王俊，王高山，徐宏慶

(正德職業(yè)技術(shù)學院，南京 211106)

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OMAP4460的3G遠程測控機器人系統(tǒng)設計※

王俊，王高山，徐宏慶

(正德職業(yè)技術(shù)學院，南京 211106)

借助于3G數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的優(yōu)質(zhì)資源，遠程測控機器人分為兩個子系統(tǒng)：現(xiàn)場監(jiān)測控制系統(tǒng)和遠程監(jiān)控終端系統(tǒng)。本文重點闡述了現(xiàn)場監(jiān)測控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計調(diào)測方案。系統(tǒng)采用OMAP4460處理器作為核心控制平臺，通過分工協(xié)作提升了機器人控制性能和大容量數(shù)據(jù)流處理能力，同時為充分發(fā)揮硬件平臺的強大性能，進行了Android4.0操作系統(tǒng)的移植，為后續(xù)的拓展應用構(gòu)建了智能化的軟件平臺。

遠程測控系統(tǒng)；OMAP4460；Android操作系統(tǒng)

引 言

近年來，具有遠程測控功能的機器人在發(fā)達國家已經(jīng)深入到民用、工業(yè)以及軍用的方方面面，在國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也是十分迅猛。縱觀國內(nèi)外該領(lǐng)域的眾多案例，當前遠程測控采用的無線通信方式主要是衛(wèi)星通信系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)通信。伴隨著3G移動互聯(lián)網(wǎng)的深入發(fā)展，機器人遠程測控系統(tǒng)擁有了一個更加優(yōu)化的設計方案。借助于3G數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的優(yōu)質(zhì)資源，遠程測控的實現(xiàn)更加便捷，性能更加穩(wěn)定，同時安全性能也更高。

1 總體設計方案

典型的遠程測控系統(tǒng)包含遠程監(jiān)控終端、現(xiàn)場監(jiān)測控制端以及遠程信息傳輸三大部分。遠程監(jiān)控終端是用戶與現(xiàn)場設備進行交互的終端設備。遠程信息傳輸主要功能是將現(xiàn)場的實時信息和狀態(tài)參數(shù)穩(wěn)定可靠地傳輸至遠程監(jiān)控終端，用戶通過對現(xiàn)場信息的了解決定下一步的措施?，F(xiàn)場監(jiān)測控制端的主要任務就是根據(jù)遠程監(jiān)控終端的控制指令對測控對象進行控制，同時監(jiān)測工作對象的相關(guān)狀態(tài)參數(shù)并作必要的分析，再將視頻圖像數(shù)據(jù)以及相關(guān)參數(shù)經(jīng)過處理后反饋到遠程監(jiān)控終端。

本文將著重介紹現(xiàn)場監(jiān)測控制端的硬件平臺搭建和軟件系統(tǒng)設計，系統(tǒng)中采用了可移動式監(jiān)測控制系統(tǒng)。

2 現(xiàn)場監(jiān)測控制端硬件平臺

系統(tǒng)的硬件平臺是整個系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，包含了系統(tǒng)中所有物理實現(xiàn)的必備條件，主要包括了機器人機械結(jié)構(gòu)、控制核心平臺、視頻采集模塊、3G通信接口模塊、驅(qū)動模塊、傳感模塊以及電源模塊等多個機械及電路單元。平臺總體框圖如圖1所示。在硬件平臺設計過程中，應充分考慮方案的先進性、穩(wěn)定性、可擴展性以及低功耗等多方因素，使硬件平臺真正具備較高的實用價值。

圖1 現(xiàn)場監(jiān)測控制端硬件平臺框圖

硬件平臺選用TI公司OMAP4460作為硬件的核心處理器。該處理器采用ARM+DSP多核異構(gòu)架構(gòu)，具有可靠性強、集成度高、數(shù)字信號處理能力強、可擴展性好以及低功耗等特點。視頻數(shù)據(jù)處理交給DSP核處理，而機器人控制、低速率數(shù)據(jù)信號的處理、遠程數(shù)據(jù)傳輸以及整個系統(tǒng)的邏輯及控制處理交由ARM核處理，通過分工合作可以極大地提高系統(tǒng)的工作性能和執(zhí)行效率。

