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)的移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)及其軟硬件實現(xiàn)方法，在減少視頻采集端節(jié)點的前提下,，能夠全方位實時捕捉用戶所需的信息。該系統(tǒng)由電機控制模塊,、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)控人員可以隨時隨地實施監(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)出廠時已經(jīng)固定，不利于用戶進(jìn)行硬件擴展和升級,，而ARM和FPGA相結(jié)合的多芯片解決方案又會導(dǎo)致系統(tǒng)成本太高,，同時還會造成系統(tǒng)資源的浪費,，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部分可以升級和擴展硬件。
1 移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)
本設(shè)計的主控板為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小車之上，從而達(dá)到移動采集視頻的目的,。系統(tǒng)的設(shè)計主要包括ARM控制部分的設(shè)計和FPGA邏輯部分的設(shè)計,。ARM部分主要用來運行操作系統(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部分主要用來擴展硬件資源，進(jìn)行小車電機驅(qū)動部分PWM IP核的設(shè)計,。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,，電機控制模塊負(fù)責(zé)智能小車的運動,，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)行第一階段的啟動加載器FSBL,，使用比特流文件（PWM IP核設(shè)計生成的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Linux操作系統(tǒng)[2],。系統(tǒng)啟動完成后，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,，實施視頻監(jiān)控。用戶和系統(tǒng)的交互實現(xiàn)如圖2所示,。
本文主要介紹電機控制部分的設(shè)計,，具體包括電機控制部分硬件電路的設(shè)計，F(xiàn)PGA部分PWM IP核的設(shè)計，Linux操作系統(tǒng)PWM驅(qū)動程序的設(shè)計,。
2 電機控制部分的設(shè)計
2.1 電機控制部分硬件電路的設(shè)計
該模塊主要由L298P雙H橋直流電機驅(qū)動芯片實現(xiàn),。由于一個L298P芯片可以驅(qū)動兩個直流電機，小車有4個車輪,，因此需要兩塊L298P芯片[3],。同時，為了減少使用的FPGA I/O引腳數(shù)量,，在原理圖設(shè)計中采用了四二輸入或非門芯片SN74HC02D,，這樣用兩個I/O引腳就可以控制L298P的4個輸入端。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（也就是IN1為0，IN2為1時）,，P1接口上的電動機正轉(zhuǎn),；當(dāng)ENA為1，DIR1為0時（也就是IN1為1,，IN2為0時）,，P1接口上的電動機反轉(zhuǎn)；當(dāng)ENA為0時,，P1接口上的電動機停止,。與P2口連接的電動機原理同上。
2.2 FPGA部分PWM IP核的設(shè)計
Xilinx嵌入式系統(tǒng)部分的設(shè)計由其公司推出的EDK（Embedded Development Kit）開發(fā)套件實現(xiàn),，EDK具有完成嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的一整套工具,，即：硬件設(shè)計工具XPS（Xilinx Platform Studio）和軟件設(shè)計工具SDK（Xilinx Software Development Kit），硬件設(shè)計步驟如下：（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的部分主要實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn),，反轉(zhuǎn)和停止控制,。關(guān)鍵VerilogHDL代碼如下：
case（state）
//電機停止
′NOP：{pwm_left，pwm_right}<={7′d0,，7′d0},；
′GOING：//電機正向旋轉(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)計中,，對電機的控制，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小,，只需要添加一個低速的AXI4-Lite總線設(shè)備PWM模塊來控制PMOD接口就可以實現(xiàn)硬件設(shè)備之間通信,，其中AXI4-Lite的全局時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下電機驅(qū)動部分的設(shè)計
由于遠(yuǎn)端傳輸是在Linux系統(tǒng)下TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)的,，因此,，編寫Linux下的IP驅(qū)動，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)計編寫的是字符型設(shè)備驅(qū)動程序,，包含設(shè)備加載、設(shè)備卸載以及文件操作函數(shù),。PWM模塊加載時系統(tǒng)調(diào)用module_init（pwm_init）宏實現(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；（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
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,，還需要有實現(xiàn)頻率和占空比的調(diào)節(jié)機制?？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 實驗結(jié)果及測試
系統(tǒng)的主控制板為Zedboard開發(fā)板，上電啟動后,，無線路由器會發(fā)布一個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)備連接這個網(wǎng)絡(luò)。在瀏覽器中輸入網(wǎng)址：192.168.1.100,，就會登錄到移動視頻監(jiān)控的網(wǎng)頁上,，通過界面的按鈕控制視頻終端的運行。
本文設(shè)計采用Xilinx All Programmable芯片Zynq作為主控CPU,，F(xiàn)PGA部分可以實現(xiàn)邏輯擴展和功能補充,。例如：自定義通信協(xié)議、IP核,，同時還可以利用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)計中采用軟硬件協(xié)同設(shè)計的方法，即：在整個系統(tǒng)及定義的基礎(chǔ)上,，同時對軟硬件進(jìn)行設(shè)計和協(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,，縮短了開發(fā)周期。
參考文獻(xiàn)
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