(碩士論文)基于BF533的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn).pdf

西南交通大學(xué) 碩士學(xué)位論文 基于BF533的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 姓名 孫延均 申請學(xué)位級別 碩士 專業(yè) 系統(tǒng)工程 指導(dǎo)教師 茍先太 20090501 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁 摘要 傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有成本較高 需要鋪設(shè)專用線路 無法聯(lián)網(wǎng) 需要 耗費(fèi)大量的存儲介質(zhì)等缺點(diǎn) 隨著視頻處理和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟 網(wǎng)絡(luò)視 頻監(jiān)控系統(tǒng)被越來越多地應(yīng)用到生產(chǎn)生活中 它使人們能夠及時地獲取被監(jiān) 控現(xiàn)場的環(huán)境狀況 做出正確的決策 本文設(shè)計與實(shí)現(xiàn)了基于A D S P B F 5 3 3 處理器的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng) 它具有成本低廉 安裝靈活 功能豐富 等特點(diǎn) 通過分析網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)三種解決方案的優(yōu)缺點(diǎn) 綜合考慮了成本 開發(fā)難度等因素 最終選擇了B F 5 3 3 嵌入式D S P 處理器作為本系統(tǒng)的基礎(chǔ)平 臺架構(gòu) 并在此基礎(chǔ)之上對硬件電路所需的各種外圍芯片和系統(tǒng)軟件進(jìn)行了 選型 本文對B F 5 3 3 處理器 S D R A M F L A S H 視頻解碼器 視頻編碼器 音頻 編解碼器 以太網(wǎng)控制器 R S 2 3 2 驅(qū)動器 接收器 C P L D 以及電源模塊的設(shè) 計進(jìn)行了詳細(xì)的描述 包括各模塊之間的相互連接情況 設(shè)計中需要注意的 事項(xiàng)等 在將U B O O T 移植到特定開發(fā)板之前 需要先熟悉其源代碼 本文依照 U B O O T 的啟動流程 對其源代碼進(jìn)行了比較深入的分析 編寫了D M 9 0 0 0 A E 和S S T 3 9 V F l 6 0 1 驅(qū)動程序 給出了U B O O T 移植的具體步驟 為了檢驗(yàn)系統(tǒng)硬件是否能正常工作 本文討論了系統(tǒng)硬件各模塊的測試 方法 編寫了具體的測試?yán)?給出了相應(yīng)的測試結(jié)果 說明了編譯U B O O T 的方法 以及設(shè)置U B O O T 從網(wǎng)絡(luò)加載uC 1 i n u x 的方法 關(guān)鍵詞 嵌入式系統(tǒng) B F 5 3 3 視頻監(jiān)控 U B O O T 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 I 頁 A b s t r a c t T h et r a d i t i o n a l v i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e m s h a v et h e d i s a d v a n t a g e st h a tt h e i rc o s t sa r eh i g ha n dn e e dd e d i c a t e d1 i n e s I t c a n tc o n n e c tt ot h en e t w o r ka n dn e e dam a s so fs t o r a g em e d i u m W i t h t h ev i d e op r o c e s s i n ga n dn e t w o r kt e c h n o l o g yb e c o m i n gm o r ea n dm o r e s o p h i s t i c a r e d t h en e t w o r k v i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e mh a sb e e n i n c r e a s i n g l ya p p l i e dt oo u r1 i f e I ta l l o w sp e o p l et oa c c e s st ot h e e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o no ft h em o n i t o r e dp o i n t a n dt om a k et h er i g h t d e c i s i o n s AB F 5 3 3 一b a s e de m b e d d e dn e t w o r kv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m i sd e s ig n e da n di m p l e m e n t e dW it hf e a t u r e so f l o w c o s t f l e x i b l e i n s t a ll a t i o n f u n c t i o n r i c h T h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h r e ed i f f e r e n ts o l u t i o n so f t h en e t w o r kV i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e mp a p e ra r ea n a l y z e d I t c o n s i d e r ss u c hf a c t o r sa st h ec o s t t h ed e v e l o p m e n td i f f i c u l t y a n d S Oo n U 1 t i m a t e l yt h eB F 5 3 3e m b e d d e dD S Pp r o c e s s o ri Ss e l e c t e da st h e b a s i So ft h es y s t e mp l a t f o r ma r c h i t e c t u r e T h ep e r i p h e r a lc h i p sa n d s y s t e ms o f t w a r e sa r es e l e c t e do nt h a t b a s iS T h eh a r d w a r em o d u l e si n c l u d i n gB F 5 3 3 p r o c e s s o r S D R A M F L A S H v i d e od e c o d e r v i d e oe n c o d e r a u d i oc o d e c e t h e r n e tc o n t r o ll e r R S 2 3 2 d r i v e r r e c e i v e r C P L Da n dp o w e ra r ed e s i g n e di nd e t a i l B e f o r ep o r t i n gU B O O Tt oas p e c i f i cb o a r d i ts