基于SOPC的遠(yuǎn)程視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于 SOPC 的遠(yuǎn)程視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)李晉,李紹榮電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院,成都 (610054E-mail :摘 要:提出一種基于 SOPC 技術(shù)的遠(yuǎn)程視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。 通過將 NiosII 軟核 處理器、 用戶自定義邏輯模塊、 存儲(chǔ)器、 I/O等集成到單塊低成本的 FPGA 上, 組成一個(gè) SOPC (片上可編程系統(tǒng) ,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案相比,該方案降低了 系統(tǒng)的成本,復(fù)雜性和功耗。關(guān)鍵詞:遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控, SOPC , NiosII中圖分類號(hào):TP334.221. 引言近幾年來(lái),在國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,人民生活質(zhì)量普遍提高的背景下,在計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)以 及

2、圖像處理、 視頻圖像壓縮等技術(shù)不斷進(jìn)步的基礎(chǔ)上, 視頻圖像應(yīng)用系統(tǒng)己經(jīng)越來(lái)越廠泛的 出現(xiàn)于政府,學(xué)校,銀行,軍隊(duì)和家庭等各種場(chǎng)合中,并且呈現(xiàn)多樣化的發(fā)展走勢(shì),越來(lái)越 多的具有數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)性等特性 1。SOPC 是 Altera 公司提出來(lái)的一種靈活、高效的 SOC 解決方案。它將處理器、存儲(chǔ)器、 I/O 口、 LVDS 、 CDR 等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的功能模塊集成到一個(gè) PLD 器件上,構(gòu)建成一個(gè)可 編程的片上系統(tǒng)。它具有靈活的設(shè)計(jì)方式,可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí),并具備軟硬件在系統(tǒng) 可編程的功能。 由于它可編程的靈活性和 IP(Intellectual Property功能模塊的可重用性,

3、易于 保證產(chǎn)品的差異性和縮短面市時(shí)間, 它無(wú)需庫(kù)存費(fèi)用, 也無(wú)需一次性投片費(fèi)用, 降低了投資 風(fēng)險(xiǎn)。 因此本設(shè)計(jì)采用了 Altera 公司的基于 NiosII 的 SOPC 系統(tǒng)平臺(tái)。 NiosII 是一種可放入 PLD 的 CPU 軟核 , 它是一種采用流水線技術(shù)、單指令流的 RISC 處理器,專門針對(duì) Altera 的 PLD 及 SOPC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想作了優(yōu)化,只占芯片內(nèi)部很少一部分邏輯單元,成本很低 2。 2. 系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)的基本原理是 :視頻圖像信號(hào)經(jīng)過鏡頭輸入后。由圖像傳感器轉(zhuǎn) 化為電信號(hào) ,A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào),再經(jīng)過編解碼器按一定的編

4、解碼 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編解碼后在 CPU 的控制下,按一定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議送上局域網(wǎng)或 INTERNET , CPU 還 可以接收?qǐng)?bào)警信號(hào)及向外發(fā)送報(bào)警信號(hào),且按要求發(fā)出控制信號(hào)。根據(jù)系統(tǒng)的功能和要求,可分成四個(gè)模塊:CCD/CMOS攝像頭、圖像獲取處理模塊、 控制監(jiān)控模塊和網(wǎng)絡(luò)處理模塊,如圖 1所示。 3. 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)原理框圖如圖 2所示。 圖 2 系統(tǒng)硬件原理框圖圖 2中, Avalon 數(shù)據(jù)總線將 NIOSII 微處理器、 SDRAM 控制器、 Flash 接口模塊、 DMA 控制器、網(wǎng)絡(luò)接口模塊、視頻輸入模塊等連在一起構(gòu)成片上可編程系統(tǒng)(SOPC 。Nios II處理器實(shí)際上是

5、ALTERA 公司提供的一個(gè)軟核,通過下載到 FPGA 上就可以實(shí) 現(xiàn)一個(gè) 32位 RISC CPU。 DMA 控制器用來(lái)控制兩個(gè)地址空間之間的 DMA 傳輸。 SDRAM 是系統(tǒng)運(yùn)行的主存。 FLASH 用來(lái)存儲(chǔ)程序,上電后加載到 SDRAM 。 I 2C 接口用來(lái)完成對(duì) ADV7181的初始化工作?？刂菩盘?hào)接口主要作為各種報(bào)警、指示及其它輸入輸出信號(hào)的控 制接口。3.1 模擬視頻信號(hào)解碼模塊從攝像頭輸入的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)需要專門的視頻解碼芯片來(lái)完成, 本系統(tǒng) 采用 ADV7181視頻解碼芯片完成對(duì)模擬攝像頭的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼的任務(wù), 將 NTSC 制的 CVBS 等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成

