摘   要： 在以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上，運(yùn)用32位微控制器采集多媒體信號(hào)在內(nèi)的多種信息并進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸?shù)亩嗝襟w遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)的整體模型。介紹了監(jiān)控節(jié)點(diǎn)平臺(tái)的軟件和硬件設(shè)計(jì)，并分析了系統(tǒng)性能。
關(guān)鍵詞： 32位微控制器  以太網(wǎng)  Linux  圖像信號(hào)采集

1  應(yīng)用背景
　　傳統(tǒng)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)建立在以單片機(jī)和PC機(jī)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上，最常用的聯(lián)網(wǎng)手段是使用串行總線，如RS485等。自從上世紀(jì)80年代以來，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)過程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)上得到了廣泛的應(yīng)用?；诖思夹g(shù)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，由于受帶寬限制而只能用于傳送簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)(如溫度、壓力采樣值等)，且傳輸距離僅在車間范圍。
　　隨著安全監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展需要，監(jiān)控系統(tǒng)要求處理圖像、視頻、音頻信號(hào)。為滿足這些要求，通常的做法是建立專用的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸圖像和聲音信號(hào)，一般為模擬信號(hào)。而這樣的網(wǎng)絡(luò)布線成本高，維護(hù)困難。如果需要遠(yuǎn)程監(jiān)控，還要采用特殊手段對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，接入遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。如果能利用目前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)，則這些問題便可以得到解決。
應(yīng)用以太網(wǎng)進(jìn)行信號(hào)傳輸具有如下優(yōu)點(diǎn)。
　　(1)高帶寬。目前百兆以太網(wǎng)廣泛應(yīng)用，千兆以太網(wǎng)逐漸成熟。(2)安全性高。以太網(wǎng)及TCP/IP協(xié)議上實(shí)現(xiàn)了多種有效的加密手段。(3)容易互聯(lián)。遵循TCP/IP協(xié)議，采集到的數(shù)據(jù)可以方便地共享給遠(yuǎn)程用戶。(4)利用現(xiàn)有資源，減少布線維護(hù)成本。
　　雖然傳統(tǒng)的8或16位單片機(jī)也可以支持以太網(wǎng)控制器，但由于其本身處理能力有限，因此不能利用以太網(wǎng)高帶寬的特性。本文將采用32位嵌入式處理器PXA255建立數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。由于手持應(yīng)用的32位處理器PXA255處理能力強(qiáng)，可以運(yùn)行在400MHz，處理器支持多個(gè)運(yùn)行級(jí)別和內(nèi)存管理，因此從硬件上支持操作系統(tǒng)，很適合作為采集終端。
2  多媒體平臺(tái)設(shè)計(jì)
　　多媒體監(jiān)控系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。一個(gè)C類以太網(wǎng)段最多可以支持254個(gè)節(jié)點(diǎn)，而通過路由器等中繼設(shè)備，一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)理論上可以支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)目沒有上限。通過以太網(wǎng)關(guān)，可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在Internet上的共享，并保證數(shù)據(jù)安全。

　　作為實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了2個(gè)采集節(jié)點(diǎn)和1臺(tái)PC作為監(jiān)視節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)。采集節(jié)點(diǎn)以32位嵌入式微控制器PXA255為中心，采集視頻、聲音和鍵盤輸入等信號(hào)，通過以太網(wǎng)和監(jiān)視節(jié)點(diǎn)通信。監(jiān)視節(jié)點(diǎn)顯示上述信號(hào)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)采集端的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。
2.1 硬件設(shè)計(jì)
　　監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的硬件模塊示意圖如圖2所示。其中微控制器為PXA255；SDRAM是2片K4S561632A；構(gòu)成Strong ARM 1111 Processor的是Xscale的擴(kuò)展芯片，提供了USB Host控制器；音頻芯片使用CS4201；以太網(wǎng)控制器使用LAN91C96；Flash采用2片28F128J3A，為系統(tǒng)提供32MB的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。