h o u l du n d e r s t a n d t h es o u r c ec o d e T h eU B O O Ts o u r c ec o d eiSa n a l y z e di n d e p t ha c c o r d i n g t ot h es t a r t u pf l O Wo fU B O O T T h ed i r v e r so fD M 9 0 0 0 A Ea n dS S T 3 9 V F l 6 0 1 a r ep r o g r a m m e d T h ec o n c r e t es t e po fp o r t i n gU B O O Ti Sd e s c r i b e d I ts h o u l db et e s t e dw h e t h e rt h es y s t e mh a r d w a r ew o r k sp r o p e r l y T h et e s tm e t h o do fe a c hm o d u l ei Sd i s c u s s e d T h et e s tc o d ei Sw r i t t e n T h et e s tr e s u l ti Sg i v e n T h ep r o c e d u r eo fc o m p i1 i n gU B O O Ti ss h o w n T h es e t u po f l o a d i n g UC 1i n u xf r o mn e t w o r ki Se x p l a i n e d k e yw o r d s e m b e d d e ds y s t e m B F 5 3 3 v i d e os u r v e i1l a n c e U B O O T 西南交通大學(xué)曲南父逋大字 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 同 意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 允許 論文被查閱和借閱 本人授權(quán)西南交通大學(xué)可以將本論文的全部或部分 內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮印或掃描等復(fù)印手段 保存和匯編本學(xué)位論文 本學(xué)位論文屬于 1 保密口 在年解密后適用本授權(quán)書 2 不保密酉 使用本授權(quán)書 請在以上方框內(nèi)打 學(xué)位論文作者簽名 了小延鴿 日期 2 0 圻 S 弓l 指導(dǎo)老師簽名 當(dāng)玖幺 日期 c 丫 歹 弓 西南交通大學(xué)學(xué)位論文創(chuàng)新性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究工作 所得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本論文不包含任何其他個人或 集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 對本文的研究做出貢獻(xiàn)的個人和集體 均已在文中作了明確的說明 本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承 擔(dān) 本學(xué)位論文的主要創(chuàng)新點(diǎn)如下 1 使用B F 5 3 3 實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng) B F 5 3 3 能夠同時完成視頻壓縮 和網(wǎng)絡(luò)傳輸 這樣硬件設(shè)計簡化的同時還降低了成本 并且它還支持嵌入式 L i n u x 操作系統(tǒng) 這有利于降低開發(fā)難度 加快開發(fā)進(jìn)度 2 本文對T F T P 協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn) 加強(qiáng)了嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全性 修 改了標(biāo)準(zhǔn)T F T P 協(xié)議包頭所使用的操作碼字段值 并且還在包頭加入了驗(yàn)證 信息字段 從而有效防止了非授權(quán)訪問 弓小適七弓 2 p 護(hù)7 6 s 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁 1 1 引言 第1 章緒論 隨著社會的不斷發(fā)展 人們對于準(zhǔn)確及時地獲取信息的需求越來越強(qiáng) 烈 視頻信息是對客觀事物實(shí)實(shí)在在的描述 不同物體之間不易發(fā)生混淆 信息量極大 人的視覺系統(tǒng)獲取的信息占外界信息總量的7 0 總的來說 視頻信息具有廣泛性 直觀性 確定性 高效性等特點(diǎn) 是人們獲取外界信 息最有效的方式 并且人們不僅想獲取自己視力范圍內(nèi)的信息 往往還要求 能隨時觀察距離遙遠(yuǎn)的某一環(huán)境的實(shí)時狀況 比如 你身在異地 但是想了 解你的公司或家里的當(dāng)前狀況 或者某些不適合人現(xiàn)場操作但是需要對其進(jìn) 行實(shí)時監(jiān)控的工作環(huán)境 諸如此類的情況 就需要一種方式將異地的實(shí)時情 況傳輸給觀測者 而網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以很好的滿足這一需求 簡單來說 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要功能就是將安裝在目標(biāo)監(jiān)控點(diǎn)的攝像機(jī)所采集的實(shí) 時視頻信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控主機(jī) 在市場需求方面 隨著安防意識的強(qiáng)化和普及 安防領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展 由 公共安全 大中型企業(yè)監(jiān)控逐漸轉(zhuǎn)向中小企業(yè) 家庭用戶的安全防控 由于 人們房產(chǎn) 汽車 家電等高值大件財產(chǎn)的增多 監(jiān)控對象進(jìn)一步擴(kuò)大 其中 包括對財產(chǎn) 設(shè)施及人的實(shí)時跟蹤監(jiān)控n 越來越多的企業(yè)和家庭希望通過 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)幫助他們盡量避免損失 防止意外 隨時掌控現(xiàn)場 減少不安 全 不公平等因素 這些都將是一個巨大的需求市場心 據(jù)諾達(dá)咨詢公司發(fā) 布的 2 0 0 7 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)研究報告 顯示 2 0 0 6 年中國網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控 市場規(guī)模達(dá)1 8 2 4 億元 未來5 年內(nèi) 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控將保持約3 8 的年增長 率 預(yù)計2 0 1 1 年將達(dá)8 6 6 l 億元 而且會有越來越多的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng) 采用完全數(shù)字化的技術(shù) 特別是在銀行 交通 工業(yè) 零售業(yè)等行業(yè)市場 