基于S3C2410和AT2042芯片实现服务器的远程监控系统的设计

jupitars · 发表于 2020-10-22 09:14:34

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[paragraph]系统总体设计
硬件部分以三星公司的ARM9芯片S3C2410和韩国的专用视频芯片AT2042为核心。S3C2410主要实现系统控制功能，例如对AT2042的配置，接收视频流数据并利用USB存储设备进行存储；配置网络接口建立起完善的网络功能，以方便用户通过Internet 对其进行远程访问与控制；同时，挂载U盘或硬盘，预留U口或IDE的接口，可供用户选择，实现本地的海量存储功能。

整个系统软件部分主要分为两部分：服务器端和客户端（C／S模式）。服务器端包括Bootloader的编写，Linux操作系统内核的生成，系统文件的配置以及用户应用软件（实时视频传输、录像、远程回放、抓拍）；客户端是通过输入IP地址访问指定的服务器，这时客户端会通过网络从服务器端下载并安装预先设计的 ActiveX控件，用户可以通过这个控件实现实时监控、视频回放、图像抓拍等功能。系统总体框图如图1所示。

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2 系统硬件设计
硬件系统主要由视频编解码部分、网络传输部分、本地存储部分、其他外设和接口部分组成，如图2所示。包括S3C2410和AT2042、NAND Flash和SDRAM、数／模转换芯片TVP5150和模／数转换芯片SAA7112以及网卡芯片LAN91C11。接口包括USB接口、IDE接口、网卡接口、电源接口等。

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2．1 视频编解码部分
视频编解码电路主要包括模／数转换电路和视频压缩／解压芯片AT2042。其中，AT2042主要负责对经模／数转换芯片TVP5150转换来的数字视频数据进行硬件压缩。压缩编码过程中，摄像头采集的模拟视频信号先经过TVP5150进行前端处理，产生符合AT2042视频接口标准的数字视频信号。在 S3C2410的控制下，该数字视频数据由压缩／解压芯片AT2042进行硬件压缩编码，产生的编码数据流通过芯片内部集成的Mux FIFO接口输出。网络视频服务器的解压缩编码是压缩编码的逆过程，需要解压的数据流通过AT2042内部集成的Demux FIFO接口输入，解压缩编码电路基本原理类似于压缩编码，这里不再赘述。视频编码电路框图如图3所示。TVP5150是TI公司生产的一款电视信号解码专用芯片。它对输入的模拟信号进行A／D转换，TVP5105支持NTSC／PAL／SECAM三种制式，实现模拟视频信号转换为数字并行信号ITU-R BT．601或ITU-RBT．656码流格式。由于AT2042视频接口满足ITU．RBT656标准，故TVP5150输出配置为8位的YUV422 格式。

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解码芯片TVP5150的AI PIA模拟信号输入口与摄像头的信号输出端相连，并向压缩编码芯片AT2042传送视频信号。由于TVP5150分场同步脉冲和行同步脉冲，分别对应的输出端为VSYNC和HSYNC，AT2042根据与之相连的VSYNCIN和HSYNCIN信号线来实现图像的场同步和行同步操作；AT2042的视频信号输入数据线VIN［7：0］与TVP5150的输出端YOUT［7：0］相连。AT2042将接收到的数据流传送到压缩编码单元，压缩编码后的视频数据存储到外部SDRAM中，同时通过片内的SDRAM控制器来实现对SDRAM的访问，并将数据流通过HPI总线发送到 S3C2410以便通过网络传输到PC监控端，用于实现远程的实时监控。
2．2 网络传输部分
主控制芯片S3C2410通过地址、数据、控制线以及片选信号线对网络芯片LAN91C11进行控制和通信。主芯片发送信号时首先置发送使能信号，数据发送信号端TXD0～TXD1与 LAN91C11的TXD0～TXD1引脚连接，作为数据的发送通道以S3C2410的时钟信号TCK发送数据。数据接收端RXD0～RXD1与 LAN91C11的RXD0～RXD1引脚对应连接，为数据接收通道。
LAN91C11由S3C2410选通信号线AEN来选通，通过对 LAN91C11一系列寄存器的设置，可以实现视频流的网络传输。LAN91C11的INTRQ0端用来产生中断信号。以太网控制芯片通过DMA通道进行数据的传输。首先设置好传输控制和传输地址寄存器的参数，依次从指定的数据存储区域读取数据，送入内部发送缓冲器中，用MAC对数据进行封装发送，并同时记录已发送完的字节数，等到整个数据块发送完毕。一组数据发送完后请求DMA中断，由S3C2410进行处理。网络接口框图如图4所示。

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2．3 本地存储部分
存储接口选用S3C2410自身的LJSB接口功能，该接口可以实现USB1．1协议。随着大容量、小体积U盘的问世，更多的用户都选择使用该存储介质。
当今的USB技术使得各种能够自行识别的外部设备与设备终端连接，并自行装载驱动程序以运行新的装置。而一般即插即用装置，需要有电源的USB接口进行数据传输并提供电源。当发生短路或连接了受损设备时，如受损的电缆或连接头插入USB接口时，必须对USB集线器及主机装置提供有效保护。USB接口的设计电路如图5所示。