2.1 OMAP4460控制平臺

OMAP4460是OMAP系列中一款高性能多媒體處理器，內(nèi)核搭載了兩個Cortex-A9架構(gòu)ARM處理器，并集成了高性能的數(shù)字信號處理和高清視頻圖像處理系統(tǒng)IVA3(基于DSP C64x核心)，以及2D/3D圖形加速器GPU(PowerVR SGX540)。處理器支持I2C總線、GPIO、SPI等多種通用I/O接口，同時還配備了基于CSI-2協(xié)議的CAMIF接口以及大容量高速率數(shù)據(jù)存儲單元。

IVA3子系統(tǒng)是基于TM320C64x的DSP內(nèi)核而設計的，具有高速數(shù)據(jù)處理能力，極大地提升了OMAP4460芯片的多媒體性能，在本設計中主要就是利用IVA3子系統(tǒng)進行視頻硬件編碼處理。整個多媒體硬件加速器包含了DSP內(nèi)核、IVA-HD硬件加速單元、PRCM、Cortex-M3雙核處理器以及外部大容量存儲器等模塊，所有模塊都以L3(3級緩存)進行內(nèi)部互連，OMAP4460內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖及IVA3子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖略——編者注。

IVA3子系統(tǒng)主要功能如下：

① 支持H.264協(xié)議的多種格式的視頻數(shù)據(jù)流硬件編解碼；

② 支持MPEG-4協(xié)議的多種格式的視頻硬件編解碼；

③ 支持H.264/SVC可分級視頻編碼，視頻清晰度從480p～1080p，其幀率為30 fps。

其中IVA-HD單元作為DSP數(shù)據(jù)處理的硬件加速模塊，主要工作是對DSP的運算過程進行高效控制和資源管理，并通過高性能總線提升數(shù)據(jù)(指令集)的讀寫，從而大幅度提升整個大容量數(shù)據(jù)處理的效率。其中包含了iME3(運動估計算法)、iPE3(幀內(nèi)預測估計算法)、iLF3(去塊濾波和邊界強度算法)等硬件算法模塊。通過硬件進行優(yōu)化編碼算法執(zhí)行，極大地減小處理器的軟件運算量，從而實現(xiàn)編碼速度的提升。

2.2 電源電路的設計

本電源電路主要由4個模塊組成：電池輸入電路，5 V直流穩(wěn)壓電路、開關(guān)電源穩(wěn)壓電路以及電源管理電路，其組成框圖如圖2所示。

圖2 電源電路框圖

本設計中采用了兩節(jié)容量為1200 mAh、電壓為3.7 V的鎳氫電池，通過串聯(lián)結(jié)構(gòu)送入電路，理論輸入電壓為7.4 V，實測為6.7 V左右。開關(guān)電源選用了TI公司的TPS54320同步電源轉(zhuǎn)換芯片，該芯片輸入電壓范圍為4.5～17 V，最大電流開關(guān)頻率范圍為200 kHz～1.2 MHz，輸出電壓值通過SS/TR引腳的信號進行控制。由于本設計為固定的輸入電壓，所以將該引腳設計為固定電壓VB_SS，電路圖如圖3所示。其中，DC_5 V有5 V穩(wěn)壓電路提供，VBAT為輸出電源，送至電源管理電路。

電源管理電路采用了專用的電源管理芯片TWL6030，該電源管理芯片性能強大，具有多路直流電壓輸出、多通道ADC、系統(tǒng)時鐘信號管理，可以配置開關(guān)機流程圖等功能，所有資源都是通過I2C總線進行配置。

2.3 視頻采集模塊電路

本設計選用了基于CSI2模組的CMOS傳感器的攝像模塊，采用了130萬像素CMOS傳感芯片OV9650作為核心，支持SXGA(15 fps)、VGA(30 fps)、QVGA(60 fps)等多種幀率視頻采集，三種視頻輸出格式為8位 RGB 2:2:4、YUV/YCbCr 4:2:2、RGB(RAW)。

視頻采集數(shù)據(jù)的傳輸采用了OMAP4460處理器中的CSI2接口協(xié)議，標準的CSI接口為30引腳卡扣式接口，最多

圖3 開關(guān)電源電路原理圖

可支持4路視頻圖像信號的輸入。而目前市場上獨立CSI2模組攝像模塊大都為20引腳CAMIF接口(其封裝形式為1.27 mm的20引腳排針座)，所以OMAP4460也提供了基于CSI2協(xié)議的20引腳接口，電路圖略——編者注。

