視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計的論文

1、存檔日期:存檔編號:徐 州 師 范 大 學 科 文 學 院 本科生畢業(yè)論文(設計論 文 題 目:視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計姓 名:朱 鋮 娟學 號:078333112專 業(yè) :自 動 化年 級 : 07自動化指 導 教 師:李 旭 超科文學院教務部印制摘 要隨著電子技術, 多媒體技術和通訊技術的發(fā)展, 視頻監(jiān)控系統(tǒng)一直是人們關 注的焦點,視頻監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè),軍事,民用等領域得到廣泛應用,視頻監(jiān)控具 有直觀, 方便和信息內容豐富等優(yōu)點, 為客戶提供高品質的監(jiān)控手段。 從落后的 現(xiàn)場監(jiān)控到先進的遠程監(jiān)控控制, 從模擬監(jiān)控到今天的數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng), 視頻監(jiān) 控技術正向網絡化、移動化和智能化方向發(fā)展。隨著嵌入

2、式處理器性能的提高和視頻處理技術的發(fā)展, 視頻采集監(jiān)控系統(tǒng)不 再局限于高性能的 PC 平臺,嵌入式與便攜式平臺有了快速發(fā)展。本文利用三個領域上的技術:嵌入式處理器中 ARM 處理器技術、數(shù)字視頻 芯片和視頻編碼中的 H.264標準,實現(xiàn)了數(shù)字采集監(jiān)控和存儲系統(tǒng)。本文主要對視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分及視頻采集進行研究, ARM 處理器采用 了 ARM9系列的 S3C2410,采用了 Linux 系統(tǒng)進行配合處理,設計了包括電源 電路、時鐘電路、復位電路、存儲模塊、 JTAG 接口、 UART 串行調試接口、 USB 模塊、以太網電路、視頻接口電路。攝像頭采用了 OV6620芯片。主要圍繞三部 分展開介

3、紹:1. 硬件電路設計 2.嵌入式視頻采集 3.嵌入式 Linux 移植及 H.264視頻編碼標準。關鍵詞: ARM ;視頻采集;嵌入式系統(tǒng); H.264;視頻監(jiān)控AbstractWith the electronic technology, multimedia technology and communication technology developing, video surveillance system has still been the focus of attention and it is widely used in the industrial, military,

4、civil and other fields. Video monitoring with an intuitive, convenient and abundant information can provide customers with high quality control means. From backward to advanced field monitoring of remote monitoring control, from analog to today's digital surveillance systems, video surveillance

5、technology is being toward to network, mobile and intelligent direction.At the same time, improving the performance of embedded processors and video processing technology, video capture surveillance system is no longer limited to high-performance PC platform. Embedded and portable platform has rapid

6、 development.In this article, the technology has three areas: embedded processor ARM processor technology, digital video chips and video coding standard H.264 to achieve control of the digital acquisition and storage systems.This thesis focuses on video surveillance and video capture hardware of the

7、 system studied, ARM processor using the ARM9 series S3C2410 and taking a Linux system with the treatment. The design includes the power circuit design, clock circuit, reset circuit, memorymodule, JTAG interface, UART serial debug interface, USB module, Ethernet circuit, the video interface circuit.

8、 Camera uses the OV6620 camera chip. The paper mainly introduced around three aspects: 1. Hardware circuit design 2. Embedded video capture 3. Embedded Linux migration and H.264 video coding standard.Keywords: ARM; video capture; embedded systems; H.264; video surveillance目 錄摘 要 . I ABSTRACT . I I1

9、緒 論 . 11.1視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷史 . 1 1.2視頻監(jiān)控的現(xiàn)狀與發(fā)展 . 3 1.3嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 . 4 1.4本課題的主要工作 . 52 系統(tǒng)的硬件電路設計 . 62.1系統(tǒng)的工作原理 . 6 2.2ARM 嵌入式處理器簡介 . 6 2.3嵌入式視頻采集系統(tǒng)設計 . 9 2.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計 . 13 2.5最小系統(tǒng)設計 . 13 2.6外圍擴展電路 . 203嵌入式 LINUX 移植 . 243.1采用 L INUX 開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的原因 . 24 3.2交叉編譯環(huán)境的建立 . 26 3.3B OOT L OADER 系統(tǒng)引導代碼 . 26 3.4L INUX 的

10、內核移植 . 27 3.5嵌入式文件系統(tǒng) . 27 3.6驅動開發(fā) . 294嵌入式視頻軟件設計 . 324.1 視頻采集軟件設計 . 32 4.2L INUX 下圖像數(shù)據(jù)的 H.264壓縮 . 32 4.3視頻傳輸模塊設計 . 385 結論與展望 . 395.1全文結論 . 39 5.2研究展望 . 39致謝 . 40參考文獻 . 411 緒 論1.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷史視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要經歷了三個階段 1:第一代 模擬閉路電視(CCTV 監(jiān)控系統(tǒng)閉路電視系統(tǒng)可以視為單個行組合的模擬設備, 其中有攝像機、 監(jiān)視器、 畫面 分割器,切換器(包括矩陣,各種長時間模擬視頻錄像機、 云臺鏡頭解碼器

