基于arm-dsp的水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)視頻基站設(shè)計(jì)

基于arm-dsp的水環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)視頻基站設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的水環(huán)境監(jiān)控方法主要分為兩種：1。采用手動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行樣品采集和實(shí)驗(yàn)室分析；2.采用自動(dòng)水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，由多個(gè)監(jiān)測(cè)站組成。前者由于無(wú)法對(duì)水環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),存在監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、針對(duì)性差、數(shù)據(jù)采集慢等問(wèn)題,無(wú)法反映水環(huán)境動(dòng)態(tài)變化,且不易及早發(fā)現(xiàn)污染源并報(bào)警。后者雖能較好解決上述不足,但由于有預(yù)先鋪設(shè)電纜和建立多個(gè)監(jiān)測(cè)子站的施工要求,存在系統(tǒng)成本高、監(jiān)測(cè)水域范圍有限、易對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域造成破環(huán)等缺點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量低成本、低功耗的具有傳感、計(jì)算與通信能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自治網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),是能根據(jù)環(huán)境自主完成各種監(jiān)測(cè)任務(wù)的“智能”系統(tǒng)?；跓o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的典型應(yīng)用。與現(xiàn)有的水環(huán)境實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比,基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有傳感器多點(diǎn)密集部署、系統(tǒng)成本低以及對(duì)生態(tài)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)?；跓o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),國(guó)外比較典型的代表有美國(guó)Heliosware公司的EMNET系統(tǒng)和澳大利亞CSIRO的Fleck系統(tǒng)。上述兩種系統(tǒng)可采集參數(shù)種類較少、不提供對(duì)水環(huán)境的視頻監(jiān)測(cè)功能且通信速率低、產(chǎn)品體積較大、功耗較高,僅適合用作研究,目前尚不能作為實(shí)用系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)使用。國(guó)內(nèi)已對(duì)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。圖1所示為基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。將待監(jiān)測(cè)水域劃分為若干個(gè)子區(qū)域,整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)可分為三個(gè)層次,包括:子區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、子區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)視頻基站、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。其中,子區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)視頻基站間、各數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)間基于ZigBee協(xié)議通信;數(shù)據(jù)視頻基站與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心間基于CDMA網(wǎng)絡(luò)通信。數(shù)據(jù)視頻基站通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與CDMA網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接在一起,充當(dāng)兩者之間的網(wǎng)關(guān),是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信樞紐,需具有穩(wěn)定高效的通信能力與較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。目前在無(wú)線接入方式上,新興的ZigBee及CDMA無(wú)線傳輸技術(shù)憑借高通信速率、高質(zhì)量、低成本等優(yōu)點(diǎn),與其它無(wú)線傳輸技術(shù)相比,具有更高的性價(jià)比。鑒于現(xiàn)有水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的不足及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),本文研究并設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)視頻基站,該基站采用ARM-DSP雙處理器架構(gòu),結(jié)合ZigBee與CDMA無(wú)線傳輸技術(shù),實(shí)現(xiàn)基站與數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)間、基站與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心間數(shù)據(jù)的雙向通信。