基于ARM和DSP的远程视频监控系统的设计与实现

摘　要：本文提出了一种基于ARM和DSP的远程视频监控系统的体系结构，该体系结构将硬件分为两大模块，以PhilipsLPC2114为中央处理器的系统控制模块主要完成系统的控制功能，以Blackfin ADSP-BF533为中央处理器的图像处理模块主要完成MPEG-4视频流的压缩及自适应网络传输。本文还介绍了嵌入式网络视频服务器和远程控制平台的软件设计与实现。通过自定义协议，系统实现了数据的可靠传输和MPEG-4视频流图像的平滑传输，各项指标均符合设计要求。

关键词：远程视频监控；ARM；DSP；MPEG-4；自定义协议

引 言

随着视频编解码技术、计算机网络技术、数字信号处理技术和嵌入式系统的发展，以嵌入式网络视频服务器为核心的远程视频监控系统开始在市场上崭露头角。该系统把摄像机输出的模拟视频信号通过内置的嵌入式视频编码器直接转换成视频流，通过计算机网络传输出去。嵌入式网络视频服务器具备视频编码处理、网络通信、系统控制等强大功能，直接支持网络视频传输和网络管理，使得监控范围达到前所未有的广度。

目前，嵌入式网络视频服务器的解决方案主要有以下几种:

(1) 视频采集芯片+DSP处理器。该方案中由视频采集芯片完成图像的预处理，由DSP完成图像的存储、基于MPEG-4、H. 263或MJPEG标准的图像压缩、网络传输。

文献[1]提出了基于ADSP-BF532的嵌入式网络视频服务器方案，文献[2]提出了基于TMS320DSC21的嵌入式网络摄像机的方案。该方案的主要缺点是控制不够灵活，由于DSP通常没有强大的操作系统，功能单一，不适合做系统控制。

(2)视频采集芯片+图像压缩芯片+嵌入式处理器。文献[ 4]提出了一种采用PhiliPs公司的视频解码芯片SSAA7114H进行图像采集、采用Intime公司的MPEG-4编码芯片IME6400进行图像压缩、摩托罗拉公司的嵌入式处理器MCF5307组成嵌入式视频监控服务器方案。该方案的主要缺点是缺乏强大的图像处理能力，整个系统软件必须运行于μCLinux之上，系统成本较高。

(3)ARM嵌入式处理器+DSP处理器。现在已有一些基于ARM和DSP的嵌入式视频监控方案，文献[5]提出一种采用AnaloGDevices公司的BF533实现MPEG-4标准的图像压缩、以InteL公司的XscalePXA261作为控制的嵌入式视频监控系统。文献[ 6] 提出了一种采用SAA7114A进行图像采集、采用TMS320C6202B 进行MJPEG2000标准的图像压缩、以嵌入式ARM芯片S3C4510进行系统控制和网络传输的嵌入式网络视频服务器方案。该方案的主要缺点是:由于要使用ARM芯片对DSP的寄存器进行操作，设计、调试、使用较困难，整个系统软件必须运行于μCLinux之上，系统成本偏高。

与现有的嵌入式网络视频服务器的解决方案不同的是：(1)本文设计的体系结构将硬件划分为两大模块，即系统控制模块和图像处理模块。两个模块不是通过共用一部分存储器的方式进行通信，而是通过连接对应引脚的直通方式进行通信，符合模块化的设计原则，设计、调试更加容易，使用更方便。(2)为缩短系统开发周期，提高系统的可靠性，本系统未使用嵌入式μCLinux操作系统，而是通过自定义电话号码协议、切换协议、报警协议及精简的TCP/IP协议等，系统实现了数据的可靠传输和MPEG24视频流图像的平滑传输。(3)系统设计了来电显示功能，远程端通过接收FSK[7] 或DTMF[8 ]拨号信令的方式唤醒前端主机上线，前端嵌入式网络视频服务器不需申请固定的IP地址。与其它嵌入式视频服务器方案相比，系统功能更加强大，使用更加方便，更加节省成本。

嵌入式远程视频监控系统的体系结构

系统总体结构如图1所示。


嵌入式远程视频监控系统由前端、服务器组和控制中心三层组成：(1)前端负责信息的采集，包含的设备有摄像机、云台、嵌入式网络视频服务器( ENVS)。(2)服务器分为目录服务器和服务器。服务器接受目录服务器的管理，同时管理前端各视频服务器并向第三层提供视频信息和报警信息；目录服务器负责对第三层用户进行授权管理。(3)控制中心用于监控中心连接的视音频、集中接警和设备巡检。

系统硬件设计

虽然DSP具备非常灵活的编程运算能力，并能针对不同的编码标准采用不同的编码软件完成视频图像的压缩，但它不适合作系统控制。因为DSP通常没有强大的操作系统、完备的网络协议栈和可靠的文件系统，而且DSP架构在作控制指令时无法进行并行处理和分支判断，而这些正好是ARM处理器的强项。本文中，远程视频监控系统的设计采用ARM与DSP相结合的方式来发挥两种处理器的优势，以获得最高的性能。其中，ARM处理器完成系统控制和系统协议转换；DSP处理器完成视频数据的压缩及视频流的网络传输，两个处理器之间通过对应引脚直通的方式进行通信。