11、和控 制器等。并不難找到此復雜系統(tǒng)的異常,需要對安裝和布線大量工作、 維護和擴展系統(tǒng) 也是很難。系統(tǒng)不支持遠程的傳輸圖像,而且不能與其他系統(tǒng)結合,如門禁、 報警 系統(tǒng)的工作,已經變得越來越不能適應時代發(fā)展步伐。第二代 半數(shù)字式監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字硬盤錄像系統(tǒng)(DVR 第二代基于 PC 機監(jiān)控系統(tǒng) DVR 的出現(xiàn)使得計算機得到了普及應用。早期的 DVR 是基于硬壓縮 x86 芯片卡和基于 Windows 98 操作系統(tǒng)的軟件平臺,其后逐漸發(fā)展 成一種特殊類型的監(jiān)控設備數(shù)字硬盤錄像機。 網絡概念的滲透允許執(zhí)行遠程網絡傳 輸?shù)裙δ?。但對于仍然使用集中式監(jiān)視下,攝像機、編譯 /解碼器、視頻設備如電纜沒有任 何

12、改善,所以 DVR 數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)是不完全正確。在安裝、 維護、 升級、 擴展系統(tǒng) 方面,用戶的問題都還不小。此外,基于 Windows 操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性差, DVR 可能 會導致系統(tǒng)出現(xiàn)緊急情況,需要更高的級別監(jiān)測站點是一個很大的問題。第三代 全數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)(DSS 第三代視頻監(jiān)控系統(tǒng)趨于網絡化, 數(shù)字視頻壓縮、 傳輸、 存儲為核心,以智 能圖像分析為特點, 與警報系統(tǒng)、 門禁系統(tǒng)在一個平臺上的結合引發(fā)了一場革命, 由 于發(fā)揮突出,視頻監(jiān)控很快得到保安行業(yè)和用戶的注意。與傳統(tǒng)的 CCTV 系統(tǒng) (即 第一代和半數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng) DVR(即第二代比,第三代監(jiān)測系統(tǒng)基于 TCP/IP 網絡 協(xié)議, 出

13、現(xiàn)了一個分布式的概念, 擴展到分散與集中的監(jiān)視模式互補無限的延伸的監(jiān) 測范圍。 在硬件設備方面, 第三代系統(tǒng)中的應用有更高級的 D/A 和 A/D 轉換設備視 頻服務器或內置處理器的網絡攝像機, 圖像處理 包括集合、 壓縮和協(xié)議轉換和傳輸, 設置監(jiān)測點到處使用互聯(lián)網和局域網,即插即用,實現(xiàn)了圖像收集、傳輸、錄像,最終輸出是在全程化數(shù)字的情況下完成,處理程序的系統(tǒng)固化及 DVR 系統(tǒng)也更穩(wěn)定, 因此是真正意義的全數(shù)字化網絡監(jiān)控系統(tǒng)。特別是第三代數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)具有以下突出的優(yōu)點:1. 數(shù)據(jù)存儲:使用 JPEG 議案, H.26x , MPEG 多媒體數(shù)字壓縮技術,全數(shù)字視 頻圖像,存儲在計算機的硬盤

14、上,可以存儲為 1 個月或更長的時間不斷,以避免定 期更換磁帶的麻煩。數(shù)字數(shù)據(jù)存儲可以保證長時間、 更穩(wěn)定的數(shù)據(jù),不容易損壞。 2. 數(shù)據(jù)查詢:傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控系統(tǒng),當問題出現(xiàn)需要花很多時間看錄像來查找 站點的記錄 ,而數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用計算機的索引就可以幫助用戶在短時間內整 合到相應字段的記錄,節(jié)省時間和精力,大大提高了工作效率。3. 錄像的質量和圖像質量:數(shù)字圖像的圖片顯示是以循序漸進的方式,使用數(shù) 字視頻可以使視頻畫質高度清晰、 確保圖像屏幕信息。 使用該計算機還可以幫助圖像 去噪、 銳化、處理,調整圖像大小及使用高分辨率的計算機顯示器,你可以看到高 質量的圖像。 此外, 你還可以在同臺

15、顯示器上看到 4、 12、 16路 或更多視頻圖像。 4. 網絡傳輸功能:數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)是一種產品的完美結合在安防行業(yè)、 IT 行業(yè) 中, 所以它有相當一部分的功能在計算機網絡上。 數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的抗干擾的能力, 不 易受傳輸?shù)男盘査p影響和能加密傳輸,以便您可以在實時監(jiān)測數(shù)千公里的數(shù)字信 息。 特別是在惡劣的條件或不利于直接親自管理的情況下, 數(shù)字視頻監(jiān)控可以實現(xiàn)的 訪問效果?？缬虮O(jiān)測需求可以得到完美的解決。5. 系統(tǒng)集成:發(fā)展到第三代, 視頻監(jiān)控系統(tǒng)使門禁系統(tǒng)、 報警系統(tǒng)集成在一起。 數(shù)字視頻數(shù)據(jù)、門禁數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù),通過計算機的操作,處理,數(shù)據(jù)之間的互動, 完善這三個系統(tǒng),幾乎可以解決所有用

16、戶的需求。6. 擴充簡易:數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的前端設備主要由網絡攝像機和視頻服務器組 成,他們很容易擴充,只要電源和網絡接口就能夠訪問系統(tǒng)的擴展范圍。7. 系統(tǒng)易于管理和維護:數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由電子設備, 集成度、 視頻傳 輸使用有線或無線信道。以這種方式, 整個系統(tǒng)的設計是一個模塊化的結構、 , 體積小、 便于安裝、 使 用和維護。是的因為第三代數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)存在很多優(yōu)勢,滿足了信息化、智能化、網 絡化發(fā)展,使數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)取代模擬監(jiān)控系統(tǒng)和 DVR 系統(tǒng)成為必然,慢慢地應用到 每個行業(yè)中。1.2 視頻監(jiān)控的現(xiàn)狀與發(fā)展對國內和國外市場,主要有兩種類型的監(jiān)測產品:數(shù)字控制的模擬視頻監(jiān)控和 數(shù)字視

