基于TMS320DSC21嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)無(wú)線監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)

目前，數(shù)字類消費(fèi)電子產(chǎn)品的需求增長(zhǎng)驚人。在這些產(chǎn)品中，成像和視頻類產(chǎn)品比重很大。并且技術(shù)積累日益成熟，單說(shuō)算法有靜態(tài)圖像的JPEG標(biāo)準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)視頻的MPEG1、MPEG2、MPEG3和H.263、H.264，并有向H.264過(guò)渡的趨勢(shì)。將相關(guān)的圖像技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)中將是我們考慮的一個(gè)重要方向。在銀行、變電站、車(chē)站等場(chǎng)所，需要重點(diǎn)考慮單張圖片的提取分析要求，以及控制應(yīng)用成本，所以用M-JPEG算法比較合適。

本監(jiān)控系統(tǒng)基于TMS320DSC21嵌入式處理器平臺(tái)和嵌入式Linux系統(tǒng)，分為遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)采集端和本地監(jiān)控終端，通過(guò)CDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)采集端采集監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)單幀圖像和視頻連續(xù)幀并編碼壓縮成M-JPEG并保存成文件，然后通過(guò)CDMA網(wǎng)路傳給本地監(jiān)控端。監(jiān)控端接收到圖像數(shù)據(jù)后，進(jìn)M-JPEG解碼并在模擬液晶屏上顯示出來(lái)。M-JPEG采用幀內(nèi)壓縮算法，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有變化的對(duì)象可以達(dá)到較高的壓縮比，并且成本較低，從而實(shí)現(xiàn)在帶寬有限的情況下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程觀測(cè)。本文主要介紹監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)。

圖1 無(wú)線圖像監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)監(jiān)控終端硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

CPU采用TI公司芯片TMS320DSC21。該芯片是TI公司推出的一款基于多處理器架構(gòu)之上的DSP數(shù)字圖像處理器。其采用一個(gè)ARM7 32 位 RISC 微控制器來(lái)處理非成像功能，并用作整個(gè)系統(tǒng)的主控制器，同時(shí)采用可編程的 C5409 DSP 核心處理圖像解碼。另外，DSC21 還集成了專門(mén)用于處理大部分復(fù)雜計(jì)算圖像任務(wù)的可編程協(xié)處理器。其中一個(gè)協(xié)處理器——圖像處理引擎iMX執(zhí)行 DCT、反向DCT，其它協(xié)處理器執(zhí)行可變長(zhǎng)度編碼/解碼、量化與逆量化。

電源模塊負(fù)責(zé)電源的平穩(wěn)輸出和監(jiān)視。

CDMA無(wú)線接收模塊接收J(rèn)PEG數(shù)據(jù)流，并存放到SDRAM中。圖像顯示模塊將解壓后的原始圖像在電視或模擬液晶屏上顯示出來(lái)。

存儲(chǔ)器模塊由FLASH與SDRAM組成。FLASH存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)程序，是系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行（脫機(jī)運(yùn)行）必不可少的組成部分。SDRAM存儲(chǔ)器用于系統(tǒng)軟件的運(yùn)行以及圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。這樣可以調(diào)用以前的圖像數(shù)據(jù)，用于研究。

調(diào)試仿真模塊用于調(diào)試仿真使用，還可以通過(guò)它將圖像數(shù)據(jù)從SDRAM中導(dǎo)入電腦中。

系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于開(kāi)放源代碼Linux操作系統(tǒng)，本系統(tǒng)移植的是2.4版本。整個(gè)Linux系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

整個(gè)Linux系統(tǒng)以前面介紹的TMS320DSC21硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，針對(duì)本系統(tǒng)硬件需要的主要驅(qū)動(dòng)程序分別是CDMA模塊驅(qū)動(dòng)和OSD圖像顯示驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)程序?qū)Φ讓佑布M(jìn)行抽象，為頂層應(yīng)用程序提供一致的底層接口。JPEG圖像數(shù)據(jù)接收、管理程序作為一個(gè)常駐守護(hù)線程一直監(jiān)控底層CDMA模塊的活動(dòng)，并給上層應(yīng)用層程序提供相關(guān)接口函數(shù)。

