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(華北電力大學 控制與計算機工程學院，保定 071000)

引 言

視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠應用在許多領(lǐng)域，無論是安全防范、網(wǎng)絡(luò)直播還是視頻會議，都能看到它的影子。與文字、語音等形式相比，視頻監(jiān)控系統(tǒng)更加直觀、方便，信息內(nèi)容更加豐富。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展和進步，視頻監(jiān)控系統(tǒng)也得到了快速的發(fā)展，從原來的模擬視頻監(jiān)控發(fā)展到現(xiàn)在的嵌入式視頻監(jiān)控，并得到了廣泛的應用，成為視頻監(jiān)控領(lǐng)域的一個應用熱點。本文設(shè)計了以嵌入式Linux操作系統(tǒng)和Hi3521A硬件平臺為核心的多路視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

為實現(xiàn)多路視頻的采集和傳輸，獲得視頻的實時數(shù)據(jù)是一個重要環(huán)節(jié)[1]。本系統(tǒng)采用Hi3521A芯片作為核心芯片，并對其外圍設(shè)備進行擴展。Hi3521A是華為公司生產(chǎn)的針對多路標清、高清錄像產(chǎn)品應用研發(fā)的一款專業(yè)SoC芯片。海思Hi3521A芯片內(nèi)置有ARM處理器以及H.264視頻編解碼引擎，還包含了豐富的外圍接口，有極強的擴展能力?；谒x的芯片設(shè)計出的系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

其中A/D轉(zhuǎn)換模塊選擇的是Nextchip公司生產(chǎn)的NVP6134C芯片，共使用了4個NVP6134C芯片，每個芯片可將4路模擬視頻信號采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號。每個A/D芯片傳輸?shù)囊曨l流通過指定的通道傳入Hi3521A芯片。

Flash模塊用于存儲Bootloader、啟動環(huán)境變量、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)掉電后數(shù)據(jù)不會丟失。DDR為內(nèi)存模塊，用來控制應用程序的運行以及臨時視頻信息的存放。

WiFi模塊選擇的是RTL8211EG芯片，使用RGMII接口模式與主芯片Hi3521A相連。對其進行交叉編譯，本系統(tǒng)可以通過無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)上電工作時，首先視頻采集端通過NVP6134C芯片將16路模擬攝像頭采集到的視頻流進行A/D采樣,轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號；其次主芯片的VI端接收轉(zhuǎn)換完成的視頻流，并對數(shù)據(jù)進行裁剪、縮放等預處理；再次對視頻流進行H.264編碼；最后將視頻輸出到屏幕顯示。

2 硬件實現(xiàn)

本文的多路視頻采集系統(tǒng)是基于Hi3521A及其外圍設(shè)備來進行開發(fā)的，需要完成視頻圖像的采集、處理及傳輸?shù)裙δ?，它采用了以下幾個功能模塊來設(shè)計：系統(tǒng)時鐘及復位模塊、視頻采集模塊、存儲模塊、電源模塊[2]。

2.1 系統(tǒng)時鐘及復位模塊

通過Hi3521A芯片內(nèi)部的反饋電路與外部的24 MHz晶體振蕩電路一起構(gòu)成系統(tǒng)時鐘電路。同時，Hi3521A芯片內(nèi)置RTC，要使其正常工作，單板還需要給RTC提供時鐘電路。

在系統(tǒng)運行過程中，可能會因為各種干擾使系統(tǒng)出現(xiàn)異常，不能正常工作，這時設(shè)置復位電路就顯得十分重要，它能使系統(tǒng)在出現(xiàn)異常時重新初始化系統(tǒng)，使系統(tǒng)重新工作。Hi3521A可通過判斷POR_ENABLE引腳在上電時的狀態(tài)來選擇內(nèi)部復位或外部復位。AB9引腳具備WDG_RSTN和SYS_RSTN_OUT兩種功能。當Hi3521A芯片使用內(nèi)部復位時，AB9引腳為SYS_RSTN_OUT功能；當Hi3521A芯片使用外部復位時，AB9引腳為WDG_RSTN功能。系統(tǒng)時鐘和復位設(shè)計電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)時鐘和復位設(shè)計電路

2.2 視頻采集模塊

在本系統(tǒng)中，主芯片Hi3521A的視頻輸入端有4個VI設(shè)備，每個VI設(shè)備有4個VI視頻物理通道，共包含16個VI視頻物理通道。為了實現(xiàn)對16路視頻的采集，使用了4個A/D轉(zhuǎn)換器，每個A/D轉(zhuǎn)換器對4路視頻信號進行采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號，此時數(shù)字視頻信號采用的是YUV格式，采樣格式為4:2:2，即量度信道采樣率為色度信道的兩倍。Hi3521A通過BT.656對時序進行解析，并將解析后的視頻數(shù)據(jù)傳入物理通道。輸入設(shè)備解析后得到的視頻數(shù)據(jù)通過視頻的物理通道把視頻數(shù)據(jù)輸出到DDR。在真正將數(shù)據(jù)輸出到DDR之前，它可以實現(xiàn)裁剪、遮擋、水平垂直縮小和水平垂直翻轉(zhuǎn)等功能，其綁定關(guān)系如圖3所示，其中，Dev為設(shè)備，Chn為通道。

