大型儀器設(shè)備遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

過元華，章國寶

（東南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210096）

目前，國家對高等教育的重視程度不斷提高，對高等院校的科研資金投入不斷增加。各類高校的科研條件得到很大的改善，許多高校都引進(jìn)或購置了大型的實(shí)驗(yàn)用儀器設(shè)備。這些儀器設(shè)備往往較為昂貴，且對使用條件要求較高。高等院校及科研院所的實(shí)驗(yàn)室大多采用計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行管理，但此類管理系統(tǒng)一般都只局限于對設(shè)備賬目的日?；芾?，是一種靜態(tài)的管理。而對設(shè)備的使用狀態(tài)及完好情況、使用設(shè)備的計(jì)時(shí)收費(fèi)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)室電源系統(tǒng)的控制以及實(shí)驗(yàn)室安全等方面缺乏完整的監(jiān)控管理系統(tǒng)[1]。因此，設(shè)計(jì)一種針對高校大型儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是很有意義的。通過這一系統(tǒng)，設(shè)備管理人員能夠?qū)崿F(xiàn)對儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)化管理。當(dāng)設(shè)備故障時(shí)，亦可通過觀看先期存儲(chǔ)的使用狀態(tài)錄像來判斷故障原因，減少了維修時(shí)間和維修成本。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 處理器介紹

數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）憑借強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力被廣泛應(yīng)用在視頻圖像處理等運(yùn)算密集的場合，而嵌入式微處理器（ARM）以其強(qiáng)大的控制能力廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等外圍控制的場合。在本系統(tǒng)中，以ARM作為主處理器芯片，完成各種控制和網(wǎng)絡(luò)傳輸功能；采用DSP作為從設(shè)備單元處理器，完成數(shù)據(jù)采集和分析處理的工作。ARM單元和DSP單元構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)的雙核架構(gòu)[2]，并通過數(shù)據(jù)總線將DSP上處理的數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM進(jìn)行傳輸或存儲(chǔ)。

本系統(tǒng)采用芯唐公司的NUC960作為主處理器芯片。NUC960是一款以16/32位ARM926EJ-S為內(nèi)核的精簡指令集微處理器。該內(nèi)核提供了8 kb指令高速緩存和8 kb數(shù)據(jù)高速緩存，并包含一個(gè)完整的存儲(chǔ)器管理單元（MMU）。NUC960集成了豐富的片上資源，包括10 M/100 Mb以太網(wǎng)MAC控制器、EBI總線單元和用于外圍設(shè)備通信的PCI總線接口等。NUC960提供嵌入式Linux系統(tǒng)所需的虛擬存儲(chǔ)功能，尤其適用于各種要求高性能和低功耗的嵌入式產(chǎn)品中[3]。

同時(shí)，本系統(tǒng)采用SPCT6100作為從處理器DSP芯片。SPCT6100是一款高性能多媒體數(shù)字信號(hào)處理器，主要用于監(jiān)控系統(tǒng)中的編解碼。它采用H.264視頻編解碼技術(shù)，并包含四路視頻輸入、一路音頻輸入和一路音視頻輸出。特別地，SPCT6100包含有兩種接口類型，即PCI（外圍器件接口）和HPI（主機(jī)接口）。通過這兩種接口，SPCT6100可以方便地集成到各種嵌入式系統(tǒng)中。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。NUC960上運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制和網(wǎng)絡(luò)功能等；SPCT6100通過數(shù)字信號(hào)處理算法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和傳輸。為了盡可能多的保留NUC960外圍接口，且考慮到芯片引腳特點(diǎn)，NUC960與SPCT6100之間采用PCI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖1 系統(tǒng)整體框圖Fig.1 Overall block diagram of system

在本系統(tǒng)中，從外接的CCD攝像頭采集到的視頻模擬量信號(hào)經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入SPCT6100進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。NUC960通過PCI總線讀取經(jīng)過處理后的數(shù)字量信號(hào)，并將壓縮的數(shù)據(jù)通過校園網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)阻塞或服務(wù)器故障時(shí)，NUC960可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地的存儲(chǔ)器芯片上。設(shè)備管理人員可以通過Web-server查看設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行畫面，也可以調(diào)取存儲(chǔ)在服務(wù)器上的設(shè)備早期運(yùn)行畫面。

考慮到本系統(tǒng)主要面向高校實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備，為了方便校園信息化管理，NUC960擴(kuò)展的UART串口可以連接讀卡器，系統(tǒng)可以通過讀取校園卡來記錄使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備人員的信息。另外，本系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了設(shè)備上電檢測的功能，即當(dāng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備開始上電運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)才開始處理和存儲(chǔ)視頻信號(hào)；當(dāng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)停止處理數(shù)據(jù)。這樣即可消除大量的冗余數(shù)據(jù)，節(jié)省服務(wù)器開銷。

2 主從處理器接口設(shè)計(jì)

在使用ARM和DSP的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如何高效方便地實(shí)現(xiàn)ARM控制器和DSP之間的數(shù)據(jù)通信是很重要的一部分[4]。