1系統(tǒng)的全球設(shè)計(jì)1.1arm-dsp雙處理器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)現(xiàn)有的嵌入式數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)多采用基于ARM核的微處理器作為中央處理器。作為32位的高端微處理器,ARM采用RISC精簡(jiǎn)指令集,在復(fù)雜控制場(chǎng)合具有極大優(yōu)勢(shì),但由于本身數(shù)字運(yùn)算能力的限制并不適合視頻編解碼等實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)的處理。數(shù)據(jù)視頻基站既要完成數(shù)據(jù)的無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸又要完成視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)采集處理,單ARM處理器很難滿足系統(tǒng)在控制與視頻編解碼上的全部工作,而DSP作為專門的數(shù)字信號(hào)處理芯片可實(shí)現(xiàn)在視頻信號(hào)處理上的實(shí)時(shí)性要求,若能結(jié)合ARM和DSP各自的優(yōu)點(diǎn),將會(huì)大大提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。本文采用ATMEL公司的AT91M55800A和TI公司的TMS320C6412微處理器,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于ARM-DSP雙處理器架構(gòu)的數(shù)據(jù)視頻基站,系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。其中,雙處理器采用主從方式,ARM作為主控制器,完成對(duì)ZigBee模塊上傳的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)和DSP的視頻壓縮數(shù)據(jù)的分析、處理,并以IP包的形式通過(guò)CDMA模塊實(shí)時(shí)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心,同時(shí)可接收遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心發(fā)送的基站配置信息或控制命令,完成相應(yīng)的控制操作;DSP從處理器用以完成模擬視頻信號(hào)的采集,壓縮處理,并通過(guò)HPI接口與ARM處理單元進(jìn)行高速通信。1.2視頻采集控制模塊基于DSP的視頻信號(hào)采集處理部分包括視頻采集、壓縮編碼和數(shù)據(jù)傳輸三個(gè)模塊,采集模塊負(fù)責(zé)將CCD攝像機(jī)提供的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為一定格式的數(shù)字信號(hào),DSP主要對(duì)采集的視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼,并通過(guò)HPI接口將壓縮編碼后的數(shù)據(jù)輸出至ARM處理單元?？紤]到視頻采集的復(fù)雜性和DSP控制性弱的特點(diǎn),設(shè)計(jì)中采用專用視頻解碼器+CPLD+DSP的方案,實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻信號(hào)的采集處理。其中專用視頻解碼器采用Philips的SAA7111A,用以完成模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化并提供時(shí)鐘信號(hào)與同步信號(hào);CPLD為Altera公司MAX7000A系列的EPM7128,作為采樣控制的核心,接收SAA7111A輸出的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)、時(shí)鐘及同步信號(hào),通過(guò)內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)采樣控制、地址譯碼以及產(chǎn)生兩組幀存儲(chǔ)器(SRAM1,SRAM2)輪換存儲(chǔ)的切換信號(hào),CPLD的應(yīng)用減小了系統(tǒng)體積,降低了成本,提高了可靠性;DSP處理單元主要完成視頻解碼器SAA7111A的配置及視頻數(shù)據(jù)的壓縮編碼處理,并將壓縮后的數(shù)據(jù)經(jīng)由HPI接口傳輸至ARM處理單元,完成視頻數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。1.3dsp的運(yùn)行在視頻信號(hào)采集處理過(guò)程中,實(shí)現(xiàn)視頻解碼器視頻信號(hào)的采集、輸出和DSP讀取、處理間的速度匹配是關(guān)鍵。為解決這一問(wèn)題,本文采用雙幀存儲(chǔ)器緩存結(jié)構(gòu),以輪換存儲(chǔ)的方式工作。其過(guò)程如下,視頻解碼器SAA7111A輸出視頻數(shù)據(jù),將其存儲(chǔ)于幀存儲(chǔ)器SRAM1中,在存完一幀視頻數(shù)據(jù)后,SAA7111A通過(guò)CPLD向DSP中斷引腳發(fā)送中斷信號(hào)。DSP接收并響應(yīng)中斷后,在中斷服務(wù)程序中設(shè)置狀態(tài)變量并通過(guò)CPLD作一次地址、數(shù)據(jù)總線切換,將DSP的數(shù)據(jù)、地址總線連至剛存完一幀的幀存儲(chǔ)器SRAM1中(同時(shí)將CPLD的數(shù)據(jù)、地址總線切換至另一幀存儲(chǔ)器SRAM2中),DSP查詢?cè)谥袛喾?wù)程序中設(shè)置的狀態(tài)變量,若滿足條件,則從剛存完一幀數(shù)據(jù)的SRAM1上讀取數(shù)據(jù)至片內(nèi)RAM中并作處理。此時(shí),SAA7111A仍不斷解碼出視頻數(shù)據(jù),且將第二幀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于另一幀存儲(chǔ)器SRAM2中(如前所述,在中斷服務(wù)程序中,已將地址、數(shù)據(jù)總線切換至幀存儲(chǔ)器SRAM2中)。在CPLD的控制下,雙幀存儲(chǔ)器輪換存儲(chǔ),以實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)高速采集、處理和傳輸要求。