基于ARM9的远程图像无线监控系统

基于A R M9的远程图像无线监控系统※■深圳市职业技术学院 孙宏伟　摘　要在实时性要求不高的条件下,为监控远程无人监守的设备,设计实现一种基于三星公司S3C2440嵌入式处理器的远程监控系统。

利用GPRS/CDMA无线技术,通过Internet互联网实现远程无线控制。

实践证明效果良好。

ARM9嵌入式处理器可满足许多特殊需求,是实现图像监控系统的很好选择。

　关键词ARM9远程图像监控S3C2440SAA7113引　言对图像监控系统,用户常常提出这样的功能需求:希望能够监控距离较远的对象,这些对象有可能分布在郊区、深山、荒原或者其他无人值守的场合;另外,希望能够获取比较清晰的监控图像,但对图像传输的实时性要求并不高。

很明显,用传统的PC机加图像采集卡的方式很难满足这样的需求。

在嵌入式领域,ARM9系列微处理器在高性能和低功耗方面提供了最佳的性能,因此选用ARM9嵌入式处理器S3C2440设计实现了一个远程图像无线监控系统。

通过这个系统,可以远在千里之外控制一个摄像机进行图像采集并回传。

如果这个摄像机有一个485接口的云台,还可以通过互联网远程控制摄像机的取景角度、镜头拉伸、聚焦等功能。

除了获取图像数据,系统还提供了多路开关控制和数据采集功能,可以连接温度、湿度等各类传感器和控制红外夜视灯等其他外部设备的开关状态。

最后,通过GPRS或CDMA无线通信模块及Internet互联网,将数据传至任何地方。

1　系统设计本系统采用三星公司的S3C2440嵌入式处理器和arm linux2.4.26操作系统。

S3C2440使用ARM920T 内核,主频是400M Hz;除了集成通用的串口控制器、USB 控制器、A/D转换器和GPIO等功能之外,还集成了一个摄像头接口(CAMIF)(这个接口是远程图像采集的核心部分)。

系统在S3C2440处理器的控制下,从CCD摄像机采集模拟视频信号,然后经过编码、DMA传输到内存缓冲,接着由软件对内存中的数字视频数据进行压缩和打包,最后通过通信单元将图像以IP包的方式发送到监控中心的服务器。

整个系统的硬件结构原理如图1所示。

}…}//同理,可完成A/D另一个通道缓冲区的数据传送//下一步,再读取状态寄存器第二位的状态,判断是否需要向D/A //通道发送由主机传送来的数据}5　总　结在CY7C68013和FP GA的数据通信中,采用基本的Port s接口模式,利用自动指针方法,通过数字示波器的观察,完成1K B的传送,大约需要750μs。

与另外两种模式相比,虽然数据传输的速度较低,但作为一种数据传输模式,尤其对刚从单片机开发过渡到USB开发的工程人员来说,也不失为一种有效的开发方式。

参考文献[1]　王成儒,李英伟.USB2.0原理与工程开发.北京:国防工业出版社,2004.[2]　边海龙,贾少华.USB2.0设备的设计与开发.北京:人民邮电出版社,2004.[3]　杨波,刘延波.具有USB2.0接口的高速数据采集卡设计.单片机与嵌入式系统应用,2004(4):5356.袁卫(讲师、硕士),赵小明(讲师、博士):主要研究方向为嵌入式系统设计与开发;张建奇(教授、博士生导师),主要研究方向为系统仿真与评估。

(收稿日期:2006203206)图1　远程图像监控系统硬件结构框图1.1　图像采样接口S3C2440的摄像头接口(CAMIF )支持ITUR B T.601/656YCbCr 8比特标准的图像数据输入,最大可采样4096×4096像素的图像。

摄像头接口可以有两种模式与DMA 控制器进行数据传输:一种是P 端口模式,把从摄像头接口采样到的图像数据转为R G B 数据,并在DMA 控制下传输到SDRAM (一般这种模式用来提供图像预览功能);另一种是C 端口模式,把图像数据按照YCbCr 4∶2∶0或4∶2∶2的格式传输到SDRAM (这种模式主要为MPEG 4、H.263等编码器提供图像数据的输入)。

上述两种工作模式都允许设置一个剪辑窗口,只有进入这个窗口的图像数据才能够传输到SDRAM 。

上述过程可用图2说明。

图3　S3C2440摄像机接口与SAA7113接线原理S3C2440的摄像机接口接收ITU 标准的图像数据,不能直接接收CCD 摄像机输出的模拟视频信号,因此还需要1片SAA7113视频解码芯片。

SAA7113可以输入4路模拟视频信号,通过内部寄存器的不同配置可以对4路输入进行转换,输入可以为4路CVBS 或2路S 视频(Y /C )信号,输出8位“VPO ”总线,为标准的ITU 656、YUV 4∶2∶2格式。

