基于ARM的远程监控系统设计(毕业设计论文)

本科毕业设计（论文）题目名称：基于ARM的远程视频监控系统

基于ARM的远程视频监控系统

本科毕业设计（论文）资料第一部分毕业论文

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湖南工业大学本科毕业设计（论文）

摘要

针对网络视频监控设备的实际应用需求，本文设计了一种基于ARM嵌入式技术的网络视频监控系统，其结合图像采集压缩编码、嵌入式系统和网络技术，设计了一套嵌入式网络视频监控系统，用以实现图像视频数据的采集、压缩与网络传输。该系统基于S3C2440的ARM920t芯片和嵌入式Linux操作系统，采用USB数码摄像头捕捉视频，经压缩编码，然后直接与网络相连，把采集到的数据传送到指定PC机上。

论文首先阐述了该课题的背景意义，对该设计系统的主要实现过程做了简介；然后对ARM硬件平台和Linux软件平台做了基本介绍，分析了其外围电路设计以及Linux系统内核结构；最后，也是本文重点设计部分---视频数据采集的实现，这部分在基于Video4Linux驱动模块的基础上，主要是用软件实现对视频数据的实时采集、传递；后面还简单的介绍了视频信号编码的实现以及网络数据传输的实现。

本文的研究结果具有一定的工程实际意义，对基于IP技术的各种视频数据传输具有一定的参考价值。

关键词：嵌入式系统；ARM；视频监控系统：LINUX系统：图像采集与传输

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基于ARM的远程视频监控系统

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基于ARM的远程视频监控系统

ABSTRACT

Practical application demand of the network video surveillance equipment, this paper designs a network video monitoring system based on ARM embedded technology, the combination of image acquisition compression, embedded systems and network technology, design a set of embedded network video monitoring system, to realize image video data collection, compression and network transmission. The system based on S3C2440 ARM920t chip and embedded Linux operating system, use USB digital camera to capture video, after compression, and then directly connected

to the network, sends the collected data to the specified PC.

Paper first describes the background significance of the subject, for the main implement process of the design system to do the introduction; Then the ARM hardware platform and to introduce the basic Linux software platform, analyzes its peripheral circuit design as well as the Linux kernel structure; Finally, and this article focuses on the design part - the implementation of the video data collection, this part based on the Video4Linux drivers module on the basis of the main is to use the software realization of video data real time acquisition, transfer; Behind also simply introduces the realization of video signal coding and the realization of network data transmission.

In this paper, the research results have certain practical significance, for all kinds of video data transmission based on IP technology has certain reference value.

Keywords:Embedded system；ARM；video monitoring system；the LINUX system；Image acquisition and transmission

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目录

摘要......................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................... II 目录....................................................................................................... I II 第1章绪论 (1)

1.1课题背景 (1)

1.2选题目的、意义 (1)

1.3系统设计内容 (2)

1.4系统方案设计 (2)

第2 章基于S3C2410的硬件开发平台 (4)

2.1ARM体系结构简介 (4)

2.2嵌入式系统的选取原则 (4)

2.3基于S3C2440A的开发系统 (5)

2.4开发平台的硬件模块介绍 (8)

2.5视频监控系统硬件电路设计 (10)

第3章视频监控系统软件总设计 (14)

3.1视频监控系统软件总流程图设计 (14)

3.2视频监控系统软件各模块功能设计 (15)

第4章视频采集系统软件设计 (16)

4.1视频采集系统的软件平台设计 (16)

4.1.1 Bootloader的选择 (16)

4.1.2 嵌入式Linux的编译 (17)

4.1.3 建立根文件系统 (18)

4.1.4 加载摄像头驱动程序 (18)

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4.2视频采集系统的应用程序设计 (19)

4.2.1 Video4Linux设备驱动加载 (19)

4.2.2 视频采集流程 (20)

4.2.3视频采集程序的实现 (21)

第5章视频编码、传输程序设计 (24)

5.1视频编码程序设计 (25)

5.2视频网络传输程序的设计 (28)

第6章视频采集模块的编译与仿真 (32)

6.１模块加载 (32)

6.2程序仿真调试 (33)

结论 (35)

参考文献 (37)

致谢 (38)

附录 (38)

附录一：设计总流程图 (39)

附录二：视频采集系统的应用程序设计 (40)

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第1章绪论

1.1 课题背景

在当今社会是一个快速发展的社会,信息获取方便的能使我们领先一步,创造巨大的利润,信息也许是我们的一个重要的眼睛。图像在图像的客观事物,传神的描绘,是直观的和详细的信息表达,是一种重要的信息载体的人类。与科学技术的迅速发展和提高人民的物质生活水平,视频监控系统,以其直观、方便、信息内容的特征丰富,越来越受到人们的青睐,并已广泛应用于各行各业。有电梯监控、门禁、车库监控等等。电信行业有一个基站监控、银行系统和ATM监控、林业部门的消防监控,交通监控、交通监视非法等等。

