關(guān)鍵詞： linux , TMS320DM355 , 處理器 , 服務(wù)器 , 視頻

本設(shè)計(jì)以TI公司DaVinci系列芯片作為硬件平臺(tái)，結(jié)合嵌入式Linux操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于TMS320DM355的視頻服務(wù)器。本文闡述了各硬件模塊的選型與功能，以及服務(wù)器的軟件架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)。同時(shí)給出了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的框架，包括視頻服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路及客戶(hù)監(jiān)控端。本設(shè)計(jì)采用 MPEG4視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，由DM355內(nèi)部的MPEG/JPEG協(xié)處理器完成。實(shí)驗(yàn)表明，在帶寬充足的條件下，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1．引言

多媒體監(jiān)控一直是人們關(guān)注的應(yīng)用技術(shù)熱點(diǎn)之一，它以直觀、方便、信息內(nèi)容豐富等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于許多場(chǎng)合。而隨著嵌入式系統(tǒng)和視頻壓縮技術(shù)的不斷發(fā)展，基于嵌入式技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)也得到了快速的發(fā)展與應(yīng)用。其通過(guò)把攝像機(jī)輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)嵌入式系統(tǒng)編碼和傳輸。在客戶(hù)端，通過(guò)安裝監(jiān)控軟件，或者直接通過(guò)Web進(jìn)行監(jiān)控。采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具備編碼處理、網(wǎng)絡(luò)通信、自動(dòng)控制等強(qiáng)大功能，直接支持網(wǎng)絡(luò)傳輸和網(wǎng)絡(luò)管理，使得監(jiān)控范圍達(dá)到了一定的廣度。

此外，嵌入式處理器的發(fā)展也日新月異，有專(zhuān)注于控制的ARM系列處理器，擅長(zhǎng)快速計(jì)算的DSP處理器，還有一些針對(duì)性非常強(qiáng)的處理器，可以實(shí)現(xiàn)硬件視頻編解碼等。而德州儀器（TI）新近推出的針對(duì)便攜式高清（HD）視頻產(chǎn)品市場(chǎng)的達(dá)芬奇（DaVinci）處理器TMS320DM355處理器，結(jié)合了它們的特長(zhǎng)。其內(nèi)部具有一個(gè)ARM9EJ-S的主處理器，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制，同時(shí)也集成了一個(gè)MPEG/JPEG協(xié)處理器，專(zhuān)注于MPEG/JPEG算法的實(shí)現(xiàn)。其內(nèi)部的視頻處理子系統(tǒng)（VPSS）及其它外設(shè)可方便快速的實(shí)現(xiàn)視頻的采集、預(yù)處理、顯示、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ堋Ｍ瑫r(shí)，其低廉的價(jià)格也為用戶(hù)降低了成本。而本設(shè)計(jì)即選用此處理器。

2．視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體框架

本嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)由視頻服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路、客戶(hù)監(jiān)控端等3部分組成。視頻服務(wù)器負(fù)責(zé)音視頻等數(shù)據(jù)的采集、壓縮處理等，網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路將視頻服務(wù)器壓縮和發(fā)送的多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，而客戶(hù)端監(jiān)控部分接收音視頻數(shù)據(jù)，進(jìn)行解壓、顯示以及對(duì)視頻服務(wù)器的控制等。整個(gè)系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

圖1視頻監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

2.1．視頻服務(wù)器

視頻服務(wù)器采用德州儀器（TI）新近推出的達(dá)芬奇(DaVinci)系列處理器TMS320DM355作為主處理器，接收CCD攝像頭采集的視頻信號(hào)，進(jìn)行預(yù)處理及MPEG4壓縮，然后將壓縮后的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸。同時(shí)，接收上位機(jī)發(fā)送的命令，解析并且執(zhí)行。每個(gè)設(shè)備都具有唯一的ID，當(dāng)客戶(hù)端進(jìn)行連接時(shí)，服務(wù)器會(huì)首先檢查ID號(hào)是否匹配，以防止惡意連接。此外，當(dāng)視頻服務(wù)器運(yùn)行異常時(shí)，其內(nèi)部的守護(hù)進(jìn)程會(huì)進(jìn)行監(jiān)視，適當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行重啟。
　 　
2.2．網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路

