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0 引言 在許多比較惡劣的環(huán)境如野外、井下、甚至在戰(zhàn)爭中，人們更需要獲取及時、有效的視頻信息，這種環(huán)境對系統(tǒng)的能耗、抗干擾性、穩(wěn)定性等方面提出了更高的要求，把嵌入式技術應用于視頻的采集和傳輸可以解決很多復雜的環(huán)境問題。德州儀器 （TI）推出的基于達芬奇技術的新型TMS320DM365 數(shù)字媒體處理器，DM365 高度集成了眾多組件，其中包括符合生產(chǎn)要求的H.264、MPEG-4、MPEG-2、MJPEG 與VC1 編解碼器，可滿足智能視頻處理功能的集成影像信號處理（ISP）解決方案，以及一系列板載外設等，可使開發(fā)人員將系統(tǒng)成本降低25%。本文圍繞DM365 數(shù)字媒體處理器，對基于DM365 的嵌入式視頻采集與傳輸系統(tǒng)的設計做了具體介紹。 1 嵌入式視頻采集與傳輸系統(tǒng)的整體結構 本系統(tǒng)利用目前先進的WiFi 無線通信技術，結合H.264 視頻壓縮算法構建無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)工作過程為：視頻采集節(jié)點將采集到的視頻、音頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過前端壓縮等處理之后，轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的IP 數(shù)據(jù)包格式，以WiFi 無線方式發(fā)送到AP，AP 接入工業(yè)光纖以太網(wǎng)，實現(xiàn)無線與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡的無縫連接，構成感知礦山多媒體數(shù)字網(wǎng)絡。該無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)既可應用于礦井救災應急通信系統(tǒng)，也可用于井下皮帶、液壓支架等煤礦安全生產(chǎn)管理，可極大提高礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的能效，節(jié)約礦井生產(chǎn)成本。無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖如圖1 所示。 
圖1 系統(tǒng)整體架構 2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn) 2.1 系統(tǒng)核心架構 本視頻采集與傳輸系統(tǒng)完成的主要功能是在煤礦井下能夠進行實時流暢的多媒體通信。 系統(tǒng)設計的總指導原則是：在保持實時的多媒體通信質(zhì)量的前提下，低功耗，低成本。節(jié)點硬件主要包括：視頻采集前端、視頻處理模塊、無線發(fā)射模塊和電源模塊以及一些外圍電路。 系統(tǒng)的原理框圖如圖2 所示。
圖2 攝像機原理框圖 2.2 視頻處理模塊 視頻處理模塊采用TI的達芬奇高性能多媒體處理器TMS320DM365 完成設備管理、音視頻的壓縮處理及傳輸通信，通過外接的以太網(wǎng)物理層芯片實現(xiàn)有線網(wǎng)絡接口，利用轉(zhuǎn)WIFI芯片GS1010 實現(xiàn)無線網(wǎng)絡通信，支持TCP/IP 網(wǎng)絡協(xié)議。 TMS320DM365 是德州儀器（TI）推出的基于達芬奇技術（DaVinciTM technology），面向便攜高清視頻應用的新型數(shù)字媒體處理器。該處理器延續(xù)了達芬奇家族中DM355 的處理器構架，集成了一顆ARM926EJ-S 內(nèi)核，一個H.264 高清編解碼協(xié)處理器HDVICP 和一個MPEG-4/JPEG高清編解碼協(xié)處理器MJCP，可以支持H.264/MPEG-4 的高清視頻編解碼。 DM365 內(nèi)部集成有視頻處理子系統(tǒng)VPSS（Video Processing Subsystem）、H.264 協(xié)處理器（HDVICP）、ARM926EJS 的處理器以及各種相關外設，并且可以使用豐富的外設，例如高速的USB OTG 2.0。通過各種擴展的結合，DM365 可應用于相機、網(wǎng)絡數(shù)碼攝像機等領域。 2.2.1 ARM處理器 ARM 組系統(tǒng)采用ARMv5TEJ（32/16bit）指令集的ARM926EJ-S 內(nèi)核CPU，是采用管道化流水線的32bit RSIC 處理器，工作頻率為216/270/300MHz。ARM CPU 執(zhí)行通常的系統(tǒng)控制任務，如系統(tǒng)初始化，配置，電源管理，用戶界接口和用戶命令等。ARM 作為主控和執(zhí)行這些功能是因為它有一個大的程序存儲空間和快速的任務切換能力，因而其更適合復雜的，多任務和通用的任務控制。 ARM 子系統(tǒng)（ARMSS）包含ARM926EJ-S RISC 處理器，ARM 內(nèi)部存儲器，嵌入式跟蹤模塊和嵌入式跟蹤緩存模塊（ETM/ETB）和系統(tǒng)控制外設。