以數(shù)字化視頻監(jiān)控為基礎(chǔ)的智能視頻監(jiān)控技術(shù)將獲得長足發(fā)展陽 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 頁 1 2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀 1 2 1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)分類 視頻監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)其所采用的技術(shù)大致可以分為三種 全模擬視頻監(jiān)控 系統(tǒng) 數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)h 1 全模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng) 全模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng) 也稱閉路電視監(jiān)控系統(tǒng) C C T V H 本地圖像監(jiān) 控系統(tǒng)主要由攝像機(jī) 視頻矩陣 監(jiān)視器 錄像機(jī)等組成 利用模擬視頻線 將來自攝像機(jī)的視頻連接到監(jiān)視器上 利用視頻矩陣主機(jī) 采用鍵盤進(jìn)行切 換和控制 錄像采用的是使用磁帶的長時間錄像機(jī) 遠(yuǎn)距離圖象傳輸采用模 擬光纖 利用光端機(jī)進(jìn)行視頻的傳輸陽 全模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)以模擬視頻矩 陣和磁帶式錄像設(shè)備V C R 為核心n 模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展 技術(shù)成熟 系統(tǒng)功能強(qiáng)大 完善 但是其主要缺點(diǎn)為 系統(tǒng)擴(kuò)展能力差 對于 已經(jīng)建好的系統(tǒng) 如要增加新的監(jiān)控點(diǎn) 往往是牽一發(fā)而動全身 新的設(shè)備 也很難添加到原有的系統(tǒng)之中 無法形成有效的報警聯(lián)動 在模擬監(jiān)控系統(tǒng) 中 由于各部分獨(dú)立運(yùn)作 相互之間的控制協(xié)議很難互通 聯(lián)動只能在有限 的范圍內(nèi)進(jìn)行拍 2 數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng) 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)從2 0 世紀(jì)9 0 年代中期開始出現(xiàn) 以數(shù)字控制的視頻 矩陣替代原來的模擬視頻矩陣 以數(shù)字硬盤錄像機(jī)D V R 替代原來的長延時模 擬錄像機(jī) 將原來的磁帶存儲模式轉(zhuǎn)變成數(shù)字存儲錄像 實(shí)現(xiàn)了將模擬視頻 轉(zhuǎn)為數(shù)字錄像 D V R 集合了錄像機(jī) 畫面分割器等功能 跨出數(shù)字監(jiān)控的第 一步H 在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了全數(shù)字的視頻監(jiān)控系統(tǒng) 可以基于P c 機(jī)或嵌入 式設(shè)備構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng) 并進(jìn)行多媒體管理 數(shù)字監(jiān)控作為繼模擬監(jiān)控之后的 第二代監(jiān)控技術(shù) 無論在圖像質(zhì)量 保存時間以及可靠性上均有大幅度的提 升 為用戶提供了高性價比的監(jiān)控解決方案陽 與全模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)相似 存在許多缺陷 要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離視頻傳輸需鋪設(shè) 租用 光纜 在光纜兩端安 裝視頻光端機(jī)設(shè)備 系統(tǒng)建設(shè)成本高 不易維護(hù) 且維護(hù)費(fèi)用較大 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第3 頁 3 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng) 隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的普及 視頻監(jiān)控逐漸從本地監(jiān)控向遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)展 出現(xiàn) 了以網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器為代表的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)H 網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器解 決了視頻流在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸問題 從圖像采集開始進(jìn)行數(shù)字化處理 傳輸 這樣使得傳輸線路的選擇更加多樣性 只要有網(wǎng)絡(luò)的地方 就提供了圖像傳 輸?shù)目赡?整個系統(tǒng)趨向平臺化 智能化 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控成為監(jiān)控領(lǐng)域又 一新的發(fā)展方向 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控是一項(xiàng)完全基于寬帶網(wǎng)的圖像遠(yuǎn)程傳輸 遠(yuǎn)程管理的業(yè) 務(wù) 它可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控 報警聯(lián)動 管理及視頻存儲等功能 目前該業(yè)務(wù)主要 應(yīng)用于公共安全 銀行系統(tǒng) 道路交通 電力系統(tǒng) 環(huán)境監(jiān)測等需要進(jìn)行遠(yuǎn) 距離監(jiān)控的部門 還可以應(yīng)用于學(xué)校 消防等方面的遠(yuǎn)程監(jiān)控 信息化小區(qū) 的網(wǎng)上監(jiān)控 公司區(qū)域聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控以及家居安全網(wǎng)上監(jiān)控等 與前兩代監(jiān)控技術(shù)相比 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的出現(xiàn)突破了模擬和數(shù)字視頻監(jiān) 控的缺點(diǎn) 利用T C P I P 網(wǎng)絡(luò) 實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控和低成本擴(kuò)展監(jiān)控范圍 使 得視頻監(jiān)控可以向很多領(lǐng)域滲透n 其主要優(yōu)勢包括 第一 可以利用現(xiàn)有 的寬帶網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控 不需要為新建監(jiān)控系統(tǒng)鋪設(shè)線路 第二 