摘 要： 針對傳統(tǒng)固定監(jiān)控架設(shè)成本高、監(jiān)控有死角且需要布置的視頻采集端個(gè)數(shù)太多的情況，提出一種基于ARM和FPGA相結(jié)合架構(gòu)的移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及其軟硬件實(shí)現(xiàn)方法，在減少視頻采集端節(jié)點(diǎn)的前提下，能夠全方位實(shí)時(shí)捕捉用戶所需的信息。該系統(tǒng)由電機(jī)控制模塊、視頻采集模塊和無線網(wǎng)絡(luò)控制模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)；基于Linux操作系統(tǒng)、Web服務(wù)器和視頻編碼器，實(shí)現(xiàn)了用戶可以通過Internet遠(yuǎn)程查看目標(biāo)現(xiàn)場的狀況。
關(guān)鍵詞： 視頻監(jiān)控；ARM；FPGA；Linux；Internet
中國視頻監(jiān)控市場快速發(fā)展，數(shù)字監(jiān)控逐步成為主流，網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)人化和智能化將是中國視頻監(jiān)控市場重要的發(fā)展趨勢。但當(dāng)前基于流媒體傳輸?shù)募夹g(shù)對網(wǎng)絡(luò)條件要求較高，不能大面積推廣，固定監(jiān)控成本太高。如何將視頻監(jiān)控與Interne相結(jié)合，使監(jiān)控人員可以隨時(shí)隨地實(shí)施監(jiān)控，是現(xiàn)代監(jiān)控技術(shù)急需解決的問題。另一方面，目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用的微控制器多是ARM9、ARM11等系列微控制器，ARM微控制器硬件外設(shè)出廠時(shí)已經(jīng)固定，不利于用戶進(jìn)行硬件擴(kuò)展和升級，而ARM和FPGA相結(jié)合的多芯片解決方案又會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)成本太高，同時(shí)還會(huì)造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，功耗太大。針對以上不足，本文提出了一種新的解決方案，采用Zynq系列處理器，芯片采用的是高性能Cortex-A9雙核和FPGA相結(jié)合，ARM部分可以解決高清視頻的處理問題，可編程邏輯FPGA部分可以升級和擴(kuò)展硬件。
1 移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)
本設(shè)計(jì)的主控板為Digilent公司的ZedBoard開發(fā)板，主芯片Zynq7020結(jié)合高性能雙核ARM Cortex-A9 MPCore處理系統(tǒng)和可編程邏輯于一體[1]。視頻采集端位于移動(dòng)小車之上，從而達(dá)到移動(dòng)采集視頻的目的。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括ARM控制部分的設(shè)計(jì)和FPGA邏輯部分的設(shè)計(jì)。ARM部分主要用來運(yùn)行操作系統(tǒng)和系統(tǒng)上的應(yīng)用軟件，如Web服務(wù)器Boa，視頻編碼器mjpg-streamer；FPGA部分主要用來擴(kuò)展硬件資源，進(jìn)行小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分PWM IP核的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。各模塊功能為：攝像頭負(fù)責(zé)視頻圖像采集，Zynq主控模塊負(fù)責(zé)ARM操作系統(tǒng)部分和FPGA邏輯資源部分，電機(jī)控制模塊負(fù)責(zé)智能小車的運(yùn)動(dòng)，Boa Webserver負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的交互，無線路由器負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)。
系統(tǒng)上電之后，首先自動(dòng)執(zhí)行芯片內(nèi)部固化的芯片初始化程序，然后執(zhí)行第一階段的啟動(dòng)加載器FSBL，使用比特流文件（PWM IP核設(shè)計(jì)生成的bit文件）對FPGA部分進(jìn)行配置，待FPGA配置完成后，開始執(zhí)行U-boot引導(dǎo)程序，啟動(dòng)Linux操作系統(tǒng)[2]。系統(tǒng)啟動(dòng)完成后，智能小車通過無線路由器產(chǎn)生無線信號，用戶在另一端就可以通過網(wǎng)絡(luò)來連接智能小車終端，實(shí)施視頻監(jiān)控。用戶和系統(tǒng)的交互實(shí)現(xiàn)如圖2所示。
本文主要介紹電機(jī)控制部分的設(shè)計(jì)，具體包括電機(jī)控制部分硬件電路的設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA部分PWM IP核的設(shè)計(jì)，Linux操作系統(tǒng)PWM驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。
