摘? 要： 提出一種用RS-485總線構(gòu)成視頻監(jiān)控系統(tǒng)的方法,。系統(tǒng)用便攜式視頻壓縮終端對視頻圖像進行實時壓縮,，通過RS-485總線將壓縮圖像數(shù)據(jù)傳送給主機。
關(guān)鍵詞： 視頻監(jiān)控? RS-485總線??圖像壓縮? DSP芯片
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RS-485總線抗干擾能力強,，能實現(xiàn)多站遠距離通信,，組網(wǎng)方便，成本低廉,，因而在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,。隨著串行通信接口芯片和RS-485接口芯片傳輸速度的大幅度提高，使得利用RS-485總線傳輸圖像數(shù)據(jù)成為可能,，但是未壓縮視頻圖像的數(shù)據(jù)量極大,，即使總線傳輸速度高達1Mbps，傳輸一幅512×512×8的灰度圖像就要耗時2.1s,，因此必須將視頻圖像數(shù)據(jù)進行壓縮編碼,，再通過總線傳輸。本文介紹的視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用便攜式圖像壓縮終端,，在攝象機的視頻輸出端對圖像信號進行采集,、變換和編碼，用一對雙絞線按RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)傳送給上位機,。這樣只要使用一根電纜就能構(gòu)成一個64～128點的局域網(wǎng),，不但布線簡單，而且傳輸速率高達1Mbps,，遠遠超過電話網(wǎng)的傳輸速率,。
1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成
本監(jiān)控系統(tǒng)由一臺主機和多臺從機組成,，如圖1所示。主機為工控機,，內(nèi)含高速RS-485通信卡,，主要完成監(jiān)控系統(tǒng)的控制,、管理和圖像數(shù)據(jù)的后期處理等任務(wù),。從機為便攜式圖像壓縮終端，該終端以TI公司的TMS320VC5402數(shù)字信號處理器為核心,，擴展一些外圍器件組成一個獨立的視頻圖像壓縮和傳輸設(shè)備,，主要完成視頻圖像的實時采集、變換編碼和傳輸控制,。主機與從機之間通過RS-485總線進行通信,。主機啟動并控制網(wǎng)上的每一次通信，每個從機有一個唯一的地址,，只有被尋址的從機響應(yīng)主機的命令并向主機發(fā)回信息幀,。當(dāng)從機數(shù)量超過64個或與主機距離超過120m時，應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)上加裝中繼器以保證通信速率達到1Mbps,。
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2 便攜式圖像壓縮終端簡介
壓縮終端是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,，組成框圖如圖2所示。它以TMS320VC5402 DSP為處理器,，擴展了視頻器,、行場分離電路、幀緩沖器,、程序存儲器,、串行通信接口芯片和RS-485總線接口芯片。
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2.1 TMS320VC5402 DSP簡介
TMS320VC5402 DSP(以下簡稱C5402)是TI公司生產(chǎn)的新一代定點DSP芯片,，時鐘頻率100MHz,，性價比極高，是目前定點DSP的主流產(chǎn)品,。C5402片內(nèi)有8條數(shù)據(jù)或地址總線,，構(gòu)成增強型哈佛結(jié)構(gòu)的總線系統(tǒng)，指令按流水線方式執(zhí)行,，大部分指令能在單周期內(nèi)完成,。此外還有一套并行操作指令，能在單周期內(nèi)執(zhí)行一次存儲/加載操作和一次算術(shù)運算,，大大提高了數(shù)字信號處理的速度,。C5402片內(nèi)有16KW DARAM，可以作為程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器,，另外還有兩個多通道緩沖串行口(McBSP) ,、一個8位HPI接口,、兩個16位定時器、一個六通道DMA控制器和一個PLL時鐘發(fā)生器,。
2.2 視頻采集電路
