基于NiosII的IP Camera傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)

1 引言

　　隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，人們對監(jiān)控功能要求越來越高，網(wǎng)絡攝像頭以其特有的優(yōu)勢改變了傳統(tǒng)監(jiān)控手段，為遠程實時監(jiān)控提供了出色的解決方案。人們只需打開網(wǎng)頁或視頻瀏覽器就可實時查看需要監(jiān)控場所的安全情況。

　　2 系統(tǒng)的硬件設計

　　IP Camera的硬件架構如圖1所示，這是筆者參與開發(fā)的一種基于Altera公司NiosII嵌入式軟核CPU的網(wǎng)絡視頻傳輸設計方案，實現(xiàn)了以太網(wǎng)內(nèi)視頻數(shù)據(jù)傳輸。FPGA采用的是Altera公司的Cy-cloneII系列的EP2C35F672C6器件。IP camera主要是由視頻采集、Cyclone FPGA及系統(tǒng)存儲和網(wǎng)絡傳輸?shù)?部分組成。由于Cyclone FPGA及系統(tǒng)存儲的電路設計具有一定的通用性，所以這里僅介紹視頻采集和網(wǎng)絡傳輸?shù)碾娐吩O計。

　　2.1視頻采集模塊設計

　　本系統(tǒng)設計的視頻采集器件采用ADV7181B。ADV7181B是一款集成的視頻解碼器，通過配置可以接收CVBS復合視頻、S-Video及YPrPb分量多種模擬信號，ADV7181B的數(shù)字輸出是16位或8位、并與CCIR656標準兼容的YCrCb4：2：2視頻數(shù)據(jù)，還包括垂直同步VS、水平同步HS及場同步信號。

　　本系統(tǒng)設計選用ADV7181B的AIN6作為CVBS復合視頻信號的輸入，ADV7181B的輸出數(shù)據(jù)采用8位的數(shù)據(jù)寬度。ADV7181B的27 MHz時鐘由FPGA提供，F(xiàn)PGA通過I2C總線讀／寫ADV7181B的寄存器控制ADV7181B，ADV7181B的I2C總線讀地址為0x40，寫地址為0x41。ADV7181B的8位YCrCb4：2：2視頻輸出數(shù)據(jù)及其他輸出信號直接連接至FPGA。視頻采集電路模塊電路圖如圖2所示。

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2.2網(wǎng)絡傳輸模塊設計

　　本系統(tǒng)設計的網(wǎng)絡器件采用DM9000A。DM9000A是Davicom公司推出的一款低功耗高速網(wǎng)絡控制器，該器件具有通用處理器接口、10 M／100 M PHY和4 KB的SRAM。

　　本系統(tǒng)設計的以太網(wǎng)接口部分電路原理圖如圖3所示在DM9000A的48個引腳中，TX+、TX-、RX+、RX-分別連接到RJ45INTLED的TD+、TD-、RD+、RD-。而LED1和LED2則分別連接至RJ45INTLFD的黃色LED與綠色LED接口，除懸空引腳和電源相關引腳外，其余引腳均連接至FPGA。

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　系統(tǒng)軟件設計主要包括：建立底層軟件平臺一NiosII IDE提供的底層軟件開發(fā)平臺，建立應用軟件，創(chuàng)建用戶傳輸任務等功能，從而實現(xiàn)TCP／IP連接和視頻數(shù)據(jù)傳輸。

　　3.1 建立底層軟件平臺-μC／OS-II和LWIP

　　考慮到嵌入式系統(tǒng)的有限資源及NiosII IDE開發(fā)環(huán)境對μC／OS-II的支持，系統(tǒng)選擇μC／OS-II作為操作系統(tǒng)。在NiosII IDE集成開發(fā)環(huán)境中，μC／OS-II的加載非常方便，只需在建立工程時選取μC／OS-II庫選項即可。更重要的是，它根據(jù)用戶在SOPC中搭建的硬件平臺而動態(tài)加載。開發(fā)系統(tǒng)時，需不斷修改和調(diào)整硬件平臺，從而獲取最佳配置。NiosIIIDE開發(fā)環(huán)境會自動根據(jù)開發(fā)者修改后的硬件平臺加載μC／OS-II。這樣，開發(fā)者無需考慮硬件平臺就可解決與操作系統(tǒng)μC／OS-II不匹配問題。

