在嵌入式車載監(jiān)控終端的應(yīng)用中，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠、監(jiān)控視頻壓縮率和分辨率及多種功能可根據(jù)需要定制等性能指標(biāo)，已成該領(lǐng)域關(guān)鍵的應(yīng)用需求。但已有的解決方案存在如下不足：(1)按照視頻服務(wù)器來設(shè)計[1]，只能點(diǎn)播回放而不能做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析；(2)設(shè)備主要目的是用于定位移動設(shè)備的位置，而對視頻和信息數(shù)據(jù)的處理不夠詳細(xì)[2]；(3)作為通用型的設(shè)計[3]，并不適應(yīng)特定的環(huán)境。本文針對列車使用的特定環(huán)境及以上方案的不足，設(shè)計了適應(yīng)列車特點(diǎn)的可定制、可分析監(jiān)控數(shù)據(jù)的列車專用型監(jiān)控系統(tǒng)。
    本系統(tǒng)使用的主控芯片為Hi3512，是深圳華為海思半導(dǎo)體有限公司推出的第二代嵌入式高性能通信多媒體處理芯片，其硬件支持H.264和MJPEG等多種協(xié)議[4]，可廣泛應(yīng)用于實(shí)時視頻通信、數(shù)字圖像監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等領(lǐng)域。
1 列車車載監(jiān)控的總體結(jié)構(gòu)
    車載監(jiān)控主要用于汽車，列車使用相對較少，主要原因在于列車上的電源系統(tǒng)差異較大，同時列車對車載產(chǎn)品的安全等級要求較高，需要經(jīng)過相關(guān)部門的嚴(yán)格檢驗才能使用。
    本文設(shè)計的嵌入式列車車載監(jiān)控系統(tǒng)由嵌入式列車車載錄像機(jī)和PC端錄像回放分析系統(tǒng)兩部分組成。由于列車存在移動距離遠(yuǎn)、行駛地點(diǎn)偏僻等特點(diǎn)，使得實(shí)時監(jiān)控并不適用于列車。同時考慮到列車的運(yùn)行時間較長，因此選擇較低成本較大容量的硬盤作為監(jiān)控錄像存儲介質(zhì)。列車運(yùn)行到站后，將硬盤取下到PC端做回放分析。
    PC端回放分析軟件不僅要回放音視頻監(jiān)控畫面，更重要的是要取出混合于視頻中的機(jī)車號、機(jī)車速度、機(jī)車位置、車重、計長等信息數(shù)據(jù)和各種報警信息。這些信息數(shù)據(jù)和報警信息是通過串口從機(jī)車安全信息綜合監(jiān)控裝置（TAX箱）采集進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)，然后與音視頻文件一起混合打包，最后在PC端分離，做進(jìn)一步分析。通常的機(jī)車TAX箱上能夠監(jiān)控到機(jī)車運(yùn)行狀況的各種信息，并且可以實(shí)時顯示出來，但是并不能保存下來。而通過本系統(tǒng)，就可以在回放視頻監(jiān)控畫面的同時，回放機(jī)車運(yùn)行的一切操作信息，對分析監(jiān)控機(jī)車的運(yùn)行狀況，有非常重要的作用。
    本文設(shè)計的列車車載監(jiān)控系統(tǒng)，可以同時錄制4路視頻，其中有2路視頻用于監(jiān)控機(jī)車主要部件的運(yùn)行狀況，傳輸至駕駛艙進(jìn)行實(shí)時顯示，并同時寫入錄像文件中；另2路視頻監(jiān)控并記錄駕駛員的操作，以預(yù)防操作失誤。這樣一個文件就能全面監(jiān)控列車的運(yùn)行信息、機(jī)器狀況、駕駛員操作、現(xiàn)場環(huán)境狀況等各種信息，為列車的運(yùn)行提供了安全保障，可以滿足分析潛在隱患、查找分析事故原因等多種功能要求。
2 嵌入式車載系統(tǒng)的硬件設(shè)計
    主控芯片采用華為海思的Hi3512，該芯片是基于H.264 BP算法的視頻壓縮芯片，采用ARM9+DSP+硬件加速引擎多核的高度集成的SoC架構(gòu)，具備強(qiáng)大的視頻處理能力。片內(nèi)具有獨(dú)立的16 KB的指令cache和16 KB的數(shù)據(jù)cache，內(nèi)置MMU。內(nèi)嵌的DSP內(nèi)核具有3個ALU，8級流水線設(shè)計，支持MPEG-4 AVC/H.264等協(xié)議。
    整機(jī)硬件框圖如圖1所示，系統(tǒng)采集到的模擬視頻信號和模擬音頻信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入Hi3512芯片中的DSP進(jìn)行壓縮；同時又將采集到的數(shù)字信號進(jìn)行合成， 經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后送入駕駛艙實(shí)時顯示。車次號、機(jī)車號、機(jī)車速度、機(jī)車位置、車重、計長等信息數(shù)據(jù)和各種警報信息等TAX箱數(shù)據(jù)，通過RS485傳入主控芯片，與壓縮好的音視頻數(shù)據(jù)一起混合打包和存儲。

