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1、（附件一）视频监控系统的总体设计方案1. 视频监控系统概述视频监控系统是安防建设的一个重要手段。随着计算机网络、多媒体技术、人工智能以 及工程控制的发展，视频监控系统已经开始由原来的模拟视频监控系统转向视频监控系统的 数字化、网络化、智能化的研究。由于视频信息的直观性可以使决策者和科技人员获得动感 和感性的认知，视频信号的采集、处理就越来越受人们的重视。视频监控系统作为视频技术 最基本的应用领域已经在人们的生活、科研以及国防建设中发挥这举足轻重的作用。在众多的视频采集系统中，嵌入式的视频采集以其小巧、灵活、低成本、高性能的特点 具有独特的优势。结合嵌入式WINCE支持TCP/IP的特性，可以更
2、好地利用发达的网络技术, 通过建立用户服务器工作模型来实现远程视频监控。如今，通过网络实现远程监控是视频采 集技术的一个发展趋势。系统将设备采集到的数据通过网络传送到视频服务器或视频监控中 心的数据库中，从而实现低成本网络互联、信息沟通。无线视频采集监控则是网络化视频采集监控领域最前沿的应用模式之一。随着嵌入式技 术和视频通信技术的不断发展，移动环境下的监控越来越受到重视，无线视频监控将会有非 常大的市场。本课题结合嵌入式技术和视频通信技术，在无线局域网/Internet网络环境下建立一个 视频监控系统。该系统的嵌入式客户端基于WALN及In terne t特性，有效地利用网络带宽大, 稳定性
3、及可靠性高，为客户提供高品质的视频图像。视频监控系统基本原理图如图一所示门Z汰图1视频监控系统基本原理图2. 研究意义关于嵌入式系统的定义有多种不同的定义，但被大多数人所接受的是“嵌入式系统是以 应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗 有严格要求的专用计算机系统。” 一该定义强调软、硬件可裁剪、专用计算机系统的特点， 这也是嵌入式系统与通用计算机平台最为显著的差别。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、 外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备 的控制、监视或管理等功能。由于嵌入式系统具有体积小、性能好、功耗低、可靠性
4、高以及面向行业应用的突出特征， 目前，已经广泛应用于军事国防、消费电子、信息家电、网络通信、工业控制等领域。ARM是高级精简指令系统处理器的英文缩写，它既是一种微处理器知识产权核，也是一 个公司的名称。采用RSIC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：支持实时仿真和嵌入式 跟踪的32/16位ARM920T的RICK微控制器，并带有128M的Nand Flash以及2M的Nor Flash。S3C2440A的主频高达400MHZ，适合用于图像、视频、音频信号的处理，主要面向低 价格、低功耗、高性能、小型微控制器的场合。它具有多个串行接口，包括3通道 UART；2 通道IIC-BUS接口(多主支持
5、)可进行串行、8位、双向数据传输，标准模式下数据传输 速度可达1OOkbit/s,快速模式下可达到400kbit/s； 16KB指令I-Cache (指令高速存储缓 冲器)和16KB数据D-Cache (数据高速存储缓冲器)，使S3C2440A能提供巨大的缓冲区空 间和强大的处理功能。4通道16位具有PWM功能的定时器，1通道16位内部定时器，可 基于DMA或中断工作；8通道多路复用ADC，最大500KSPS/10位精度；2个USB主设备接 口，1个USB从设备接口； 24个外部中断端口； 130个多功能输入/输出端口； 60个中断源， 电平/边沿触发模式的外部中断源，可编程的边沿/电平触发极