具有良好的系統(tǒng)擴(kuò)展能力 只需要增加監(jiān)控點(diǎn)設(shè)備就可擴(kuò)展新的監(jiān)控點(diǎn) 第 三 前端設(shè)備是即插即用 免維護(hù)系統(tǒng) 維護(hù)費(fèi)用低 第四 業(yè)務(wù)功能強(qiáng)大 管理功能豐富 第五 全數(shù)字化存儲方式 便于保存和檢索 第六 只要安 裝了客戶端軟件 并給予相應(yīng)的權(quán)限 用戶就可隨時隨地通過互聯(lián)網(wǎng)瀏覽相 關(guān)監(jiān)控點(diǎn)的情況 川 1 2 2 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)其處理采集到的視頻信號的方式 分為三種 類型 1 嵌入式微處理器 視頻壓縮芯片 這種方案中視頻的壓縮完全由專用的視頻壓縮芯片來完成 嵌入式微處 理器則完成控制功能 視頻壓縮芯片的引入可以使系統(tǒng)開發(fā)者省去開發(fā)相應(yīng) 視頻壓縮算法的工作 對于想要節(jié)約開發(fā)成本或是開發(fā)實(shí)力不夠的中小公司 來說是一個很不錯的選擇 市場上提供視頻壓縮類芯片的廠商也比較多 比 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第4 頁 如 臺灣凌泰科技的A L 9 V 5 7 6 支持M P E G 一4 2 1 視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)m 日本富士 通公司最近推出的M B 8 6 H 5 1 是基于H 2 6 4 視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的 但是 基于專用視頻壓縮芯片的系統(tǒng)靈活性和可擴(kuò)展性受到了很多限 制 1 由于芯片開發(fā)周期很長 成本代價太大 而市場又在不斷發(fā)生變 化 產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度非常迅速 等待集成了算法的專用視頻壓縮芯片成 熟后開發(fā)產(chǎn)品 肯定跟不上市場的發(fā)展 2 監(jiān)控系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是實(shí)時壓縮 在實(shí)時壓縮的同時還必須進(jìn)行一些 必要的處理 如運(yùn)動檢測 時間發(fā)生器 L O G O 標(biāo)識 水印等 這些處理都 是前處理 這些輔助功能對壓縮產(chǎn)品而言顯得也非常重要 這些處理都是在 壓縮前或壓縮中進(jìn)行的 3 在監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用中 強(qiáng)烈需要動態(tài)的調(diào)整編碼參數(shù) 如幀率 圖象質(zhì)量 幀結(jié)構(gòu)等 而硬件編碼的靈活性明顯不如軟件編碼 2 嵌入式微處理器 F P G A 這種方案中F P G A 用來對視頻信號進(jìn)行壓縮處理 經(jīng)壓縮之后的視頻數(shù) 據(jù)在嵌入式微處理器的控制下通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去 目前市場上的嵌入式微處 理器有較多選擇 比如 基于A R M 內(nèi)核的三星 3 C 6 4 1 0 基于P o w e r P C 內(nèi)核 的飛思卡爾P o w e r Q u i C C 等 A 1 t e r a X i l i n X A c t e l L a t t i C e 等幾家生 產(chǎn)廠商提供了比較豐富F P G A 芯片產(chǎn)品線 比如 A 1 t e r a 公司的C y c l o n e II I 系列F P G A X ilin X 公司的V i r t e x 5 系列F P G A 利用F P G A 來實(shí)現(xiàn)視頻壓縮編碼的好處在于 可以靈活的實(shí)現(xiàn)各種壓 縮編碼算法 并且在必要時可以很方便將新的編碼標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于系統(tǒng)中 而這一切只需更換F P G A 程序 硬件電路不需要做任何改動 這就為新產(chǎn) 品的迅速推出提供了有利條件 并且各F P G A 生產(chǎn)廠商都會提供各種功能 的I P 核 比如H 2 6 4 編碼器I P 核 M E P G 4 編碼器I P 核等 這大大加快 了產(chǎn)品研發(fā)的進(jìn)度 使產(chǎn)品盡可能早的進(jìn)入市場 不過大多數(shù)的I P 核是 需要付費(fèi)的 可以根據(jù)應(yīng)用需要購買相應(yīng)的I P 核 此種方案的缺點(diǎn)在于 系統(tǒng)同時使用了嵌入式微處理器和F P G A 所 以系統(tǒng)成本會比較高 對于成本控制比較嚴(yán)格的應(yīng)用來說不是好的選擇 3 高性能D S P 處理器 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第5 頁 高性能D S P 處理器在保持D S P 芯片強(qiáng)勁的數(shù)據(jù)處理功能的基礎(chǔ)上 增加 了M C U 控制功能 擁有豐富的外設(shè)接口和較高的時鐘頻率 是專門針對多媒 體應(yīng)用而設(shè)計的處理器 此類處理器中 比較有代表性的有A D I 公司的 B 1 a c k f i n 系列 T I 公司的T M S 3 2 0 C 6 4 x 系列 此方案的優(yōu)點(diǎn)在于 系統(tǒng)中視頻信號的壓縮和傳輸都由單片D S P 處理器 來完成 而不需要其它額外的芯片 這樣即簡化了系統(tǒng)設(shè)計 又使系統(tǒng)的成 本得到了有效控制 視頻壓縮算法完全由匯編語言或C 語言實(shí)現(xiàn) 可以及時 吸納視頻編碼最新成果對系統(tǒng)進(jìn)行升級 以適應(yīng)市場需求 本系統(tǒng)采用的就是單D S P 處理器方案 處理器具體型號選擇上 需要能 勝任視頻圖像的壓縮以及網(wǎng)絡(luò)傳輸操作 并且需要嵌入式操作系統(tǒng)的支持 所以綜合性能和價格等因素 本系統(tǒng)的處理器最終選擇的是A D I 公司的 A D S P B F 5 3 3 處理器 1 3B Ia c k fin 處理器概述 本系統(tǒng)所使用的A D I 公司B F 5 3 3 處理器是B l a c k f i n 處理器系列產(chǎn)品中的 口 一貝o B l a c k f i n 處理器是一類專為滿足當(dāng)今嵌入式音頻 視頻和通信應(yīng)用的 計算要求和功耗約束條件而設(shè)計的新型1 6 3 2 位嵌入式處理器 B l a c k f i n 處理器基于由A D I 和I n t e l 公司聯(lián)合開發(fā)的微信號架構(gòu) M i c r oS i g n a l A r c h i t e c t u r e M S A 它將一個3 2 位R I S C 型指令集和雙1 6 位乘法累 加 M A C 信號處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在了一起 這 種處理特征的組合使得B l a c k f i n 處理器能夠在信號處理和控制處理應(yīng)用中 均發(fā)揮上佳的作用一一在許多場合中免除了增設(shè)單獨(dú)的異類處理器的需要 該能力極大地簡化了硬件和軟件設(shè)計實(shí)現(xiàn)任務(wù)n 目前 B l a c k f i n 處理器在單內(nèi)核產(chǎn)品中可提供高達(dá)7 5 6 M H z 的性能 