其中，5引腳(HS)為行同步信號輸出(內(nèi)嵌信號)，6引腳(VS)為場同步信號輸出(內(nèi)嵌信號)，9引腳(PCLK)為像素時鐘輸出(與系統(tǒng)時鐘一致)，10引腳(XCLK)為系統(tǒng)時鐘輸入，12引腳(FIELD)為場同步信號(內(nèi)嵌信號)。13～20引腳(D0～D7)為數(shù)據(jù)輸出端口。

3 現(xiàn)場監(jiān)測控制端軟件設計

從整體功能上看，本系統(tǒng)是一個基于3G移動通信網(wǎng)絡的收發(fā)設備，因此，整個邏輯的起始和終端都涉及信息的發(fā)送與接收。根據(jù)設計需求以及硬件資源，給出了如下的系統(tǒng)邏輯模型。

① 遠程測控終端設備(3G智能手機)發(fā)送控制指令，通過3G網(wǎng)絡傳輸。

② 現(xiàn)場監(jiān)測控制端接收到指令后，將指令送入處理器中進行識讀。

③ 當獲得視頻監(jiān)控開啟指令時，處理器執(zhí)行視頻遠程傳輸?shù)某绦蛑噶?，主要完成以下任務：開啟視頻采集模塊，采集實時視頻監(jiān)控信息，同時根據(jù)指令需求進行相應的移動；將視頻監(jiān)控信號送入視頻數(shù)據(jù)處理單元，按照相應的協(xié)議進行編碼；將視頻編碼信號進行UDP封裝處理，使之能夠高效地在3G網(wǎng)絡中傳輸；將封裝好的數(shù)據(jù)包送入發(fā)送模塊中發(fā)送出去。

④ 當獲得溫度監(jiān)測指令時，處理器執(zhí)行溫度監(jiān)測任務，并將溫度數(shù)據(jù)直接送入發(fā)送模塊發(fā)送出去。

⑤ 遠程測控終端設備接收到采集的視頻和溫度數(shù)據(jù)后，進行相應的UDP解包處理后，送入CPU進行解碼等處理，最終將視頻信號(溫度數(shù)據(jù))送入顯示模塊顯示出來。

盡管我國電梯產(chǎn)量、保有量增長較快，但市場需求仍有較大潛力。例如，大量老舊樓房的建筑改造需要加裝電梯，大量公共場所需要加裝自動扶梯和自動人行道，全國多個城市建設地鐵需要大量電扶梯。隨著國家城鎮(zhèn)化進程的不斷深入，國內(nèi)電梯行業(yè)仍然有較大發(fā)展空間。同時，由于國內(nèi)電梯企業(yè)的技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量迅速提高和制造成本相對較低，國內(nèi)電梯出口競爭力不斷增強，2014-2016年電梯出口連續(xù)增長，出口總量與增長率情況如圖1所示，國際市場的出口前景給我國電梯行業(yè)創(chuàng)造了額外的發(fā)展空間。因此，未來較長時間內(nèi)我國仍將是全球最大的電梯市場［4］。

以上過程實際上是一次收發(fā)通信的流程。在實際通信中，上述過程是循環(huán)進行的，本文重點闡述現(xiàn)場監(jiān)測控制端軟件程序的設計。

3.1 現(xiàn)場監(jiān)測控制端軟件系統(tǒng)總體設計

為了充分運用處理器的強大的多媒體性能，本設計為基于Cortex-A9 MP Core處理器的硬件平臺移植了Android4.0.1操作系統(tǒng)，為其后續(xù)的應用構(gòu)建了強大的軟件平臺?，F(xiàn)場監(jiān)測控制端程序流程圖如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場監(jiān)測控制端程序流程圖

3.2 Android系統(tǒng)移植及軟件自啟動

Android操作系統(tǒng)移植主要有以下4步：配置編譯X-loader文件、編譯U-boot文件、Android-kernel的編譯配置以及下載安裝Android4.0.1根文件。具體移植流程如圖5所示。

圖5 Android系統(tǒng)移植及系統(tǒng)啟動流程圖

3.3 視頻采集與編碼模塊程序設計

本模塊主要是進行視頻圖像的實時采集，以及對視頻圖像數(shù)據(jù)進行基于H.264協(xié)議的編碼，最終形成高質(zhì)量的視頻圖像數(shù)據(jù)流。該部分程序設計包含了視頻采集和視頻編碼兩部分。具體視頻采集及硬件編碼程序流程如圖6所示。

