一种嵌入式网络视频监控系统的硬件设计

一、引言

应用嵌入式网络技术的监控系统是监控领域最新的发展趋势,嵌入式网络监控系统是电子技术、计算机技术、通信技术和自动化技术快速发展并相互结合的高新技术产品,嵌入式网络技术改变以往的监控系统体系结构,满足了现代监控系统的可扩展性、分布式、实时性等,可广泛应用在电信、电力、交通、银行、水利、智能大厦等领域。正是在这一背景下,本文设计了一种嵌入式网络化视频监控系统,该系统在32位高性能嵌入式处理器和专用视频压缩芯片的硬件平台上,采用MPEG-4编码技术,嵌入式Linux操作系统和流媒体技术进行设计。利用本系统可以进行网络数字化视频监控,具有体积小、图像质量稳定、远距离监控等优点,具有良好的应用与发展前景。 本文从视频监控技术的发展历史和嵌入式系统的现状入手,分析了嵌入式网络视频监控系统相关技术,对通用的嵌入式处理器和专用视频压缩芯片进行了深入的研究,给出了整个系统的设计方案和功能规划。基于上面的背景和对市场进行深入调查取证,研究了目前流行的嵌入式系统和MPEG-4专用视频压缩芯片方案,在嵌入式系统方面确定了在AT91RM9200芯片上构建嵌入式Web服务器的解决方案。

二、系统的总体设计

整个网络视频监控系统采用C/S结构，从主体上分为两部分：服务器端和客户端。服务器端主要包括嵌入式处理器、摄像头及其他外围辅助设备，同时还包含运行在嵌入式平台上的采集、压缩与传输程序；客户端则是普通PC机，通过它进行图像接收与回放。网络视频监控系统的基本处理机理，即前端的视频监控服务器从现场的摄像头捕获实时的视频信息，压缩处理后再通过以太网传输到远端的监控终端上。

系统的整体结构如图1所示，视频图像采集和打包发送在服务器端完成，图像的接收与回放将在客户端完成。

图1、系统结构图

三、系统的硬件设计

系统采用模块化设计方案，主要包括以下几个模块：主控制器模块、存储电路模块、外围接口电路模块、电源和复位电路，如图2所示。

图2、系统硬件结构图

1、AT91RM9200主控器模块

主控器模块是整个系统的核心，选用的是ATMEL公司的AT91RM9200。它是一款基于ARM920T 核的32位微控制器。该处理器最高运行频率可达到200MPS，它的低功耗、精简和全静态设计特别适合于对成本和功耗敏感的应用。AT91RM9200提供了丰富的片内资源，支持Linux，是本系统的合适选择。它能完成整个系统的调度工作，在系统上电时配置所有需工作的芯片的功能寄存器，完成视频流的编码，并通过以太网控制器控制物理层芯片发送视频码流。

AT91RM9200微处理器最高主频为180 MHz，其双向、32位外部数据总线支持8／16／32位数据宽度，26位地址总线可以对最大64 MB空间进行寻址。片内集成了非常丰富的外围功能模块，包括内存管理单元(MMU)、内部包含16 KB的SRAM和128 KB的ROM，16 KB的数据缓存以及16 KB的指令缓存。其外部总线接口控制器(EBI)，支持SDRAM，静态存储器，Burst FLASH以及Compact FLASH。为了提高系统性能还扩展了以下外设；增强的时钟发生器与电源管理控制器(PMC)；系统定时器(ST)；实时时钟(RTC)；高级中断控制器(AIC)；4个32位PIO控制器；20通道的外设数据控制器(PDC)；10／100兆Base-T型以太网卡接口；4个通用同步／异步串行收发器(UASRT)以及JTAG／ICE接口等。

在系统中AT91RM9200需要1．8 V和3．3 V电源，另外，大部分外围器件需要3．3 V电源，小部分外围器件还需要5 V电源，假设输入电压为5 V直流稳压电源。为了得到可靠的3．3 V电压，此处选用的电压转换芯片是NCPlll7ST33T3，它的输入电压为5 V，输出电压为3．3 V，最大输出电流为0．8 A。同样，为了得到可靠的1．8 V电压，选用NCPlll7STl8T3，它的输入电压为5 V，输出电压为1．8 V，最大输出电流为0．8 A。由于3．3 V和1．8 V属于NCPlll7系列的2个固定输出电压，所以设计比较简单，只需要在电路中与芯片并联2个典型值为10 tlf、的滤波电容即可。

2、系统存储电路模块

主控器还需一些外围存储单元如Nor Flash和SDRAM。Nor Flash 中包含Linux 的Bootloader、系统内核、文件系统、应用程序以及环境变量和系统配置文件等等，同时还预留了一部分空间作为用户使用；SDRAM读写速度快，系统运行时把它作为内存单元使用。为充分保证系统的可扩充性，系统设计采用了8M的Nor Flash和64M的SDRAM。

在网络视频监控系统的设计中，Flash用于存放操作系统、文件系统和驱动程序等；SDRAM主要用作运行嵌入式操作系统、应用服务程序和临时存放视音频信息。Flash存储器选用的是Spansion的S29AL016D70TF。它是一个16 Mbit的Flash存储器，容量为2，097，152个字节；采用48脚TSOP封装和3．0V电源供电。S29AL016D70TF与Hi3510的接口连接框图如图3所示。其中。CE#管脚为芯片使能输入，由于此Flash用于存储引导程序，故此引脚连接EBICSlN#；OE#管脚为输出使能输入，连接EBIOEN；RY／BY为准备或忙输出管脚，悬空。