6、符合 ITU-R656標(biāo)準(zhǔn)的 YCbCr 信號(hào)。3.2 視頻輸入模塊模塊的子模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3所示:經(jīng)過解碼的 4:2:2YCrCb 格式視頻信號(hào)在 27 M Hz 像素時(shí)鐘控制下輸入 FIFO 緩沖器。 彩條測(cè)試信號(hào)模塊在系統(tǒng)測(cè)試時(shí) , 給出一個(gè)非常簡(jiǎn)單的測(cè) 試模塊,可以模擬為信號(hào)源,以方便系統(tǒng)的調(diào)試。色度轉(zhuǎn)換模塊將 YCrCb 格式轉(zhuǎn)換為 RGB 格式,并把它們的值寫到 FIFO緩沖器中。 Avalon DMA把圖像數(shù)據(jù)寫到系統(tǒng)存儲(chǔ)器 (SDRAM 中 , 當(dāng)完成一幀寫操作時(shí) , 給 NiosII 處理器一個(gè)中斷信號(hào)。 圖 3 視頻輸入模塊結(jié)構(gòu)示意圖YCrCb 到 RGB 的轉(zhuǎn)換公式如

7、下 :R = 1.164(Y - 16 + 1.596(Cr - 128G = 1.164(Y - 16 - 0.813(Cr - 128 - 0.392(Cb - 128B = 1.164(Y - 16 + 2.017(Cb - 1283.3 網(wǎng)絡(luò)接口模塊本模塊主要完成 NiosII 處理器與 DM9000網(wǎng)絡(luò)控制器的接口連接。輸入輸出端口分為 兩部分, 一部分是模塊與 Avalon 總線的連接信號(hào), 另一部分是模塊與 FPGA 外部的 DM9000連接的信號(hào)。 DM9000是 DAVICOM 公司的一款是一款低功耗高性能的網(wǎng)絡(luò)控制器,內(nèi)部 包括一個(gè) 10/100M PHY和 4K 雙字節(jié)

8、SRAM 。 DM9000提供 8位、 16位、 32位不同的微控 制器接口,因此可以方便的與 Nios II處理器連接。3.4 SOPC系統(tǒng)模塊生成用 SOPC Builder可以進(jìn)行系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計(jì)和底層軟件生成。進(jìn)行硬件模塊設(shè)計(jì)時(shí), SOPC Builder提供圖形化配置界面,備有一些常用外設(shè)的 IP 模塊 , 如 SRAM 、 Flash RAM、 UART 、 Ethernet Interface、 Interval timer、 Parallel I/ O 等。用戶還可以加入自己的外設(shè)設(shè)計(jì) 文件。 對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō), 就是將在前面提到的視頻輸入模塊和網(wǎng)絡(luò)接口模塊以用戶自定義接 口的方

9、式添加進(jìn)來(lái), SOPC Builder 可以進(jìn)行系統(tǒng)配置以及生成 , 系統(tǒng)配置除了對(duì)外設(shè)設(shè)置外 還包括啟動(dòng)程序、中斷向量表、系統(tǒng)啟動(dòng)地址等的設(shè)置。具體如圖 4所示。圖 4 構(gòu)建完成的 Nios II系統(tǒng)模塊 4. 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)SOPC 系統(tǒng)的軟件開發(fā)是在 NiosII IDE(集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行的。 NiosII IDE基于開 放式的、可擴(kuò)展的 Eclipse IDE工程以及 Eclipse C/C+開發(fā)工具工程。目前 NiosII 的軟件開發(fā)都是在 HAL (hardware abstraction layer的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。圖 5給出了基于 HAL 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。 HAL 系統(tǒng)庫(kù)是