圖3 設(shè)備與通道綁定關(guān)系圖

2.3 存儲模塊

存儲模塊包含ROM和RAM兩個部分，其中ROM采用Flash方式存儲。Flash閃存可以快速讀取數(shù)據(jù)，并且系統(tǒng)掉電后數(shù)據(jù)不會丟失，因此用來存儲Bootloader、啟動環(huán)境變量、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)等數(shù)據(jù)。目前Flash主要有兩種NOR Flash和NAND Flash，本系統(tǒng)同時使用了NOR Flash和NAND Flash兩種芯片，由于用戶不能直接運行NAND Flash上的代碼，所以使用NOR Flash用來運行啟動代碼，由于NAND Flash是以一次讀取一塊形式進行的，一般一次讀取512個字節(jié)，所以采用NAND Flash進行讀取，這樣在很大程度上節(jié)約了成本。

RAM使用的是DDR3芯片，用來加載ROM中的信息，并存儲處理信息時產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)。在DDR3內(nèi)存中，一部分是由操作系統(tǒng)管理的，叫做OS內(nèi)存；另一部分是供媒體業(yè)務(wù)單獨使用的內(nèi)存，叫做MMZ內(nèi)存。其中OS內(nèi)存大小可以通過bootargs進行配置。

2.4 電源模塊

本系統(tǒng)核心芯片Hi3521A需要多種不同的輸入電壓為其供電，其中內(nèi)核所需電壓值為1.1 V，CPU電壓為1.25 V，I/O電壓為3.3 V，DDR3 SDRAM電壓為1.5 V。本系統(tǒng)的輸入電壓為12 V，系統(tǒng)的電源電路通過采用穩(wěn)壓芯片MP1494S和MP1495S來實現(xiàn)這4種不同電壓的輸出。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計完成以后需要進行軟件環(huán)境的開發(fā)和應用程序的設(shè)計。本系統(tǒng)主要包括主機端和目標板端的設(shè)計，核心芯片Hi3521A通過串口和網(wǎng)線與PC機相連，在PC機上安裝一臺虛擬機，且虛擬機使用Linux系統(tǒng)來對開發(fā)板進行開發(fā)。

3.1 系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件主要包括4個部分：Bootloader、Linux內(nèi)核、Linux文件系統(tǒng)以及應用程序，層次結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)圖

嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的作用是對硬件進行管理，而應用程序是不直接作用于內(nèi)核的，它必須通過操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用接口作用于內(nèi)核，然后內(nèi)核作用于硬件。

3.2 系統(tǒng)環(huán)境的搭建

系統(tǒng)分為主機端和目標板端，其中主機端開發(fā)環(huán)境的搭建需要建立Linux服務(wù)器、Windows軟件開發(fā)和Hi3521A嵌入式開發(fā)平臺三個部分的連接。在本系統(tǒng)中，Linux服務(wù)器和Windows工作臺使用一臺PC機，即在虛擬機下安裝一個Linux操作系統(tǒng)，并將其連接在同一個局域網(wǎng)內(nèi)。Linux服務(wù)器用來建立交叉編譯環(huán)境與開發(fā)板進行交互，Windows工作臺主要用于登錄Linux服務(wù)器，完成Linux下的開發(fā)工作以及通過串口查看開發(fā)板的調(diào)試和運行信息。

本系統(tǒng)主要包括3個方面的設(shè)計：U-boot、Linux內(nèi)核和根文件系統(tǒng)。具體步驟為：Linux開發(fā)環(huán)境的搭建、U-boot的移植、Linux內(nèi)核的移植以及根文件系統(tǒng)的定制。使用Bootloader的版本為Ubuntu-12.04-x6-phoenix，使用Linux-3.10.y版本的內(nèi)核，以及使用JFFS2制作鏡像文件系統(tǒng)。

3.3 應用程序的運行

海思Hi3521A的SDK提供了多媒體軟件平臺(Media Process Platform，MPP)，MPP提供的接口可用于視頻應用軟件快速開發(fā)。

首先在虛擬機中將MPP拷貝到SDK下的指定目錄中，對MPP進行編譯，即到mpp/sample下執(zhí)行：make clean; make。開發(fā)板上電并設(shè)置開發(fā)板IP地址，到mpp的ko 下運行./load3521a-i，加載固件，最后到mpp/sample/vio下執(zhí)行./sample_vio 2，即可在屏幕上顯示攝像信息。具體步驟如圖5所示。

圖5 Hi3521A運行MPP流程圖

系統(tǒng)采用像素為720P的AHD攝像頭進行圖像采集，HDMI接口連接屏幕輸出，視頻輸出的結(jié)果如圖6所示。

圖6 視頻輸出結(jié)果

結(jié) 語