    本系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器采用Techwell公司的TW2835，該芯片可以同時支持4路模擬音頻輸入，4路模擬視頻輸入，1路模擬音頻輸出，2路模擬視頻輸出。Flash用于存儲機(jī)內(nèi)嵌入式Linux操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序等相關(guān)文件。DDR2作為程序運(yùn)行內(nèi)存使用。SATA接口與硬盤連接，用于存儲錄像文件。RS232接口用于調(diào)試機(jī)內(nèi)軟件。網(wǎng)絡(luò)接口用于下載機(jī)內(nèi)軟件。USB接口可以升級機(jī)內(nèi)軟件，也可以用于存儲或?qū)С鲣浵裎募?br/>     列車上的電源為110 V直流電源。由于列車上的用電設(shè)備多，電路復(fù)雜，因此，列車上的用電設(shè)備對可靠性、穩(wěn)定性等要求很高，需要經(jīng)過相關(guān)部門專業(yè)檢測才能使用。本系統(tǒng)電源部分電路可以適應(yīng)輸入電壓在60 V～130 V之間的變化，峰值可過濾300 V，穩(wěn)定輸出為12 V且已經(jīng)通過相關(guān)部門的檢測。圖2是車載監(jiān)控系統(tǒng)電源部分的電路。

3 嵌入式車載系統(tǒng)的軟件設(shè)計
    該嵌入式列車車載監(jiān)控系統(tǒng)采用嵌入式Linux系統(tǒng)[5]，海思公司針對Hi3512芯片，提供了一個Linux的軟件開發(fā)包(SDK)。SDK中包括基于U-boot1.1.4開發(fā)的Bootloader和基于標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核2.6.14移植的Linux內(nèi)核文件，以及基于busybox 1.1.2版本制作的根文件系統(tǒng)，也包含了一些常用的Linux命令。用戶程序開發(fā)庫則依賴于glibc 2.3.4版本。同時還提供了音視頻開發(fā)工程的函數(shù)庫，利用這些函數(shù)庫，用戶可以比較容易地直接使用硬件資源，以快速開發(fā)充分利用芯片性能的用戶應(yīng)用程序。
    本系統(tǒng)的應(yīng)用程序用來完成控制視頻的采集、壓縮、存儲等功能。應(yīng)用軟件采用模塊化設(shè)計，分為VI（VideoInput）、AI（AudioInput）、VIU（VideoInsertUserdate）等幾個模塊，當(dāng)需要時可加載運(yùn)行。
    主控芯片硬件支持H.264編碼和解碼，并且具有基于H.264視頻壓縮的一系列優(yōu)點(diǎn)[6]，本系統(tǒng)選擇H.264視頻編解碼處理視頻。音頻部分采用8 kHz采樣率、16 bit精度的ADPCM(Adaptive Differential Pulse Modulation)編碼。
    視頻、音頻、信息數(shù)據(jù)分別按照各自規(guī)則壓縮編碼、添加時間戳，最后混合打包成一個文件。此文件可以在監(jiān)控機(jī)上回放，也可以在PC端做進(jìn)一步分析。
    圖3為音視頻采集復(fù)合軟件模塊流程圖，圖4為用戶數(shù)據(jù)插入軟件模塊流程圖。

4 PC端分析回放系統(tǒng)設(shè)計
    錄制的音視頻文件有一個文件頭，其中保存一些固定信息，如車次、司機(jī)號、錄像文件通道、制式、碼率以及清晰度等，其后是交錯排列的音頻幀和視頻幀。其中信息數(shù)據(jù)幀添加在視頻幀中，根據(jù)H.264標(biāo)準(zhǔn)，I幀包含的信息量大，為關(guān)鍵幀。以每秒25幀的錄制速度為例，每秒只有一幀I幀，其余為P幀，P幀包含的是與前一幀的差值。同時，TAX箱中的數(shù)據(jù)并不是更新得很快，所以在每秒1幀的I幀中插入TAX數(shù)據(jù)，P幀為全部視頻數(shù)據(jù)，這樣就能夠滿足存儲所有的TAX箱數(shù)據(jù)，也大大減小了冗余數(shù)據(jù)的存儲。必要時也可添加TAX箱數(shù)據(jù)到P幀，其中音、視頻幀交錯排列，音頻幀就可以不需要時間戳等與視頻幀同步的信息，解碼完一幀視頻數(shù)據(jù)后立即解碼音頻幀，就可以做到音視頻同步。
    視頻幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。音頻幀結(jié)構(gòu)如圖6所示。

    其中音視頻幀數(shù)據(jù)都是8 B對齊，即包括幀頭在內(nèi)，占用磁盤空間大小為8的整數(shù)倍個字節(jié)，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)不是8的整數(shù)倍時，末尾加0填充，這樣解碼時就可以快速搜索到幀頭，在用戶拉動進(jìn)度條跳播時，可以快速定位。
