廖 榮，陶表輝

（1.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣東廣州 510640；2.華南理工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院，廣東廣州 510640）

我國在安防監(jiān)控等領(lǐng)域國產(chǎn)芯片有了飛躍的發(fā)展，國外產(chǎn)的芯片大多為商用級(jí)、工業(yè)級(jí)、車載級(jí)等，并且定位高端，一般用作多媒體主機(jī)CPU，很少用作監(jiān)控，主要是成本巨高，性能上不專業(yè)，有些功能差異，品牌定位也不同[1]。華為海思做的芯片雖然是商業(yè)級(jí)但專業(yè)，成本夠低，性能非常強(qiáng)悍，所以低端市場基本被華為占領(lǐng)。海思在眾多國外品牌的芯片圍攻中以自己獨(dú)特的優(yōu)勢殺出一片天地，為今后發(fā)展其他領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)[2]。隨著海思及許多國產(chǎn)芯片的發(fā)展，誕生了類似?？低?、大華、雄邁等一大批大型安防行業(yè)的廠家，占據(jù)了市場巨大的份額。

最初的監(jiān)控是模擬信號(hào)傳輸，后面又出現(xiàn)了將數(shù)字信號(hào)以模擬信號(hào)的方式傳輸，類似的有DVI、TVI等，再后來就有了純數(shù)字信號(hào)傳輸，例如網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸。在一些要求較高的領(lǐng)域，圖像傳輸有LVDS、MIPI、FPD_LINK 等專用的數(shù)字信號(hào)傳輸來提供高畫質(zhì)。近些年隨著不斷發(fā)展，為了適應(yīng)市場，開始出現(xiàn)了無線監(jiān)控，也就是該文主要介紹的芯片方案之一[3]。

與監(jiān)控?cái)z像配套的主機(jī)也有著與之相配套的發(fā)展歷程，從DVR、NVR 到無線NVR。所以無線視頻監(jiān)控是今后的發(fā)展方向，無線視頻監(jiān)控有很多優(yōu)點(diǎn)，例如安裝施工方便、減少布線等，使用方便，可以實(shí)時(shí)從客戶端進(jìn)行監(jiān)控，功能豐富多彩[4]。

1 海思HI3518EV200芯片系統(tǒng)介紹

HI3518EV200 支 持8/10/12/14 bit RGB Bayer 輸入，時(shí)鐘最高100 MHz,內(nèi)嵌512M*16 bit DDR2,支持MIPI/LVDS 接口，HI3518EV200 單板由小系統(tǒng)電路和外設(shè)組成[5]，芯片系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 芯片HI3518EV200系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 HI3518EV200小系統(tǒng)及外設(shè)電路設(shè)計(jì)

這款海思芯片處理器是ARM926@540 MHz，編碼格式為H.264，SDK 是基于Linux3.4的開發(fā)包開發(fā)的，支持MIPI、SPI、LVDS 等視頻信號(hào)輸入，也支持一路BT1120 或兩路BT656 視頻格式的數(shù)據(jù)輸入，還支持IRIS控制、紅外燈Micro SD卡等功能[6]。HI3518EV200的接口功能框圖如圖2 所示。

圖2 HI3518EV200的接口功能框圖

電路設(shè)計(jì)要求：HI3518EV200 芯片電源上電順序：上電瞬間，高電平始終高于低電平，即3.3 V 先上電，1.5 V/1.8 V 慢于3.3 V 上電，1.2 V 最后上電，但3.3 V和1.2 V 的間隔時(shí)間不能長于80%的復(fù)位時(shí)間。CORE 電源（管腳名DVDD12）：連接數(shù)字1.2 V 電源，使用1 A 的電源芯片。為了減少電源噪聲，需保證電源電壓在芯片電性能參數(shù)要求的范圍之內(nèi)（±5%）[7]。

2.2 時(shí)鐘電路

主芯片時(shí)鐘要求：需要一個(gè)24 MHz 外接時(shí)鐘，最大偏差30 ppm，還需增加外部RTC 時(shí)鐘電路，增加可充電電池接到AVDD_BAT 引腳，在有電時(shí)，使用電源供電，并對(duì)電池充電；沒電源供電時(shí)，由電池放電，目的是使時(shí)鐘準(zhǔn)確，不會(huì)因?yàn)闆]電導(dǎo)致時(shí)間重置。Senser 的時(shí)鐘電路由海思芯片輸出提供[8]。時(shí)鐘電路和外部RTC 電路如圖3 所。

