李超雄，杭亦文，萬(wàn) 立

(1.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430070;武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢 430070)

隨著嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟，視頻監(jiān)控正朝高清化、智能化和便捷化的方向發(fā)展，在整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中所需處理的數(shù)據(jù)量也大大增加，這對(duì)傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的視頻處理和傳輸模式提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

目前電力載波(power line communication，PLC)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，多家國(guó)際芯片廠商已經(jīng)推出14 Mb/s、85 Mb/s和200 Mb/s速率的PLC芯片，該技術(shù)逐步從以前單一的遠(yuǎn)程抄表走向多媒體應(yīng)用等更多的方面。采用電力載波通信技術(shù)，以電力線(xiàn)作為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的接入和傳輸介質(zhì)，具有成本低、不用額外布線(xiàn)和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)［1］。

根據(jù)傳統(tǒng)視頻監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)分布的不足，以及電力載波技術(shù)特有的優(yōu)勢(shì)，筆者提出了基于OMAP5912雙核處理器和電力載波的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中利用雙核處理器的ARM端進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)度與控制，DSP端進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的處理，并采用電力載波模塊對(duì)采集到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)整體方案框圖

系統(tǒng)整體方案框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括3大部分:OSK(OMAP starter kit)控制系統(tǒng)、PLC數(shù)據(jù)傳輸模塊和上位機(jī)監(jiān)控。OSK控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行、視頻信號(hào)的采集處理、雙核之間的數(shù)據(jù)交換以及與電力載波模塊的數(shù)據(jù)通信等，是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分;電力載波模塊主要負(fù)責(zé)將OSK系統(tǒng)采集的視頻數(shù)據(jù)在電力線(xiàn)上傳輸，電力載波模塊能否實(shí)時(shí)傳輸采集到的視頻數(shù)據(jù)將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的整體性能;上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將電力載波模塊傳輸來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示及存儲(chǔ)等工作。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有如下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):

(1)USB攝像頭的驅(qū)動(dòng)及視頻信息的采集;

(2)系統(tǒng)雙核通信和視頻的壓縮;

(3)電力載波的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)傳輸。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 OSK控制板設(shè)計(jì)

電力載波視頻監(jiān)控系統(tǒng)的控制板不僅要負(fù)責(zé)系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)度、視頻數(shù)據(jù)的采集處理，還需要與PLC模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。該系統(tǒng)采用Montavista Linux操作系統(tǒng)，為了保存操作系統(tǒng)運(yùn)行所需的各種數(shù)據(jù)，如U-Boot、系統(tǒng)參數(shù)、Linux內(nèi)核、DSP/BIOS和文件系統(tǒng)等，系統(tǒng)需要有外擴(kuò)Flash的支持，另外為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的速度，系統(tǒng)外擴(kuò)的緩沖也是必需的。因此筆者采用了TI公司的OSK控制板作為系統(tǒng)的控制板，以O(shè)MAP5912雙核控制器作為主控芯片，它是一個(gè)高度集成的軟硬件的處理器，由一個(gè)實(shí)現(xiàn)控制功能的ARM92處理器和高性能低功耗的TMS320C55xDSP組成，相對(duì)于單核系統(tǒng)OMAP5912的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是能夠大大提高操作系統(tǒng)的效率［2-3］。OSK控制板不僅有串口、JTAG口、USB口以及網(wǎng)絡(luò)接口等常用的外擴(kuò)接口，還外擴(kuò)了32 M的Flash和32 M的DDR型SDRAM。另外系統(tǒng)中的各種外擴(kuò)芯片采用的電壓各不相同，如主控芯片OMAP5912采用1.6 V低功耗的電壓、USB和串口電壓為5 V、Flash及以太網(wǎng)口電壓為3.3 V，因此一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。系統(tǒng)采用了TPS65010低壓線(xiàn)性穩(wěn)壓器來(lái)管理系統(tǒng)的電源，它不僅能滿(mǎn)足多種不同電壓的輸出，同時(shí)在靜態(tài)工作時(shí)有最小3.2 μA的靜態(tài)電流，這符合嵌入式系統(tǒng)低功耗的需求并且能在較寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。系統(tǒng)的電源管理電路如圖2所示。

圖2 TPS65010電源管理電路

2.2 電力載波模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用電力載波為傳輸介質(zhì)是由于其具有不需布線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、連接方便、投資少和見(jiàn)效快等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)下位機(jī)中電力載波模塊主要與主控制板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并將接收到的視頻數(shù)據(jù)封裝成電力載波幀在電力線(xiàn)上進(jìn)行傳輸;上位機(jī)中電力載波模塊主要是接收電力線(xiàn)上傳播的電力載波幀，并將其還原成壓縮的視頻數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)。為保證視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，系統(tǒng)選擇了基于HomePlug1.0協(xié)議INT5500芯片的電力載波模塊，該模塊的最高傳輸速度可達(dá)到85 Mb/s，具備多點(diǎn)廣播的功能［4］。理論上模塊最遠(yuǎn)傳輸距離為300 m并支持最大128路的擴(kuò)展，但實(shí)際測(cè)試中因?yàn)槭褂铆h(huán)境中的各種干擾源等問(wèn)題，模塊間的傳輸距離在100 m以?xún)?nèi)能保證理想的速度，當(dāng)距離超過(guò)100 m時(shí)，模塊的傳輸速率會(huì)隨距離的增大而減少。該模塊直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與控制板進(jìn)行連接，其基本連接如圖3所示。