17、頻監(jiān)控。數(shù)控仿真監(jiān)測系統(tǒng)技術長時間的發(fā)展在實際工程是有非常廣泛的應 用, 發(fā)展成熟及性能也是穩(wěn)定, 但因為視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的信息流形成不變量仍為模擬 視頻信號, 系統(tǒng)的網絡結構主要是一個單向的和方式集中的信息收集網絡, 系統(tǒng)已發(fā) 展到很高的水平,沒有太多的潛力可挖其限制仍然存在 ;數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)技術是新的 興起,解決模擬系統(tǒng)部分缺點且快速發(fā)展,但發(fā)展不成熟,需要更近一步完善。縱觀 全局,數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)是大勢所趨,具有真正的研究價值 23。數(shù)字監(jiān)控視頻系統(tǒng)通常分為兩類:一種基于 PC 的相結合的多媒體作品 ; 另一 種是嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng) 4。數(shù)字視頻壓縮編碼技術日趨成熟, 為基于 PC 機多媒體

18、監(jiān)控創(chuàng)造了許多有利條件。 迅速崛起了新視頻的視頻監(jiān)控系統(tǒng), 替換一些視頻矩陣圖像分割器、 錄像機為核心, 輔之以其他路由仿真模擬視頻監(jiān)控,主要的好處:(1 多媒體監(jiān)控主機 PC 機結合視頻矩陣、 分割、 錄像機等多項功能, 極大地 簡化的體系結構。(2 計算機網絡技術、 數(shù)字多媒體遠程網絡監(jiān)測沒有距離限制。(3 使用大容量磁盤或光盤存儲的結果, 您可以節(jié)省大量的磁帶介質, 同時有利 于多媒體信息查詢系統(tǒng)。但隨著視頻監(jiān)控的發(fā)展,基于 PC機在實際工程的過程中,使用的視頻系統(tǒng)不穩(wěn) 定。嵌入式的系統(tǒng)是專用到計算機系統(tǒng), 嵌入式系統(tǒng)的核心技術是一個新的技術發(fā)展 方向在計算機系統(tǒng)中嵌入對象。嵌入式系統(tǒng)定

19、義為:嵌入式的系統(tǒng)是“用于控制,監(jiān) 視, 或者輔助操作機器和設備” , 國內公認的嵌入式的系統(tǒng)定義為 : “以應用為中心, 以計算機技術為基礎,軟硬件可裁剪,適應應用系統(tǒng)對功能,可靠性,成本,體積, 功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)”。由于到嵌入式系統(tǒng)具有體積小、 性能、 低功耗、 高可靠性和面向行業(yè)應用的特點, 已經廣泛應用于軍工、消費類電子產品、信息家電、網絡通信、工業(yè)控制等。嵌入式 的系統(tǒng)可以描述成無處不在,各種電子手表、電話、手機、 PDA 、洗衣機、電視、電 飯煲、 微波爐等日常生活用品都存在了嵌入式系統(tǒng)。1.3 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢嵌入式信息家電產品, 參加的互聯(lián)網時代不僅為嵌入式的

20、市場得到了一個很好的 前景,注入新的生命 ;也對嵌入式系統(tǒng)的技術,尤其是軟件技術帶來了新的挑戰(zhàn)。 這包括:支持越來越多的功能密度、 靈活的網絡連接、 輕量級的移動應用程序和 多媒體信息處理、,當然也要面對更激烈的市場競爭。1. 嵌入式的應用軟件的開發(fā)需要強大功能的開發(fā)工具和對支持操作系統(tǒng)隨著技術走成熟, 互聯(lián)網的帶寬增加, ICP 和 ASP 的互聯(lián)網信息的內容日益豐 富,包括應用程序各不相同,如電話、 手機、 固定電話和冰箱、 微波爐功能嵌入 不再單一、 電氣結構是更為復雜的電子設備。以滿足應用程序的功能升級,設計師 一方面強大嵌入式處理器,增強處理能力對 32 位、 64 位 RISC 芯

21、片或信號處理 DSP ;同時使用實時多任務的編程技術和交叉開發(fā)工具技術控制復雜性、 簡化應用 程序的設計,確保軟件質量,并縮短開發(fā)時間。目前,海外的商業(yè)化嵌入式實時操作系統(tǒng),適配已進入中國市場,微軟、 QNX和 Nuclear 等其它產品。 我國自主開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)軟件產品, 如科銀 (CoreTek 公 司的嵌入式的軟件開發(fā)平臺 DeltaSystem ,它不僅包括 DeltaCore 嵌入式實時操作 系統(tǒng),也包括 LamdaTools 交叉開發(fā)工具套件、 測試工具、 應用程序組件等 ;此 外,中國科學院也推出霍本嵌入式操作系統(tǒng) 5。2. 網絡互連的必然趨勢為了滿足嵌入分布式的處理結構和互聯(lián)