網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路負(fù)責(zé)多媒體數(shù)據(jù)的傳輸。此處，可以根據(jù)實(shí)際需求，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路的選擇。局域網(wǎng)（LAN）、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）、INTERNET、 CDMA、3G等都是可供選擇的傳輸鏈路。其中，局域網(wǎng)（LAN）和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）帶寬充足、穩(wěn)定，并且設(shè)備簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但會(huì)受到距離的限制。INTERNET和CDMA網(wǎng)絡(luò)可以使監(jiān)控距離得到擴(kuò)展，但是其帶寬受限，圖像質(zhì)量會(huì)受到影響。而最新的3G網(wǎng)絡(luò)也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，帶寬在靜止?fàn)顟B(tài)下可以達(dá)到2Mbps，但是其在穩(wěn)定性方面還待測(cè)試。用戶(hù)可以根據(jù)自己的需求進(jìn)行選擇，或者直接搭建專(zhuān)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)各自的監(jiān)控指標(biāo)。

2.3．客戶(hù)監(jiān)控端

客戶(hù)端主要與各個(gè)視頻服務(wù)器進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。客戶(hù)端可以采用PC機(jī)或者便攜式設(shè)備，與網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路相連，通過(guò)上位機(jī)軟件與視頻服務(wù)器連接，接收視頻服務(wù)器發(fā)送的多媒體數(shù)據(jù)，進(jìn)行解碼，然后在上位機(jī)顯示。同時(shí)，向視頻服務(wù)器發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)云臺(tái)、鏡頭等的控制。

3．視頻服務(wù)器硬件設(shè)計(jì)

3.1．整體框架視頻服務(wù)器完成視頻的采集、MPEG4壓縮和網(wǎng)絡(luò)傳輸，以及云臺(tái)、鏡頭等的控制。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2視頻服務(wù)器硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2．各模塊簡(jiǎn)介

1）主處理器

TMS320DM355TMS320DM355是一款針對(duì)數(shù)字靜態(tài)照相機(jī)，數(shù)碼相框，IP安全攝像機(jī)，視頻門(mén)鈴和其它一些低功耗便攜式數(shù)字視頻應(yīng)用設(shè)計(jì)的高集成度的處理器。可實(shí)現(xiàn)低成本，高圖像質(zhì)量的視頻解決方案。它集高性能，低功耗，低成本于一身，提供與外部CCD或CMOS傳感器的無(wú)縫連接。此外，還提供與電源管理，DDR/mDDRmemory，SRAM，NAND等的接口。

DM355處理器的主處理器是一個(gè)ARM926EJ-S核。ARM926EJ-S是一個(gè)32位的處理器核，提供216MHz或270MHz的時(shí)鐘速率，可執(zhí)行32位和16位的指令集，以及32位，16位和8位的數(shù)據(jù)。

此外，DM355內(nèi)還集成了一個(gè)MPEG/JPEG協(xié)處理器，實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻的壓縮。

DM355內(nèi)還包括一個(gè)視頻處理子系統(tǒng)（VPSS），分為視頻處理前端(VPFE)和視頻處理后端(VPBE)。視頻處理前端提供與CCD/CMOSimager模塊和視頻解碼器的接口。視頻處理后端實(shí)現(xiàn)硬件的OSD支持和復(fù)合的NTSC/PAL或LCD輸出。

2）視頻采集模塊

視頻采集模塊主要由鏡頭和模擬前端電路組成。模擬前端的作用是將圖像傳感器輸出的模擬信號(hào)鉗位放大，并完成A/D轉(zhuǎn)換，這里采用的是TVP5146。TVP5146是TI的一款高質(zhì)量、單片的視頻解碼器，數(shù)字化并且解碼所有主流的基帶模擬視頻格式。TVP5146將復(fù)合的或者分離的NTSC，PAL或者SECAM信號(hào)轉(zhuǎn)換為YCbCr格式。輸出格式可以是20位的YCbCr4:2:2或者10為的YCbCr4:2:2。它由一組內(nèi)部寄存器進(jìn)行控制，通過(guò)I2C進(jìn)行配置，改變對(duì)比度、亮度、飽和度、色調(diào)等參數(shù)。

3）音頻采集模塊

音頻采集模塊由Mic和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。此處采用TLV320AIC33。TLV320AIC33是一款低功耗立體聲音頻編解碼器，實(shí)現(xiàn)模擬音頻信號(hào)的數(shù)字化。包括立體聲耳機(jī)擴(kuò)音器，并且提供多輸入多輸出。支持8k到96k采樣。DM355對(duì)其的配置也是通過(guò)I2C進(jìn)行的。而數(shù)據(jù)接口則采用McBSP。

