基于ARM的视频采集系统的设计

摘要
随着经济的飞速发展，人们的安防意识不断增强，视频检测系统越来越广泛地被应用于各行各业。

如今，许多商场、银行和智能小区中都安装了红外探头或基于PC机的视频监测系统，由于其价格高昂，可靠性不高，传输距离短、需要有人值守等。

针对这种情况，寻求一种方法来改进这一状况，具有很大的实际意义。

近几年，随着嵌入式技术的快速发展，采用嵌入式系统的视频设备已在各领域中被广泛应用。

采用DSP嵌入式系统的视频设备设计的视频检测系统，实现了视频图像的采集、处理和网络传输，该系统具有体积小、功耗低、性能高、可便携等优点。

关键词：TCP/IP；ARM；视频采集系统
数字视频监控系统是以计算机或嵌入式系统为中心、视频处理技术为基础，是符合图像数据压缩的国际标准。

综合利用图像传感器、计算机网络、自动控制和人工智能等技术的一种新型监控系统。

由于数字视频监控系统对视频图像进行了数字化，所以与传统的模拟监控系统相比，数字监控具有许多优点。

数字化的视频系统可以充分利用计算机的快速处理能力，对其进行压缩、分析、存储和显示。

数字化视频处理技术提高了图像的质量与监控效率，使系统易于管理和维护。

整个系统是模块化结构，体积小，易于安装、使用和维护。

正是由于数字视频监控技术具有传统模拟监控技术无法比拟的优点，而且符合当前信息社会中数字化、网络化和智能化的发展趋势，所以数字视频监控技术正在逐步取代模拟监控技术，广泛应用于各行各业。

嵌入式系统以体积小、实时性强、性价比高、稳定性好等特点在社会的各个领域中得到了广泛应用。

笔者设计的一种嵌入式系统，以WinCE操作系统和ARM硬件平台为核心实现了对现场的实时监控，并通过无线网络把视频图像传输到主机端，以实现分析、存储和显示等功能。

2 设计要求
输入信号为1路A V视频信号，要求系统能对1路输入信号进行实时采集、数字化处理、压缩、存储，要保证一定的录像质量。

根据设计题目的要求，选择确定ARM芯片型号、视频采集芯片型号，完成系统硬件设计和程序设计。

3.1设计原理
ARM7 系列微处理器为低功耗的32 位RISC 处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。

ARM7 微处理器系列具有如下特点：
－具有嵌入式ICE－RT 逻辑，调试开发方便。

－极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。

－能够提供0.9MIPS/MHz 的三级流水线结构。

－代码密度高并兼容16 位的Thumb 指令集。

－对操作系统的支持广泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS 等。

－指令系统与ARM9 系列、ARM9E 系列和ARM10E 系列兼容，便于用户的产品升级换代。

－主频最高可达130MIPS，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。

ARM7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、Internet 设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。

3.2视频监控系统总体设计
首先需要对系统进行总体规划，将系统划分成几个功能模块，确定各个模块的实现方法。

整个视频监控系统采用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S3C4510平台上运行的采集、压缩、传输程序，客户端是PC机上运行的接收、解压、回放程序。

视频监控终端从摄像头捕获实时的视频信息，压缩之后通过以太网传输到视频监控服务器上。

如系统结构图（图1）所示，视频图像采集和打包发送在服务器端完成，图像的接收解包和回放将在客户端完成。

图1系统结构图
3.3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、储存电路模块、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
S3C4510主控器模块
主控器模块是整个系统的核心，采用的S3C4510B处理器。

Samsung 公司的S3C45 10B 是基于以太网应用系统的高性价比16/32位RISC微控制器，内含一个由ARM 公司设计的16/32位ARM7TDMI RISC 处理器核，ARM7TDMI为低功耗、高性能的16/32核，最适合用于对价格及功耗敏感的应用场合。

S3C4510B的引脚分布图与结构图如图3，图4所示。

图3 S3C4510B的引脚分布图
图4 S3C4510B结构图
S3C4510B 的特性描述如下；
体系结构
—用于嵌入式以太网应用的集成系统
—全16/32 的RISC 架构
—支持大、小端模式。

内部架构为大端模式，外部存储器可为大、小端模式—内含效率高、功能强的ARM7TDMI 处理器核
—高性价比、基于JTAG 接口的调试方案
—边界扫描接口
系统管理器
—支持ROM/SRAM、FLASH、DRAM 和外部I/O 以8/16/32 位的方式操作
—带总线请求/应答引脚的外部总线控制器
—支持EDO/常规或SDRAM 存储器
—可编程的访问周期（可设定0～7 个等待周期）
— 4 字的写缓冲
—高性价比的从存储器到外围的DMA 接口
系统存储电路模块
主控器还需一些外围存储单元如Nand Flash，和SDRAM。

Nand Flash 中包含Lin ux 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；S DRAM读写速度快，系统运行时把它作为内存单元使用。