22、網應用的需要, 面向 21 世紀的嵌入式系 統(tǒng)需要標準的一個或多個網絡接口的通信。 對于外部網絡的要求, 嵌入式的設備分布 需具有通訊接口, 對應需要 TCP/IP 協(xié)議系列軟件的支持 ; 因為家電相互關聯(lián) (防 盜報警、 照明節(jié)能控制和電視設備終端的信息交換 協(xié)調工作的要求, 下一代嵌入 式的設備的試驗場儀器要有 IEEE1394、 USB和可以與藍牙或 IrDA 通信的接口同時 還需要提供相應的通訊組網絡協(xié)議軟件和驅動的物理層。 特定的編程模型支持應用軟 件,如 Web 或無線 Web 編程模型,但還需要適當?shù)臑g覽器,如 HTML、 WML 等 6。 3. 支持小型電子設備實現(xiàn)體積小、 低

23、功耗和低成本為了滿足此屬性, 嵌入式產品被要求降低處理器性能, 有限內存容量, 多路復用 接口芯片。 這增加了嵌入式的軟件設計的技術要求。 例如, 選擇最佳的編程模型和持續(xù)改進的算法,使用 Java 編程模型、 性能優(yōu)化系列儀器。因此,這兩個軟件人員 有豐富的經驗,需要更多的嵌入式的軟件技術,如 Java,如 Web 和 WAP 的發(fā)展。 4. 提供了先進的多媒體人機接口嵌入式的設備數(shù)以百萬計的用戶愿意接受的其中一個重要因素是使用自然的人 機交互界面, 如驅動程序處理的契合和高度自動化的汽車, 主要是通過方向盤的習慣、 踏板和操縱桿。人與信息終端需求和 GUI 屏幕中心多媒體接口進行交互。輸入

24、、語 音撥號、彩色圖形、 圖像、 發(fā)送和接收電子郵件,取得了初步成效。目前一些先進 的 PDA 顯示屏已實現(xiàn)漢字書寫,語音短信發(fā)布,但遠離語言同聲傳譯,還有很長的 距離。1.4 本課題的主要工作本文主要工作是基于 ARM 的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計的研究與實現(xiàn), 主要圍 繞視頻的采集與回放。安排工作如下:第一章 緒論, 介紹視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷史以及現(xiàn)狀與發(fā)展, 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展的 驅動。第二章 系統(tǒng)的硬件設計。第三章 嵌入式 Linux 移植。第四章 嵌入式視頻軟件設計。第五章 結論與展望。2 系統(tǒng)的硬件電路設計2.1 系統(tǒng)的工作原理本系統(tǒng)設計的硬件平臺主要由三部分組成,監(jiān)控前端視頻服務器

25、、 USB 攝像頭以 及遠程客戶機。 其中監(jiān)控端視頻服務器是基于 ARM9的 32位嵌入式系統(tǒng), 視頻服務器 主要由核心處理器部分和擴展部分組成。下圖 2-1是系統(tǒng)工作的原理框圖。 圖 2-1 系統(tǒng)工作原理其工作原理:移植具有實現(xiàn)硬件功能的嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)到系統(tǒng)平臺中, 在 操作系統(tǒng)中編碼驅動程序實現(xiàn)對攝像頭的驅動控制, 系統(tǒng)平臺中 Linux 操作系統(tǒng)啟動 后加載攝像頭驅動,用視頻采集應用程序實現(xiàn)對視頻信號的采集,處理器 S3C2410再對采集到的視頻數(shù)據(jù)進行 H.264壓縮, 最后通過網絡通訊程序把壓縮后的視頻數(shù)據(jù) 發(fā)送出去, 遠程端主機收到后可解壓顯示, 同時也可通過網絡對系

26、統(tǒng)平臺進行遠程控 制。2.2 ARM嵌入式處理器簡介ARM 系列嵌入式處理器是英國先進 RISC (Reduced Instruction Set Computer 機器公司(Advanced RISC Machines,簡稱 ARM 公司的產品。 ARM 公司是業(yè)界領先 的知識產權供應商,與一般的公司不同, ARM 公司既不生產芯片,也不銷售芯片,而 是設計出高性能、 低功耗、 低成本和高可靠性的 IP 內核, 如 ARM 處理器內核 (ARM7TDMI 、ARM9TDMI 、 ARM10TDMI 等和 ARM 處理器宏核(ARM720T 、 ARM920T/922T/940T、 ARM10

27、20E/1022E等 ,授權給各半導體公司使用;半導體公司 (ARM公司合作伙伴 在 ARM 技術的基礎上,根據(jù)自己公司的產品定位,添加自己的設計并推出各種嵌入式微 處理器 MPU 或微控制器 MCU 芯片產品; 最后有 OEM 客戶采用這些芯片來構建基于 ARM 技術的最終應用系列產品。由上面可以得知, ARM 并不是一款處理器的名稱,它只是一個公司的名稱,或者 說是嵌入式處理器的內核名稱。所以, ARM 嵌入式處理器應該理解為以 ARM 為內核的 嵌入式處理器。ARM處理器是精簡指令集計算機(RISC 。 RISC 的概念源于斯坦福大學和伯克利 大學在 1980年前后進行的處理器研究計劃。

28、最初 ARM 是 1983到 1985年間在英國劍 橋的 Acorn Computer 公司開發(fā)的。它是第一個為商業(yè)用途開發(fā)的 RISC 微處理器,同 后來的 RISC 體系結構有明顯的不同。 1990年, ARM 特別為擴大開發(fā) ARM 技術而成立 了獨立的公司。從那以后, ARM 已被授權給世界各地的許多半導體制造廠。它已經成 為低功耗和追求成本的嵌入式應用的市場領導者。ARM微處理器主要包括 ARM7系列、 ARM9系列、 ARM9E 系列、 ARM10E 系列、 ARM11系列、 SecurCore 系列、 OptimoDE 系列、 StrongARM 系列、 XScale 系列, 以