4）存儲(chǔ)模塊

本設(shè)計(jì)采用了512MB的nandflash用于存儲(chǔ)UBL、U-Boot、kernel、根文件系統(tǒng)。需要的話(huà)可以存儲(chǔ)一定數(shù)量的音視頻數(shù)據(jù)。它與DM355之間的接口為8位數(shù)據(jù)線(xiàn)。通過(guò)這8位數(shù)據(jù)線(xiàn)進(jìn)行命令及數(shù)據(jù)的傳遞。

5）動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)模塊
　 　
由于DM355提供DDR接口，所以選擇速度更快的DDRSDRAM作為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器。Linux操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序的運(yùn)行都在這里。當(dāng)系統(tǒng)上電后，bootloader進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的設(shè)置之后將自己搬運(yùn)到SDRAM內(nèi)運(yùn)行，當(dāng)需要啟動(dòng)內(nèi)核時(shí)，將內(nèi)核搬運(yùn)到SDRAM內(nèi)運(yùn)行。此后，整個(gè)內(nèi)存的控制就交給了Linux內(nèi)核。

6）Ethernet控制器

Ethernet控制器選擇DM9000，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。

7）RS232及RS485RS232

主要用于開(kāi)發(fā)階段的調(diào)試，RS485用于控制云臺(tái)，鏡頭等。RS232和RS485采用通用的232和485芯片即可滿(mǎn)足需要。

8）電源模塊電源模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的供電

我們采用現(xiàn)成的電源模塊提供云臺(tái)需要的24V交流電壓，鏡頭需要的12V直流電壓，以及視頻服務(wù)器需要的5V直流電壓。由于DM355的核電壓為1.3V，I/O電壓為3.3V，DDRSDRAM的電壓為1.8V，所以我們選擇了TPS65021電源芯片，將輸入的5V電壓轉(zhuǎn)換為3種不同的電壓輸出。此外我們對(duì)DM355的上電順序也進(jìn)行了考慮。

4．視頻服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為其軟件基礎(chǔ)。系統(tǒng)上電后，首先運(yùn)行引導(dǎo)程序bootloader，初始化CPU和一些I/O設(shè)備，然后將Linux內(nèi)核搬運(yùn)到內(nèi)存中，將控制權(quán)交給內(nèi)核。內(nèi)核啟動(dòng)后，運(yùn)行用戶(hù)應(yīng)用程序。系統(tǒng)的軟件層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)

4.1．系統(tǒng)上電及引導(dǎo)程序

系統(tǒng)上電時(shí)，是由DM355的輸入引腳BTSEL[1:0]來(lái)決定從ROM或者AEMIF啟動(dòng)。此設(shè)計(jì)處選擇從ROM啟動(dòng)。此時(shí)，系統(tǒng)直接跳轉(zhuǎn)到內(nèi)部 ROM的起始地址（0X00008000）執(zhí)行指令。內(nèi)嵌的ROM啟動(dòng)代碼（RBL）進(jìn)行一些配置操作，然后讀取BOOTCFG寄存器來(lái)決定是從 NAND、MMC/SD或者UART啟動(dòng)。本設(shè)計(jì)選擇NAND啟動(dòng)。NANDflash里預(yù)先燒寫(xiě)好了U-boot、Linux內(nèi)核以及根文件系統(tǒng)。 NAND啟動(dòng)以后，會(huì)讀取bootloader的stage1部分的指令對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的設(shè)置，然后將stage2部分的代碼搬移到SDRAM中進(jìn)行執(zhí)行。當(dāng)用戶(hù)選擇啟動(dòng)內(nèi)核時(shí)，bootloader將內(nèi)核從NANDflash里搬運(yùn)到SDRAM，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的起始地址進(jìn)行執(zhí)行，啟動(dòng)內(nèi)核。
　 　
4.2．嵌入式Linux操作系統(tǒng)

嵌入式Linux操作系統(tǒng)是針對(duì)不同的應(yīng)用需求，對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行裁剪修改使之能在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的一種操作系統(tǒng)。它開(kāi)放源碼，內(nèi)核小、效率高，適用于多種CPU和硬件平臺(tái)，性能穩(wěn)定，可移植性好等特點(diǎn)為其開(kāi)辟了一片屬于自己的空間。

本設(shè)計(jì)選擇嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各硬件模塊的驅(qū)動(dòng)的添加及移植，用戶(hù)應(yīng)用程序的編寫(xiě)及調(diào)試。