圖3 時(shí)鐘電路和外部RTC電路

2.3 SPI FLASH電路設(shè)計(jì)

SPI FLASH 使用的是16M 內(nèi)存，用來儲(chǔ)存芯片運(yùn)行的程序。對(duì)于不同的應(yīng)用場景需要選對(duì)應(yīng)速率的型號(hào)。HI3518EV200集成了64M的DDR在芯片里面，所以不用再單獨(dú)外置DDR 芯片。內(nèi)存地址為0X8000_0000～0X9FFF_FFFF，DDR 屬于動(dòng)態(tài)內(nèi)存，每當(dāng)有運(yùn)算或者數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候就要調(diào)用到它，如果數(shù)據(jù)處理量過多就會(huì)導(dǎo)致DDR 運(yùn)行卡頓。這也是視頻傳輸過程中卡頓和延遲的原因之一。這里主要注意海思芯片的使能端和模式配置[9]。FLASH 電路如圖4所示。

圖4 SPI FLASH電路

2.4 Sensor傳感器電路設(shè)計(jì)

攝像頭的成像CMOS也就是人們所說的Sensor，成像根據(jù)不同的需求可以有很多型號(hào)挑選，不同品牌的Sensor 對(duì)市場的定位不同，像素可以分為100 萬、200萬、500萬等。從成像來看可以分為全彩、夜視、無光等。傳輸協(xié)議也有不同的種類，比如LVDS 或者RGB888。傳輸協(xié)議可以根據(jù)客戶自行匹配，還有各種不同的封裝來滿足用戶需求。作為圖像傳感器，對(duì)于硬件的設(shè)計(jì)要求是極高的，稍不注意大部分設(shè)計(jì)出來的圖像就會(huì)有干擾條紋，或者噪點(diǎn)大，出現(xiàn)該現(xiàn)象說明電路板設(shè)計(jì)有問題，以安森美的AR0130舉例，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)芯片需要模擬電壓2.8 V、數(shù)字電壓1.8 V、參考電壓2.8 V。光是電源就分很多組，而且需要區(qū)分?jǐn)?shù)字電源、模擬電源和參考電源[10]。CMOS圖像傳感器在視頻數(shù)據(jù)采集后，通過并行數(shù)字信號(hào)輸入到海思VI 口，進(jìn)行H.264圖像編碼處理，通過I2C進(jìn)行通信控制Sensor不同的模式，也有通過SPI對(duì)MCU進(jìn)行通信的Sensor。

2.5 音頻電路設(shè)計(jì)

音頻電路由于系統(tǒng)方案模塊多，各部分的功能相互干擾，音頻電路是干擾源，也是被干擾源，難處理，喇叭功法電路如圖5所示。在設(shè)計(jì)音頻電路時(shí)就考慮到很難避免干擾，所以需多方面考慮電路的優(yōu)化，實(shí)際做出來喇叭播放時(shí)雜音較大，咪頭錄音時(shí)也可能存在一些問題，所以試用了幾種電路后，才確定了用上述電路效果較好，當(dāng)然PCB板的設(shè)計(jì)也是相當(dāng)重要的，需要避免干擾的同時(shí)，不能干擾到其他信號(hào)，這也是電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，數(shù)字電路與模擬電路之間的相互干擾很難處理[11]。因此設(shè)計(jì)包括MIC 的音頻信號(hào)都以GND 為參考，音頻信號(hào)的回流路徑不能與其他信號(hào)公用，信號(hào)回流路徑遠(yuǎn)離數(shù)字信號(hào)和電源。

圖5 喇叭功法電路

2.6 WIFI板原理圖設(shè)計(jì)

WIFI 板是取代傳統(tǒng)的接線方式，WIFI 板子在系統(tǒng)中的作用如圖6。WIFI 芯片是Realtek 瑞昱芯片RTL8811AU，具有2.4G 和5G 的雙通道模式。主要特性是支持無線標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11b/g/n/ac，傳輸速率可達(dá)433.3 Mbps/1T1R。芯片主要通過USB 和MCU通信，通過WIFI 信號(hào)和無線NVR 或路由器進(jìn)行連接。由于芯片內(nèi)的通信信號(hào)有高速信號(hào)，最高有5G的超高速信號(hào)，所以電路圖還需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用作相應(yīng)修改，比如電源濾波電路，射頻的高通濾波電路需要增加射頻開關(guān)、射頻雙工器等[12]。

圖6 WIFI板在系統(tǒng)中的作用

3 系統(tǒng)軟件環(huán)境搭建及調(diào)試

3.1 系統(tǒng)軟件環(huán)境具體搭建

在電腦上安裝虛擬機(jī)VMware Workstation，在虛擬機(jī)上安裝Ubuntu，新建一個(gè)虛擬機(jī)，安裝VMwareTools，目的是便于與主機(jī)之間的文件復(fù)制操作。把HI3518E_SDK_V1.0.3.0.tgz 拷貝到Ubunt 服務(wù)器上tar 解壓。執(zhí)行sdk.cleanup 清除SDK，執(zhí)行sdk.unpack 解壓SDK。

