基于雙CPU實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖像監(jiān)控以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而被廣泛應(yīng)用于許多場(chǎng)合。在電子技術(shù)與通訊技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，圖像監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)水平直接反映了不同階段電子與通訊的技術(shù)狀況。

上世紀(jì)90年代末，隨著多媒體技術(shù)、視頻壓縮編碼技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)迅速崛起。在數(shù)字圖像監(jiān)控系統(tǒng)中，嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、以太網(wǎng)接口控制器等相關(guān)支撐硬件及嵌入式操作系統(tǒng)組成。

1 設(shè)計(jì)方案

采用TI公司的TMS320VC5471為處理器，此芯片是一種雙內(nèi)核器件，內(nèi)部集成了一個(gè)帶程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(均為RAM)的TMS320C54x DSP子系統(tǒng)和一個(gè)帶仿真工具的ARM7TMRISC微控制器核。在雙CPU系統(tǒng)中，ARM7TDMI作為主CPU，負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、圖像數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、存儲(chǔ)容量的擴(kuò)展等系統(tǒng)的功能；DSP作為從CPU，它是圖像采集和數(shù)據(jù)處理的核心，完成圖像采集及處理系統(tǒng)的功能。ARM子系統(tǒng)與DSP子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸非常頻繁，系統(tǒng)選用共享雙口RAM存儲(chǔ)器方式來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP與ARM7TDMI之間的通信，圖像監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)

2.1 主機(jī)控制單元

ARM子系統(tǒng)與DSP子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸非常頻繁，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性直接決定系統(tǒng)的性能。所以，本系統(tǒng)選用共享雙口RAM存儲(chǔ)器方式來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP與ARM7TDMI之間的通信，如采用IDT司生產(chǎn)的雙口RAMIDT70V24，其容量為4K×16位。

在工作時(shí)不可避免的要碰到雙核內(nèi)部的通信問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用中斷的通信方式，任何一方都是先將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)放入API存儲(chǔ)器中，然后發(fā)出中斷信號(hào)，通知對(duì)方可以取數(shù)，對(duì)方接到中斷之后，進(jìn)入中斷服務(wù)程序從API存儲(chǔ)器中取走數(shù)據(jù)。

2.2 模擬圖像采集及處理單元

圖像信號(hào)通過(guò)CCD攝像頭采集并輸出模擬圖像信號(hào)，模擬圖像A／D轉(zhuǎn)換采用Philips公司的SAA7111A來(lái)實(shí)現(xiàn)。該芯片可實(shí)現(xiàn)多路選通、鎖相與時(shí)序、時(shí)鐘產(chǎn)生與測(cè)試、ADC、亮色分離等功能，其輸出可以具有如下格式：YUV4：1：1(12bit)、YUV 4：2：2(16bit)、YUV4：2：2(CCIR-656)(8bit)等，靈活輸出不同的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)格式。由于DSP處理芯片和SA7111A的時(shí)序不同，可以通過(guò)CPLD進(jìn)行邏輯控制FIFO來(lái)完成數(shù)據(jù)緩存的功能。

2.3 鍵盤控制單元

本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320VC5471為處理器，連接成一個(gè)矩陣式鍵盤是非常容易的，其ARM側(cè)提供了鍵盤專用接口KBGPIO。KBGPIO[15：8]在芯片內(nèi)部已通過(guò)上拉電阻接+3.3V高電平，并且被配置成輸入口，可用來(lái)作為矩陣鍵盤的行輸入，KBGPIO[7：0]被配置為輸入口，可以用來(lái)作為矩陣鍵盤的列輸入，該鍵盤電路輸入無(wú)需再通過(guò)上拉電阻接至高電平，只將行和列線引出接到鍵的兩端即可。鍵盤總共可以有24個(gè)實(shí)際的硬鍵，每個(gè)按鍵的功能可由用戶隨意定義功能。

2.4 存儲(chǔ)容量擴(kuò)展單元

系統(tǒng)中有大量的數(shù)據(jù)要記錄下來(lái)，需要大量?jī)?nèi)存來(lái)保存測(cè)量的數(shù)據(jù)，在主CPU上連接SRAM、FLASH、CF卡。CF卡具有存儲(chǔ)容量大、讀寫(xiě)速度快、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，是一種理想的存儲(chǔ)載體，本系統(tǒng)選用KINGMAX公司生產(chǎn)的CompactFlash Card，該卡的存儲(chǔ)容量是1G，利用芯片ARM核內(nèi)置集成電路IIC接口，把CompactFlash卡連接到微控制器的IIC接口。在存儲(chǔ)器映像模式中，一條8比特?cái)?shù)據(jù)總線控制著CompactFlash卡，軟件能把數(shù)據(jù)直接寫(xiě)到CompactFlash卡。CF卡的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.5 以太網(wǎng)控制單元

TMS320VC5471的網(wǎng)絡(luò)模塊(EIM)可以實(shí)現(xiàn)IEEE802.3協(xié)議及全雙工／半雙工模式的10／100Mbit／s的MAC層的功能。本系統(tǒng)的PHY接口采用Realtek公司生產(chǎn)的RTL8201BL芯片構(gòu)成，RTL8201BL使用MII接口與TMS320VC5471的MAC控制器直接相連，RTL8201的發(fā)送輸出引腳TPTX±和接收輸入TPRX±通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器與RJ45雙絞線接口連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通道的安全隔離。

2.6 實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控單元

將本系統(tǒng)連接到Internet網(wǎng)絡(luò)上，可以通過(guò)Internet進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控，不必親臨現(xiàn)場(chǎng)。μC／OS-II是一款實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)是一個(gè)公開(kāi)源代碼占先式多任務(wù)微內(nèi)核的RTOS。本設(shè)計(jì)選用μC／OS-II，將其移植到TMS320VC5471內(nèi)嵌的ARM7核上。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議通過(guò)TCP／IP協(xié)議棧選用LwIP協(xié)議棧，把LwIP協(xié)議棧移入來(lái)實(shí)現(xiàn)。嵌入式網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

采用ARM匯編語(yǔ)言，各系統(tǒng)做成子程序功能塊，這樣不但可以使程序緊湊、便于閱讀，而且可以增強(qiáng)程序移植性，調(diào)試、更改各功能模塊也更方便，程序框圖如圖4所示。

本文提出的基于雙CPU實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，充分利用了TMS320VC5471的高性能和嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)穩(wěn)定的特點(diǎn)，采用TCP／IP協(xié)議建立與Internet的連接，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控的遠(yuǎn)程控制。這種雙CPU處理器與嵌入式操作系統(tǒng)相結(jié)合的模式，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、產(chǎn)品制造、智能交通等的視頻檢測(cè)領(lǐng)域， 具有廣泛的應(yīng)用前景。