B l a c k f i n 處理器系列中的新型對稱多處理器成員在相同的頻率條件下實(shí)現(xiàn) 了性能的翻番 B l a c k f i n 處理器系列還提供了低至0 8 V 的業(yè)界領(lǐng)先功耗性 能 對于滿足當(dāng)今及未來的信號處理應(yīng)用 包括寬帶無線 具有音頻 視頻 功能的因特網(wǎng)工具和移動通信 而言 這種高性能與低功耗的組合是必不可 少的乜 B 1 a c k f i n 處理器架構(gòu)基于一個l O 級R I S CM C U D S P 流水線和一個專為 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第6 頁 實(shí)現(xiàn)最佳代碼密度而設(shè)計的混合1 6 3 2 位指令集架構(gòu) B l a c k f i n 處理器架 構(gòu)還完全符合S I M D 標(biāo)準(zhǔn) 并包括用于加速視頻和圖像處理的指令 該架構(gòu) 很適合于全信號處理 分析能力 同時還可在單內(nèi)核器件或雙內(nèi)核器件上提 供高效R I S CM C U 控制任務(wù)執(zhí)行能力 由于具有最佳代碼密度且只需進(jìn)行極 少 或者完全不需要進(jìn)行 代碼優(yōu)化處理 因此可縮短產(chǎn)品的面市時間 而 不會遇到其它傳統(tǒng)處理器所常見的性能空間障礙 在視頻處理方面 除了具 有對8 位數(shù)據(jù)以及許多像素處理算法所常用的字長的固有支持之外 B l a c k f i n 處理器架構(gòu)還包括專為增強(qiáng)視頻處理應(yīng)用中的性能而定義的指 令 比如 離散余弦變換 D C T 通過一個I E E E l l 8 0 舍入操作得到支持 而 S U MA B S O L U T ED I F F E R E N C E 指令則支持在諸如M P E G 2 M P E G 4 和J P E G 等 視頻壓縮算法中所使用的運(yùn)動估計算法 利用軟件來實(shí)現(xiàn)視頻壓縮算法使得 O E M 制造商能夠在不變更硬件的情況下適應(yīng)不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)和新型功能要 求 增強(qiáng)型指令可使B l a c k f i n 處理器在那些先前主要是由A S I C V L I 媒體 處理器或硬連線芯片組來滿足的應(yīng)用中一試身手 歸根結(jié)底 B l a c k f i n 處 理器將在幫助降低系統(tǒng)成本的同時使終端應(yīng)用產(chǎn)品的上市時間得以縮短扭 1 4 研究內(nèi)容與目標(biāo) 經(jīng)過對網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和市場研究動向的分析 本文提出了 一種嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案 本系統(tǒng)的主要功能是將模擬攝像頭 采集的視頻信號數(shù)字化之后 經(jīng)過視頻壓縮算法處理 最后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至 遠(yuǎn)端控制中心 本論文主要研究內(nèi)容有 1 系統(tǒng)需求分析和總體設(shè)計 分析系統(tǒng)的功能需求 并據(jù)此得出系 統(tǒng)總體功能框架結(jié)構(gòu) 2 硬件電路設(shè)計 設(shè)計系統(tǒng)硬件電路原理圖和P C B 圖 3 U B O O T 源代碼分析 因?yàn)橐浦睻 B O O T 需要對其源代碼進(jìn)行修改 所以分析U B O O T 源代碼 熟悉其整個啟動流程 4 驅(qū)動程序編寫 需要編寫特定硬件的驅(qū)動程序 以使U B O O T 能正 常運(yùn)行 實(shí)現(xiàn)所需功能 5 硬件電路的調(diào)試 硬件電路制作完畢之后 為了檢測其是否能正 常工作 需要對其進(jìn)行調(diào)試 具體的調(diào)試步驟是按照電源一處理器一存儲器 一其它模塊的順序 對各個模塊逐一進(jìn)行調(diào)試 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第7 頁 6 U B O O T 移植 將U B O O T 移植到本系統(tǒng)中 并使其能順利的從網(wǎng) 絡(luò)加載嵌入式操作系統(tǒng)uC 1i n u x 論文將達(dá)到以下目標(biāo) 1 設(shè)計制作出硬件電路 并完成調(diào)試工作 使系統(tǒng)硬件能正常運(yùn)行 2 能正確的將U B O O T 移植至本系統(tǒng)中 使其能完成對uC 1 i n u x 的 網(wǎng)絡(luò)加載 1 5 論文主要工作及組織結(jié)構(gòu) 第1 章緒論 介紹了網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究意義 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及 B 1a c k f i n 處理器的基本情況 給出了本論文的研究內(nèi)容和目標(biāo) 第2 章系統(tǒng)總體設(shè)計 給出了系統(tǒng)需求分析和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 并分析了系 統(tǒng)硬件各功能模塊主芯片的選型和b o o t l o a d e r 及操作系統(tǒng)的選 型 第3 章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 設(shè)計硬件電路各個功能模塊 給出了各模塊具 體連接情況以及設(shè)計注意事項(xiàng) 第4 章U B O O T 啟動流程分析與驅(qū)動編寫 分析了本系統(tǒng)所使用的 b o o t l o a d e r 程序一一U B O O T 的啟動流程 編寫了D M 9 0 0 0 A E 和 S S T 3 9 V F l 6 0 1 驅(qū)動程序 給出了移植的具體過程 特別討論了更安 全的T F T P 協(xié)議的移植 第5 章系統(tǒng)硬件調(diào)試及U B O O T 編譯與加載 說明了各硬件模塊的調(diào)試方 法 給出了具體的測試?yán)毯拖嚓P(guān)測試結(jié)果 并給出了編譯U B O O T 的具體步驟 以及U B O O T 網(wǎng)絡(luò)加載uC 1 i n u x 的相關(guān)設(shè)置 結(jié)論論文最后對全文進(jìn)行了總結(jié) 并提出了下一步的工作方向 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第8 頁 第2 章系統(tǒng)總體設(shè)計 在進(jìn)行系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計之前 需要首先充分了解用戶的各種需求情況做 出需求分析 接著依照需求分析進(jìn)行系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計 然后根據(jù)系統(tǒng)的 體系結(jié)構(gòu)框圖進(jìn)行硬件和軟件的選型 2 1 系統(tǒng)需求分析 嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要用于對遠(yuǎn)程現(xiàn)場環(huán)境的監(jiān)控 通過實(shí)時獲 取被監(jiān)控地點(diǎn)視頻信息 主控中心可以根據(jù)現(xiàn)場的即時情況 