因为摄像机和电视的出现,最初的模拟监控系统出现。经过长时间的发展和应用,它已经非常成熟,性能非常稳定,但由于模拟图像信息系统为主,对于图像处理和传输是采用模拟技术,不紧图像质量差,严重浪费系统资源,不容易形成一个复杂的网络结构,主要是单一功能的一种方式,单向的、集中的网络信息采集、监控功能可扩展性。所以，虽然系统已经发展到一个很高的水平,没有潜在的可以发现,和局限性。

近几年来，伴随着计算机技术、通信技术等一系列技术的飞速发展，技术微型化和专业化逐渐成为信息技术发展的新趋势，而此时嵌入式产品恰好成为信息产业的主流。由于Linux 系统源代码开放、可以随意定制、易于在不同开发板上移植等一系列优点，使得它在嵌入式系统中获得了越来越广泛的应用。越来越多的企业和研发机构都目标转向了嵌入式Linux的开发和研究上。

1.2 选题目的、意义

近几年来，在人民生活水平普遍提高、国民经济快速发展的背景下，伴随着实时传送视频、音频、多媒体动画等数字模拟文件的技术、互联网的普及和多媒体技术在互联网上的应用成为了热点。与此同时，图像处理技术、计算机技术、视频压缩等飞速发展，视频监控系统开始广泛的应用于医院、政府、商场、交通、学校、银行等地方，并且呈现个性化的发展趋势，越来越多的实时化、网络化、数字化、多功能化等特性。

传统的视频监控系统是伴随着电视机、电脑等电子产品的出现而出现，它出

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现后被广泛的应用于超市、银行、安保、学校等公共场所。它一般采用模拟方式传输，通过视频电缆传送给控制中心，由于模拟技术所限，它具有以下缺点：通常只限于小范围的区域监控、系统扩展能力差、不利用实习控制等。然而伴随着互联网的普及、多媒体技术、和在互联网上的应用，实时传输多媒体动画、视频、音频、等数字媒体文件成为热点。而具有综合性强、低成本、高可靠性、和的嵌入式系统成为了实现这一目的的最佳载体。嵌入式系统因为具有实时性好、稳定性强等特点，所以在视频监控中得到快速发展。

本文的主要介绍了数码摄像头采集数据、使用编码软件FFmeg 、利用基于

TCP/IP 协议的网络来传输图像数据。其中使用数码摄像头，能避免对模拟数据的处理，能节约设计成本和设计时间；使用编码软件FFmpeg ，使图像压缩不需要依赖硬件实现，可移植性强；利用TCP/IP 协议传输比传统的Modem 串口传输速度快，出错率低。

1.3 系统设计内容

该系统主要目的在于实现对远程画面的实时监控，主要研究内容应该包括以

下几方面：视频监控系统硬件平台的选取、视频监控系统软件平台设计、视频监控系统信号的采集，对采集到的信息进行压缩编码处理处理，把压缩后的信息通过网络传输给控制台PC 机，在控制台对接收到的信息进行解码，得到现场视频监控图像，从而达到远程监控的目的。在本系统中将会着重介绍视频采集系统的软件模块功能实现。

1.4 系统方案设计

该系统主要设计内容包括视频采集系统的软硬件实现、视频压缩程序、视频

网络传输程序设计，把以上几个模块设计完整后，在基于ARM+Linux 的平台上运行，即可达到远程画面的实时监控。该设计方案的整体结构框图如图1.4所示：

图1.4 方案整体结构图

数码摄像头（前端数据采集） ARM 硬件平台+Linux 软件操作系统 远程监控端（视频监控） 视频采集系统的软硬件实现 视频压缩程序设计 视频网络传输程序设计

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（１）视频采集系统的软硬件实现

本设计中视频采集并未采用专用的视频采集卡去实现，而是通过加载Linux 系统支持的Video4linux驱动程序，通过软件编程来实现对视频数据的采集，这样做不仅可以节省成本还可以缩短开发周期。并且，本设计中选取了带USB接口的数码摄像头来做前期采集设备，可以避免对模拟数据的处理，并且ARM开发平台可以实现对USB接口的兼容。

（2）视频编码系统设计

对于采集到的视频数据，必须对其进行编码处理后再通过网络传输到主控机上。本文的视频编码部分主要依赖于Linux操作系统下的FFpmeg编码软件来实现，这样就不需要再使用专用的编码芯片，可以节省成本，并且能实现在不同开发平台上的移植与再利用。