ARM926EJ-S RISC 處理器又包含協(xié)處理器15，內(nèi)存管理單元（MMU），16KB 指令集，8KB 數(shù)據(jù)cache，寫緩存和Java 加速器。ARM 內(nèi)部存儲器包括一個32KB 的內(nèi)部RAM（32-bit 寬訪問）和16KB 內(nèi)部ROM。系統(tǒng)控制ARM中斷控制器，PLL控制器，電源管理模塊和系統(tǒng)模塊。 2.2.2 視頻處理子系統(tǒng)（VPSS） TMSDM365 擁有一個視頻處理子系統(tǒng)（Video Processing Subsystem-VPSS）支持輸入接口（Video Processing Front End-VPFE）用于外部圖像外設，例如圖像傳感器， 視頻解碼器等等。 并且支持輸出接口（Video Processing Back End-VPBE）用于顯示設備，例如模擬SDTV/HDTV顯示器，數(shù)字LCD 顯示等等。 除了這些外圍設備，有一個共同的緩沖存儲器和DMA 控制設置，以確保有效地利用DDR2/mDDR 帶寬。共享緩沖邏輯/內(nèi)存是唯一的模塊，無縫集成到一個圖像的VPSS 內(nèi)的圖像/視頻處理子系統(tǒng)。它作為主要的源和接收器給所有的VPFE 和VPBE 模塊， 以從DDR2/mDDR 獲得或傳遞數(shù)據(jù)。為了有效地利用外部DDR2/mDDR 帶寬， 它通過高帶寬總線（64-bit寬）DMA系統(tǒng)， 共享緩沖區(qū)的邏輯/內(nèi)存接口。共享緩存的邏輯/內(nèi)存接口通過一個128-bit 寬總線給所有VPFE 和VPBE 模塊。 VPFE 模塊包含圖像傳感器接口（ISIF）， 圖像通道（IPIPE）， 圖像通道接口（IPIPEIF）和硬件3A 統(tǒng)計發(fā)生器（H3A）。這些模塊提供了設備強大和靈活的前端接口。 VPBE 模塊包含屏幕菜單（OSD）和視頻編碼（VENC）模塊。這些模塊支持設備帶有強大和靈活的后端顯示接口。 2.3 視頻采集前端 視頻采集前端核心部件即攝像頭，一般攝像頭由鏡頭、圖像傳感器、數(shù)字信號處理芯片、等部分組成。景物通過鏡頭生成的光學圖像投射到圖像傳感器表面上，然后轉(zhuǎn)為電信號，經(jīng)過A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號，再送到數(shù)字信號處理芯片（DSP）中加工處理，最后通過接口傳輸?shù)接嬎銠C中進行處理，通過顯示器即可看到圖像。 CCD 和CMOS 傳感器是當前被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管進行光電轉(zhuǎn)換，將光像轉(zhuǎn)換為電子數(shù)據(jù)。由于CCD 與CMOS 圖像傳感器的工作原理的不同導致兩者在性能表現(xiàn)上各有優(yōu)劣。 表1 CCD與CMOS優(yōu)缺點比較
總之，CMOS 傳感在采集圖像品質(zhì)方面相對于CCD 傳感器有一些缺點，有上表可知但CMOS 在其他特性方面卻占有一定優(yōu)勢。考慮到系統(tǒng)對功耗的要求比較高，而CMOS 攝像頭采集圖像質(zhì)量還是能夠滿足大部分監(jiān)控需求的，所以本系統(tǒng)選用CMOS攝像頭。 2.4 無線發(fā)射模塊 利用 wifi 技術來實現(xiàn)視頻的無線發(fā)送，Wifi 是Wireless Fidelity 的縮寫，是一種無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g與規(guī)格，也就是IEEE 所定義的無線通信標準IEEE 802.11。從DM365開發(fā)板的接口特性考慮，系統(tǒng)節(jié)點采用wifi 解決方案GS1010 芯片，該款無線SOC 芯片采用雙ARM7 內(nèi)核，包括實時時鐘（RTC）、功耗控制單元、閃存（Flash）和 SRAM，并且整合了wifi 射頻（RF）前端和微控制器，具備定位跟蹤以及監(jiān)控物資功能，這樣的芯片結構大大減輕了節(jié)點設計的復雜度，也節(jié)省了節(jié)點的成本。電源模塊為傳感器模塊及處理器模塊提供能量，氣體調(diào)理電路的輸出僅需要連接到GS1010 的ADC 接口，這樣就基本完成了基于wifi的氣體監(jiān)測節(jié)點的硬件設計。GS1010 采用0.18 微米工藝制造，10mm*10mmQFN 封裝，在硬件設計上節(jié)省了元器件數(shù)量，簡化了設計電路布線密度，提高了系統(tǒng)的可靠性，1.8V 工作時電流為2mA，3.6V 時為5mA，在單節(jié)AA 電池下能維持長達5～10 年的節(jié)點運行壽命。 另外，它還支持IEEE802.11b/g 標準，并提供802.11i（WPA2-PSK）、AES 編碼、EAPFAST三種方式保證數(shù)據(jù)和信息安全。 3 結束語 視頻信號具有直觀、豐富與時序性的信息內(nèi)涵，在傳達信息方面有著其他信號無法達到的效果。本文重點闡述了基于DM365 的嵌入式Linux 視頻采集與傳輸系統(tǒng)硬件的具體設計，該系統(tǒng)功耗低、價格廉，實現(xiàn)了對復雜、惡劣工作環(huán)境的實時監(jiān)控，可以應用于煤礦中的無人工作面，及時了解工作面環(huán)境等各種變化，保障了現(xiàn)場工作人員的安全。 Author: Source:中電網(wǎng) |
