基于ARM嵌入式的视频采集系统的设计

摘要基于ARM嵌入式技术的视频采集以其灵活性、高集成性、便捷性等诸多优点必将取代传统的有线视频采集。

针对目前视频监控的实际需求，结合嵌入式技术、图像处理技术，设计并实现了一种可靠性高、成本低的嵌入式视频采集及编码系统。

它是视频监控的前端，是无线视频监控系统的一个子系统。

系统选用SAA7113H进行视频采集与压缩，选用S3C44BOX微处理器作为核心板的控制器，利用S3C44BOX的硬件编解码模块进行编码。

关键词：ARM嵌入式，视频采集，SAA7113H，S3C44BOX目录1绪论 (1)1.1课题研究的背景 (1)1.2课题研究的现状与发展前景 (1)1.3课题研究的意义 (2)1.4课题主要内容 (2)2ARM微处理器概述 (3)2.1ARM介绍 (3)2.2ARM处理器主要的特点 (3)2.3ARM微处理器应用 (4)3系统方案设计 (4)3.1系统的解决方案 (4)3.2视频采集 (5)3.3视频压缩 (6)3.4基于ARM的嵌入式系统开发平台 (6)3.5系统总体设计结构图 (7)4系统硬件设计 (8)4.1系统硬件结构 (8)4.2系统硬件各模块设计 (9)4.3PCB设计 (10)4.3.1PCB布局 (10)4.3.2PCB布线 (11)5系统软件设计 (12)5.1系统初始化程序设计 (12)5.1.1ARM初始化过程 (12)5.1.2SAA7113H初始化配置 (14)5.2应用程序设计 (17)6结论 (18)参考文献 (19)1绪论1.1课题研究的背景近年来，随着通信技术、微电子技术和计算机技术的飞速发展，网络带宽和存储容量得以大幅度的提高，而电子、通信、广播之间愈来愈紧密的相互交叉联系，世界进入了全数字化网络时代。

与此同时，数字多媒体技术也得到了迅速发展，已逐渐渗透至人们生活、工作和学习的各个方面，改变着人们传统的生活方式。

人们对视频会议、可视电话、数字电视广播等多媒体技术的需求越来越广泛。

然而，在多媒体技术[1]中，尤其是数字视频领域，其信息数据量庞大，对处理能力和存储容量的要求极高，如不进行有效的压缩编码则会给通信和传输带来极大的困难，从而无法满足人们的需求。

1.2课题研究的现状与发展前景根据图像处理技术[2]发展的不同阶段，视频采集[3]系统大致可分为三个阶段：1)模拟视频采集系统模拟视频采集系统一般由图像摄像部分、系统控制部分（视频矩阵切换、云台和镜头控制等）和显示记录部分组成，模拟视频采集系统一般采用模拟方式传输，传输距离较短，主要应用于小范围内的视频图像采集。

2)数字化本地视频采集系统20世纪80年代，随着数字化技术的发展，图像采集的方式出现了由模拟处理方式向数字处理方式的转变。

人们开始使用PC机来处理图像信号，借助计算机强大的数据处理能力与显示器的高清晰显示度，通过视频采集卡将视频信号采集到计算机中，并显示在显示器上，从而大大提高了图像的画质。

基于PC的采集系统一般在采集现场有若干个摄像机、各种检测、报警探头与数据设备，通过各自的传输线路，汇接到多媒体终端上，多媒体终端通过通信网络，将信息传到一个或多个监控中心。

基于PC的多媒体采集系统功能较强，但功耗高，需要有专人值守。

3)嵌入式网络视频采集系统嵌入式网络视频采集系统以网络为依托，集中了多媒体技术、数字图像处理及远程网络传输等最新技术，受到了学术界和使用部门的高度重视。

嵌入式系统以其本身体积小，实时性高，稳定性好，支持以太网等优点，成为工控领域的新热点。

基于嵌入式技术的网络化视频监控系统有效地将嵌入式技术和视频技术结合在一起，可以很好地解决基于PC的视频监控系统中存在的问题。

目前，视频采集与压缩[4]系统正朝着前端一体化、视频数字化、网络化和系统集成化的方向发展，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视频采集与压缩发展的最大两个特点就是数字化和网络化。

然而，国内视频采集与压缩系统的研究仍停留在基于PC的基础上，大多数系统利用国外芯片开发视频采集压缩卡，或在现有的视频采集压缩卡上开发采集软件系统，然后组成采集系统，即数字化本地视频采集系统。

虽然基于PC的视频采集系统终端功能较强，便于现场操作，但价格高昂，功耗较大，PC机端也需专人管理，对于特殊环境或空间狭小、功耗要求严格的地点，这种方式难以满足要求。