对SAA7113初始化需要通过I 2C 总线进行,而S3C2440内部集成的I 2C 控制器正好可以实现这个过程。

S3C2440的摄像机接口与SAA7113的连接原理如图3所示。

SAA7113的CE 引脚与S3C2440的一个GPIO 引脚相连,这样可以控制SAA7113的工作状态。

当无须采集图像时,将该GPIO 口输出低电平,使SAA7113芯片处于低功耗状态,节省电能的消耗。

对照图2和图3可以看出,SAA7113芯片就是图2的“外部图像传感器”。

它向嵌入式系统的摄像机接口提供了采样到的标准ITU 视频数据。

这些数据经过DMA 的P 端口或C 端口控制传输到了内存,这样就可以在内存中对图像数据作进一步的加工处理。

1.2　图像采样接口的驱动按照Linux 视频设备驱动的模型V4L (video forLinux )编写了SAA7113与S3C2440摄像机接口的驱动。

驱动使用C 端口模式与DMA 进行通信。

采样1帧图像之前,首先设置采样图像的分辨率和剪辑窗口大小等参数,然后设置DMA 控制器访问的视频采样输出缓冲的内存地址,接着就可以通过设置S3C2440的CAMIF 接口控制寄存器启动1帧图像的采集。

当采集完1帧图像时,CAMIF 接口会自动启动1次C 端口的DMA 通信,把采集的图像数据传到内存。

传输结束后,会产生一个C端图2　S3C2440摄像机接口工作示意图口的中断,通知驱动1帧数据采样和传输结束。

具体来说,这个驱动需要实现以下功能: ◆初始化S3C2440的CAMIF 接口的时钟寄存器。

主要是根据SAA7113的外接晶振频率设置摄像机时钟分频寄存器(CAMDIVN )。

该寄存器的0～3位是分频系数,其计算方法是:CAMCL K_DIV =U PLL /(CAMCL K 32)-1 (初始化代码略———编者注) ◆配置CAMIF 接口的采样参数。

主要是输入源图像数据的格式、输出的图像格式、采样的窗口大小、DMA 的访问地址等参数。

这里定义了一个结构,用于存储与CAMIF 接口相关的配置信息:struct s3c2440_camif_cfg_t {int src_x ;//输入的源图像宽度int src_y ;//输入的源图像高度int dst_x ;//输出的目标图像宽度int dst_y ;//输出的目标图像高度int dst_fmt ;//输出的目标图像数据格式int pre_x ;//预览通道(P 端口模式)输出的图像宽int pre_y ;//预览通道(P 端口模式)输出的图像高int pre_fmt ;//使用通道(P 端口模式)时设为1__u16bypass ;//为1时表示不启用按比例的图像放大/缩小__u16ycbcr ;//输入图像的Y cbCr 顺序struct s3c2440_camif 3dev ;//设备的系统信息};上述这些配置信息最终是与一系列的寄存器相关联的。

这个结构为读/写寄存器提供了一个清晰的、集中的存储缓冲。

◆打开、关闭和控制摄像机的接口函数。

这3个接口函数是按V4L 规范编写的,其原型如下: ①打开摄像机接口函数:static int v4l_cam_open (struct video_device 3v ,int mode ); ②控制摄像机接口函数:static int v4l _cam_ioctl (struct video _device 3v ,unsigned int cmd ,void 3arg ); ③关闭摄像机接口函数:static void v4l_cam_close (struct video_device 3v ); ◆中断处理接口函数。

该中断处理函数在使用C 端口模式完成1帧图像采集后被调用。

函数原型定义如下:static void s3c2440_camif _isr _c (int irq ,void 3dev _id ,struct pt_regs 3regs ); ◆读取图像数据的实现函数。

该函数通过dev →rdy的值判断1帧图像有无采集转换结束。

如果该值置1,则表示采样结束,这时就可以从图像数据的缓冲中拷贝数据到用户的存储空间;如果为0,则函数进入阻塞或返回EA GAIN 标志。

顺便提一下,dev →rdy 的值是在中断处理函数中设置的。

(实现代码略———编者注)1.3　图像数据的压缩S3C2440的CAMIF 接口处理得到的1帧图像数据比较大,还要经过进一步的压缩才能适合进行网络数据传输。

S3C2440处理器内部没有提供硬件的图像压缩编码器,但因为它的主频较高,可以使用软件来进行图像压缩。

考虑到CPU 的处理能力和对单帧采样图像的清晰度有较高的要求,采用基于离散余弦变换算法(DCT )的J PEG /MJ PEG 方式对图像数据进行压缩编码。

1.4　图像数据的传输通信单元承担了图像的数据传输任务。

在本系统中,有两种通信单元可供使用。

一种是GPRS/CDMA 无线传输模块。

它们通过串口与S3C2440处理器相连接,在以太网络传输线缆难以铺设的环境中可以使用这种通信方式。

它的缺点是通信带宽小,传输速度慢,但是如果对实时性要求不高,也能够传输高清晰的静态图片。

另一种通信单元是10M Hz 的CS8900a 以太网络传输模块。

它可与局域网相连接,然后将监控图像发送到局域网的监控服务器或者通过网关发送到互联网上。

这种通信方式速度高,实时性好,但监控现场要安装有线的以太网络。

1.5　摄像机云台的控制摄像机的云台控制接口采用RS485通信方式。

因S3C2440内部只有RS232的控制器,为此使用MAX485芯片设计了一个RS232到RS485的转换接口。

该电路原理如图4所示。

图4　RS232RS485接口转换电路原理图4中RS485的数据流方向由GPE13口的电平进行控制。

2　系统软件的设计系统软件包含下位机软件、服务器软件和客户端软件。

下位机软件部署在远程图像监控设备上。

这个软件作为一个Linux 的守护进程启动,负责压缩采样到的图像数据,并把压缩后的图像打包,然后通过Socket 通信方式上传到监控服务器。