PCI總線即外圍部件互聯(lián)總線，是先進(jìn)的高性能32/64位地址數(shù)據(jù)復(fù)用局部總線，可同時(shí)支持多組外圍設(shè)備。PCI局部總線不受制于處理器，為中央處理器及高速外圍設(shè)備提供一座橋梁[5]。PCI總線的運(yùn)行速度快，它采取總線主控的方式來加速執(zhí)行高吞吐量、高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。PCI總線的存取延遲時(shí)間極小，它獨(dú)特的同步操作功能可以保證處理器能與總線主控同時(shí)操作而不必等待后者的完成。另外，PCI總線還具有可擴(kuò)展性強(qiáng)和支持線性突發(fā)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。

很多DSP芯片采用HPI口來與外部總線進(jìn)行通信，如果要和CPU進(jìn)行通信，則一般要通過增加PCI總線控制芯片來實(shí)現(xiàn)。而SPCT6100內(nèi)部已經(jīng)集成了PCI總線接口，通過PCI總線接口能夠?qū)Ρ忍亓鲾?shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并實(shí)現(xiàn)與NUC960主處理器單元的無縫對接。SPCT6100的PCI總線上32位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用引腳及其他大部分控制引腳與NUC960的相應(yīng)引腳可以直接相連。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 電源模塊

在本系統(tǒng)中，ARM處理器NUC960需要兩種電壓，一種是1.8 V的內(nèi)核電壓，另一種是3.3 V的I/O電壓；而DSP處理器SPCT6100需要3種電壓，即1.2 V的內(nèi)核電壓、2.5 V的DDR驅(qū)動(dòng)電壓和3.3 V的I/O電壓。然而，在外圍設(shè)備中，許多器件還要求5 V供電，例如USB接口和電流檢測電路等。因此，為了便于電源管理，本系統(tǒng)采用5 V電源輸入。由于輸入電壓和輸出電壓之間的壓差并不接近，如果采用LDO型線性穩(wěn)壓器作為輸入端電源芯片，則功率消耗較大，并不合適。本系統(tǒng)采用TPS54386作為輸入端電源芯片，經(jīng)過外接合適的電感和濾波電容能夠同時(shí)得到3.3 V和1.8 V兩種電壓。TPS54386是DCDC轉(zhuǎn)換芯片，其輸出電流可以高達(dá)3 A，且工作效率高，工作狀態(tài)穩(wěn)定，能夠適合本系統(tǒng)的要求。另外，可以使用LDO型電源芯片來實(shí)現(xiàn)3.3 V到2.5 V和1.8 V到1.2 V的電平轉(zhuǎn)換。

3.2 存儲(chǔ)器模塊

NUC960內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是無法滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求的，為了滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的需要，本系統(tǒng)擴(kuò)展了Flash和SDRAM兩種存儲(chǔ)器。

NOR Flash是Flash的一種，它的寫入和擦除速度較慢，但隨機(jī)讀取速度快。NOR Flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個(gè)字節(jié)[6]。NOR Flash最大的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行，這樣應(yīng)用程序可以直接在Flash內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中[7]。本系統(tǒng)所用的NOR Flash容量為2 M×16 bits，用來存放系統(tǒng)啟動(dòng)代碼、操作系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)。由于NUC960自身EBI接口支持?jǐn)U展Flash，因此電路相對比較簡單。

和Flash不同，SDRAM不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，但可讀可寫，且存取數(shù)據(jù)的速度很快，因此SDRAM在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)[6]。為了充分發(fā)揮32位CPU的數(shù)據(jù)處理能力，本系統(tǒng)采用兩片16位數(shù)據(jù)寬度的SDRAM并聯(lián)構(gòu)建32位的存儲(chǔ)器系統(tǒng)，其中一片作為高16位，另一片作為低16位，兩片SDRAM均與NUC960的EBI總線連接，可滿足系統(tǒng)相對復(fù)雜的運(yùn)行要求，電路如圖2所示。

圖2 SDRAM與ARM的接口Fig.2 SDRAM’s interface with ARM

3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

本系統(tǒng)使用CCD攝像頭進(jìn)行視頻信號(hào)的采集，CCD攝像頭的成像分辨率較CMOS攝像頭更為清晰。通過CCD采集到的視頻模擬量信號(hào)經(jīng)過BNC（同軸電纜卡環(huán)形接口）送入A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理。

TW9910是一款適用于便攜設(shè)備的低功耗視頻解碼芯片，可以將模擬量視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為8位或16位4：2：2YCbCr格式數(shù)字量輸出。TW9910還包括檢測和處理VBI信號(hào)的電路。在本系統(tǒng)中NUC960通過SPI口讀寫TW9910各個(gè)寄存器的值，復(fù)位信號(hào)可以初始化控制寄存器的值。本系統(tǒng)采用8位數(shù)字量輸出的形式，將TW9910的高8位輸出引腳與SPCT6100的其中一路視頻信號(hào)總線相連。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路Fig.3 A/D circuit

