè)接口）將Linux內(nèi)核轉(zhuǎn)入SDRAM（1）中，系統(tǒng)從SDRAM（1）中啟動(dòng)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，微控制器通過HPI（Host Peripherial Interface, 主機(jī)接口）控制MPEG-4編碼模塊。統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　軟件設(shè)計(jì)部分主要包括嵌入式Linux移植、MPEG-4壓縮編碼模塊、CGI控制程序和MPEG-4解碼程序四部分。嵌入式Linux系統(tǒng)存放到由AT91RM9200控制的DataFlash里，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)軟件的調(diào)度工作。MPEG-4壓縮編碼模塊主要負(fù)責(zé)模擬視頻流的采集，并將數(shù)字視頻流壓縮為MPEG-4數(shù)據(jù)流。CGI控制程序主要負(fù)責(zé)對(duì)攝像機(jī)的控制和對(duì)MPEG-4視頻流的相關(guān)設(shè)置。簡(jiǎn)稱CGI.在物理上是一段程序，運(yùn)行在服務(wù)器上，提供同客戶端 HTML頁(yè)面的接口。這樣說大概還不好理解。那么我們看一個(gè)實(shí)際例子： 現(xiàn)在的個(gè)人主頁(yè)上大部分都有一個(gè)留言本。留言本的工作是這樣的：先由用戶在客戶端輸入一些信息，如名字之類的東西。接著用戶按一下"留言"（到目前為止工作都在客戶端），瀏覽器把這些信息傳送到服務(wù)器的CGI目錄下特定的cgi程序中，于是cgi程序在服務(wù)器上按照預(yù)定的方法進(jìn)行處理。在本例中就是把用戶提交的信息存入指定的文件中。然后cgi程序給客戶端發(fā)送一個(gè)信息，表示請(qǐng)求的任務(wù)已經(jīng)結(jié)束。此時(shí)用戶在瀏覽器里將看到"留言結(jié)束"的字樣。整個(gè)過程結(jié)束。MPEG-4解碼程序主要負(fù)責(zé)對(duì)通過網(wǎng)絡(luò)得到的MPEG-4數(shù)據(jù)流的解碼工作。

　　3. 硬件設(shè)計(jì)

　　3.1微控制器模塊

　　微控制器是本系統(tǒng)的核心部件，選用的是ATMEL公司的AT91RM9200.它是一款基于ARM920T核的32位微控制器。其主頻為180MHz,處理速度快，功能強(qiáng)，性價(jià)比高，能很好滿足嵌入式Linux系統(tǒng)的需求。它在系統(tǒng)中的主要作用是在系統(tǒng)上電時(shí)配置其他芯片的功能寄存器，在正常工作狀態(tài)下調(diào)度控制整個(gè)系統(tǒng)工作，通過片內(nèi)以太網(wǎng)控制器控制物理層芯片發(fā)送碼流。

　　AT91RM9200通過片內(nèi)的SPI總線和SDRAM控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍DataFlash和SDRAM的控制，利用片內(nèi)的USART實(shí)現(xiàn)對(duì)串口芯片的控制，通過片內(nèi)的以太網(wǎng)控制器對(duì)片外網(wǎng)絡(luò)芯片進(jìn)行控制。其控制原理圖如圖2所示。

　　圖2 控制原理圖

　　3.2壓縮編碼模塊

　　壓縮編碼模塊包括模擬視頻采集模塊和MPEG-4壓縮模塊。視頻采集芯片采用TI公司的TVP5150,數(shù)據(jù)壓縮芯片采用映佳公司的MPG440.TVP5150輸入端可是兩種混合視頻信號(hào)也可是S-Video端子的視頻信號(hào)，支持NTSC、PAL、SECAM等3種制式，其輸出的數(shù)據(jù)色彩格式可以為8bit 4:2:2數(shù)字信號(hào)或者8bit同步ITU-R BT.656數(shù)字信號(hào)。MPG440芯片具有符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的16b/32b的雙向主機(jī)接口，分別用來與視頻采集芯片和微控制器芯片通信。同時(shí)，具有移動(dòng)偵測(cè)、防偽水印、動(dòng)態(tài)調(diào)整IP畫格比率、動(dòng)態(tài)調(diào)整圖像質(zhì)量等特性，支持D1、VGA、CIF、QVGA、QCI等五種分辨率模式。微壓縮編碼模塊的硬件設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

　　圖3 壓縮編碼電路

　　TVP5150的AI模擬輸入口與模擬攝像頭輸出端連接，向視頻處理芯片傳送模擬視頻信號(hào)。模擬信號(hào)經(jīng)過采樣處理之后通過YOUT0~YOUT7引腳送到MPG440,采樣數(shù)據(jù)在PCLK的上升沿有效，MPG440的VIDEO_CLK在收到PCLK的上升沿時(shí)獲得YOUT的信號(hào)。TVP5150分場(chǎng)同步脈沖和行同步脈沖，分別對(duì)應(yīng)其輸出端VSYNC、HSYNC.MPG440正是根據(jù)與之相連的VSYNC和HSYNC信號(hào)線來實(shí)現(xiàn)圖像的場(chǎng)同步和行同步操作。MPG440的視頻輸入數(shù)據(jù)線DATA_TV0~DATA_TV7與TVP5150的YOUT0~YOUT7相連。MPG440在接收數(shù)據(jù)的同時(shí)，將其得到的數(shù)據(jù)流傳送給MPEG-4壓縮編碼單元，編碼后的MPEG-4數(shù)據(jù)流暫存到SDRAM（2）中。MPG440片內(nèi)PDMA控制器根據(jù)配置寄存器的設(shè)置準(zhǔn)確發(fā)起對(duì)SDRAM（2）訪問，同時(shí)將得到的數(shù)據(jù)流輸送往HPI（主機(jī)總線接口，Host Peripherial Interface），以等待AT91RM9200通過DMA通道將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。

　　MPG440通過HPI與AT91RM9200通信，AT91RM9200將MPG440的寄存器、存儲(chǔ)空間等資源作為其本身內(nèi)存尋址訪問。MPG440由AT91RM9200選通線NCS4來選通，其在AT91RM9200尋址空間中的地址段為0X50000000到0X5FFFFFFF.通過對(duì)MPG440一系列寄存器的設(shè)置，可以訪問MPG440系統(tǒng)存儲(chǔ)空間。MPG440中斷信號(hào)RSC_INT0從通用I/O引腳的PB29輸入，當(dāng)緩沖器填滿時(shí)，RSC_INT0引腳置低提示AT91RM9200通過DMA通道提取MPEG-4數(shù)據(jù)流。編碼后視頻數(shù)據(jù)讀取過程和MPG440與主機(jī)通信過程由AT91RM9200讀信號(hào)CFRD和寫信號(hào)CFWE控制。