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　　LWIP是瑞士計算機科學院的開發(fā)的TCP／IP協(xié)議棧，其開發(fā)的初衷是用于嵌入式系統(tǒng)，一般它只需要幾十KB的RAM和約40 KB的ROM就可運行。NiosII IDE開發(fā)環(huán)境內(nèi)部集成了LWIP協(xié)議棧，用戶在加載操作系統(tǒng)μC／OS-II后，只需選取相應的LWIP選項，即可加入?yún)f(xié)議棧。工程中，LWIP以系統(tǒng)庫的形式存在，應用軟件只需加上相應的頭文件，就可調(diào)用API函數(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡連接、數(shù)據(jù)收發(fā)等功能，迅速實現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡接入。

　　3.2建立應用軟件

　　本系統(tǒng)設計的嵌入式應用軟件流程圖如圖4所示。

　　首先對堆棧和驅(qū)動程序初始化。初始化堆棧，應在調(diào)用OSStart啟動μC／OS-II調(diào)度程序之前調(diào)用IDE的庫函數(shù)lwip_stack_int()，該函數(shù)用于設置協(xié)議棧。堆棧初始化后，再調(diào)用庫函數(shù)init_done_func()，但該函數(shù)必須調(diào)用庫函數(shù)lwip_devices_init()，這個函數(shù)將對在system.h中定義的所有已安裝的以太網(wǎng)設備驅(qū)動程序進行注冊。函數(shù)lwip_devices_init()還會調(diào)用函數(shù)get_mac_addr()和函數(shù)get_ip_address()從而獲取系統(tǒng)的mac地址和IP地址。當lwip_devices_init()返回一個非0值則表示注冊成功。注冊成功后，LWIP?？捎?，從而便可在程序中創(chuàng)建任務。

　　初始化完成后，使用函數(shù)sys_thread_new()創(chuàng)建使用套接字API與LWIP棧對話的新任務。系統(tǒng)中，由函數(shù)sys_thread_new(link_task，NULL，link_PRIO)創(chuàng)建的用戶任務是link_task()。該任務中，系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)listen(fd_listen，1)監(jiān)聽上位機連接是否成功，一旦連接成功，調(diào)用NiosII IDE所提供的IO操作函數(shù)IOWR(OUT_PIO_BASE,0，0x01)控制接收模塊，將視頻數(shù)據(jù)保存到SRAM，當存滿一幀后，接收模塊產(chǎn)生一個中斷，這時系統(tǒng)可通過指針讀取SRAM中的值a[i]=*(p+i+N／2*(TIMES-times)，每讀取1 450 Byte就調(diào)用套接字API函數(shù)send(clisock,send_buf,N,0)發(fā)送至上位機。由于保存圖像的分辨率僅是320×240，所以數(shù)據(jù)量并不大。發(fā)送時，通過函數(shù)IOWR(OUT_PIO_BASE,0，0x00)控制接收模塊何時停止接收，一幀圖像發(fā)送完畢，再通過函數(shù)IOWR(OUT_PI-O_BASE,0，0x01)控制接收模塊開始接收下一幀圖像，如此反復循環(huán)，直到連接斷開為止。

　　4 上位機軟件設計

　　本系統(tǒng)設計的客戶端視頻顯示應用程序是利用LabWindows／CVI軟件開發(fā)，此應用程序利用套接字編程，可以作為客戶機與服務器NiosII系統(tǒng)之間通信。

　　本系統(tǒng)設計的上位機的應用程序除了顯示視頻功能外，還添加了保存和回放功能。上位機通過創(chuàng)建一個標準的Socket接口完成連接以及接收數(shù)據(jù)；當接收完一幀數(shù)據(jù)后，對其進行數(shù)據(jù)處理，再調(diào)用函數(shù)CreateDIBitmap()創(chuàng)建一幅位圖，最后再調(diào)用函數(shù)CanvasDrawBitmap()完整顯示。

　　5 結束語

　　本系統(tǒng)設計是基于NiosII IP攝像頭的系統(tǒng)，介紹了從SOPC Builder創(chuàng)建NiosII軟核處理器、IDE建立底層軟件平臺，到設計NioslI應用軟件的整個架構。同時，對上位機的應用程序做了說明。經(jīng)過硬件測試，整個系統(tǒng)運行良好，實時性能良好。