（３）视频网络传输程序设计

嵌入式Linux系统具有完整的TCP/IP协议，因此，在本设计中，采用socket 编程建立一个基于TCP/IP的网络传输程序。本文利用TCP/IP协议传输比传统的Modem串口传输速度快，出错率低。

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第 2 章基于S3C2410的硬件开发平台

2.1 ARM体系结构简介

ARM（Advanced RISC Machine）处理器是由总部在英国的一家名为ARM 公司设计的一款微机处理器，其实ARM公司本身不直接生产，其靠转让设计许可证来由与其合作的公司生产各具特色的处理器芯片，这使得世界上很多大半导体生产商直接从ARM公司购买其设计的微处理器核，然后根据各自不同的适用范围，加入合适的的外围电路，以此形成自己的独特特色的ARM微处理器芯片从而进入消费市场。就现在看来，ARM微处理器的使用十分广泛，其适用范围涵盖通信系统领域、遍及工业控制领域、消费类电子产品以及现在流行的智能家居、还有广泛使用的网络系统、无线通信技术系统等各类领域，占据了32位RISC 微处理器的70%以上的市场份额的ARM处理器技术正在快速渗入到我们日常生活的各个方面。其中，ARM处理器有以下特点：

（1）：大量使用寄存器，这使得指令执行速度更快，系统反应速度快；

（2）：大多数数据操作都在寄存器中完成，可以加快数据传输速度；

（3）：寻址方式灵活简单，使得程序的执行效率高。

（4）：试用范围广，能在恶劣环境下面使用。

ARM处理器目前有多个系列，主要包括ＡＲＭ７系列、ARM9系列、ARM10系列、SecuCore系列。本文是使用了ARM9系列的，它主要有以下有点：提供1.1MIPS| MHZ的哈弗结构；采用五级流水线，这使得执行指令的效率更高；全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm Os 等多种主流嵌入式操作系统；支持数据Cache 和指令Cache ，具有更高的数据和指令执行能力，可以拓展多种外围部件。

2.2 嵌入式系统的选取原则

在这个设计中最关键的第一步就是硬件平台和软件平台的选取，因为选取平台的好坏直接影响着本设计实现阶段的任务完成效率。而硬件和软件的选择主要包括硬件处理器、硬件外围部件、软件开发工具、软件操作系统、编程软件、编程语言、硬件调试工具、软件组件等，在这中间最重要的是处理器和操作系统的选择。

（1）处理器选择

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在本设计中选用的是ARM920T微处理器，由于其具有高执行速度、低功耗能耗、价格相对较低等优点而在我们日常生活中得到了广泛的应用，它主要应用于以下领域：

①无线通信领域、常用消费电子、智能家居、各种成像设备等产品提供可运行的复杂操作系统的开放应用平台。

②在海量存储、汽车电子电力、大型工业控制和各种网络应用等领域提供实时嵌入式应用。

（2）操作系统的选择

当系统越来越大、应用越来越多，使用操作系统很有必要。操作系统的作用有：统一管理系统资源、为用户提供访问硬件的接口、调度多个应用程序、管理文件系统等。在嵌入式领域可以选择的操作系统很多，比如：嵌入式Linux、VxWorks、Windows CE等。

期中Linux是遵循GPL协议的开放源码的操作系统，使用时无需缴纳许可费用，内核可以任意裁剪，几乎支持所有的32位、64位CPU；内核支持的硬件种类繁多，几乎可以从网络上找到所有的硬件驱动程序。这也是本设计中选择该操作系统的一个主要原因。

2.3 基于S3C2440A的开发系统

三星公司设计出的16/32位RISC微处理器S3C2440A，为我们常用的手持设备等小型家用器件提供了价格低、耗能低、性能高的小型微控制器的解决方案。为了降低整体系统使用成本，S3C2440A为使用者提供了丰富的内部设备。S3C2440A采用了ARM920t的内核，0.12um的CMOS标准宏单元和存储单元。其低功耗，简单且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感型的应用。

S3C2440A的杰出的特点是其核心处理器（CPU），是一个由Advanced RISC Machines 有限公司设计的16/32位ARM920T的RISC处理器。ARM920T实现了MMU、AMBA BUS和Harvard高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的16KB 指令Cache和16KB数据Cache，每个都是由具有8字长的行组成。通过提供一套完整的通用系统外设，S3C2440A减少整体系统成本和无需配置额外的组件。