及時采取相應(yīng) 措施 系統(tǒng)主要功能是對被監(jiān)控現(xiàn)場的環(huán)境狀況進(jìn)行動態(tài)實(shí)時的視頻信息采 集 將其傳輸至主控中心 并能比較流暢的播放 此外系統(tǒng)還有可選擇的輔 助功能 有些應(yīng)用需要獲取更為豐富的信息 可加入聲音采集功能 從而控 制中心能夠得到聲像合一的監(jiān)控信息 為正確的作出決策提供盡可能多的信 息量支持 為了對采集的視頻信息進(jìn)行本地回放 可以加入一個視頻回放功 能 它能夠?qū)λ杉囊曨l進(jìn)行本地化實(shí)時播放 主要是系統(tǒng)調(diào)試及故障檢 測用途 基于上述的系統(tǒng)功能分析之后 可以根據(jù)市場上主流芯片產(chǎn)品價格估算 出系統(tǒng)的生產(chǎn)成本大約在3 0 0 4 0 0 元 如果不需要可選擇的輔助功能的話 生產(chǎn)成本還會更低 用戶可以按照自己的實(shí)際需求來選擇是否需要加入輔助 功能 這樣可以很靈活的控制成本 并達(dá)到資源利用最大化 考慮到系統(tǒng)可能應(yīng)用在不同的工作環(huán)境 比如 工廠的生產(chǎn)現(xiàn)場 或者 人群密集的公共場所等等 這就要求系統(tǒng)要便于運(yùn)輸和安裝 并且占用盡量 小的空間 所以系統(tǒng)必須具備小巧 靈活的特點(diǎn) 而本系統(tǒng)是基于嵌入式技 術(shù)設(shè)計和開發(fā)的 系統(tǒng)各功能部件高度集成 完全能夠滿足前述需求 其物 理尺寸大致相當(dāng)于一本3 2 K 書大小 在功耗方面 由于本系統(tǒng)通常是固定安裝在某一使用場所 并且需要長 時間不間斷的運(yùn)行 在系統(tǒng)供電的選擇上使用的是外部電源供電 所以對功 率損耗的控制不需要太多考慮 只要保證電源模塊能正常驅(qū)動各功能部件就 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第9 頁 可以了 綜上所述 表2 一l 是本系統(tǒng)需求分析表 表2 1 系統(tǒng)需求分析表 名稱說明 目的實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控 功能基本功能視頻信號采集 壓縮 傳輸 輔助功能語音信號采集 壓縮及傳輸 視頻本地回放 性能視頻信號傳輸速率2 0 f p s 生產(chǎn)成本3 0 0 4 0 0 如不需要輔助功能成本更低 物理尺寸 1 6 c m 1 8 c m 2 2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計 至網(wǎng)絡(luò) 圈2 1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框圖 通過對系統(tǒng)需求的分析 可得出系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框圖 如圖2 1 所示 本 系統(tǒng)分為如下幾個模塊 視頻采集模塊 主要功能是將模擬攝像頭輸入的模擬視頻信號轉(zhuǎn)化成后 續(xù)處理所需的數(shù)字視頻信號 視頻壓縮模塊 主要功能是將數(shù)字視頻信號通過壓縮編碼算法轉(zhuǎn)化為體 積更小的壓縮視頻信號 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊 主要功能是將壓縮后的視音頻數(shù)據(jù)傳輸至控制中心 音頻采集模塊 主要功能是將麥克風(fēng)輸入的模擬音頻信號轉(zhuǎn)化成后續(xù)處 目 罾恒壓卦 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 0 頁 理所需的數(shù)字音頻信號 音頻壓縮模塊 主要功能是將數(shù)字音頻信號通過壓縮編碼算法轉(zhuǎn)化為體 積更小的壓縮音頻信號 視頻回放模塊 主要功能是將數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)化成模擬視頻信號 并輸出至 顯示設(shè)備進(jìn)行播放 2 3 系統(tǒng)硬件選型 系統(tǒng)硬件設(shè)計是基于系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)來進(jìn)行的 首先需要根據(jù)系統(tǒng)體系結(jié) 構(gòu)制定出系統(tǒng)硬件功能框圖 此框圖需要描述出系統(tǒng)所需要的各種功能相對 應(yīng)的硬件模塊 本系統(tǒng)主要的硬件模塊包括 D S P 處理器 F L A S H S D R A M 電源模塊 以太網(wǎng)控制器 R S 2 3 2 驅(qū)動器 接收器 視頻解碼器 視頻編碼器 音頻編 解碼器 C P L D 系統(tǒng)硬件功能框圖如圖2 2 所示 圖 視頻編碼器 R S 2 3 2 驅(qū)動器 接收器 S D R A M 視頻解碼器卜一B F 5 3 3 處理器卜一F L A S H 音頻編解碼器 C P L D 以太網(wǎng)控制器 圖2 2 系統(tǒng)硬件功能框圖 在得出硬件功能框圖后 就需要根據(jù)各硬件模塊功能選擇符合需求的芯 片 其中芯片的選擇主要依照的原則是 1 芯片能夠滿足所需的功能 這一點(diǎn)是最重要的 如果所選的芯片 不能滿足功能需求 那么這將最終導(dǎo)致所設(shè)計的系統(tǒng)不能滿足用戶的需求 2 其次需要考慮的是開發(fā)成本 其中成本包括兩個方面 一個是芯 片本身的購買成本 另一個成本指的就是對芯片進(jìn)行相應(yīng)軟件開發(fā)所需的人 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第11 頁 員和時間成本 如果是功能基本一樣的兩款芯片其價格應(yīng)該不會相差太多 但是這兩款芯片的應(yīng)用參考資料和技術(shù)支持方面可能會有一定差距 所以我 們在選擇芯片的時候應(yīng)該盡量選擇應(yīng)用參考資料豐富和技術(shù)支持完善的芯 片 這樣開發(fā)難度將大大減小 從而開發(fā)進(jìn)度會得到顯著提高 這不僅節(jié)約 了時間和人員成本 更為重要的是可以加快新產(chǎn)品推向市場的時間 贏得市 場占有率 3 對于移動和手持設(shè)備 芯片的功耗也是需要考慮的一個問題 基 于低能耗設(shè)計的芯片將更能滿足這類設(shè)備的需求 2 3 1 外部存儲器的選擇 由于B F 5 3 3 片內(nèi)存儲器較小 指令和數(shù)據(jù)存儲器總共為1 4 8 K B 在視 頻應(yīng)用中需要大量臨時存儲空間來存放視頻數(shù)據(jù) 所以利用B F 5 3 3 的外部總 線接口來擴(kuò)展一個S D R A M 存儲器 系統(tǒng)還需要一個引導(dǎo)程序來初始化硬件及 加載嵌入式操作系統(tǒng) 引導(dǎo)程序的特點(diǎn)就是系統(tǒng)上電之后就直接運(yùn)行 因此 引導(dǎo)程序需要存儲在一個非易失性存儲設(shè)備中 此外系統(tǒng)還需要保存一些全 局環(huán)境和系統(tǒng)配置參數(shù) 使系統(tǒng)在掉電后保存相關(guān)配置便于下次運(yùn)行時使 用 所以通過外部總線接口連接 個F L A S H 存儲器來滿足非易失存儲要求 1 S D R A M 的選擇 考慮到系統(tǒng)應(yīng)用需要存儲空間比較大 所以本系統(tǒng)選擇的S D R A M 芯片是 海力士半導(dǎo)體公司 H y n i xS e m i c o n d u c t o rI n c 生產(chǎn)的H Y 5 7 V 5 6 1 6 2 0 C T P H 其容量大小為3 2 M B 4 B a n k