　　圖中未標(biāo)出的還有PXA255的JTAG接口，用于燒寫Flash和測(cè)試硬件電路。視頻采集設(shè)備采用了Logitech公司的QuickCam網(wǎng)絡(luò)攝像頭，該攝像頭采用USB接口和采集板USB Host接口連接。
　　QuickCam使用CMOS感光元件，采集速率為30幅/秒、640×480分辨率16色圖像。USB攝像頭直接為采集板提供數(shù)字圖像信號(hào)，免去了傳統(tǒng)采集設(shè)備從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的過程。同時(shí)，USB設(shè)備具有即插即用特性，使得更換設(shè)備更方便。
　　圖中LCD Panel是可選設(shè)備。PXA255可支持640×480真彩色LCD顯示屏。實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中采集端連接了1個(gè)5英寸的LCD顯示屏，可用于檢驗(yàn)采集端之間傳輸圖像的效果。
2.2  軟件設(shè)計(jì)
　　(1)ARM Linux上的程序設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件采用了自由軟件ARM Linux。ARM Linux是桌面和服務(wù)器上廣泛使用的GNU/Linux操作系統(tǒng)，是以ARM為核心的處理器上的移植版本。與流行的商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)相比，ARM Linux的內(nèi)核由于和桌面GNU/Linux系統(tǒng)內(nèi)核一致，因而內(nèi)核穩(wěn)定性得到保證。其源代碼目前遵循GPL協(xié)議發(fā)布，可以保證系統(tǒng)的可維護(hù)性。
　　在ARM Linux中訪問硬件的方式與桌面Linux和UNIX類似。硬件設(shè)備在ARM Linux系統(tǒng)中由設(shè)備節(jié)點(diǎn)表示，每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)都有1個(gè)主設(shè)備號(hào)和1個(gè)次設(shè)備號(hào)。二者的組合在同一系統(tǒng)中是惟一的。應(yīng)用程序通過訪問設(shè)備節(jié)點(diǎn)訪問硬件，操作系統(tǒng)調(diào)用設(shè)備號(hào)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序來響應(yīng)應(yīng)用程序的請(qǐng)求。
　　PXA255集成了AC97CODEC芯片控制接口。本系統(tǒng)使用了CS4201CODEC芯片，采集端因此具備了采集聲音信號(hào)的能力。音頻設(shè)備在ARM Linux系統(tǒng)中表示為一個(gè)字符類型設(shè)備，因此讀寫該類型設(shè)備的數(shù)據(jù)單位為字符。
　　ARM Linux對(duì)USB攝像頭設(shè)備提供底層支持。采集節(jié)點(diǎn)采用了Logitech公司的QuickCam攝像頭，CMOS感光部件能提供640×480分辨率、16位色深的圖像。攝像頭設(shè)備在ARM Linux文件系統(tǒng)中也是字符類型設(shè)備，可以以字符為單位讀出數(shù)據(jù)。但一幅完整的圖像一般由多個(gè)字符組成，因此只讀一幅圖像的一部分通常是沒有意義的。此外，多次使用read系統(tǒng)調(diào)用，在應(yīng)用程序和內(nèi)核之間進(jìn)行上下文切換，對(duì)系統(tǒng)影響很大。因此，對(duì)這種設(shè)備一般使用內(nèi)存影射的方式訪問。通過mmap系統(tǒng)調(diào)用把驅(qū)動(dòng)程序或者內(nèi)核空間內(nèi)存影射到用戶空間，使得應(yīng)用程序可以直接訪問影射的內(nèi)存，避免了多次上下文切換。
　　ARM Linux為系統(tǒng)提供以太網(wǎng)控制器的驅(qū)動(dòng)程序和與UNIX相似的TCP/IP協(xié)議棧。通信程序是建立在標(biāo)準(zhǔn)Socket接口上的客戶/服務(wù)器程序，采集端運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、接受監(jiān)控端請(qǐng)求、發(fā)送數(shù)據(jù)到監(jiān)控端并處理監(jiān)控端的命令。
　　(2)采集端程序設(shè)計(jì)
　　具體實(shí)現(xiàn)中，采集端軟件由3個(gè)獨(dú)立的線程構(gòu)成。主線程流程圖如圖3所示，其流程如下：建立一個(gè)Socket服務(wù)器和監(jiān)控端建立的基于流的Socket連接；建立若干管道作為不同信號(hào)由采集線程到網(wǎng)絡(luò)通信線程之間的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；打開攝像頭和其他采集設(shè)備；啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)采集2個(gè)線程后，主線程放棄CPU，直至網(wǎng)絡(luò)通信線程結(jié)束才被重新調(diào)度。

　　網(wǎng)絡(luò)通信線程流程圖如圖4所示。主要部分采用select系統(tǒng)調(diào)用，以等待可用的采集數(shù)據(jù)和監(jiān)控端的命令。此處利用了Linux系統(tǒng)中Socket連接和管道都可以用統(tǒng)一的文件描述符表示的特點(diǎn)。select系統(tǒng)調(diào)用處于阻塞線程，直到任一描述符有可讀數(shù)據(jù)：即如果Socks連接得到了監(jiān)控端命令，則根據(jù)該命令停止采集和傳輸，直到對(duì)硬件進(jìn)行配置后才重新進(jìn)入采集程序；如果管道中有采集數(shù)據(jù)可用，則把數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控端。
采集線程流程圖如圖5所示。在ARM Linux操作系統(tǒng)中，獲得內(nèi)核空間用內(nèi)存映像機(jī)制獲取圖像。具體說就是使用ARM Linux的mmap函數(shù)，把QuickCam捕獲的圖像映射到用戶內(nèi)存空間，用ioctl系統(tǒng)調(diào)用向攝像頭驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送命令。VIDIOCMCAPTURE命令攝像頭獲取一幅圖像，VIDIOCSYNC命令圖像同步到映射的用戶內(nèi)存空間。同步命令返回后，映射內(nèi)存為最近獲取的圖像。采集線程把數(shù)據(jù)直接復(fù)制到相應(yīng)管道。