視頻圖像信號采集由視頻緩沖器,、高速A/D轉(zhuǎn)換器和行、場同步分離電路組成,。A/D轉(zhuǎn)換器采用TI公司的TLV5510芯片,，TLV5510為8bit、10Msps的高速并行A/D轉(zhuǎn)換器,，本電路中將TLV5510作為C5402的一個擴展的并行輸入口,，C5402的R/W信號作為轉(zhuǎn)換時鐘信號，讀該端口時啟動A/D轉(zhuǎn)換,。行,、場同步分離電路輸出行同步信號、垂直同步信號和奇,、偶場信號作為C5402的外部中斷輸入信號,。C5402采用中斷響應(yīng)方式采集一幀圖像的奇場數(shù)據(jù)和偶場數(shù)據(jù)。
2.3 存儲器配置
? 480KB的幀緩沖器用來存放原始圖像數(shù)據(jù)和壓縮后的圖像數(shù)據(jù),，32KB的FlashROM用來存放應(yīng)用程序,，二者都映射到C5402的外部數(shù)據(jù)空間。由于C5402的數(shù)據(jù)空間僅為64KW,，因此采用內(nèi)存頁擴展技術(shù),，將外部數(shù)據(jù)空間擴展為16頁，每頁32KB,。使用C5402的一個擴展輸出口作為擴展內(nèi)存的頁選擇信號,，分別選擇0～16頁，并且將C5402的A15腳與擴展靜態(tài)RAM的使能端相連,，當(dāng)A15=0時選擇片內(nèi)RAM,，當(dāng)A15=1時選擇片外RAM。因此本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器配置如下:
片內(nèi):16KW??DARAM???????? 地址為??? 0000h～3FFFh
片外:32KB??FlashROM????? 地址為??? 8000h～FFFFh
片外:480KB SRAM? ?? ? 地址為??? n8000h～nFFFFh
??????????????????????????????????????? (n=1～15)
系統(tǒng)硬件復(fù)位時,，頁選擇信號被自動清零,，F(xiàn)lashROM映射到數(shù)據(jù)空間，C5402將FlashROM中的應(yīng)用程序加載到片內(nèi)DARAM中,。
2.4 數(shù)據(jù)傳輸電路
數(shù)據(jù)傳輸使用了TI公司的異步串行收發(fā)器TL16C550和MAXIM公司的MAX3485E,。TL16C550內(nèi)含16bit的FIFO，通信速率達1Mbps,。MAX3485E是半雙工RS-485總線接口芯片,，傳輸速率達12Mbps，傳輸距離達4000英尺,。
2.5 軟件實現(xiàn)
C54x DSP集成開發(fā)工具支持C語言和匯編語言編程,，為了提高代碼執(zhí)行效率,，滿足圖像實時壓縮和傳輸?shù)男枰捎脜R編語言編程,。主程序可分成以下幾個部分:
(1)初始化C5402,，接受上位機的命令幀，做好采集圖像的準(zhǔn)備工作;
(2)開放奇場中斷(INT1),，關(guān)閉偶場中斷(INT2)和行中斷(INT3);
(3)當(dāng)奇場同步信號到來時,，C5402進入奇場中斷服務(wù)子程序，開放行中斷做好采集奇場數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備,。當(dāng)行同步信號到來時,，C5402進入行中斷服務(wù)子程序,，連續(xù)采集一行圖像數(shù)據(jù),。當(dāng)各行圖像數(shù)據(jù)采集完畢后，關(guān)閉行中斷;
(4)當(dāng)偶場同步信號到來時,，C5402進入偶場中斷服務(wù)子程序,，開放行中斷做好采集偶場數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。當(dāng)行同步信號到來時,，C5402進入行中斷服務(wù)子程序,，連續(xù)采集一行圖像數(shù)據(jù)。當(dāng)各行圖像數(shù)據(jù)采集完畢后,，關(guān)閉行中斷和奇,、偶場中斷;
(5)將圖像數(shù)據(jù)分成一系列的8×8塊，先對第一個數(shù)據(jù)塊進行DCT變換,、量化,、Huffman編碼，然后開放串行口中斷(INT0),，將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機,。重復(fù)執(zhí)行這個編碼和傳輸過程，直到全部圖像數(shù)據(jù)處理結(jié)束,。最后關(guān)閉串行發(fā)送中斷,，開始下一幀圖像的處理。