s 4 M 1 6 B it 包括了4 個b a n k 每個b a n k 由4 M 個1 6 位存儲單元構(gòu)成 數(shù)據(jù)總線的寬度為1 6 位 該芯片采用3 3 V 電壓供電 具有自動刷新 A u t oR e f r e s h 和自刷新 S e l fR e f r e s h 功能 刷新的頻 率為8 1 9 2R e f r e s hC y c l e 6 4 m s 支持2 或3 個時鐘周期的C A S 可編程延時乜 2 F L A S H 的選擇 目前在嵌入式產(chǎn)品中使用的F L A S H 分為兩類 一種是N O RF L A S H 另一 種是N A N DF L A S H N O RF L A S H 的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行 X I P e X e c u t eI nP l a c e 這樣應(yīng)用程序可以直接在F L A S H 閃存內(nèi)運(yùn)行 不必再把代碼讀到系統(tǒng)R A M 中 N O RF L A S H 的傳輸效率很高 在1 4 M B 的小容量時具有很高的成本效 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第12 頁 益 但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能 N A N DF L A S H 結(jié)構(gòu)能 提供極高的單元密度 可以達(dá)到高存儲密度 并且寫入和擦除的速度也很快 但是應(yīng)用N A N D 的困難在于F L A S H 的管理和需要特殊的系統(tǒng)接口 本系統(tǒng)中所需要的引導(dǎo)程序和配置參數(shù)存儲空間很小并且為讓引導(dǎo)代 碼上電后能直接從它的存儲空間運(yùn)行 所以使用N O RF L A S H 作為系統(tǒng)的非易 失性存儲介質(zhì) 系統(tǒng)中使用的F L A S H 芯片為S S T 公司 S ili c o nS t o r a g e T e c h n o l o g y I n c 生產(chǎn)的S S T 3 9 V F l 6 0 1 其容量為2 M B 1 M 1 6 B i t 采用 2 7 3 6 V 電壓供電 具有高性能的字編程能力 字編程時間一般為7 u s 幢 它還提供了對其1 氐3 2 K 字存儲空間的硬件數(shù)據(jù)保護(hù)功能 利用此功能 系統(tǒng) 開發(fā)者可以將系統(tǒng)中不需要經(jīng)常更改的代碼和數(shù)據(jù)放置在此3 2 K 字存儲空間 中 從而可以避免對這些代碼和數(shù)據(jù)的誤操作 提高系統(tǒng)的可靠性 2 3 2 視頻解碼芯片的選擇 視頻解碼器的主要功能是將輸入的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成為處理器能夠 處理的數(shù)字視頻信號 本系統(tǒng)所選用的視頻解碼芯片是飛利浦半導(dǎo)體公司生 產(chǎn)的S A A 7 11 3 H S A A 7 11 3 H 是一款9 位視頻輸入處理器 包含兩路模擬預(yù)處理線路 具有 視頻源選擇 抗鋸齒濾波 模數(shù)轉(zhuǎn)換 自動鉗位和增益控制 一個時鐘發(fā)生 電路 一個數(shù)字多制式解碼器 P A LB G H I P A LM P A LN c o m b i n a t i o nP A L N N T S CM N T S C J a p a n N T S CN S E C A M 亮度 對比度 飽和度控制 多 標(biāo)準(zhǔn)的V B I 數(shù)據(jù)解碼和2 7 M H ZV B I 數(shù)據(jù)旁路心 2 3 3 視頻編碼芯片的選擇 視頻編碼器的作用與視頻解碼器相反 輸入為數(shù)字視頻信號 輸出為模 擬視頻信號 本系統(tǒng)所選用的視頻編碼芯片是A D I 生產(chǎn)的A D V 7 1 7 1 A D V 7 1 7 1 是一款集成數(shù)字視頻編碼器 它能將C C I R 一6 0 14 2 28 位或1 6 位的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成兼容多種標(biāo)準(zhǔn)的模擬基帶電視信號 其內(nèi)部包含了一個 S S A F S u p e rS u b A 1 i a sF il t e r 超級低通濾波器 可將亮度信號 Y 的頻 帶拓寬 抑制頻帶衰減 對提高畫面的清晰度有很大的作用 另外 其先進(jìn) 的電源管理電路 使芯片無論工作在正常模式 掉電或休眠模式都能得到最 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第13 頁 優(yōu)的功率消耗控制m 2 3 4 音頻編解碼芯片的選擇 音頻編解碼器的主要功能是對聲音的播放和采集 一方面 它能將數(shù)字 格式的音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號 另一方面 它也能將模擬音頻信號轉(zhuǎn) 換成數(shù)字音頻數(shù)據(jù) 本系統(tǒng)中所使用的音頻編解碼器是A D I 生產(chǎn)的A D l 8 3 6 A A D l 8 3 6 A 是一款高性能的單片音頻編解碼器 它集成了3 路立體聲D A 和 兩路立體聲A D 為了降低信號的干擾 模擬信號的輸入輸出均采用差分的 形式 數(shù)據(jù)采樣率最高為9 6 K H Z 采樣位數(shù)最高為2 4 位乜 2 3 5 以太網(wǎng)控制芯片的選擇 以太網(wǎng)控制器主要功能就是控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā) 本系統(tǒng)所選用的以太 網(wǎng)控制芯片是D A V I C O M 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的D M 9 0 0 0 A E D M 9 0 0 0 A E 是一款高集成度和性價比 低引腳密度的單片快速以太網(wǎng)控 制器 它的通用處理器接口使其能夠與大多數(shù)的處理器進(jìn)行連接 芯片內(nèi)部 集成了一個I O I O O MP H Y 并擁有16 K B 的內(nèi)部S R A M n 它具有自動線序交 叉 A U T O M D I X 和自動協(xié)商 A u t o N e g o t i a t i o n 功能 2 3 6R S 2 3 2 驅(qū)動器 接收器芯片的選擇 在對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試的時候 通過串1 3 輸入調(diào)試命令或從串口打印調(diào)試信 息都是很重要的 B F 5 3 3 處理器芯片中集成有一個U A R T U n i v e r s a l A s y n c h r o n o u sR e c e i v e r T r a n s m i t t e r 稱為通用異步收發(fā)器 接口 它能 夠在外部數(shù)據(jù)傳輸所需的串行數(shù)據(jù)格式與處理器內(nèi)部所需的并行數(shù)據(jù)格式 之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換 由于U A R T 輸入 輸出電平為T T L 電平 與R S 一2 3 2 C 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定 的電平不同 因此必須在R S 2 3 2 與T T L 電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換 