　　其他數(shù)據(jù)(如聲音、鍵盤輸入)由于數(shù)據(jù)量較小且不確定，一般不采用內(nèi)存空間映射的方法獲取，而直接采用read系統(tǒng)調(diào)用。但因?yàn)樵跀?shù)據(jù)源無數(shù)據(jù)可讀時(shí)，read會(huì)阻塞直到有數(shù)據(jù)為止。因此，如果有多個(gè)數(shù)據(jù)源，也應(yīng)該使用select系統(tǒng)調(diào)用，由系統(tǒng)輪詢各個(gè)數(shù)據(jù)源，直到其中一個(gè)有可讀數(shù)據(jù)時(shí)使用read，再進(jìn)入select輪詢狀態(tài)。這樣可以使多個(gè)數(shù)據(jù)源任一個(gè)有數(shù)據(jù)時(shí)都可以得到及時(shí)處理。
3  性能指標(biāo)
　　QuickCam攝像頭每秒可獲得近30幅640×480分辨率的16位色圖像。但由于JPEG壓縮算法需要較高的CPU資源，采集端實(shí)際可獲得10幅/秒圖像。圖像為320×240分辨率16位色，經(jīng)過JPEG壓縮后最小可達(dá)2KB以下。考慮到需要控制圖像失真和壓縮時(shí)間，因此選擇壓縮比為10：1，每幅圖像大約10KB。壓縮比小于40：1，一般可以認(rèn)為圖像壓縮是無損的。
　　通過10M以太網(wǎng)交換機(jī)連接采集板和PC控制臺(tái)端，最大傳輸能力為7Mbps，因此理論上系統(tǒng)每秒可以傳輸90幅圖像。實(shí)驗(yàn)表明，采集端得到的圖像確實(shí)可以送達(dá)監(jiān)控端。
　　以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議與現(xiàn)場(chǎng)總線不同，采用的是CMSA/CD方式。如果總線負(fù)載超過25%，多媒體傳輸速度會(huì)受到數(shù)據(jù)碰撞的影響。采用點(diǎn)名方式分時(shí)采集各點(diǎn)數(shù)據(jù)可以避免多個(gè)采集端同時(shí)發(fā)送多媒體數(shù)據(jù)，還可以利用實(shí)時(shí)交換機(jī)代替普通交換機(jī)獲得更好的實(shí)時(shí)性能。
　　如果需要提高系統(tǒng)的性能，則減少壓縮算法占用的CPU時(shí)間是關(guān)鍵。此外，將單獨(dú)采集圖像的系統(tǒng)性能和圖像與聲音等同時(shí)采集的系統(tǒng)性能做對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，在采集端加入其他中斷源對(duì)于采集圖像信號(hào)也有較大影響。
4  結(jié)束語
　　系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了采集平臺(tái)與監(jiān)控中心、平臺(tái)之間的視頻、音頻以及溫度壓力報(bào)警等信號(hào)的互傳。目前工作的重點(diǎn)是在系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻和音頻信號(hào)的硬件壓縮解壓，進(jìn)一步提高信號(hào)傳輸速度和質(zhì)量。
由于Linux系統(tǒng)的API和UNIX系統(tǒng)兼容，使得大多數(shù)為UNIX和Linux編寫的應(yīng)用程序都可以不經(jīng)修改或稍加修改就可應(yīng)用在本系統(tǒng)中，如目前已經(jīng)應(yīng)用的JPEG圖像壓縮算法庫等。這使得該系統(tǒng)不僅適合視頻信號(hào)采集，而且在工業(yè)監(jiān)控的很多領(lǐng)域都有了應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
1   Intel Corporation.Intel PXA255 Processor Design Guide.   http：//www.intel.com，2003
2   Intel Corporation.Intel PXA255 User′s Menu.http：//www. intel.com，2003
3   Rubini A.Linux Device Drivers.北京：中國電力出版社，2000
4   Jerry D G.多媒體數(shù)字壓縮原理與標(biāo)準(zhǔn).北京：電子工業(yè)出版社，2000
5   呂風(fēng)軍.數(shù)字圖像處理編程入門.北京：清華大學(xué)出版社，1999
6   Steven W R.UNIX環(huán)境高級(jí)編程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000