4.3．用戶(hù)應(yīng)用程序

本設(shè)計(jì)中將整個(gè)應(yīng)用程序分為2個(gè)進(jìn)程，data進(jìn)程和command進(jìn)程。Data進(jìn)程主要負(fù)責(zé)音視頻數(shù)據(jù)的采集、壓縮和網(wǎng)絡(luò)傳輸。其中，又分為3個(gè)線(xiàn)程，capture線(xiàn)程、編碼線(xiàn)程以及control線(xiàn)程。Capture線(xiàn)程控制采集設(shè)備進(jìn)行圖像及聲音的采集及預(yù)處理；編碼線(xiàn)程從capture線(xiàn)程讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行MPEG4（視頻）或G.711（音頻）壓縮。Control線(xiàn)程從編碼線(xiàn)程讀取壓縮完的數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給客戶(hù)端。而command進(jìn)程接收上位機(jī)命令，解析、執(zhí)行，并且控制云臺(tái)，鏡頭及測(cè)溫等。Command進(jìn)程還加入了用戶(hù)ID檢驗(yàn)等功能，提供簡(jiǎn)單的保護(hù)機(jī)制。應(yīng)用程序的流程圖如圖 4所示。

圖4應(yīng)用程序流程圖

4.4．MPEG/JPEG協(xié)處理器編碼

由于DM355內(nèi)部集成了MPEG/JPEG協(xié)處理器，對(duì)于音視頻的編解碼主要是通過(guò)它來(lái)完成的。而對(duì)它的操作是依靠TI公司制訂的基于 eXpressDSP算法互用性標(biāo)準(zhǔn)（xDAIS）的xDAIS-DM標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的。此標(biāo)準(zhǔn)定義了一組統(tǒng)一的API，這些API是建立在各種多媒體算法之上的，這樣即簡(jiǎn)化了集成難度，同時(shí)保證了互用性。TI提出的CodecEngine就是一組用于示例和運(yùn)行xDAIS算法的API，而 VISA（Video，Image，Speech，Audio）類(lèi)是用來(lái)與xDAIS-DM算法標(biāo)準(zhǔn)定義的基于各種多媒體算法的API函數(shù)集進(jìn)行交互的接口。在應(yīng)用程序編程中，通過(guò)進(jìn)行如下的操作來(lái)完成視頻的編碼。

打開(kāi)編解碼引擎：

staticStringengineName=videnc

Engine_Handlece;Engine_Errorerrorcode;ce=Engine_open(engineName,NULL,& amp;errorcode);視頻編碼類(lèi)提供四個(gè)API函數(shù)：創(chuàng)建視頻編碼類(lèi)：VIDENC_Handlehenc;staticStringencoderName=mpeg4enc; henc="VIDENC"_create(ce,encoderName,NULL);其中ce為打開(kāi)編碼引擎時(shí)返回的句柄。對(duì)視頻編碼類(lèi)進(jìn)行控制，設(shè)置視頻編碼動(dòng)態(tài)參數(shù)：VIDENC_control(henc,XDM_SETPARAMS,&dynamicParams,&encStatus);處理數(shù)據(jù)，進(jìn)行編碼：VIDENC_process(henc,&inBufDesc,&outBufDesc,&inArgs,&outArgs); 其中參數(shù)henc為創(chuàng)建的VISA類(lèi)句柄，inBufDesc為原始數(shù)據(jù)buffer，outBufDesc為壓縮后數(shù)據(jù)buffer，inArgs和 outArgs為輸入輸出配置參數(shù)。銷(xiāo)毀創(chuàng)建的視頻編碼類(lèi)：VIDENC_delete(henc)；在應(yīng)用程序中調(diào)用以上API，即可利用 MPEG/JPEG協(xié)處理器對(duì)原始視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，而音頻數(shù)據(jù)的壓縮與此類(lèi)似。

5．總結(jié)

本文介紹了基于最新DaVinci平臺(tái)的視頻監(jiān)控服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括硬件組成和軟件設(shè)計(jì)。整個(gè)視頻服務(wù)器利用DM355內(nèi)部的ARM926EJ-S 核運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，而用MPEG/JPEG協(xié)處理器進(jìn)行MPEG4編碼相關(guān)的計(jì)算。文中對(duì)利用MPEG/JPEG協(xié)處理器進(jìn)行編碼也做了介紹，同時(shí)給出了整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的框架。經(jīng)過(guò)在局域網(wǎng)內(nèi)測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)D1格式的視頻的實(shí)時(shí)傳輸，同時(shí)可以進(jìn)行云臺(tái)及鏡頭等的控制。利用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)樓宇、街道等場(chǎng)所的視頻監(jiān)控。