巧用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)字視頻音頻監(jiān)控系統(tǒng)

隨著電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和應(yīng)用的快速發(fā)展，視頻和音頻數(shù)字壓縮傳輸、存儲(chǔ)已成為現(xiàn)實(shí)。數(shù)字視頻和音頻的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是遠(yuǎn)程監(jiān)控。即在一些重要場(chǎng)所或無人值守的地方，放置攝像頭和麥克風(fēng)，將視頻和音頻的數(shù)字壓縮信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的PC機(jī)，以供實(shí)時(shí)監(jiān)控或存儲(chǔ)、查詢、回放。目前在中國應(yīng)用較多的數(shù)字圖像和聲音的傳輸系統(tǒng)都是基于工控機(jī)和PC機(jī)。即監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，在工控機(jī)上插入圖像和聲音的數(shù)字化專用卡，通過普通網(wǎng)卡，在通用的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)上可方便實(shí)現(xiàn)圖像和聲音的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)傳輸?；诠た貦C(jī)的方案，成本較高，但軟硬件開發(fā)、系統(tǒng)集成較方便。

為了大幅度降低成本，使遠(yuǎn)程數(shù)字視頻音頻監(jiān)控應(yīng)用更加普及，目前國內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)是使用嵌入式系統(tǒng)。即采用專用微處理器、圖像聲音的數(shù)字化芯片、數(shù)據(jù)壓縮芯片及網(wǎng)絡(luò)接口芯片等，按照特定的功能需求開發(fā)出最小應(yīng)用單板系統(tǒng)。這樣，系統(tǒng)功能沒有任何浪費(fèi)，可大幅度降低成本。而且，由于軟件都是固化在單板內(nèi)的Flash ROM中，系統(tǒng)更加可靠。

１ 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能概述

由于嵌入式系統(tǒng)具有上述的種種優(yōu)點(diǎn)，筆者最新開發(fā)了一套基于嵌入式技術(shù)的多媒體遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用目前流行的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，視頻編碼基于H.263協(xié)議--低比特率視頻通信編碼算法 音頻編碼基于G.723協(xié)議--低比特率音頻通信編碼算法。它們可以在網(wǎng)絡(luò)帶寬很低的環(huán)境，甚至是電話線上進(jìn)行圖像和聲音的傳輸。

整個(gè)系統(tǒng)主要由三部分組成：前端機(jī)、監(jiān)控中心和客戶端，其具體架構(gòu)如圖１所示。

前端機(jī)是一塊嵌入式系統(tǒng)的印刷電路板它的主要功能如下：

· 四路模擬視頻信號(hào)輸入，可任意選擇一路進(jìn)行采樣和壓縮編碼；

· 一路音頻信號(hào)的編碼與解碼；

· 通過局域網(wǎng)向監(jiān)控中心傳送視頻編碼數(shù)據(jù)和音頻編碼數(shù)據(jù)，并接收監(jiān)控中心傳送的音頻編碼數(shù)據(jù)；

· 通過ＲＳ－２３２接口向攝像頭的云臺(tái)控制器發(fā)出控制指令；

· 通過ＥＰＬＤ的并行口接收用戶報(bào)警信號(hào)，并通過局域網(wǎng)傳送到監(jiān)控中心。

監(jiān)控中心是整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的中樞，它的主要功能如下：

· 通過局域網(wǎng)向前端機(jī)發(fā)送用戶控制指令，如前端機(jī)的選擇、視頻通道的選擇、調(diào)節(jié)圖像參數(shù)包括幀速率、碼流量的大小、色度、亮度、飽和度和對(duì)比度、聲音編碼音量的大小等；

· 接收多路前端機(jī)的視頻編碼數(shù)據(jù)，保存在本地硬盤上，同時(shí)進(jìn)行解碼，并顯示多路解碼圖像；

· 向遠(yuǎn)程用戶轉(zhuǎn)發(fā)當(dāng)前視頻編碼數(shù)據(jù)，或者傳送存盤圖像數(shù)據(jù)。

客戶端是提供一個(gè)用戶操作的界面。本地用戶可以直接在監(jiān)控中心的服務(wù)器上使用；而遠(yuǎn)程用戶則有另一套操作界面可使用的功能比本地用戶少，但是它可以讓異地用戶通過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或者電話線獲得本地的視頻信息。