29、及 Cortex 系列等。ARM芯片還獲得了許多實時操作系統(tǒng)供應商的支持, 比較知名的有:Windows SE 、 uCLinux 、 pSOS 、 Vxworks 、 ,Nucleus 、 uC/OS、 Palm OS等。在 ARM 內核中有四個功能模塊,這四個模塊分別用 T 、 D 、 M 和 I 來表示 13。 T:表示 Thumb ,該內核可從 16位指令集擴充到 32位 ARM 指令集。D :表示 Debug , 該內核中放置了用于調試的結構, 通常它為一個邊界掃描鏈 JTAG , 可使 CPU 進入調試模式,從而可方便地進行斷點設置、單步調試。M:表示 Multiplier ,是

30、8位乘法器。I:表示 EmbeddedICELogic ,用于實現(xiàn)斷點觀測及變量觀測的邏輯電路部分,其 中的 TAP 控制器可接入到邊界掃描鏈。1.ARM 體系結構(1 ARM微處理器支持 7種運行模式,如表 2-1所示。表 2-1 ARM微處理器運行模式 說明:ARM 微處理器的運行模式有兩種方法改變一種是通過軟件,另外一種改變 是通過外部中斷或異常處理。大部分的應用程序是在用戶模式下運行, 當處理器在用戶模式下運行時, 一些被 保護的系統(tǒng)資源是不能被訪問的。除了用戶模式,剩下的 6 種模式稱為非用戶模式或特權模式;其中除用戶模式 和系統(tǒng)模式另外 5種模式又稱為異常模式, 常用于處理中斷或異

31、常, 以及需要訪問受 保護的系統(tǒng)資料等情況。(2兩種處理器工作狀態(tài)ARM 狀態(tài)(執(zhí)行 32位 ARM 指令和 Thumb 狀態(tài)(執(zhí)行 16位 Thumb 指令 。 (3嵌入式在線仿真調試ARM 處理器的體系結構都嵌入了在線仿真 ICE-RT 邏輯, 便于仿真調試芯片通 JTA 的方式,節(jié)省了費用一些價格昂貴的在線仿真器。(4靈活方便的借口ARM 體系結構具有協(xié)處理器接口,可以接協(xié)處理器 16個。既方便地擴充 ARM 指 令集, 可以使基本 ARM 處理器內核盡可能小, 也可以支持協(xié)處理器的軟件仿真通過未 定義指令方式。(5低電壓功耗的設計ARM 體系結構的處理器通常主要用于手持式嵌入式系統(tǒng)中,

32、 在設計中 ARM 體系結 構就比較注意功耗方面的設計。(6 RISC 型處理器結構ARM 采用 RISC 結構,在簡化處理器結構,減少復雜功能指令的同時,提了高處 理器的速度。2.ARM 存儲結構ARM 體系結構可以用兩種方法存儲字數(shù)據(jù),稱之為大端格式和小端格式。 大端格式 (big-endian : 字數(shù)據(jù)的高字節(jié)存儲在低址中,而字數(shù)據(jù)的低字節(jié)則 存放在高地址中。小端格式(low-endian :與大端存儲格式相反。低地址中存放的是字數(shù)據(jù)的低 字節(jié),高地址存放的是字數(shù)據(jù)的高字節(jié)。3.ARM 異常中斷ARM 有 7種異常:1. 復位 2.未定義指令異常 3.軟件中斷異常 4.數(shù)據(jù)中止(取 指

33、令存儲中止 5. 數(shù)據(jù)中止 (訪問數(shù)據(jù)存儲器中止 6. IRQ異常 7. FIQ異常。2.3 嵌入式視頻采集系統(tǒng)設計嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)通過前端的采集, 經過網絡傳輸, 然后到后臺。 前端 采集的實現(xiàn)通過嵌入式平臺,這里用普通的 PC 機作為后臺的宿主機。下圖 2-2為系 統(tǒng)主成框圖。 目標機圖 2-2 嵌入式視頻采集系統(tǒng)框圖嵌入式系統(tǒng)最為重要的是要選擇合適的處理芯片, 所以本系統(tǒng)選擇 S3C2410處理 器。S3C2410處理器是 Samsung 公司基于 ARM 公司的 ARM920T 處理器核, 采用 0.18um 制造工藝的 32位微控制器。該處理器擁有:獨立的 16KB 數(shù)據(jù) C

34、ache 和 16KB 指令 Cache , MMU ,支持 NAND 閃存控制器, TFT 的 LCD 控制器, 4路 DMA (直接存儲器訪問 , 3路 UART , 4路帶 PWM 的 Timer , I/O口, RTC , Touch Screen 接口, 8路 10位 ADC , IIC-BUS 接口, IIS-BUS 接口, 2個 USB 主機, 1個 USB 設備, SD 主機和 MMC 接口, 2路 SPI 。 S3C2410處理器最高可運行在 203MHz 。S3C2410處理器的功能 12:(1 S3C2410芯片集成了大量的功能單元1. 內部電壓 1.8V ,存儲器電壓