如图5.6所示。

图5 SDRAM
图6 RAM
外围电路模块
外围电路主要是以下几个电路，复位电路图，电源电路图以及JTAG电路，如图7，8，
9所示
图7 复位电路
图8 电源电路
图9 JTAG电路
3.4 系统的软件设计
视频监控终端的软件设计主要完成两方面的工作：
（1）在硬件上搭建一个软件平台，搭建嵌入式Linux软件开发平台需要完成UBOO T移植、嵌入式Linux操作系统内核移植以及嵌入式Linux操作系统的设备驱动程序的开发等工作。

（2）在软件平台的基础上，开发系统的应用程序。

借助交叉编译工具,开发视频监控终端上运行的采集、压缩、传输程序。

构建基于S3C2410的Linux平台
Linux具有许多优点，如开放源码；功能强大的内核，支持多用户、多线程、多进程、实时性好、功能强大稳定；大小功能可定制；支持多种体系结构。

构建嵌入式Linux开发平台需要先构建交叉编译环境，如图4所示。

一套完整的交叉编译环境包括主机和目标机。

在开发中主机是一台装有红帽公司的FedoreCore 2操作系统的PC机，目标机是基于S3C2410的视频监控终端。

选用的交叉编译器是GCC3.3.
4 for ARM版，嵌入式Linux内核源代码包版本号为2.6.8RC。

2.6.8RC版的Linux内核源代码包中包含了所有的功能模块。

系统中只用到了其中的一部分。

因此，编译内核之前首先要配置内核，裁减掉冗余的功能模块，经过定制的内核才符合系统设计。

具体步骤如下：
（1）键入命令make menuconfig，对内核进行配置，选择YAFFS文件系统，支持N FS启动，系统使用的是USB接口的摄像头，故要启用USB设备支持模块，包括USB设备文件支持模块、USB主控制器驱动模块等。

此外，USB摄像头属于视频设备，为了使应用程序能够访问它，还需要启用Video4Linux模块。

（2）用make dep命令生成内核程序间依赖关系。

（3）make zImage命令生成内核映像文件。

（4）make modules和make modules_install命令生成系统可加载模块。

这样就生成了zImage内核映像文件，把它下载到目标平台的Flash中。

本设计采用USB外置摄像头，在内核配置时要求以模块形式加载。

首先要完成驱动程序，驱动中需要提供基本的I/O操作接口函数open、read、write、close的实现，对中断的处理实现，内存映射功能以及对I/O通道的控制接口函数ioctl等，并把他们定义在struct file_operations中。

这样当应用程序对设备文件进行诸如open、clos e、read、write等，系统调用操作时，嵌入式Linux内核将通过file_operations结构访问驱动程序提供的函数。

接着把USB驱动程序编译成可以动态加载的模块，这样摄像头就可正常工作了。

视频监控终端软件的设计
视频监控终端软件按功能分为三部分：视频采集、压缩、传输。

这个软件的开发都是基于先前配置好的嵌入式内核。

(1）视频采集部分
使用摄像头设备，捕获实时的视频流。

首先完成v4l_struct数据结构的定义，如设备基本信息，图像属性，各个信号源属性等；采集模块一方面通过USB集线器采集U SB摄像头中的图像，另一方面启动多个采集线程，分别在不同的端口上监听，一旦有请求连接，采集线程立即从设备缓冲区中把视频流数据读出，放入到视频处理缓冲区中进行下一步的处理。

图10图像采集模块流程
(2）视频数据的压缩部分
在视频监控系统中，大量的数据需要通过网络传输，为了保证传输质量和传输实时性，就需要在传输之前进行编码压缩以减少数据量，本文采用MPEG-4编码标准进行数据压缩。

在网络上可以下载到开源的xvidcore软件作为视频压缩的核心算法，xvidco re是一个高效的、移植性很强的多媒体编码软件，将它在PC机上进行交叉编译，生成的文件拷贝到目标系统下。

(3) 视频数据传输部分
传输模块的作用在于把压缩之后的视频流传送到远程的PC机客户上，视频流数据的传输是基于TCP/IP协议。

视频传输采用了标准的RTP传输协议。

RTP是目前解决流媒体实时传输问题的最好办法，在Linux平台上进行实时流媒体编程，需要使用一些开放源代码的RTP库，如LIBRTP、JRTPLIB等。

定义一种较为简单的握手协议：PC机端的采集程序不停地发请求数据包到采集终端，采集终端把已经捕获的图像打包返回给主
机。

每个RTP信息包被封装在UDP消息段中，然后再封装在IP数据包中发送出去。

接收方自动组装接收到的数据帧，还原成视频数据。

总结与致谢
本次设计设计设计了基于ARM的视频监控系统的设计方案，采用软压缩算法，讨论了系统的硬件和软件设计。

本系统和市场上其它视频监控系统相比，开发周期短，价格低廉，适用于对视频图像要求不太高的场合
通过本次课程设计，使我加强了对ARM的掌握和理解，巩固了我在《嵌入式系统及应用》课程中所学的基本理论知识和实验技能，使我对《嵌入式系统及应用》课程有了更深入的了解，进一步激发了我对所学专业学习的兴趣；提高了我的动手能力以及检索资料的能力。

对于以后的学习与工作都是极大的帮助。

在设计的过程和设计说明书的撰写过程中，高焕兵老师给予了我热心的帮助和大力的支持，给我提了诸多的宝贵意见，拓宽了我的思路。

在此我向老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！
参考文献
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