3 通信軟件設(shè)計
本系統(tǒng)為主從式監(jiān)控系統(tǒng),，由主機啟動并控制網(wǎng)上的每一次通信,。主機先向從機下達采集圖像的命令，然后接收從機傳來的壓縮圖像數(shù)據(jù),。從機接受主機的命令,，按命令要求調(diào)整攝象機的焦距和鏡頭方向、修改圖像大小和采樣速率,，最后進行圖像采集,、壓縮和傳輸,。要完成這些功能就必須定義嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。
3.1 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議
本網(wǎng)絡(luò)為專用系統(tǒng),，要求通信速率達到1Mbps,，故采用電路交換方式。網(wǎng)上傳輸?shù)男畔H為兩種形式之一:命令幀或信息幀,。
主機發(fā)往從機的命令幀由八個字節(jié)組成,，如表1所示。地址為要訪問的從機地址,，有效地址為0～255;焦距為攝象機的焦距編碼;方向為攝象機鏡頭的方向編碼;大小為圖像的大小編碼;速率為圖像采樣率編碼;控制為現(xiàn)場控制設(shè)備或報警器控制命令編碼;校驗—命令幀結(jié)束和校驗標(biāo)志,。
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從機發(fā)往主機的信息幀如表2所示。地址為從機地址;狀態(tài)—攝象機焦距和鏡頭方向調(diào)整機構(gòu)及其它控制設(shè)備的狀態(tài)編碼;數(shù)據(jù)為圖像壓縮碼流;校驗為信息幀校驗和結(jié)束標(biāo)志,。地址,、狀態(tài)、校驗均為一個字節(jié),，數(shù)據(jù)長度可變,。
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3.2?從機通信程序設(shè)計
從機通信流程如圖3所示。壓縮終端上電復(fù)位后打開串行口中斷,，RS-485接口芯片處于接收狀態(tài),。一旦接到主機的命令幀，壓縮終端便按命令幀的要求調(diào)整焦距,、鏡頭方向和其他控制設(shè)備的狀態(tài),，然后進行圖像的采集和壓縮編碼，同時檢測總線的狀態(tài),。若總線上沒有講者則將壓縮碼流發(fā)往主機,，總線被占用直到一幀信息幀全部發(fā)送完畢。為了提高圖像的處理效率,，壓縮和傳輸并行進行,。
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3.3?主機通信程序設(shè)計
主機通信流程控制如圖4所示。正常情況下,，主機對全部或部分現(xiàn)場進行輪流監(jiān)控,，各壓縮終端送來的壓縮數(shù)據(jù)被分別保存起來，同時經(jīng)解壓縮后顯示在計算機屏幕上,。一旦發(fā)生異常情況,，主機自動對異常現(xiàn)場進行單獨監(jiān)控,。主機在向壓縮終端發(fā)命令幀之前檢測總線的狀態(tài),，若總線上沒有講者則將命令幀發(fā)往壓縮終端，然后將RS-485接口置于接收狀態(tài),，等待壓縮終端發(fā)送信息幀,。為了保證命令幀的可靠性,，命令幀被連續(xù)發(fā)送三次。
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本系統(tǒng)使用TMS320VC5402 DSP和RS-485總線實現(xiàn)了靜止圖象的實時壓縮和高速傳輸,。采用標(biāo)準(zhǔn)JPEG壓縮算法,，每秒鐘可壓縮并傳輸5幀512×512×8的灰度圖像，性價比極高,，適用于無人倉庫,、超級市場、交通道口,、井下工程,、列車車箱等的監(jiān)控管理。
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參考文獻
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2 蔡士杰.連續(xù)色調(diào)靜止圖象的壓縮與編碼-JPEG.南京:南京大學(xué)出版社,， 1995
3 余濟臨.用RS-485構(gòu)成遠程分布式數(shù)據(jù)采集與控制網(wǎng)絡(luò).電子技術(shù)應(yīng)用，1999;25(4)
4 TMS320C54x DSP CPU and Peripherals,，1999