    根據(jù)視頻文件結(jié)構(gòu)，PC端視頻文件處理的主程序結(jié)構(gòu)如下：
while (1)
    {
    Int    nFrameType = 0;//取4 B的數(shù)據(jù)，標(biāo)識符以
//4 bit加以區(qū)別
        if(m_pVideoWnd->Search(filename,&nFrameType)==-1)
            break;
        switch (nFrameType)
        {
        case FRAME_I_TYPE://視頻I幀幀頭，標(biāo)識符x0dc
            {
                Userdate();  //提取用戶數(shù)據(jù)，如TAX箱數(shù)據(jù)
                Displayframe();  //送視頻解碼器，
//以及直接顯示到屏幕
            }
            break;
        case FRAME_P_TYPE://視頻P幀幀頭，標(biāo)識符x1dc
            {
                Displayframe()//查找到本幀前一個I幀，
//然后送解碼器并顯示
            }
            break;
        case FRAME_A_TYPE://音頻幀頭，標(biāo)識符x3wb
            {
                Playsound();//提取音頻幀數(shù)據(jù)，
//送音頻解碼器
            }
            break;
        default:
            break;
        }
    }
    其中，視頻幀中的TAX箱數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)是放在一起的，當(dāng)判斷出是視頻幀后，程序立即進(jìn)入TAX箱數(shù)據(jù)提取，提取的TAX箱數(shù)據(jù)送到TAX箱數(shù)據(jù)的處理線程，將車次、司機(jī)號、速度、公里標(biāo)等信息輸出到屏幕上相應(yīng)位置。提取出TAX箱數(shù)據(jù)后的視頻幀數(shù)據(jù)，送入H.264視頻解碼器，視頻解碼后輸出的是YUV視頻數(shù)據(jù)，再借助微軟公司的DirectX SDK9.0中的Directshow，將視頻YUV數(shù)據(jù)繪制到用戶屏幕。
    判斷出是音頻幀后，將音頻幀中的音頻數(shù)據(jù)，送入音頻解碼器。注意音頻幀數(shù)據(jù)中還包含有音頻幀頭，其幀頭中包含的信息是幀長度和循環(huán)次數(shù)信息，解碼后輸出的是脈碼調(diào)制PCM(Pulse Code Modulation)錄音原始音頻采樣數(shù)據(jù)。PCM音頻數(shù)據(jù)也通過微軟公司的DirectX SDK9.0中的Directsound進(jìn)行回放。需要注意的是，音頻壓縮幀是160 B/幀，解碼后是480 B/幀。逐幀音頻回放時會有停頓的情況，若將多幀融合，再做回放，又會產(chǎn)生明顯的音視頻不同步現(xiàn)象，所以最終是將兩幀音頻合在一起一次回放。
    PC端軟件是基于Microsoft Visual Studio 2005 MFC文檔/視圖結(jié)構(gòu)開發(fā)的，其中，視頻解碼和音頻解碼均使用了海思公司提供的解碼庫，音視頻回放使用了DirectX SDK9.0。
    本文給出了一種基于Hi3512芯片的嵌入式列車車載監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方案，Hi3512采用ASIC芯片硬件實(shí)現(xiàn)視頻的編解碼，與采用ARM芯片加DSP軟件編解碼方案相比，開發(fā)難度和成本都比較低。使用與Hi3512芯片相配合的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件開發(fā)包，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的開發(fā)周期和成本。同時，本文還介紹了一種視頻信號中混合機(jī)車TAX箱信號的方法以及視頻信號混合機(jī)車運(yùn)行信號的設(shè)計和回放分析提取的具體流程。近一年的調(diào)試和實(shí)際運(yùn)行測試表明，本設(shè)計產(chǎn)品能夠完成最初的設(shè)計要求，可以規(guī)?；褂?，有廣泛的應(yīng)用前景。
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