系统控制板硬件设计
系统控制模块如图2所示，该模块采用的主芯片是Philips公司的LPC2114，该芯片支持实时仿真和跟踪。由于LPC2114非常小的64脚封装且内置了宽范围的串行通信接口，非常适合通信网关、协议转换器、嵌入式软件、调制解调器以及其它各种类型的应用。我们既可在此款芯片上移植嵌入式操作系统，也可以直接启动代码运行应用程序。其外围电路主要有:具有数字解码和滤波功能的双音多频(DTMF)信号接收芯片HT9170，该芯片利用数字计数的方法对16种DTMF输入进行解码，并产生4bit的解码输出；支持频移键控的FSK 解码芯片MT88E39，该芯片为16PinSOIC封装，当检测到有效振铃信号后，从MT88E39第10脚DATA获取有效的号码数据；用作外部存储的EPROM芯片；一个128/256KB 的片内FLASH存储器系统，一个16KB 的片内SRAM。系统控制模块完成的主要功能有振铃监测、数据转发、来电识别、电话号码存储、时钟同步、系统控制等。



视频处理板硬件设计
视频压缩处理模块如图3所示，它包括视频输入模块、视频压缩模块、视频传输模块、外部存储模块、仿真调试接口(JTAG)模块以及电源模块。视频输入模块选用Philips公司的视频A/D芯片SAA7113，该芯片将CCD摄像头输入的模拟信号转换为数字信号；DSP视频硬件压缩子模块以美国AnaloGDevices公司最新推出的DSP处理器BlackfinBF533



为核心，实现MPEG-4视频数据的压缩，其片内有Blackfin处理器核，主频高达600MHz ，完全适合MPEG-4等复杂音视频的压缩运算；视频传输模块选用网络控制器芯片RTL8019，它的主要功能是完成BF533输出的MPEG-4视频流在网上的传输；CPLD选用具有4000个可使用的PLD门阵列，负责视频处理的逻辑控制；SDRAM存储器用于存放系统数据；FLASH存储器用于存放系统程序。

接口设计
与文献[2]采用双核结构实现的嵌入式网络视频采集压缩系统不同，经过DSP压缩后的码流数据由于可以通过视频处理板直接进行网络传输，因此并不需要通过ARM打包传给网络用户，进行接口设计时可以不用考虑ARM对DSP存储空间访问的方式或共享存储空间的方式，简化了系统设计，节省了开发时间，提高了系统的可靠性。接口连接如图4所示。本文中系统控制板和视频处理板的连接的主要信号线有音频输入/输出信号(A_ In &Out)、视频输入/输出信号(V_ In &Out)、模拟地、报警输入/输出信号(Am_In &Out)、RS232发送接收(RS_Rx&Tx)、网络传输的发送接收(RT_Rx&Tx)、模拟信号地(V_ Ground)、数字信号地(D_ground)。



系统软件设计

嵌入式远程视频监控系统的软件设计包括两大部分：一是前端嵌入式数字视频服务器( EDVS)软件设计，由系统的控制模块及视频处理模块组成；二是远程端控制平台(控制中心)软件设计。

嵌入式数字视频服务器软件设计
系统控制模块由于没有采用μCLinux嵌入式操作系统，系统初试化完成后，直接运行应用程序。程序流程如下:定时器初始化；串口0、串口1初始化；振铃初始化；FSK初始化；DTMF和I²C初始化；系统参数设置；时钟参数设置；电话号码表设置；等待接收串口数据。系统控制模块主要完成的主要功能有振铃监测、来电识别、存储中心电话号码、数据转发、协议解析、系统控制等。控制模块主程序流程图如图5所示。

对于LPC2114串口0、串口1接收的数据，由于缺乏系统协议的支持，本文先将数据拷贝到解析缓冲区进行行解析调度，然后根据不同的协议引导字符串，调用相应的协议处理函数。本系统中使用的协议包括报告协议、电话号码协议、设置协议、切换协议、同步协议。此外，本系统还定义了录像回放协议、停止回放协议、报警协议、报警清除协议、云台协议等扩展协议。串口0的行解析调度程序如图6所示。

远程端控制平台的软件设计
在远程视频监控系统中，嵌入式网络视频服务器与监



控系统之间的MPEG-4码流之间的传输实际上涉及到两方面的技术:一是嵌入式网络视频服务器与远程端监控系统之间的通讯技术，包括码流数据的传输、命令控制；二是远程端监控系统对接收到的码流进行解码后的播放。在本文中使用的是C/S结构，前者用Socket技术实现，后者用SDK提供的函数实现，两者都是用VC++开发的。



结束语

本文设计了基于ARM和DSP的新一代嵌入式远程视频监控系统的体系结构，详细论述了系统的硬件和软件设计。测试结果表明，本系统能够实现信号的可靠传输和MPEG-4视频流图像的平滑传输。目前，该系统已在银行、电信机房的远程监控系统中投入使用。

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