35、3.3V ,外部 I/O電壓 3.3V , 16KB 數(shù)據(jù) Cache ,16KB 指令 Cache , MMU 。2. 內置外部存儲器控制器(芯片選擇邏輯和 SDRAM 控制 。3. LCD控制器。4. 4個帶外部請求線的 DMA (直接存儲器訪問 。5. 3個通用異步串行端口(IrDA1.0, 16-Byte Tx FIFO and 16-Byte Rx FIFO , 2通道 SPI 。6. 一個多主 I2C 總線,一個 I2S 總線控制器。7. SD主接口版本 1.0和多媒體卡協(xié)議版本 2.11兼容。8. 兩個 USB HOST,一個 USB DEVICE(VER1.1 。9. 一個內部

36、定時器和 4個 PWM 定時器。10. 看門狗定時器。11. 117個通用 I/O。12. 56個中斷源。13. 24個外部中斷。14. 電源控制模式:標準、慢速、休眠、掉電。15. 8通道 10位 ADC 和觸摸屏接口。16. 帶日歷功能的實時時鐘。17. 芯片內置 PLL 。18. 設計用于手持設備和通用嵌入式系統(tǒng)。19. 16/32位 RISC 體系結構,使用 ARM920T CPU核的強大指令集。20. 帶 MMU 的先進的體系結構支持 WinCE 、 EPOC32、 Linux 。21. 指令緩存(Cache 、數(shù)據(jù)緩存、寫緩存和物理地址 TAG RAM ,減小了對主存 儲器帶寬和性

37、能的影響。22. ARM920T CPU核支持 ARM 調試的體系結構。23. 內部先進的位控制器總線(AMBA (AMBA2.0, AHB/APB 。(2系統(tǒng)管理1. 小端 /大端支持。2. 地址空間:每個 BANK128MB (全部為 1GB 。3. 每個 BANK 可編程為 8/16/32位數(shù)據(jù)總線。4. 固定起始地址 BANK0到 BANK6。5. BANK7可編程 BANK 起始地址和大小。6. 一共 8個存儲器。7. 前 6個存儲器 BANK 用于 ROM 、 SRAM 和其它。8. 兩個存儲器 BANK 用于 ROM 、 SRAM 、和 SDRAM (同步隨機存儲器 。9. 支持

38、等待信號用以擴展總線周期。10. 支持 SDRAM 掉電模式下支持自刷新。11. 支持不同類型的 ROM 用于啟動(NOR/NAND Flash、 EEPROM 和其它 。攝像頭的組成包括傳感器 (Sensor 、 數(shù)字信號處理器 (Digital Signal Processor 即 DSP 、鏡頭(lens 、外殼模具、 USB 的連線,還有電路板及阻容等周邊器件。我 們選擇 USB 的標準是需要有較高的清晰圖以及較好的圖像畫面。 而這里面最關鍵的選 擇是傳感器、 DSP 以及鏡頭的選擇 7。傳感器器件屬于將光信號轉換成電信號器件,目前常見的主要有兩種分別為 CCD 、 COMS 。 CC

39、D 是由一種特殊的半導體材料組成,即大量的光敏元件構成。它的優(yōu) 點是成像像素較高, 有很好的清晰度, 同時速度對光線方面要求不大; 缺點是制造的 工藝復雜、成品率不高,而且技術壟斷使得它的造價比較貴,功耗也大,故它主要用 于高檔次數(shù)碼攝像機、數(shù)碼照相機。另一方面 COMS 主要是由硅和鍺兩種元素構成半 導體,它的成像方面稍差,同時光線也不是很好,速度也慢,也沒有 CCD 省電。不過 它有個優(yōu)點就是造價便宜,通常用在低檔相機、數(shù)碼攝像頭或玩具方面。綜合考慮, 本系統(tǒng)選用 COMS 傳感器。攝像頭的鏡頭在光線方面是最為重要的,這里有玻璃鏡片、塑膠鏡片和化合物 3種材料。玻璃鏡片造價高,塑膠鏡片便宜

40、,化合物較少用,故本系統(tǒng)選用的材料是塑 膠鏡片。目前市面上的數(shù)字攝像頭芯片種類很多,性能各異,這些攝像頭中 Omni Vision 公司生產的 OV 系列產品應用最為廣泛。 OV 系列產品的種類也很多,根據(jù)本系統(tǒng)的功 能特點, 需選擇一款具有彩色成像功能的芯片。 我們選用 OV6620芯片, 它價格便宜、 性能不過剩、封裝較為常見。2.4視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計利用 S3C2410強大的擴展功能, 根據(jù)系統(tǒng)的實際需要, 設計如圖 2-3所示的硬件 系統(tǒng)。在處理器豐富資源的基礎上進行了相關的配置和擴展,平臺配置了 64Mbytes8位的 NAND 閃存和 64Mbytes32位的 SDRAM , 通

41、過以太網控制器芯片 CS8900A 擴展了一 個網口,另外引出一個串行接口和兩個 HOST/DEVICE USB 接口。通過在 USB 接口上外 接一個帶 USB 口的數(shù)碼攝像頭, 將采集到的視頻圖像數(shù)據(jù)放入存儲器緩沖區(qū)中, 或者 用 H.264壓縮處理程序處理緩沖區(qū)的圖像數(shù)據(jù)并保存,數(shù)據(jù)可存儲在 NAND 閃存中等 待遠程主機的訪問, 也可以通過 CS8900A 擴展的網絡接口將視頻數(shù)據(jù)直接發(fā)送到遠程 網中的控制主機上。 圖 2-3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件框圖2.5 最小系統(tǒng)設計嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺結構主要分為兩大部分:一部分為系統(tǒng)的主板,為基于 ARM 的最小系統(tǒng),包括 ARM CPU 、 Fl