6、性，支持为紧急中断请求提供 快速中断服务；16位看门狗定时器，在定时器溢出时发生中断请求或系统复位。CPU操作 电压范围：内核 300MHz 时为 1.20V，400MHz 时为 1.3V，内存：支持 1.8v / 2.5v/3.0v/3.3v, 输入/输出：3.3v。嵌入式操作系统是一种实时的几支持嵌入式系统应用的操作系统软件，是嵌入式系统极 为重要的组成部分。嵌入式操作系统以WINCE核心为基础、完全内存保护、多任务多进程的 操作系统。它具有许多优秀的特点：(1)系统处理实时性好，性能稳定。(2)文件管理系统 更适合于大量的图像数据。(3)内核小巧和高效，作为专用系统，具有系统指令精简、处
7、理 速度快等特点。(4)系统数据置于ROM/FLASH MEMORY，调用速度快，不会被改变，稳定性 好。(5)本身内置网络支持。随着第三代移动通信网络的迅速发展，声音和数据传输的速度有所提升，使处理图像、 音乐、视频流等多种媒体信息成为可能，其中包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信 息服务。使用无线通信协议的，移动可视电话等嵌入式设备逐渐显示出广阔的市场前景，视 频业务的应用己经成为当前通信领域的一个热点。3. 视频监控系统的设计原则对于软、硬件结合的嵌入式系统，为了达到最佳效果，同时考虑成本、升级、可实现难 易等问题，在系统设计时应注意下列原则：(1) 选用功能完善的主控芯片选用功能强
8、大的芯片可以极大简化电路，提高了系统的可靠性和精度，同时接口丰富的 控制芯片也为以后升级带来方便。本次设计中选用基于S3C2440A微处理器的ARM9开发板为 核心器件，其主要功能如上文所述。(2) 电路设计中留有扩展口以备将来扩展或修改 对于一个系统，可能在以后的应用中提出更高的要求，这就需要我们在硬件设计时尽可能留 有余地，以便将来的功能扩充。在器件选择上也要考虑以后的升级空间。如在本次设计中留 1个34 pin 2.0mm GPIO接口和1个40 pin 2.0mm系统总线接口作为后续开发使用接口。(3) 在不影响性能的前提下，尽可能用软件代替硬件为了减少系统复杂性，降低系统硬件成本，以
9、及软件升级方便，在不影响系统性能的情 况下，我们在设计时尽量用软件代替硬件，从经济与可靠性上考虑都是很好的选择。如本次 设计中视频采集以及压缩均采用软件代替硬件。4. 视频监控系统的关键技术选型设计嵌入式视频监控终端需要用到几项关键的技术，它们的选择关乎整个系统的性能。 这几项技术包括处理器选型，操作系统选型，数据压缩标准和传输协议的选择等。4.1嵌入式微处理器选型嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件，它的选择关乎整个系统的优劣。嵌入式处理器 的种类很多，目前主要的嵌入式处理器类型有MIPS、PowerPC、ARM等，但ARM占据了绝对主 流。与其他嵌入式处理器相比，ARM具有很多优点，比如体积
10、小，功耗低，性能高，成本低, 并提供丰富的片内外围控制电路。采用ARM内核的微处理器己经广泛应用于工业控制、无线 通讯、网络应用、消费类电子产品。鉴于ARM微处理器的众多优点，随着国内外嵌入式应用 领域的逐步发展，ARM微处理器必然会获得广泛的重视和应用。但是，由于ARM微处理器有多 达十几种的内核结构，几十个芯片生产厂家，以及千变万化的内部功能配置组合，给开发人 员在选择方案时带一定的困难，所以，芯片选择关乎系统的整体性能的好坏。以下从应用的 角度出发对在选择ARM微处理器。(1) ARM微处理器内核的选择ARM微处理器包含一系列的内核结构，以适应不同的应用领域。用户如果希望使用Wince
11、或标准Linux等操作系统以减少软件开发时间，就需要选择ARM720T以上带有MMU功能的ARM 芯片，ARM720T、ARM920T、ARM922T等都带有功能。(2) 系统的工作频率的选择系统的工作频率在很大程度上决定了ARM微处理器的处理能力。ARM7系列微处理器的典 型处理速度为0.9MIPS/MHZ，常见的ARM7芯片系统主时钟为20MHZ133MHZ, ARM9系列微处理 器的典型处理速度为1.1MIPS/MHZ，常见的ARM9芯片系统主时钟频率为100233MHZ, ARM10 最高可以达700MHZ。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只需要一个主时钟频率，有的芯 片内部时钟控制