在雙幀切換控制中,每一個(gè)幀存儲(chǔ)器都有各自獨(dú)立的地址線、數(shù)據(jù)線、讀寫和片選信號(hào)。設(shè)計(jì)中需要注意的是,由于視頻數(shù)據(jù)連續(xù)、輪換地存儲(chǔ)于幀存儲(chǔ)器中,而DSP在一幀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢、響應(yīng)中斷后,未必立即執(zhí)行數(shù)據(jù)的讀取與處理。若不及時(shí)將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)及時(shí)讀取并處理,將會(huì)發(fā)生丟幀現(xiàn)象。由文獻(xiàn),對(duì)于PAL制式的視頻輸出,幀頻為25frame/s,即每40ms輸出一幀圖像。這就要求在雙幀存儲(chǔ)中,一幀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完后至DSP從幀存儲(chǔ)器中開(kāi)始讀取的可能最長(zhǎng)時(shí)間(MAXtime)與DSP處理完數(shù)據(jù)的時(shí)間之和至少小于一幀數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)時(shí)間,且在40ms以內(nèi)。2硬件部分設(shè)計(jì)本基站系統(tǒng)基于ZigBee、CDMA無(wú)線傳輸技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸,并通過(guò)DSP采集視頻信號(hào)。其硬件部分除ARM處理單元外,包括ZigBee射頻模塊、CDMA傳輸模塊,以及視頻信號(hào)采集處理模塊等部分,如圖2所示。以下部分對(duì)各模塊與ARM處理單元間的接口電路進(jìn)行了設(shè)計(jì),包括ZigBee射頻模塊接口設(shè)計(jì)、CDMA傳輸模塊接口設(shè)計(jì)、DSP與ARM通信接口設(shè)計(jì)三部分。2.1cc220接口電路設(shè)計(jì)選用CC2420無(wú)線射頻模塊,CC2420是一款符合2.4GHzIEEE802.15.4/ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的低功耗、短距離的工業(yè)級(jí)射頻收發(fā)器件,只需配備極少的外部元器件,就可確保短距離通信的有效性和可靠性。硬件接口電路如圖3所示。CC2420的接口包含SFD,FIFO,FIFOP,CCA和SPI接口(CSn,SI,SO和SCLK)。其中前四個(gè)引腳表示數(shù)據(jù)收發(fā)的狀態(tài),AT91M55800A通過(guò)四個(gè)I/O與其相連,起到查詢狀態(tài)的作用,而與CC2420數(shù)據(jù)的交換、命令的發(fā)送則通過(guò)SPI接口進(jìn)行。在這里,ARM處理單元設(shè)置為主機(jī)模式,通過(guò)SPI接口訪問(wèn)CC2420內(nèi)部寄存器和存儲(chǔ)器,作為從設(shè)備的CC2420接收來(lái)自ARM處理單元的時(shí)鐘信號(hào)和片選信號(hào),并在其控制下執(zhí)行輸入輸出操作。2.2arm處理單元控制CDMA傳輸模塊采用ANYDATE公司的DTGS-800?？紤]到CDMA現(xiàn)有的數(shù)據(jù)上行速度,一片DTGS-800很難滿足基站大量數(shù)據(jù)、視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸需要,為此采用雙CDMA模塊,通過(guò)ARM處理單元控制,復(fù)合使用。本系統(tǒng)中,雙CDMA模塊與ARM的兩個(gè)全雙工通用同步/異步收發(fā)器(USART)連接,其峰值速度可達(dá)到153.6kbit/s×2,平均傳輸速率為75kbit/s×2,接口電路如圖4所示。主機(jī)ARM通過(guò)發(fā)送AT指令實(shí)現(xiàn)與CDMA模塊的通訊。2.3arm的hpi接口ARM與TMS320C6412HPI接口電路如圖5所示。ARM作為主機(jī),DSP工作在從模式下,兩者間通過(guò)中斷方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。通過(guò)HPI接口,ARM可直接訪問(wèn)DSP內(nèi)部的RAM或映射到存儲(chǔ)器空間的外部設(shè)備。C6412的HPI接口通過(guò)16位數(shù)據(jù)線HD0-HD15和10根控制線與主機(jī)ARM的外部總線接口(EBI)連接,由于EBI是16位數(shù)據(jù)總線,因此這里設(shè)置C6412在HPI16模式下工作。數(shù)據(jù)視頻基站中,視頻信號(hào)傳輸至ARM處理單元采用中斷方式進(jìn)行,在此,將HPI口中斷信號(hào)端接至主機(jī)上的外部中斷引腳IRQ3,以使主機(jī)偵聽(tīng)來(lái)自DSP的中斷信號(hào)。3軟件功能模塊本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編程,關(guān)鍵代碼用匯編語(yǔ)言編寫,以提高運(yùn)行效率。軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方式,主要軟件功能模塊包括系統(tǒng)主程序模塊、視頻采集處理模塊、CDMA通信處理模塊、ZigBee通信處理模塊、ARM-DSP通信處理模塊等五部分。3.1視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)ARM處理器作為整個(gè)系統(tǒng)的主控制器,主要完成數(shù)據(jù)的接收、處理及發(fā)送任務(wù)。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示,由5個(gè)子模塊構(gòu)成,分別是:①初始化模塊,執(zhí)行系統(tǒng)的自檢,對(duì)串口、定時(shí)器、I/O口等資源的初始化,以及完成ZigBee與CDMA模塊的參數(shù)配置操作;②CDMA通信處理模塊,實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心建立鏈接,無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)視頻基站采集的數(shù)據(jù)、視頻信息并接收遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心發(fā)送的控制命令數(shù)據(jù)包;③ZigBee通信處理模塊,建立與數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的通信連接,接收監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上傳的水環(huán)境參數(shù)并發(fā)送數(shù)據(jù)采集控制命令;④ARM-DSP通信處理模塊,通過(guò)DSP的HPI接口與ARM的處理單元實(shí)現(xiàn)通信,發(fā)送控制命令、采集經(jīng)DSP壓縮處理后的視頻數(shù)據(jù);⑤數(shù)據(jù)處理模塊,該部分程序設(shè)計(jì)較復(fù)雜,主要由通信協(xié)議處理和數(shù)據(jù)分析與處理兩部分組成。