42、ash 、 SDRAM 、串口、鍵盤等最基本的東西;另一 部分為系統(tǒng)的擴展版,提供了用于完成各個不同硬件的功能模塊。S3C2410需要 3.3V 和 1.8V 兩種供電電壓,為簡化系統(tǒng)電源電路設計,整個系統(tǒng) 的輸入電壓為高質量的 5V 直流穩(wěn)壓電源。VDD3.3V 提供給 VDDMOP 、 VDDIO 、 VDDADC 和 VCC 引腳, VDD1.8V 提供給 VDDi 、 VDDRTC 引腳。5V 的輸入電壓到 3.3V 和 1.8V 的電壓轉換是通過 DC-DC 轉換器完成的。在系統(tǒng) 中 1.8V 電源和后備的電源一起提供 RTC 所要的電壓, 當系統(tǒng)工作 1.8V 電壓有效, 即 使系

43、統(tǒng)掉電,后備電池也可為 RTC 電路提供所需的電源。電源電路如圖 2-4所示。 圖 2-4 電源電路設計圖時鐘管理模塊同時擁有兩個鎖相環(huán),一個稱為 MPLL ,擁有 FCLK 、 HCLK 和 PCLK ; 另一個稱為 UPLL , 用于 USB 設備。 對時鐘的選擇是通過 S3C2410引腳上 OM3:2實現(xiàn) 的, 當 OM3:2=00時, MPLL 和 UPLL 都選擇外部振蕩器; 當 OM3:2=01時, MPLL 的 時鐘選擇外部振蕩器, UPLL 選擇外部時鐘源; OM3:2=10時, MPLL 的時鐘選擇外部時鐘源, UPLL 選擇外部振蕩器; OM3:2=11時, MPLL 和

44、UPLL 都選擇外部時鐘源。 本系統(tǒng)采用 OM3:2都接地的方式,即采用外部振蕩器提供系統(tǒng)時鐘。 S3C2410處理器內部帶有片上振蕩器是雙鎖相環(huán)電路, 所以通常外部都接頻率比較低的有源晶 振或晶體振蕩器。此外, S3C2410內部帶有實時時鐘電路,需要外接 32.768kHz 的晶 體振蕩器。本設計使用無源晶體振蕩器 X2(12MHz和 X3(32.768kHz作為主振蕩器和 慢時鐘振蕩器, 振蕩器產生的主時鐘和慢時鐘經過微處理器內部 2個鎖相環(huán)和分頻器 后, 產生系統(tǒng)所需的各種主時鐘、 外設時鐘以及 USB 器件工作時鐘。 同時不管使用有 源晶振或晶體振蕩器, 都要考慮晶振的溫度穩(wěn)定性是否

45、滿足處理器的要求。 時鐘電路 設計如圖 2-5所示。 圖 2-5 時鐘電路設計圖系統(tǒng)復位模塊提供給 ARM 啟動信號,是整個系統(tǒng)運行的開端。 ARM 的復位信號為 RESET , 如果它有效, 系統(tǒng)復位將由內部產生。 本系統(tǒng)利用容阻電路設計的復位電路。 如圖 2-5所示, 該復位電路的工作流程為:在系統(tǒng)上電時, 通過電阻 R108向電容 C162充電,當 C162兩端電壓未達到高電平的門限電壓時, RESET 端輸出是高電平,系統(tǒng) 處于復位狀態(tài);當 C162兩端的電壓達到高電壓的門限電壓時, RESET 端輸出是低電 平, 系統(tǒng)進入正常狀態(tài)。 當用戶重復按下復位鍵時, C162兩端的電荷被釋放

46、掉, RESET 端輸出為高電平,系統(tǒng)進行復位狀態(tài),再重復上面的充電過程。兩級非門電路的作用是除去按鈕的抖動和對波形整形:nRESET 的輸出狀態(tài)與 RESET 是相反的,作用在低電平復位器件;可以通過對 R108和 C162參數(shù)的調整,可 以對復位狀態(tài)的時間進行調整。復位電路如圖 2-6所示。 圖 2-6 復位電路設計圖本系統(tǒng)存儲器模塊包括 SDRAM 存儲器和 nor Flash存儲器兩個部分。SDRAM 存儲器的作用是存放系統(tǒng)運行時的程序和數(shù)據(jù), 掉電后該部分程序和數(shù)據(jù) 會丟失。 設計中使用 2片數(shù)據(jù)寬度為 16位的 SDRAM 并行運行作為一個 32位數(shù)據(jù)寬度 的 SDRAM 模塊,以

47、充分發(fā)揮微處理器 32位數(shù)據(jù)寬度的高性能。所使用的芯片是 K4S561632C-TC75芯片,其存儲容量為 32MB ,工作電壓為 3.3V, 支持自動刷新和自刷 新, 16位數(shù)據(jù)寬度。32位的 SDRAM 存儲器系統(tǒng)是由兩片 K4S561632C-TC75并聯(lián)構建成,其中一片是 高 16位, 而另一片則是低 16位, 把兩片 K4S561632C-TC75作為一個整體配置到 Bank6中,就是將 S3C2410的 nGCS6接到兩片 K4S561632C-TC75的 /CS端;高位的 K4S561632C-TC75的 CLK 端接 S3C2410的 SCLK1端, 而低位的 K4S56163