圖6 視頻采集及編碼程序流程圖

在Android環(huán)境下一般有三種方式進行視頻采集：單幀采集模方式、異步內(nèi)存映射采集方式和同步內(nèi)存映射采集方式。本設計選用了同步內(nèi)存映射采集方式進行視頻信號的捕獲。

視頻編碼模塊設計：采集的視頻數(shù)據(jù)流通過IVA3子系統(tǒng)內(nèi)部總線緩存進入DSP內(nèi)核完成像素宏塊數(shù)據(jù)預處理，并通過IVA-HD模塊進行硬件編碼。由于IVA3子系統(tǒng)中包含了H.264視頻編碼所有算法的硬件實現(xiàn)模塊，所以在視頻編碼的設計實現(xiàn)上無需編寫軟件算法，只需配置相應的硬件寄存器，即可完成視頻編碼的功能，大大降低了處理器的軟件運算負荷。

3.4 UDP封包模塊

UDP封包模塊就是將視頻編碼產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流按照3G移動通信互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)協(xié)議進行相應的封裝，使之滿足通信網(wǎng)絡的傳輸協(xié)議。在利用軟件實現(xiàn)H.264協(xié)議編碼時，可分為兩層實現(xiàn)：VCL(視頻編碼層)和NAL(網(wǎng)絡提取層)，NAL層就是進行數(shù)據(jù)封裝處理。由于本系統(tǒng)中H.264編碼完全通過硬件處理實現(xiàn)，所以需要另建軟件模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)封裝功能。UDP為網(wǎng)絡層傳輸協(xié)議，而其可靠性和可控性是由RTP和RTCP協(xié)議來實現(xiàn)的。

系統(tǒng)實測略——編者注。

結(jié) 語

經(jīng)過實際測試，本系統(tǒng)能夠通過3G數(shù)傳網(wǎng)絡對機器人測控系統(tǒng)進行遠程運動控制，并能正常和較為流暢地還原出現(xiàn)場的視頻圖像，并能夠?qū)崟r地接收到現(xiàn)場的溫度數(shù)據(jù)。

同時系統(tǒng)也存在一些不足，整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性仍處在試驗階段，如系統(tǒng)在3G網(wǎng)絡覆蓋不好的情況下丟幀現(xiàn)象比較嚴重，還有待進一步的研究與開發(fā)。

[1] Texas Instruments.OMAP4460 Multimedia Device Silicon Revision 1.x Technical Reference Manual,2012.

[2] Texas Instruments.OMAP 4430/4460 Multimedia Devices TRM Addendum-Functional Differences Highlight s between OMAP4430 Silicon Revision 2.x and OMAP 4460 Silicon Revision 1.x,2012.

[3] 王銘,倪平,王冬,等. 基于3G網(wǎng)絡的遠程無線綜合監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應用, 2011(01).

[4] 陳榮軍,羅文聰,鄭林彬,等.基于無線的物聯(lián)智能家居控制系統(tǒng)設計[J].電子技術(shù)應用，2012(05).

[5]高海輝.智能移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].北京:北京工業(yè)大學，2010.

[6]曾顯光.基于嵌入式的手機視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計[D].廣州:暨南大學，2010.

王俊(講師)，研究方向為通信測控技術(shù)。

Wang Jun,Wang Gaoshan,Xu Hongqing

(Zhengde Polytechnic College,Nanjing 211106,China)

Combining with the advantage of 3G data transfer network,the remote measurement and control system is divided into two subsystems:the work site monitoring and control subsystem and remote monitoring subsystem.The paper focuses on the hardware and software design of work site monitoring and control subsystem.The subsystem takes OMAP4460 as the core control platform,OMAP4460 is a heterogeneous multi-core based ARM + DSP processor architecture.The design greatly enhances the robot control performance and capacity of data stream processing ability through segmentation and teamplay.At the same time,for making full use of the performance of the hardware platform,the subsystem is installed the Android4.0 operating system,which builds intelligent software platform for the expanding applications.

remote measurement and control system;OMAP4460;Android operating system

TN99

A

迪娜

2014-09-02)