數(shù)據(jù)分析與處理部分,主要對(duì)采集的數(shù)據(jù)作初步分析與處理,并產(chǎn)生相關(guān)的報(bào)警數(shù)據(jù)等,協(xié)議處理部分主要包括ZigBee協(xié)議處理。3.2視頻采集處理基站的視頻信號(hào)采集處理部分,由DSP作為核心控制單元,CPLD作為采樣控制單元,并采用雙幀存儲(chǔ)器輪換存儲(chǔ)方式,實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)采集和處理間的速度匹配需要。如圖7所示為視頻采集處理工作流程圖。視頻采集過(guò)程中,視頻解碼器SAA7111A一直處于工作中,不斷輸出視頻信號(hào),且在CPLD的控制下輪換寫入幀存儲(chǔ)器SRAM中,當(dāng)存儲(chǔ)完完整的一幀圖像后,CPLD向DSP的中斷引腳發(fā)送中斷信號(hào),DSP響應(yīng)中斷后進(jìn)入中斷處理程序,在中斷處理程序中設(shè)置狀態(tài)變量以及通過(guò)CPLD作地址、數(shù)據(jù)總線切換。視頻數(shù)據(jù)處理部分通過(guò)判斷狀態(tài)變量,決定是否讀取處理視頻數(shù)據(jù)。雙幀存儲(chǔ)器切換機(jī)制的采用,使得視頻采集與數(shù)據(jù)處理能夠并行執(zhí)行,提高了視頻采集、處理速度。3.3視頻站和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)選用的DTGS-800模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧,只需通過(guò)AT指令建立同CDMA網(wǎng)絡(luò)的連接,獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商ISP動(dòng)態(tài)分配的IP地址,并與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器IP之間建立Socket鏈接。在使用CDMA模塊前,需進(jìn)行設(shè)置,以確定其工作方式。當(dāng)數(shù)據(jù)視頻基站與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心建立TCP連接后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收處理。水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,基站與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心通信的內(nèi)容包括水環(huán)境參數(shù)/視頻信息和控制指令兩類,基站以定時(shí)發(fā)送的方式發(fā)送數(shù)據(jù),同時(shí)可接收遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心發(fā)送的控制指令,并作出相應(yīng)操作。3.4zigbe通信數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)3.4.1ieee802.4/z空間電路設(shè)計(jì)基站與數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)間基于ZigBee協(xié)議通訊。如前所述,CC2420是一款符合IEEE802.15.4/ZigBee技術(shù)的收發(fā)芯片,其硬件支持一部分IEEE802.15.4數(shù)據(jù)幀格式。MAC層的幀格式為:頭幀+數(shù)據(jù)幀+校驗(yàn)幀,PHY層的幀格式為:同步幀+PHY頭幀+MAC幀。具體的數(shù)據(jù)通信幀格式如表1所示。3.4.2接收模式cc220在本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)視頻基站與數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通信體系中,基站除發(fā)送控制指令外,始終保持其ZigBee模塊處于接收模式下,并以中斷的方式實(shí)時(shí)響應(yīng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)信息。在此,配置CC2420工作于緩沖模式(模式0)。當(dāng)需要接收上傳的信息時(shí),先配置ZigBee模塊至接收模式,且通過(guò)FIFOP中斷服務(wù)程序完成信息包的接收,同時(shí)完成RXFIFO緩沖器溢出和信息包格式合法性判斷。3.5dsp響應(yīng)中斷在HPI接口設(shè)計(jì)中,主機(jī)ARM與DSP通過(guò)雙方發(fā)送中斷完成交互和握手。通信內(nèi)容包括主機(jī)ARM的控制指令與DSP處理后的視頻數(shù)據(jù)。開(kāi)始工作時(shí),主機(jī)ARM發(fā)送控制指令,并通過(guò)HPI接口中斷DSP,DSP響應(yīng)中斷后取出控制指令,并解碼指令,然后執(zhí)行所需的操作(如數(shù)據(jù)的傳輸,攝像機(jī)焦距、云臺(tái)的控制等)。當(dāng)ARM向DSP請(qǐng)求視頻數(shù)據(jù)時(shí),ARM向DSP發(fā)送指令字,并中斷DSP,DSP響應(yīng)中斷后,將壓縮編碼后的數(shù)據(jù)存入HPI接口的RAM中,且當(dāng)存完一幀數(shù)據(jù)后,DSP發(fā)中斷給ARM,ARM響應(yīng)中斷后,清除該中斷,并將HPI口RAM中數(shù)據(jù)取出,存于ARM緩沖區(qū)中(RAM)中。4基于arm-dsp的視頻監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一項(xiàng)最新的IT