頂層應(yīng)用層程序通過(guò)JPEG圖像數(shù)據(jù)接收、管理服務(wù)程序獲取從CDMA驅(qū)動(dòng)接收來(lái)的圖像數(shù)據(jù)，然后調(diào)用huffman解碼庫(kù)對(duì)圖像進(jìn)行解壓，然后把解壓后的YUV數(shù)據(jù)存入SDRAM，然后映射到OSD區(qū)域，通過(guò)液晶屏顯示出來(lái)。

圖像的JPEG解碼實(shí)現(xiàn)

μclinux系統(tǒng)控制DSP端進(jìn)行JPEG解碼，經(jīng)過(guò)預(yù)處理、Huffman 解碼、反量化、IDCT 變換這幾個(gè)主要步驟將JPEG 圖像數(shù)據(jù)恢復(fù)成壓縮編碼前的圖像數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)OSD處理最終在液晶屏上顯示出圖像來(lái)。詳細(xì)流程如圖4。

圖4 JPEG解碼流程圖

用CDMA模塊無(wú)線傳輸圖像數(shù)據(jù)

CDMA是碼分多址的英文縮寫(xiě)（Code Division Multiple Access），它是在數(shù)字技術(shù)的分支——擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的一種移動(dòng)通信技術(shù)。不同的移動(dòng)臺(tái)共用一個(gè)頻率應(yīng)用擴(kuò)頻通信技術(shù)對(duì)每個(gè)移動(dòng)臺(tái)分配一個(gè)獨(dú)特的、隨機(jī)的碼序列，每個(gè)碼序列互不相同，而且彼此都不相關(guān)。它的容量接近于以前CDMA 1×系統(tǒng)容量的兩倍，從而能夠適應(yīng)不斷成長(zhǎng)的語(yǔ)音服務(wù)和無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)新型服務(wù)的需要。其次它的最高下載速度可以達(dá)到153kbps（將來(lái)可以達(dá)到307kbps），上傳速度達(dá)64K。這樣的速度對(duì)于每秒4幀左右的352x288的M-JPEG壓縮圖像數(shù)據(jù)的傳輸已經(jīng)足夠。

為了能在盡量少的數(shù)據(jù)冗余的情況下，準(zhǔn)確無(wú)誤的傳送數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)的底層參考了XMODEM協(xié)議。

XMODEM協(xié)議是一種使用撥號(hào)調(diào)制解調(diào)器的個(gè)人計(jì)算機(jī)通信中廣泛使用的異步文件運(yùn)輸協(xié)議。這種協(xié)議以128字節(jié)塊的形式傳輸數(shù)據(jù)，并且每個(gè)塊都使用一個(gè)校驗(yàn)和過(guò)程來(lái)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)。如果接收方關(guān)于一個(gè)塊的校驗(yàn)和與它在發(fā)送方的校驗(yàn)和相同時(shí)，如果包成功接收，接收方會(huì)返回一個(gè)肯定應(yīng)答信號(hào)（ACK），如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則返回一個(gè)否定應(yīng)答信號(hào)（NAK）并重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。然而，這種對(duì)每個(gè)塊都進(jìn)行認(rèn)可的策略將導(dǎo)致低性能，特別是具有很長(zhǎng)傳播延遲的CDMA連接的情況時(shí)，問(wèn)題更加嚴(yán)重。

本系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)是JPEG壓縮數(shù)據(jù)包，結(jié)合這個(gè)特點(diǎn)，我們?cè)赬modem的基礎(chǔ)上制定了一套相應(yīng)的傳送協(xié)議。只有在數(shù)據(jù)包有丟失，而且的確影響后面的解碼時(shí)，才發(fā)送重傳請(qǐng)求，且只重傳相應(yīng)的包。如果不影響，則丟棄。這樣做能最大限度利用CDMA有限的帶寬保證數(shù)據(jù)的正常傳輸。

結(jié)語(yǔ)

本文主要完成了監(jiān)控終端設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了測(cè)試，當(dāng)監(jiān)控對(duì)象沒(méi)有劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，在20kbps的帶寬下，達(dá)到了每秒4幀的傳輸速度，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。圖5是原始圖像， 圖6是采用上述處理流程，進(jìn)行解碼后得到的圖像。應(yīng)用本文所述方法完成圖像采集和遠(yuǎn)程傳送工作，可廣泛用于銀行、變電站、車(chē)站、辦公大樓等場(chǎng)所。比傳統(tǒng)監(jiān)控方式更方便，而且成本低，有著廣闊的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。

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