3.4 電流檢測電路

為了減少服務(wù)器的存儲(chǔ)開銷，也同時(shí)為了減少網(wǎng)絡(luò)占用率，本系統(tǒng)特別設(shè)計(jì)了一種電流檢測電路來實(shí)時(shí)檢測用電設(shè)備的開啟和關(guān)閉狀態(tài)。

大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備采用220 V交流電源供電，因此，本系統(tǒng)采用5 A/2.5 mA的交流電流互感器作為前端檢測元件，當(dāng)設(shè)備上電運(yùn)行和停止使用時(shí)可以檢測到電流的變化。電流互感器二次側(cè)的電流流過負(fù)載電阻可以轉(zhuǎn)換為電壓值，再經(jīng)過由放大器搭建成的比較器即可產(chǎn)生ARM處理器能夠識(shí)別的開關(guān)量。如圖4所示，本系統(tǒng)用到了兩個(gè)運(yùn)算放大器：前一個(gè)運(yùn)放用來加強(qiáng)帶載能力，比直接加電阻負(fù)載的相位差小，動(dòng)態(tài)范圍大。負(fù)載電阻采用變阻器以滿足各類設(shè)備的不同額定電流要求。后一個(gè)運(yùn)放用作比較器，正向輸入端輸入的電壓信號(hào)與反向輸入端分壓電路電壓值比較并輸出相應(yīng)的電壓開關(guān)量。考慮到輸出端是直接連接到ARM的GPIO口，因此宜采用不高于5 V的單電源供電運(yùn)算放大器。

圖4 電流檢測電路Fig.4 Current detecting circuit

3.5 外圍接口設(shè)計(jì)

NUC960的另一大特點(diǎn)就是提供了豐富的外圍設(shè)備接口，在本系統(tǒng)中主要用到了網(wǎng)絡(luò)通信接口、USB接口和UART串口等。

NUC960內(nèi)置以太網(wǎng)MAC控制器，該控制器具有相應(yīng)的DMA控制器，發(fā)送和接收FIFO，支持IEEE802.3協(xié)議，可以以半雙工或全雙工模式工作在10 M/100 Mb/s的傳輸速度上。本系統(tǒng)采用IP101作為物理接口收發(fā)器，向網(wǎng)絡(luò)層提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口。它提供了一個(gè)硬件中斷用以指示連接狀態(tài)、速度狀態(tài)和全/半雙工狀態(tài)。

同時(shí)，NUC960集成了USB2.0主設(shè)備控制器和USB2.0從設(shè)備控制器，可以支持USB0和USB1兩個(gè)設(shè)備。其中USB1只能作為主設(shè)備，而USB0則可以配置為主設(shè)備或者從設(shè)備。在本次設(shè)計(jì)中，NUC960的2個(gè)USB2.0接口均配置為主設(shè)備。USB0用作預(yù)留的USB設(shè)備擴(kuò)展接口，可以方便系統(tǒng)后期軟件開發(fā)時(shí)掛載U盤使用；USB1則用于與外圍設(shè)備SD卡進(jìn)行通信，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不佳或接收不到服務(wù)器的應(yīng)答信息時(shí)，系統(tǒng)可以將壓縮的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到位于本地的SD卡中以作備用，防止數(shù)據(jù)丟失。

NUC960處理器片上還集成了3個(gè)串口，可以支持6至8位的數(shù)據(jù)傳送，其波特率可通過編程設(shè)置，另外也支持奇偶校驗(yàn)和幀出錯(cuò)檢查功能。本設(shè)計(jì)使用了其中兩個(gè)串口，串口0用于當(dāng)系統(tǒng)調(diào)試時(shí)與計(jì)算機(jī)連接進(jìn)行通信；串口1用于與讀卡器進(jìn)行通信，讀取使用設(shè)備者的相關(guān)身份信息。

4 結(jié) 論

本文提出了一種采用ARM和DSP雙核結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了對高校大型實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并對視頻畫面進(jìn)行壓縮、存儲(chǔ)和傳輸。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場畫面以25幀/秒的頻率進(jìn)行采集，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境良好的情況下，用戶可以通過Web-server觀看設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行畫面；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)阻塞時(shí)，系統(tǒng)在本地存儲(chǔ)壓縮圖像，每張圖片的存儲(chǔ)間隔最快可以達(dá)到1min，設(shè)備運(yùn)行的歷史圖像可以保存30天，基本滿足了高校實(shí)驗(yàn)室的管理要求。為了減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，系統(tǒng)通過電流檢測來選擇是否處理和存儲(chǔ)監(jiān)控畫面。另外，利用擴(kuò)展的讀卡器來記錄設(shè)備使用者的信息，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的自動(dòng)化管理。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性較高?？紤]到SPCT6100最多能同時(shí)輸入4路信號(hào)，在今后的優(yōu)化過程中，亦可以考慮實(shí)現(xiàn)多路監(jiān)控，以便達(dá)到系統(tǒng)精簡和成本節(jié)約的目的。

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