2 電機(jī)控制部分的設(shè)計(jì)
2.1 電機(jī)控制部分硬件電路的設(shè)計(jì)
該模塊主要由L298P雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)。由于一個(gè)L298P芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，小車有4個(gè)車輪，因此需要兩塊L298P芯片[3]。同時(shí)，為了減少使用的FPGA I/O引腳數(shù)量，在原理圖設(shè)計(jì)中采用了四二輸入或非門芯片SN74HC02D，這樣用兩個(gè)I/O引腳就可以控制L298P的4個(gè)輸入端。DIR1、DIR2、PWM1、PWM2通過Zedboard的PMOD接口與FPGA相連。原理圖如圖3所示，圖中IN1、IN2、IN3、IN4為輸入信號，ENA、ENB為使能信號。ENA控制IN1、IN2的輸入使能，ENB控制IN3、IN4的輸入使能。當(dāng)ENA為1，DIR1為1時(shí)（也就是IN1為0，IN2為1時(shí)），P1接口上的電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)ENA為1，DIR1為0時(shí)（也就是IN1為1，IN2為0時(shí)），P1接口上的電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)ENA為0時(shí)，P1接口上的電動(dòng)機(jī)停止。與P2口連接的電動(dòng)機(jī)原理同上。
2.2 FPGA部分PWM IP核的設(shè)計(jì)
Xilinx嵌入式系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)由其公司推出的EDK（Embedded Development Kit）開發(fā)套件實(shí)現(xiàn)，EDK具有完成嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一整套工具，即：硬件設(shè)計(jì)工具XPS（Xilinx Platform Studio）和軟件設(shè)計(jì)工具SDK（Xilinx Software Development Kit），硬件設(shè)計(jì)步驟如下：（1）設(shè)置新工程路徑；（2）自定義IP配置外設(shè)；（3）建立UCF文件；（4）bit流的生成[4]。自定義IP的部分主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)和停止控制。關(guān)鍵VerilogHDL代碼如下：
case（state）
//電機(jī)停止
′NOP：{pwm_left，pwm_right}<={7′d0，7′d0}；
′GOING：//電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)
begin
if（dis_value>31）
{pwm_left，pwm_right，dir_lself，dir_rself}
<={7′d100，7′d100，1′d0，1′d0}；
else
{pwm_left，pwm_right，dir_lself，dir_rself}<=
{{dis_value[4：0]，2′b0}，{dis_value[4：0]，2′b0}，1′d1，1′d1}；
end
′RETURN：//電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)
begin
if（dir_value==3′b010）
{pwm_left，pwm_right，dir_lself，dir_rself}<={7′d80，7′d80，1′d1，1′d0}；
else
{pwm_left，pwm_right，dir_lself，dir_rself}<={7′d80，7′d80，1′b0，1′b1}；
end
endcase
在本設(shè)計(jì)中，對電機(jī)的控制，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小，只需要添加一個(gè)低速的AXI4-Lite總線設(shè)備PWM模塊來控制PMOD接口就可以實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備之間通信，其中AXI4-Lite的全局時(shí)ACLK設(shè)置為100 MHz，PWM模塊分配的起始物理地址為0x6CA00000，空間大小為64 KB，PWM配置信息如圖4所示。
2.3 Linux下電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)