該系統(tǒng)還具有很好的擴(kuò)展性能。對(duì)于幾百甚至上千個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的大型監(jiān)控場(chǎng)所，可以采用多級(jí)級(jí)聯(lián)的方式，即在前端機(jī)和監(jiān)控中心之間，加上一級(jí)或者多級(jí)區(qū)域服務(wù)器，每個(gè)區(qū)域服務(wù)器可以管理十幾至幾十個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，他們分擔(dān)監(jiān)控中心的工作，并接受監(jiān)控中心的控制。

２ 前端機(jī)的硬件設(shè)計(jì)與各模塊的功能

本嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件開發(fā)工作主要集中在嵌入式前端機(jī)的硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試上。

前端機(jī)是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其總體結(jié)構(gòu)如圖２所示。主要包含嵌入式ＣＰＵ、ＥＰＬＤ、視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、視頻壓縮編碼芯片、音頻編碼解碼芯片、音頻模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、以太網(wǎng)控制器、數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器、Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ、ＲＡＭ、多種電源芯片和時(shí)鐘芯片等。這些芯片按照各自的功能分別組合，構(gòu)成了幾大模塊，它們分別是：ＣＰＵ模塊、電源時(shí)鐘模塊、控制模塊、視頻采集編碼模塊、音頻采集編解碼及模擬輸入輸出模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊。

ＣＰＵ模塊是所有硬件模塊的核心，主要包括嵌入式ＣＰＵ芯片，兩片ＲＡＭ和兩片Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ。一片Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ存放了整個(gè)硬件的監(jiān)視系統(tǒng)，也叫ＲＯＭ Ｍｏｎｉｔｏｒ。當(dāng)系統(tǒng)上電后，ＣＰＵ從中調(diào)入程序進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)硬件的自檢和初始化配置，并為用戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單操作環(huán)境。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可以通過它來讀?。茫校罩饕?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/寄存器/" target="_blank">寄存器的狀態(tài)，從而找出故障原因。另一片Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ用來存放用戶的應(yīng)用程序。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)通過自檢后ＣＰＵ將用戶的應(yīng)用程序讀入ＲＡＭ中執(zhí)行。ＣＰＵ通過ＰＣＩ總線與視頻壓縮編碼芯片與以太網(wǎng)控制器連接，對(duì)它們進(jìn)行調(diào)度和數(shù)據(jù)的收發(fā)。ＣＰＵ還提供了兩個(gè)串口，其中一個(gè)與普通電腦的串口連接，通過Ｗｉｎｄｏｗｓ下的超級(jí)終端，可以讓用戶對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)試；另一個(gè)串口則用于控制攝像頭云臺(tái)。

電源時(shí)鐘模塊負(fù)責(zé)給整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)鐘和電源，是系統(tǒng)的基本模塊。由于整個(gè)嵌入系統(tǒng)使用的芯片和器件較多，且各個(gè)器件對(duì)電源和時(shí)鐘的要求也不同，所以設(shè)計(jì)時(shí)使用了四種電源芯片和六種時(shí)鐘晶振?？紤]到多種電源的存在，將電源層劃分成了七大塊，分別對(duì)所需要的器件供電；同時(shí)，也對(duì)數(shù)字地和模擬地進(jìn)行了分割。這樣使整個(gè)系統(tǒng)的電源信號(hào)達(dá)到較高的質(zhì)量，大大提高了器件工作的穩(wěn)定性和可靠性。

控制模塊是一片可編程邏輯芯片ＥＰＬＤ，其主要功能包括ＰＣＩ總線的地址譯碼與片選、電源控制、ＣＰＵ的復(fù)位、Ｉ／Ｏ輸入輸出和看門狗邏輯。其中８路Ｉ／Ｏ輸入作為用戶的報(bào)警輸入，６路Ｉ／Ｏ輸出顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)?？撮T狗邏輯是嵌入式系統(tǒng)不可缺少的部分。因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)一般不需要時(shí)刻監(jiān)管，當(dāng)系統(tǒng)工作狀態(tài)出現(xiàn)了偶然的異常情況如死機(jī)，看門狗可以自動(dòng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，讓系統(tǒng)恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。 視頻采集編碼模塊主要由視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、視頻壓縮編碼芯片和ＲＡＭ組成。這個(gè)模塊的主要功能是將模擬視頻輸入送到視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)變換，并將變換后的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)送入視頻壓縮編碼芯片視頻壓縮編碼芯片在ＲＡＭ中將視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼最后通過ＰＣＩ總線將視頻編碼數(shù)據(jù)送入ＣＰＵ。此外 視頻壓縮編碼芯片還能通過Ｉ２Ｃ總線對(duì)視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的圖像參數(shù)進(jìn)行控制包括圖像的亮度、色度、對(duì)比度和飽和度的調(diào)節(jié)以及視頻采樣通道的選擇等。

