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引言
隨著公路交通的不斷發(fā)展，長途客運車也隨之不斷增長，方便人們出行的同時，交通事故不斷發(fā)生，盜竊、搶劫也時有發(fā)生。
為了能使汽車安全的行駛，乘客放心的乘坐，開發(fā)研究一套良好的長途客運車無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)就顯得尤其的重要。
近年來傳統(tǒng)的模擬視頻監(jiān)控技術正在逐步向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展，將監(jiān)控技術與網(wǎng)絡技術，特別是無線網(wǎng)絡技術完美結合，是數(shù)字監(jiān)控領域的新方向。本文介紹的長途客運車無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)是整合嵌入式技術、CDMA無線網(wǎng)絡通訊技術、MPEG-4數(shù)字視頻壓縮技術和GPS定位技術為一體的視頻終端。
系統(tǒng)簡介
整個無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)由車載終端（包括TMS320DM270 CPU模塊、視頻輸入模塊、CDMA模塊、GPS模塊等）、通信網(wǎng)絡和監(jiān)控中心組成，其系統(tǒng)結構如圖1所示。
車載終端被放置在長途客車內(nèi)，用來采集車內(nèi)圖像并利用MPEG-4技術對圖像進行壓縮，使圖像分辨率達到CIF格式，幀率在1-8幀/秒可調(diào)。同時GPS模塊實時接收全球定位衛(wèi)星發(fā)射的信號，得到當前車輛位置和速度。最后CPU將壓縮后的視頻流與GPS數(shù)據(jù)通過CDMA無線通信網(wǎng)絡和Internet網(wǎng)絡發(fā)送到監(jiān)控中心，從而在監(jiān)控中心可以看到車內(nèi)情形，以及在電子地圖上顯示客車的方位與速度。
車載終端硬件設計
車載終端的設計是根據(jù)系統(tǒng)的總體要求，將硬件電路劃分為獨立的硬件功能模塊（TMS320DM270 CPU模塊、視頻輸入模塊、CDMA模塊、GPS模塊等），并給出各個硬件模塊的功能定義以及他們之間的關系。車載終端的結構框圖如圖2所示。
TMS320DM270 CPU模塊
TMS320DM270是TI公司推出的一款雙核多媒體處理器。它內(nèi)部集成了兩個處理器：ARM7TDMI RISC處理器；TMS320C5409 DSP，并帶有兩個協(xié)處理器――圖像加速器（iMX）和可變步長編解碼器（VLCD）。
DM270還集成了SDRAM控制器、CCD可編程控制器、預覽引擎（Preview engine）、專用的硬件3A模塊可以消除主處理器的某些任務負擔，如：白平衡、自動曝光和自動調(diào)焦。除此之外，還有USB、UART、SPI、外圍存儲接口等功能。
視頻輸入模塊
視頻輸入模塊主要由鏡頭模塊和模擬前端電路組成。模擬前端的作用是將圖像傳感器輸出的模擬信號鉗位放大，并完成A/D轉(zhuǎn)換，這里采用的是TVP5150。TVP5150是TI的一款高質(zhì)量數(shù)字視頻解碼器，可以很方便將模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號。TVP5150由一組內(nèi)部寄存器初始化并控制，因此在系統(tǒng)復位上電時DM270要通過I2C對TVP5150進行初始化。
CDMA模塊和網(wǎng)絡模塊
作為監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，首先要考慮監(jiān)控覆蓋范圍、實時性、車輛容量、刷新速率等要求，選擇合適的無線數(shù)據(jù)鏈路。由于長途客車的行駛范圍比較大，所以本系統(tǒng)選擇無線網(wǎng)絡覆蓋范圍較大的CDMA網(wǎng)絡。
CDMA是碼分多址的英文縮寫（Code Division Multiple Access），它是在數(shù)字技術的分支――擴頻通信技術上發(fā)展起來的一種移動通信技術。本系統(tǒng)采用Q2358C RJ45接口模塊作為CDMA接入設備，它內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，支持高達153.6Kb/s的數(shù)據(jù)吞吐率，適合窄帶寬視頻傳輸，有相當高的穩(wěn)定性。由于系統(tǒng)采用了先進的MPEG-4編碼技術，所以完全可以適應CDMA的傳輸速率。