该芯片的内部结构图如图2.1—2.4所示，并且在图形下面附上芯片引脚相关说明，如表2.1-2.4所示：

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图2.1 芯片的内部结构图一

表2.1 芯片引脚图一

管脚模块

功能简介 UART

实现串行口数据的输入输出 JTAG

支持ARM 标准的嵌入式在线仿真与下载 LCD CTRL 控制ＬＣＤ模块编程

图2.2 芯片的内部结构图二

表2.2 芯片引脚图二

管脚模块

功能简介 Address 27路地址总线，地址总线是专门用来传送地址的，其可寻址空间

2^27位

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图2.3 芯片的内部结构图三

表2.3 芯片引脚图三

管脚模块

功能简介

Data 数据总线，用于实现ARM 板与外界数据信号的传输

图2.4 芯片的内部结构图四

图2.4 芯片引脚图四

管脚模块

功能简介 VD 电源接口，本开发板的电源可选范围较广，并且多出用到开发板电源，

所以电源接口相对较为丰富

GPC

PC 端口，输入输出数据传输端口 USB 本开发板有两个USB 接口，可以接USB 摄像头、USB 键盘、USB 鼠标

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图2.5为本系统开发板的实物图：

图2.5 系统开发板的实际俯视图

2.4 开发平台的硬件模块介绍

本设计中使用的硬件平台是Samsung公司的S3C2440开发板，其主要包含如下几个模块：CPU处理器、SDRAM存储器、FALSH存储器、电源系统及接口、复位系统、网络接口等，接下来就对以上几个模块做简要介绍。

（1）CPU处理器

本开发板使用的是Samsung公司的S3c2440A处理器，主频400MHZ，最高可达到533MHZ。S3C2440A采用了ARM920t的内核，其功耗低、结构简单，且全静态设计，使它特别适用于对成本和功率敏感型的应用。S3C2440A突出优点是其核心处理器是由Advanced RISC Machines有限公司设计的16/32位ARM920t的RISC处理器。

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（2）电源系统及接口

本开发板的电源系统结构相对比较简单，其直接使用外接的5V电源，然后通过降压芯片来得到所需的3.3V、1.25V、1.8V电压。具体电路结构如图2.6-2.7所示:

图2.6 1.8V电源产生电路

图2.6 3.3V电源产生电路

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（3）复位系统

在该设计中用到的开发平台其使用的是专用复位芯片MAX811，

来实 现低电平复位，其电路结构如图2.5所示：

图2.5 复位系统电路结构图

（4）网络接口

本开发板在在设计时，拓展了一个DM9200网卡芯片，用以实现对网络的支持，它可适应10M/100M 网络，

在使用时可以直接用普通的网线连接，即可实现与开发板的网络连接。拓展DM9200网卡电路结构如图2.6所示：

图2.6 拓展DM9200网卡电路结构图

2.5 视频监控系统硬件电路设计

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本设计系统的硬件架构大致如图2.7所示：

图2.7 系统的硬件架构图

在设计中，主要有用到开发板的JTAG 接口、FLASH 存储器、SDRAM 存储器及DM9200网卡部分，下面就对这几个部件做个详细的介绍。

（1）JTAG 接口

在本设计中，JTAG 的主要功能是用来实现对开发板进行相关程序的调试与下载。JTAG 接口主要包括4线，TDI 、TDO 、TCK 、TMS 等，分被为数据输入线、数据输出线、时钟线、模式选择。其电路结构简图如图2.8所示：

图2.8 JTAG 接口电路结构简图

（2）FSLAH

在本设计中选用FSLAH 型号为K9F1208，K9F1208是Samsung 公司生产的FLASH

JTAG

CPU S3C2440A

以太网控制器 DM9200

USB

SDRAM

数码摄像头 远程客户端

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512 Mb(64M×8位)NAND Flash 存储器。该存储器内部存储结构为块 大小为(16 KB+512字节)，页大小为528字节，528字节×32页×4 09块，可实现程序自动擦写、页程序、块擦除、智能的读／写和擦除操作一次可以读/写或者擦除4页

或者块的内容,内部有命令寄存器。其内部有很多寄存器，可以通过控制各类寄存器来实现对K9F1208的控制。其电路结构图如图2.9所示：

图2.9 FSLAH 电路结构图

（3）SDRAM

SDRAM 型号为HY57V561620BT ，HY57V561620B 是一个268435456位 CMOS 同步DRAM,理想情况下适合对于这个主要内存应用哪一个需要大内存密度和高带宽。HY57V561620B 是提供完全同步 操作引用一个积极边缘的这个时钟。所有输入和输出同步——免疫与这个上升边缘的这个时钟输入。这个数据路径部流水线到实现非常高带宽。所有输入和输出电压水平是兼容与LVTTL 。其电路结构如图2.10所示：