10、一個(gè)輕量級(jí)的運(yùn)行環(huán)境, 提供了簡(jiǎn)單的 和硬件通訊的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 3。 圖 5 基于 HAL 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖軟件設(shè)計(jì)包括嵌入式操作系統(tǒng)的移植、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計(jì)、應(yīng)用級(jí)代碼編寫等部分。 4.1 uC/OS-II操作系統(tǒng)移植uc/OS-II 操作系統(tǒng)是美國(guó)人 Jean Labrosse 于 1992 年開始編寫的,它是一種適合于小 型、 微控制器的可剝奪實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。 uc/OS 的內(nèi)核除了沒有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧之外, 也沒有文件 系統(tǒng),但是本設(shè)計(jì)中并不需要對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)按文件方式保存,因而使用 uc/OS-II 可以滿 足需要 4。uc/OS-II 在設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮到在不同平臺(tái)上移植的需求, 將同平臺(tái)相

11、關(guān)的部分局限在 一個(gè)很小的范圍內(nèi),對(duì)于不同的平臺(tái)只需對(duì)下面一些函數(shù)和宏進(jìn)行重寫。 OS_ENTER_CRITICAL 和 OS_EXIT_CRITICAL :這是兩個(gè)宏,用來(lái)進(jìn)行臨界段保 護(hù)。在本設(shè)計(jì)中使用匯編代碼開關(guān)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。 OS_TASK_SW :這是一個(gè)用于進(jìn)行任務(wù)切換的宏。本設(shè)計(jì)中利用 C P U 的軟件中 斷方式實(shí)現(xiàn)。 也就是說(shuō)調(diào)用此宏產(chǎn)生軟件中斷, 然后由相應(yīng)的中斷處理程序來(lái)具體實(shí)現(xiàn)任務(wù) 上下文保護(hù)和任務(wù)切換。 OSIntCtxSw:實(shí)現(xiàn)中斷級(jí)任務(wù)切換,用純匯編實(shí)現(xiàn)。 OSCtxSw:實(shí)現(xiàn)用戶級(jí)上下文切換,用純匯編實(shí)現(xiàn)。 OSTickISR:為系統(tǒng)定時(shí)器中斷的處理函數(shù),用純匯編

12、實(shí)現(xiàn)。 OSTaskStkInit:用來(lái)在創(chuàng)建任務(wù)時(shí),對(duì)任務(wù)堆棧進(jìn)行初始化。OS_CFG.H 用來(lái)配置內(nèi)核,用戶根據(jù)需要對(duì)內(nèi)核進(jìn)行定制,設(shè)置系統(tǒng)的基本情況; INCLUDES.H 為系統(tǒng)頭文件,包括了整個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)所需要的內(nèi)核以及用戶的頭文件。 uC/OS-II編程模型如圖 6所示,基本原則就是創(chuàng)建一系列任務(wù),然后運(yùn)行它們。 圖 6 uC/OS-II編程模型 4.2網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計(jì)本系統(tǒng)選擇 LwIP 作為系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。LwIP (light weight IP是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院 (Swedish Institute of Computer Science的 Adam Dunkels等開發(fā)的一

13、套用于嵌入式系統(tǒng)的開放源代碼 TCP/IP協(xié)議棧。 LwIP 既可以移 植到操作系統(tǒng)上, 又可以在無(wú)操作系統(tǒng)的情況下獨(dú)立運(yùn)行。 LwIP 實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持 TCP/IP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì) RAM 的占用,一般它只需要幾十 K 的 RAM 和 40K 左右的 ROM 就可以運(yùn)行,這使 LwIP 適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用 5。 LwIP 的特性如下 :(1支持多網(wǎng)絡(luò)接口下的 IP 轉(zhuǎn)發(fā);(2支持 ICMP 協(xié)議;(3包括實(shí)驗(yàn)性擴(kuò)展的的 UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 ;(4包括阻塞控制, RTT 估算和快速恢復(fù)和快速轉(zhuǎn)發(fā)的 TCP 協(xié)議 (傳輸控制協(xié)議 ;(5提供專門的內(nèi)部回調(diào)接口 (Raw API用于提高應(yīng)用程序性能;(6可選擇的 Berkeley 接口 API(多線程情況下 ;(7在最新的版本中支持 PPP ;(8新版本中增加了的 IP fragment的支持;(9支持 DHCP 協(xié)議,動(dòng)態(tài)分配