1.3课题研究的意义本课题研究对象为数字视频采集与压缩系统。

作为一种伴随着计算机技术、数字多媒体技术和网络技术飞速发展应运而生的实用处理手段，越来越受到人们的重视。

本文在详细分析国内外视频采集与压缩系统发展现状的基础上，针对基于PC平台的系统难于满足日益复杂和广泛的图像处理应用需求的现实，提出了一种基于ARM的嵌入式[5]平台的视频处理解决方案。

该方案充分利用了嵌入式平台集成度高、功耗小、支持多任务操作系统等优点，并利用当前最先进的JPEG2000编码压缩算法，通过适当的软硬件设计，力图实现一种体积小、功耗低、一体化的视频图像采集和压缩系统，以满足我们对视频采集和压缩的需求。

本系统的研究对于促进视频采集与压缩系统的仪器化，推动相关产业的发展，具有重要的参考价值和指导意义。

1.4课题主要内容首先介绍ARM[6]及其特点与应用，接着进行系统方案的设计，主要是采用SAA7113H[7]进行视频采集与压缩，用S3C44BOX[8]微处理器进行控制和传输，最后是对系统硬件与软件的设计。

2ARM微处理器概述2.1ARM介绍ARM（Advanced RISC Machines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。

1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。

目前，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，即我们通常所说的ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM 技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器[10]75％以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。

ARM公司是专门从事基于RISC技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。

目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM 公司的授权，因此既使得ARM技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。

ARM系列：ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E 系列、ARM11系列、SecurCore系列、Intel的Xscale、Intel的StrongARM。

其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。

SecurCore系列专门为安全要求较高的应用而设计。

2.2ARM处理器主要的特点1)体积小、低功耗、低成本、高性能；2)支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；3)大量使用寄存器，指令执行速度更快；4)大多数数据操作都在寄存器中完成；5)寻址方式灵活简单，执行效率高；6)指令长度固定。

2.3ARM微处理器应用1)工业控制领域：作为32的RISC架构，基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。

2)无线通讯领域：目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术，ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。

3）网络应用：随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL 芯片正逐步获得竞争优势。

此外，ARM在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。

4)消费类电子产品：ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。

5)成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。

手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。

除此以外，ARM微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广泛的应用。

3系统方案设计3.1系统的解决方案目前，嵌入式视频采集与压缩系统的解决方案[9]，主要有以下三种：1)视频采集芯片+DSP处理器。

该方案中由视频采集芯片完成图像的预处理，由DSP完成图像的存储、基于MPEG-4、H.263或MJPEG标准的图像压缩、网络传输。

该方案是采用软件压缩，其灵活性高，可以根据需要修改压缩算法，有利于方案的升级，但缺点是控制不够灵活。

且DSP通常没有强大的操作系统，功能单一，不适合做系统控制。

2)ARM嵌入式处理器+DSP处理器。

该方案同样采用软件压缩，具有软件压缩的优点，同时由于采用了ARM处理器，控制比较灵活，可以用做操作系统，做系统控制。

但其缺点是：要使用ARM芯片对DSP的寄存器进行操作，设计、调试，使用较困难。

而且开发周期较长，开发难度大。

3)视频采集芯片+图像压缩芯片+ARM嵌入式处理器。

该方案与前两个方案最大的区别是用图像压缩芯片来代替DSP处理器，采用硬件压缩方法。

该方案弥补了方案一和方案二的不足，既采用ARM处理器做系统控制，又可以缩短开发周期，降低开发难度。

而且硬件压缩所需编程量小，压缩速度快，压缩芯片同时提供标准视频信号接口，外围电路设计简单。

根据课题需要和综合以上三个方案的优缺点，本课题采用第三个方案，即视频采集芯片+图像压缩芯片+ARM嵌入式处理器。

3.2视频采集模拟视频摄像头采集的信号是模拟信号，视频信号中不仅包含图像信号，还包括了行同步信号、行消隐信号、场同步信号、场消隐信号等。

因此，视频采集中的视频输入处理就显得非常重要。

传统的视频输入处理模块采用分离元件，电路非常复杂，而且可靠性差，不易调试。

现今，许多著名的半导体生产厂家将这些复杂的视频A/D转换电路集成在一块芯片内，生产出视频采集芯片，为后继的图像处理提供了极大的方便。

现在市面的视频采集芯片有PHILIPS公司的SAA711X系统产品、台湾禾瑞亚（EMPIA）公司的EM2820、美国TECHWELL公司的TW6802等。

通过调研，发现PHILIPS公司的产品综合性能最佳，性价比最高，故选择其视频采集芯片SAA7113H设计视频采集部分。

SAA7113H是飞利浦公司视频解码系列芯片的一种，非常具有代表性，在很多视频产品如电视卡、MPEG2、MPEG4中都有应用，该芯片采用CMOS工艺，通过I2C总线与PC机或有I2C总线接口的控制芯片相连构成应用系统。