12、器可以分别为ARM核和USB、UART、DSP、音频等功能部件提供不同频率的时 钟。(3) 片内外围电路的选择除微处理器核以外，几乎所有的芯片均根据各自不同的应用领域，扩展了相关功能模块， 并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如USB接口、IIC接口、LCD控制器、键盘接 口、RTC、ADC和DAC、DSP协处理器等，设计者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路 完成所需的功能，这样既可简化系统的设计，同时提高系统的可靠性。根据系统的性能要求并结合AR M处理器的功能特点，在设计的过程中选用S3C2440A微处 理器作为系统的核心部件。S3C2440A的主频高达400MHZ,使其处理能
13、力可以完成视频压缩计算量较大的应用，处理 器含有丰富的片内资源强大的网络支持功能技术支持多，价格便宜，也是设计采用微处理器 重要原因。4.2嵌入式操作系统选择嵌入式操作系统的选择直接关系到系统的实时性、稳定性、可扩展性，开发费用以及软 件开发的难易程度等。Wince作为微软发布的一款功能强劲的实时嵌入式操作系统，它继承 了大家熟悉的台式机上Windows操作系统一贯友好的界面，为建立低成本、高效的嵌入式系 统创造了条件，引发了各个领域开发者的广泛关注。其主要特点有：(1) 占用资源少。一个典型的Wince设备只需要4MB到8MB，最小的Wince大约500K。(2) 实时性好。支持256个优先
14、级别和嵌套中断，允许更高优先级别的中断首先得到响应，而 不是等待低级别的ISR完成。这使得该操作系统具有嵌入式操作系统所要求的实时性。在使 用Pentium166MHZ处理器时，ISR延迟平均为2.8ms, IST为17.9ms。(3) 广泛的CPU支持及提供仿真环境。支持ARM、MIPS、SHx、x86四种微处理器，内置仿真技 术，可以在台式机开发机上开发和测试程序.(4) 强大的应用程序开发。开发人员可以选择Visual StudioNET或者Embedded VisualC+4.0 进行应用程序的开发，前者的优点是开发相对容易，后者的优点是程序执行速度快。(5) 广泛的存储和文件系统，能
15、够防止数据因突发性的电力故障而被破坏。(6) 可定制的用户界面。对于各种控件的外观，开发人员可以在Windows 95和Windows XP两 种风格中任选，也可以自己定制颜色和对话框的大小和形状。(7) 开放的通信平台，集成了多种协议，比如TCP/IP、IPv6、Winsock2.0等。广泛支持各种 通信硬件，亦支持直接的局域连接以及拨号连接，并提供与PC、局域网以及In terne t的连接， 还提供与Windows9x/NT的最佳集成和通信。通讯方式包括申口，并口，网线和红外线端口。(8) 具有灵活的电源管理功能，包括催眠唤醒模式。(9) Wince的API是Win32 API的一个子集
16、，支持近1500个Win32 API。有了这些API，足可以编 写任何复杂的应用程序。当然，在Wince系统中，所提供的也可以随具体应用的需求而定。Wince能从闪存中启动，也就避免了暴露在灰尘，高温，和震动环境下，从而使它可以 适应恶劣的应用环境。鉴于以上特点，本次设计中选用Wince作为嵌入式操作系统，当然， 在实时性等方面，Wince尚存在某些缺陷，但是对于一般应用，Wince无疑拥有巨大的优势。 开发人员在开发过程中可以根据应用需求对其定制，以满足应用系统的实际需要。 4.3视频压缩算法的选择系统的图像采集由摄像头完成，由于采集到的每一帧图像的数据量很大，所以在图像传 输之前我们需要压缩视频图像。从实现办法来分析，可以用硬件和软件分别实现。硬件实现 就是采用专门的视频压缩编码芯片将采集到的视频数据转换成特定格式的视频流。这种实现 方式的优点是压缩速度快，图像质量好，实时性高，缺点