由于遠(yuǎn)端傳輸是在Linux系統(tǒng)下TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，因此，編寫Linux下的IP驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用程序就可以通過Linux的標(biāo)準(zhǔn)接口訪問FPGA的PMOD接口設(shè)備。本設(shè)計(jì)編寫的是字符型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，包含設(shè)備加載、設(shè)備卸載以及文件操作函數(shù)。PWM模塊加載時(shí)系統(tǒng)調(diào)用module_init（pwm_init）宏實(shí)現(xiàn)模塊的初始化操作，在本系統(tǒng)中pwm_init（）函數(shù)主要完成以下工作：（1）內(nèi)核注冊字符型設(shè)備驅(qū)動(dòng)；（2）創(chuàng)建PWM設(shè)備類；（3）利用PWM設(shè)備類創(chuàng)建設(shè)備；（4）將PWM模塊物理地址映射到虛擬地址上[5]。部分關(guān)鍵代碼如下所示：
//XPS分配的物理地址
#define PWM_MOUDLE_PHY_ADDR 0x6CA00000
//注冊驅(qū)動(dòng)
pwm_driver_major=register_chrdev（0，DEVICE_NAME，&pwm_driver_fops）；
pwm_driver_class=class_create（THIS_MODULE，"
pwm_driver"）；//創(chuàng)建設(shè)備類
pwm_driver_device=device_create（pwm_driver_class，NULL，MKDEV（pwm_driver_major，0），NULL，"pwm_device"）；
//利用設(shè)備類創(chuàng)建設(shè)備
//將PWM IP物理地址映射為虛擬地址
pwm_fre_addr=（unsignedlong）ioremap（PWM_MOUDLE_ PHY_ADDR，sizeof（u32））；
初始化工作結(jié)束，但是僅有初始化函數(shù)，設(shè)備仍然無法工作，還需要有實(shí)現(xiàn)頻率和占空比的調(diào)節(jié)機(jī)制?？刂芇WM的頻率函數(shù)如下所示：
static ssize_t sys_pwm_frequency_set（struct device*dev， struct device_attribute*attr，const char*buf，size_t count）
{
long value=0；
int i；
frequency=0；
//修改頻率之前，關(guān)閉PWM模塊
outl（value，pwm_fre_addr）；
//將寫入pwm_frequency中的字符串轉(zhuǎn)化為整數(shù)
for（i=0；i<count-1；i++）
{
frequency*=10；
frequency+=buf[i]-′0′；
}
//100 MHz/frequency，100 MHz在XPS中已經(jīng)設(shè)定
if（value>100000000）value=100000000；
value=100000000/frequency；
//將計(jì)數(shù)值寫入到PWM模塊的pwm_fre_addr寄存器中
outl（value，pwm_fre_addr）；
return count；
}
控制PWM占空比的函數(shù)和控制PWM頻率的函數(shù)一樣。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及測試
系統(tǒng)的主控制板為Zedboard開發(fā)板，上電啟動(dòng)后，無線路由器會(huì)發(fā)布一個(gè)SSID為Tp_Link_5C90的無線網(wǎng)絡(luò)，可以通過任何可以上網(wǎng)的設(shè)備連接這個(gè)網(wǎng)絡(luò)。在瀏覽器中輸入網(wǎng)址：192.168.1.100，就會(huì)登錄到移動(dòng)視頻監(jiān)控的網(wǎng)頁上，通過界面的按鈕控制視頻終端的運(yùn)行。
本文設(shè)計(jì)采用Xilinx All Programmable芯片Zynq作為主控CPU，F(xiàn)PGA部分可以實(shí)現(xiàn)邏輯擴(kuò)展和功能補(bǔ)充。例如：自定義通信協(xié)議、IP核，同時(shí)還可以利用Xilinx的部分可重配置技術(shù)升級硬件系統(tǒng)，易于后期擴(kuò)展和硬件升級；ARM部分采用的是性能較高的Cortex-A9雙核，使得對高清晰視頻的處理較為流暢，而且系統(tǒng)整體功能也比較穩(wěn)定。相比于傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控，數(shù)字視頻處理技術(shù)提高了圖像的質(zhì)量和監(jiān)控效率。
設(shè)計(jì)中采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方法，即：在整個(gè)系統(tǒng)及定義的基礎(chǔ)上，同時(shí)對軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)，其中包括軟硬件的劃分（哪些功能使用軟件完成，哪些功能使用硬件完成）、軟硬件系統(tǒng)的開發(fā)與聯(lián)合調(diào)試，降低了開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，縮短了開發(fā)周期。
參考文獻(xiàn)
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