48、2C-TC75的 CLK 端接 S3C2410的 SCLK0端;兩片 K4S561632C-TC75的 CKE 端接 S3C2410的 SCKE 端; 兩片 K4S561632C-TC75的 /RAS、 /CAS、 /WE端分別接 S3C2410的 nSDRAS 端、 nSDCAS 端、 nDWE 端; 兩片 K4S561632C-TC75的 A12A0接 S3C2410的地址總線 ADDR14ADDR2; BA1、 BA0分別接 S3C2410的地址總線 ADDR25、 ADDR24;高 16位片的 DQ15DQ0接 S3C2410的數(shù)據(jù)總線的高 16位 DATA31DATA16,低 16位

49、片的 DQ15DQ0接 S3C2410的數(shù)據(jù)總線的低 16位 DATA15DATA0;高 16位片的 UDQM 、 LDQM 分別接 S3C2410的 nWEB3、 nWEB2,低 16位片的 UDQM 、 LDQM 分別接 S3C2410的 nWEB1、 nWEB0。同時需 要一些阻和電容來達到電壓匹配和減小串擾作用。 SDRAM 存儲器的電路圖設計如圖2-7所示。 圖 2-7 SDRAM電路設計圖nor Flash 存儲器用于存儲系統(tǒng)運行所需的程序和重要數(shù)據(jù),即使掉電,程序和 數(shù)據(jù)也不會丟失。 本系統(tǒng)采用芯片 SS139VF160, 它的存儲容量為 16M 位, 將 S3C2410的 nG

50、CS0接到 SS139VF160的 CE 端; SS139VF160的 OE 端和 WE 端分別接到 S3C2410的 nOE 端和 nWE 端;地址總線 A19A0與 S3C2410的地址總線 ADDR20ADDR1相連; 16位數(shù)據(jù)總線 DQ15DQ0與 S3C2410的低 16位數(shù)據(jù)總線 XDATA15XDATA0相連。 nor Flash 存儲器設計如圖 2-8所示。圖 2-8 nor Flash電路設計圖JTAG 是 IEEE 的標準規(guī)范,主要用于芯片內部測試及對系統(tǒng)進行仿真、調試,是 調試、 開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的一種簡潔高效的手段。 它有 14針接口和 20針接口, 本設計 選用了 2

51、0針接口。 標準的 JTAG 接口是 4線分別是 TMS (模式選擇 、 TCK (測試時鐘 、 TDI (測試數(shù)據(jù)輸入 、 TDO (測試數(shù)據(jù)輸出 。JTAG 調試接口需注意以下幾點:(1盡可能按照標準的 20針口設計,即使用了 14針口的也要對應 20針口。 (2 nTRST 和 nRESET 信號不用時,要將這兩個引腳用 10K 的電阻拉高,否則這兩個引腳信號不確定,造成調試器不能連接目標系統(tǒng)。 (3 JTAG 上的輸出信號都要用 10K 電阻拉高。JTAG 接口電路如圖 2-9所示。 圖 2-9 JTAG電路設計圖RS-232C 標準采用的負邏輯的方式,標準邏輯“ 1”對應 -5V -

52、15V 電平, “ 0”對 應 +5V+15V電平;而 S3C2410的系統(tǒng) LVTTL 的標準邏輯“ 1”對應 23.3V 電平, “ 0” 對應 00.4V 電平,即 RS-232C 標準所定義的高、低電平信號與 LVTTL 所定義的高、 低電平信號完全不一樣 , 很明顯, 必須要經過信號電平轉換才能使兩者進行通信, 目 前比較常用的是 MAX3232芯片,它的工作電壓是 3.3V 。 UART 串行調試接口設計如圖 2-10所示, RXD 端、 TXD 端、 RTS 端、 CTS 端分別為數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、請求發(fā)送、 清除發(fā)送。 圖 2-10 UART串行調試接口電路圖2.6 外圍擴展

53、電路USB 工作原理:USB 通用串行總線規(guī)范是以 Intel 為主,并由康柏、微軟、 IBM 、 DEC 及日本 NEC 等共同制定的串行接口規(guī)格。 USB2.0規(guī)范向下兼容 USB1.1,數(shù)據(jù)的傳輸率達 120240Mbps ,為大數(shù)據(jù)量高速實施傳輸提供了強有力的通信方式,支持寬帶數(shù)字攝 像設備及下一代掃描儀、掃描機及存儲設備。USB 特點包括:高速數(shù)據(jù)傳送、高自由度連接 /拓撲結構、帶電插拔 /即插即用、 內置電源供給、支持多種傳輸模式USB 連接的建立是通過 ARM 發(fā)送命令來實現(xiàn)的, 這就允許 ARM 在決定與 USB建立 連接之前完成初始化程序。而 USB連接可以重新初始化而不需要

54、拔出。S3C2410內部集成一個 USB HOST 模塊和 USB DEVICE 模塊,采用的協(xié)議是 USB1.1協(xié)議,本系統(tǒng)選用的攝像頭通過 HOST 端口來獲得視頻的信息,完成圖像的信息的輸 入, 同時 HOST 和 DEVICE 端口都可由 S3C2410的 CPU 直接驅動。 USB 模塊如圖 2-11 所 示。圖 2-11 USB電路設計圖大多數(shù) ARM 都內嵌一個以太網控制器, 支持媒體獨立接口和帶緩沖 DMA 接口, 可 在半雙工或全雙工模式下提供 10M/100Mbps的以太網接入。 本系統(tǒng)采用 CS8900A 芯片, 它是一種集域網處理芯片, 在嵌入式中非常常見, 內部集成在 RAM 、 10BAST-T 收發(fā)濾 波器, 并且提供 8位或 16位接口。 CS8900網卡的工作原理:CS8900與 AR