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2．4 其他外设和控制接口
其他外设包括Flash、SDRAM、以太网接口、串行通信接口RS232。其中，Flash用于存储操作系统内核和系统软件，待系统上电后加载到内存中；以太网接口将压缩编码后的音视频数据传输到网络；RS232接口主要用于基于控制台的配置和管理。另外，在调试过程中，RS232和以太网接口用于连接宿主机和目标系统平台，方便了网络视频服务器系统的开发和调试。
3 系统软件设计
整个嵌入式系统的软件部分由4部分组成：Boot-loader代码、Linux操作系统的内核生成和Linux下驱动程序及应用程序的开发、文件系统的生成和配置以及用户应用程序。设备驱动模块向上层软件提供一致的接口，主要包括硬件的初始化、总线内存地址映射、内存分配等，分别被存储在NAND Flash的4个分区模块中。本设计采用的是较节省空间的CRAMFS只读文件系统。
3．1 MPEG-4压缩编码的实现
AT2042 支持MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、H．263和Motion-JPEG等多种视频压缩标准，以及ADPCM、MPEG-1 Layer-II和Lyer-III（MP3）等音频压缩标准。这些功能是通过配置相应的编码寄存器实现的，例如编码模式、编码像素点、编码帧率及设置编码流格式（PES、PS、TS）等等。本系统中采用MPEG-4模式、720X576、每秒25帧及生成PES流来对视频数据进行编码。
MPEG- 4压缩编码部分完成对AT2042和TVP5150相关寄存器的配置，保证了MPEG-4数据流的正常输出。系统启动后，首先配置AT2042的寄存器，初始化完成后，通过I2C总线对TVP5150进行初始化配置。在压缩编码过程中，MPEG-4数据流接收存储程序由AT2042的数据流缓冲器标志信号来进行控制。当缓冲器满时，RISC_INT0置低，主控制器通过DMA通道把从AT2042的网卡接口接收过来的码流通过网络通道传输到PC端。其压缩编码模块程序流程如图6所示。

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3．2 远程网络程序模块
网络控制模块是外部扩展应用程序与视频服务器交互的一个模块。其工作过程是：在监控终端的IE浏览器中输入网络视频服务器的IP地址，嵌入式网络视频服务器根据请求，将相应的控制页面（即ActiveX控件）反馈给IE浏览器，用户下载控件后，根据控件上的指令，进行相应的操作，然后提交。该模块提取操作的信息，根据不同信息通过socket套接口与服务器进行通信来分别处理相应的事件，如调节MPEG-4相关属性、摄像头的相关操作等。该网络控制模块的设计主要包括3部分：本地嵌入式web服务器的配置、ActiveX控件的编写、socket套接字实现服务器与监控端通信。远程网络程序模块框图如图7所示。

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3．3 本地存储部分的实现
该部分主要实现的三大功能：U盘空间的监测，以系统时间来命名存储文件并将文件保存到U盘上，实现MPEG-4编码。视频编码存储主要是利用Linux系统指令、AT2042芯片的视频编码功能和自动生成传输流功能。
（1）显示U盘存储空间
首先，利用Linux系统指令与C语言的接口函数sys-tem（const char*string），执行指令会把U盘空间的容量、可用空间等信息写入设定目录下，然后利用 display_string（char*string）函数将该信息显示在显示层面上。这样可以使用户很清楚地了解到可用存储空间的大小。
（2）以系统时间命名文件名
调用系统函数time、localtime，这里需要定义相应的结构体tm来获取系统时间，然后将这些信息与建立文件的路径保存在同一个字符串，调用 fopen（const char*path，const char*mode）函数。这样就实现了以系统时间来命名文件名，可以方便用户按时间来查看文件。
3．4 运动图像监测的实现
该视频监控系统配置AT2042的相关寄存器，可实现运动检测的功能。通过运动检测来控制视频数据的存储和报警。运动检测（报警）算法可以控制存储动作，节省存储空间。例如，开始无运动报警信号，存储模块处于等待状态；运动报警信号到来，启动存储模块，在一定时间内如果没有继续收到运动报警信号，存储模块自动停止工作。这样存储量比连续存盘少得多，大量无运动的视频被剪截掉了，大大提高了存盘效率，有效地节省了存储空间。工作过程是这样的：预先进行检测区域设定，从摄像机来的视频信号一方面进行视频压缩，压缩的码流输出到缓冲区中；另一方面进行运动检测，当运动条件满足时发出报警信号，存储设备开始工作。存储设备一接到启动信号就将缓冲区的压缩码流全部保存下来，接着连续存储视频压缩输出的码流，直到存储控制指示停止存盘为止。运动方向的估计可以实现监控系统中的警戒线报警功能。在图像画面上设定警戒线以及方向，相应地产生一个预警区域。围绕边界线产生边界区域或边缘点集，监测是否有运动越过警戒线进入警戒区。
结语
本视频服务器既有视频远程实时传输，又具有本地存储的功能，再配置AT2042实现多种视频格式的编码和运动检测、报警功能，使用起来方便易行，可以得到广泛的应用。该视频服务器集成普通摄像机和网络转换器，将图像转换为基于TCP／IP网络标准的数据包，使摄像机所摄的画面通过RJ-45以太网接口直接传送到网络上，通过网络即可远程监视画面。该视频服务器采用了最先进的摄像技术和网络技术，具有强大的功能。内置的系统软件能实现真正的即插即用，使用户免去了复杂的网络配置；内置的大容量内存能存储警报触发前的图像；内置的I／O端口和通信口便于扩充外部周边设备，如门禁系统、红外线感应装置、全方位云台。