音頻編碼解碼模塊主要包括音頻編碼解碼芯片、音頻模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片和音頻模擬信號(hào)處理電路。音頻模擬信號(hào)處理電路主要是把音頻信號(hào)進(jìn)行濾波、放大；音頻模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的功能是把模擬音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻信號(hào)及把數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號(hào)；音頻編碼解碼芯片的主要功能是對(duì)數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行編解碼。

網(wǎng)絡(luò)模塊主要由以太網(wǎng)控制器、數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器和ＥＥＰＲＯＭ組成，是ＣＰＵ和網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁，類似于計(jì)算機(jī)上的網(wǎng)卡。它支持ＩＥＥＥ以太網(wǎng)物理層協(xié)議，在ＥＥＰＲＯＭ中用戶可以自己燒制嵌入式系統(tǒng)的底層硬件ＭＡＣ地址。

３ 軟件開發(fā)

本系統(tǒng)的軟件主要分為嵌入式前端機(jī)程序設(shè)計(jì)、監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)和用戶界面設(shè)計(jì)三大部分。

３．１ 嵌入式前端機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

由于監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，前端機(jī)必須滿足實(shí)時(shí)性和并發(fā)性的要求，所以應(yīng)用軟件基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。采用了ＵＳ Ｓｏｆｔｗａｒｅ開發(fā)的ＳｕｐｅｒＴａｓｋ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它具有內(nèi)核小、用戶可配置系統(tǒng)參數(shù)、高效的多任務(wù)管理支持優(yōu)先級(jí)排隊(duì)和循環(huán)調(diào)度機(jī)制、支持多種物理介質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)、完整的ＴＣＰ／ＩＰ網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧兼容ＢＳＤ、完全符合ＡＮＳＩ Ｃ標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn)。

前端機(jī)的應(yīng)用程序由主控制、視頻編碼中斷、視頻網(wǎng)絡(luò)傳送、音頻編碼中斷、音頻網(wǎng)絡(luò)傳送、音頻網(wǎng)絡(luò)接收、音頻解碼中斷和串口中斷等幾個(gè)任務(wù)組成，各個(gè)任務(wù)的關(guān)聯(lián)如圖３所示。

３．２ 監(jiān)控中心服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心服務(wù)器軟件是在Ｗｉｎｄｏｗ２０００下用ＶＣ＋＋開發(fā)的其總體結(jié)構(gòu)如圖４所示。 首先，程序?qū)⒏鶕?jù)配置文件的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化，這些系統(tǒng)參數(shù)用戶可以根據(jù)自己的需要在配置文件中進(jìn)行修改。

然后，程序?qū)⑦M(jìn)行端口監(jiān)聽，ＣＣｔｒｌＬｉｓｔｅｎＳｏｃｋｅｔ作為監(jiān)控中心服務(wù)器的Ｓｏｃｋｅｔ開始工作。一旦前端機(jī)向監(jiān)控中心請(qǐng)求控制端口的連接，先通過Ａｃｃｅｐｔ將連接指定到ＣＣｔｒｌＳｏｃｋｅｔ，再通過ＣＣｔｒｌＳｏｃｋｅｔＧｅｔＰｅｅｒＮａｍｅｒＰｅｅｒＡｄｄｒｅｓｓｒＰｅｅｒＰｏｒｔ得到遠(yuǎn)端的ＩＰ地址。如果地址是非法的，則立即斷開；如果地址合法，就調(diào)用ＣＣｔｒｌＳｏｃｋｅｔＩｎｉｔ初始化。 主線程主要接收來自用戶的按鈕等命令，同時(shí)利用定時(shí)器刷新系統(tǒng)運(yùn)行的總時(shí)間以及利用定時(shí)器檢查各個(gè)前端機(jī)的連接狀態(tài)。

３．３ 用戶界面的設(shè)計(jì)

用戶界面使用Ｄｅｌｐｈｉ進(jìn)行開發(fā)。Ｄｅｌｐｈｉ是目前世界上最流行的開發(fā)語言，它豐富的應(yīng)用模板并附帶各種工具軟件，使用戶界面的開發(fā)更加方便快捷，外觀更加漂亮。