圖3 電力載波模塊連接圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立、USB攝像頭驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)、雙核之間的通信、視頻數(shù)據(jù)的壓縮以及通信模塊驅(qū)動(dòng)等。該系統(tǒng)采用用途廣泛的開(kāi)源Linux系統(tǒng)為操作系統(tǒng)，通過(guò)USB采集視頻數(shù)據(jù)，利用網(wǎng)絡(luò)模塊與電力載波模塊進(jìn)行通信。雙核通信采用TI的DSP/BIOS軟件開(kāi)發(fā)包。其主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 視頻圖像采集

3.2.1 USB攝像頭驅(qū)動(dòng)

為了使該系統(tǒng)能支持不同的USB攝像頭，筆者采用了一個(gè)開(kāi)源的USB攝像頭驅(qū)動(dòng)包SPCA5XX。它包括了現(xiàn)在市場(chǎng)上多數(shù)攝像頭的驅(qū)動(dòng)程序，其源碼包由4個(gè)部分組成:設(shè)備模塊的初始化模塊、卸載模塊、上層軟件接口模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊［5］。整個(gè)代碼從設(shè)備模塊初始化模塊module_init(usb_spca5xx_init)開(kāi)始執(zhí)行，以設(shè)備模塊的卸載模塊module_exit(usb_spca5xx_exit)結(jié)束。移植SPCA5XX到OSK5912控制平臺(tái)還需對(duì)內(nèi)核中的Kconfig、Makefile等文件進(jìn)行修改，并將USB Multimedia devices下的SPCA5XX編譯進(jìn)內(nèi)核。另外，USB攝像頭驅(qū)動(dòng)要正常工作，需要將Multimedia devices-＞Video For Linux和USB support-＞Support for Host-side USB-＞USB Host Controller Drivers- ＞OHCI HCD support編譯進(jìn)內(nèi)核。

3.2.2 視頻圖像采集

視頻設(shè)備在Linux中屬于設(shè)備文件，在完成USB攝像頭驅(qū)動(dòng)后，在Linux中就可以找到與攝像頭相對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件:/dev/video0，然后就可以像訪問(wèn)普通文件一樣對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)操作［6-7］。視頻圖像采集測(cè)試代碼如下:

3.2.3 雙核數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)雙核通信軟件采用了TI公司專(zhuān)門(mén)為雙核處理器開(kāi)發(fā)的DSP實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS II，它能通過(guò)DSP/BIOS Link特有的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)與ARM 端的GPP鏈接［8］。通過(guò)對(duì)API函數(shù)的操作即可實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP信號(hào)的初始化處理、任務(wù)交換、數(shù)據(jù)流信息交換、管理DSP的任務(wù)以及資源狀況的查詢(xún)。配置完DSP/BIOS Link后對(duì)GPP的編譯步驟如下:

當(dāng)編譯成功后在內(nèi)核模塊和用戶(hù)函數(shù)庫(kù)中將創(chuàng)建以下路徑的函數(shù):

完成以上步驟即可實(shí)現(xiàn)雙核之間的數(shù)據(jù)通信，雙核間數(shù)據(jù)處理流程圖如圖5所示。

圖5 雙核通信流程圖

3.3 通信模塊設(shè)計(jì)

為保證視頻監(jiān)控的實(shí)時(shí)性和可靠性，在通信模塊中采用了實(shí)時(shí)的傳輸協(xié)議RTP/RTCP，該協(xié)議建立在傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議之上，能夠支持高效的數(shù)據(jù)傳輸［9］。考慮到網(wǎng)絡(luò)拓展和維護(hù)等各方面的性能，設(shè)計(jì)中將采用C/S(cilent/server客戶(hù)機(jī)/服務(wù)器)的網(wǎng)絡(luò)傳輸模型［10］，在控制模塊與電力傳輸模塊之間以及電力傳輸模塊與上位機(jī)之間將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立相應(yīng)的TCP/IP鏈接，依據(jù)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和系統(tǒng)控制。服務(wù)器通過(guò)SendPacket()發(fā)送RTP數(shù)據(jù)，通過(guò)Poll()函數(shù)處理接收到的RTCP SR包。客戶(hù)端與服務(wù)器的鏈接通過(guò)Scoket建立，檢測(cè)客戶(hù)端訪問(wèn)的服務(wù)器地址和端口正確后，客戶(hù)端便向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)，服務(wù)器接收到請(qǐng)求后將接收數(shù)據(jù)，同時(shí)解壓圖像數(shù)據(jù)并在屏幕上顯示。

4 結(jié)論

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以電力載波為傳輸方式的視頻監(jiān)控的設(shè)計(jì)，并且較好地將OMAP5912雙核技術(shù)與電力載波技術(shù)結(jié)合，為視頻監(jiān)控提供了新的傳輸方式。電力網(wǎng)的廣泛覆蓋和電力載波視頻監(jiān)控即插即用的便捷方式，使得該系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。目前的載波芯片的傳輸距離和擴(kuò)展能力還有局限，特別是無(wú)法穿越不同變壓器的電力網(wǎng)絡(luò)，如何在提高電力載波芯片的傳輸速率和傳輸距離的同時(shí)提高雙核系統(tǒng)的利用率將是系統(tǒng)設(shè)計(jì)下一步需要解決的問(wèn)題。

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