配置編譯環(huán)境makeARCH=armCROSS_COM PILE=arm-hisivXXX-linux-hi3518ev 200_config，編譯U-boot，make ARCH=arm CROSS_COMPILE=armhisivXXX-linux。

3.2 Linux根文件系統(tǒng)

1）Linux 的目錄結(jié)構(gòu)最頂層是一個(gè)根目錄。系統(tǒng)加載Linux 內(nèi)核之后，就會(huì)掛載到根目錄上。存在于該設(shè)備中的文件系統(tǒng)被稱為根文件系統(tǒng)，所有系統(tǒng)配置的掛載點(diǎn)都位于這個(gè)根文件系統(tǒng)中。根文件系統(tǒng)通常存放于內(nèi)存和Flash 中。根文件系統(tǒng)中存放了嵌入式系統(tǒng)要用的所有庫以及其他用到的服務(wù)。

2）busybox 制作根文件系統(tǒng)。busybox 完整源代碼存放在osdrv 目錄中；進(jìn)入busybox 所在目錄，執(zhí)行hisilicon $ cp osdrv/busybox/busybox-1.20.2/busy box_cfg_hi3518ev200_300osdrv/busybox/busybox-1.20.2/.config//指定配置文件。

3）編譯和安裝。操作hisilicon$ make 和hisilicon$make install 進(jìn)行編譯和安裝。

4）制作根文件系統(tǒng)。hisilicon$mkdir rootbox；hisilicon $cd rootbox；hisilicon $cp-R packet/os/busybox-1.20.2/_intsall/*。hisilicon$mkdir etc dev lib tmp var mnt home proc；配置etc、lib、dev 目錄的必需文件。

3.3 串口調(diào)試軟件SecureCRT及易視云客戶端介紹

SecureCRT 是一款支持Serial 調(diào)試的軟件，配置好后連接串口板子可以看到所示打印信息，使用SecureCRT 可以上傳和下載各種指令數(shù)據(jù)，方便仿真調(diào)試。

1）板子上電后輸入ifconfig eth0 192.168.x.x，根據(jù)當(dāng)前電腦IP 地址對(duì)板子IP 地址進(jìn)行匹配，通過ping 板子IP 地址確定是否接通。

2）打開易視云客戶端，添加對(duì)應(yīng)IP 地址的設(shè)備，輸入密碼后就可以看到視頻畫面了。軟件的功能在此不做說明。

4 結(jié)束語

通過硬件測試、功能測試、軟件調(diào)試等表明，該無線視頻監(jiān)控性能可靠。無線監(jiān)控?fù)碛袕V泛的市場應(yīng)用場景：1）家庭方面，可以用作視頻實(shí)時(shí)對(duì)話的工具，防火防盜的安全保障，實(shí)時(shí)查看監(jiān)控情況；2）工程項(xiàng)目方面，減少布線交換機(jī)等材料成本，減少施工成本等；3）汽車應(yīng)用方面，比如行車記錄儀，實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警，汽車全景環(huán)視等；目前通過4G 可以在汽車上實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控，一般傳統(tǒng)的汽車?yán)锩娴木€路長度可以達(dá)到70 m 到150 m 不等[13]，有了無線就可以大量節(jié)約線材的使用，目前，已經(jīng)有四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)/轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車的無線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且使用新的無線技術(shù)使得汽車的控制系統(tǒng)和新媒體功能會(huì)有全新的概念[14]，汽車可以增加安全監(jiān)測系統(tǒng)集中在汽車的中控中；4）軍事方面，可以用作戰(zhàn)場埋伏、勘探的先鋒利器，無人偵查車等，可以實(shí)時(shí)掌控局勢[15]；5）行業(yè)中擴(kuò)展應(yīng)用方面，車牌識(shí)別、人臉識(shí)別、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控等應(yīng)用[16]。

目前，各方面的技術(shù)儲(chǔ)備已經(jīng)可以滿足無線視頻監(jiān)控的開發(fā)和研究，無論從技術(shù)上還是需求上，都有發(fā)展無線視頻監(jiān)控研究的必要，但是目前存在的技術(shù)問題還有不少，例如圖像模糊不夠清晰、傳輸卡頓、視頻延遲高、傳輸不夠穩(wěn)定、功能不夠豐富等問題，都需要通過研究開發(fā)人員的努力，不斷改進(jìn)和提高。