這個變換可以通過R S 2 3 2 驅(qū)動器 接收器芯片來實(shí)現(xiàn) 在本系統(tǒng)中所使用的芯 片為美信公司 M a x i m 生產(chǎn)的M A X 2 3 2 A M A X 2 3 2 A 能夠滿足所有使用E I A T I A 一2 3 2 E 和V 2 8 V 2 4 通信接口的應(yīng)用 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 4 頁 它具有功耗低 單電源供電 外接電路簡單 波特率高 價格低廉等優(yōu)點(diǎn) 2 3 7C P L D 芯片的選擇 C P L D C o m p l e xP r o g r a m m a b l eL o g i CD e v i c e 復(fù)雜可編程邏輯器件 是 從P A L 禾D G A L 器件發(fā)展出來的器件 相對而言規(guī)模大 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 屬于大規(guī)模 集成電路范圍 是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電 路 其基本設(shè)計方法是借助集成開發(fā)軟件平臺 用原理圖 硬件描述語言等 方法 生成相應(yīng)的目標(biāo)文件 通過下載電纜 在系統(tǒng)編程 將代碼傳送到目 標(biāo)芯片中 實(shí)現(xiàn)設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng) 本系統(tǒng)設(shè)計中需要實(shí)現(xiàn)一些組合邏輯電路 如果使用專用的邏輯控制芯 片來實(shí)現(xiàn) 首先所使用的元件的數(shù)量就會增多 其次電路設(shè)計的靈活性就下 降了 為了減少元件使用數(shù)量和提高電路設(shè)計的靈活性 系統(tǒng)中選用了 X i l i n x 公司生產(chǎn)的X C 9 5 7 2 X L X C 9 5 7 2 X L 是一款低功耗 高性能的C P L D 它由4 個5 4 V8 功能塊組成 具 有1 6 0 0 個可用門 管腳間傳輸延時為5 n s 系統(tǒng)最高時鐘頻率可達(dá)1 7 8 M H z 2 3 8 電源芯片組的選擇 電源模塊主要是為系統(tǒng)的運(yùn)行提供合適的電源供應(yīng)以及安全保護(hù)措施 包括線性穩(wěn)壓電路 復(fù)位電路 保護(hù)電路 1 線性穩(wěn)壓電路 本系統(tǒng)使用5 V 3 A 部電源為系統(tǒng)供電 因?yàn)橄到y(tǒng)中用到了5 V 3 3 V 1 2 5 V 等幾種電壓 所以使用了線性穩(wěn)壓器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需電壓 本系統(tǒng)中使用最多的是3 3 V 電壓 為了從5 V 的輸入電壓得到3 3 V 的 電壓 系統(tǒng)中使用了凌特公司 L i n e a rT e c h n o l o g y 生產(chǎn)的L T l 5 2 9 3 33 A 低壓差線性穩(wěn)壓器 它在輸出3 A 電流時 輸入與輸出電壓之差可僅為0 6 V 本系統(tǒng)設(shè)計了兩組電路來提供內(nèi)核電壓 一組是提供0 8 5 V 1 3 V 的可 變電壓電路 另一組提供1 2 5 V 電壓的固定電壓電路 B F 5 3 3 處理器提供了一 個片上調(diào)壓器 它可從外部2 2 5 V 3 6 V 供電電壓產(chǎn)生處理器所需的0 8 5 V 1 3 V 內(nèi)核電壓 其外部電路還需要一個場效應(yīng)管 系統(tǒng)所選用的場效應(yīng)管為 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第15 頁 仙童半導(dǎo)體公司 F a i r c h il dS e m i c o n d u c t o r 生產(chǎn)的F D S 9 4 3 1 A 固定電壓 電路為內(nèi)核提供1 2 5 V 固定電壓 此電路使用的芯片為美國國家半導(dǎo)體公司 N a t i o n a lS e m i c o n d u c t o r 生產(chǎn)的L M 3 1 7 A 它是一款三引腳的可變正線性 穩(wěn)壓器 能夠提供1 2 3 7 V 輸出電壓 同時輸出電流能夠達(dá)到1 A 2 復(fù)位電路 為確保電路穩(wěn)定可靠工作 復(fù)位電路是必不可少的一部分 復(fù)位電 路的第一功能是上電復(fù)位 因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)上電時 處理器及其它芯片需要 一個復(fù)位信號 來使芯片工作在初始化預(yù)定狀態(tài) 另外 當(dāng)系統(tǒng)處于異 常狀態(tài)時 也可以通過復(fù)位使系統(tǒng)恢復(fù)至初始狀態(tài) 本系統(tǒng)中使用了美 信公司生產(chǎn)的M A X 7 0 8 T 電源監(jiān)控芯片 M A X 7 0 8 T 是一款微處理器電源監(jiān)控芯片 可同時輸出高電平有效和低電 平有效復(fù)位信號 復(fù)位信號可由V C C 電壓 手動復(fù)位或由獨(dú)立的比較器觸發(fā) 3 電路保護(hù) 當(dāng)電路正常工作時 電路中的電流強(qiáng)度不會對電子元件產(chǎn)生任何危害 但是當(dāng)電路處于異常狀態(tài)時 比如電路中某處出現(xiàn)短路時 就會引起電路中 電流瞬間急劇變大 而強(qiáng)電流很容易造成元器件的損壞 這種損壞是永久性 且不可修復(fù)的 必須對損壞的元件進(jìn)行更換才能使電路繼續(xù)正常工作 為了 避免這種異常狀況所造成的電路損壞 可以通過使用電路保護(hù)裝置來確保電 路的安全 本系統(tǒng)所使用的電路保護(hù)芯片為I it t e l f u s e 生產(chǎn)的2 9 2 0 L 3 0 0 1 5 自恢復(fù)保險絲 2 9 2 0 L 3 0 0 1 5 的最大工作電流為3 A 過載電流為6 A 正常工作時電阻 為0 0 3 3Q 2 4 系統(tǒng)軟件選型 如果將嵌入式系統(tǒng)比作人的話 硬件電路是其軀體 但是真正讓嵌入式 系統(tǒng)具有靈魂的是運(yùn)行于硬件平臺之上的軟件 只有通過軟件才能完成嵌入 式系統(tǒng)所期望的各種功能 一個沒有運(yùn)行任何軟件的嵌入式系統(tǒng)就如同一個 沒有靈魂和思想的人一樣 什么都干不了 本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)多種功能 包括音視頻數(shù)據(jù)的采集 壓縮 傳輸 這就 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第16 頁 需要多個任務(wù)并行協(xié)調(diào)工作 為了使多個任務(wù)能很好的協(xié)同化工作 本系統(tǒng) 引入嵌入式操作系統(tǒng)來管理多任務(wù)的運(yùn)行 為了引導(dǎo)嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn) 行 本系統(tǒng)還需要一個引導(dǎo)裝載程序一一B 0 0 tL o a d e r B o o tL o a d e r 最主要 的任務(wù)就是初始化硬件設(shè)備 建立內(nèi)存空間映射圖 引導(dǎo)操作系統(tǒng)的加載 由此可以得出系統(tǒng)軟件功能框圖 如圖2 3 所示 2 4 1 嵌入式操作系統(tǒng)的選擇 目前市場上使用較廣