網(wǎng)絡模塊也是本系統(tǒng)中一個重要的組成環(huán)節(jié)，采用的是AX88796網(wǎng)卡芯片。它負責將CPU處理后的數(shù)據(jù)（MPEG-4視頻數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)）通過RJ45接口發(fā)送給CDMA模塊，CDMA模塊再根據(jù)目的地址把數(shù)據(jù)送給監(jiān)控中心。
GPS模塊
GPS（Global Positioning System）是一套由美國國防部歷時20年，耗資200億美元，于1994年建成的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其基本原理是利用繞著地球的24顆衛(wèi)星所發(fā)射的信號，再加以幾何上的計算，來得到接收者的位置。本系統(tǒng)采用的是Motorola UART接口的一款GPS模塊，定位誤差小于25米，測量速度范圍是515米/秒。該模塊將接收的衛(wèi)星數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為規(guī)定的數(shù)據(jù)格式，其中包括經(jīng)度、維度、高度、速度等。CPU從串口讀取這些數(shù)據(jù)，確定車輛的位置與速度。
FLASH和SDRAM模塊
本系統(tǒng)設計2M的NORFLASH用來存儲程序，NORFLASH的2M空間被劃分為四部分，分別存放Bootloader、參數(shù)、內(nèi)核和文件系統(tǒng)。16M的SDRAM用于系統(tǒng)軟件的運行以及各種數(shù)據(jù)（MPEG-4視頻數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)）的存取。
車載終端軟件設計
基于DM270的軟件設計分為兩部分：ARM端設計、DSP端設計。DSP端的軟件設計主要是圖像算法的設計，本系統(tǒng)采用的是MPEG-4算法，同時把DSP作為嵌入式uClinux的外部設備，并編寫DSP的驅(qū)動程序，注冊進內(nèi)核；ARM端運行uClinux操作系統(tǒng)，處理非成像功能，用來控制整個系統(tǒng)的各個模塊。系統(tǒng)軟件層次結構如圖3所示。
uClinux內(nèi)核移植
uClinux是Linux的一個分支，源代碼開放，并且被廣泛的移植到多種CPU平臺上。uClinux內(nèi)核是由Linux內(nèi)核根據(jù)所要運行的CPU裁減、修改而來的，因此它保持了原有Linux操作系統(tǒng)的主要優(yōu)點，如穩(wěn)定性好，出色的文件系統(tǒng)支持功能，完善的應用程序和驅(qū)動程序開發(fā)環(huán)境，以及Linux原有的完整的TCP/IP協(xié)議包。這樣，當越來越多的嵌入式系統(tǒng)需要提供網(wǎng)絡支持功能時，uClinux便成了首選的操作系統(tǒng)。
uClinux的移植工作主要包括內(nèi)核的修改、裁減與編譯。
首先是開發(fā)環(huán)境的建立。主要由目標系統(tǒng)硬件開發(fā)板和宿主PC機構成。先在宿主PC機上安裝標準Linux發(fā)行版Red-Hat Linux和交叉編譯工具arm-elf-tools-20030314.sh，再從網(wǎng)絡上獲得免費的uClinux內(nèi)核源代碼uClinux-dist-20041215.tar.gz，并在宿主PC機上執(zhí)行tar zxvf uClinux-dist-20041215.tar.gz對其解壓。
其次是內(nèi)核的修改。修改的文件主要有：
1）uClinux-dist/linux-2.4.x/arch/armnommu/boot/compressed/head.S，啟動文件。
2）uClinux-dist/linux-2.4.x/arch/armnommu/boot/Makefile，啟動配置文件，主要修改的是ZTEXTADDR（自解壓代碼的起始地址）和ZRELADDR（內(nèi)核解壓后代碼輸出起始地址）。
3）uClinux-dist/linux-2.4.x/arch/armnommu/config.in，修改DRAM_BASE、DRAM_SIZE、FLASH_MEM_BASE和FLASH_SIZE，主要為確定SDRAM、FLASH的起始地址和大小。
4）uClinux-dist/linux-2.4.x/arch/armnommu/Makefile，修改TEXTADDR來配置內(nèi)核的起始地址。
5）uClinux-dist/linux-2.4.x/drivers，修改并添加所需的驅(qū)動程序。
6）uClinux-dist/linux-2.4.x/drivers/block/blkmem.c，ROM文件系統(tǒng)的定位修改。
7）uClinux-dist/vendors/TI/dm270，修改硬件配置文件。
8）uClinux-dist/linux-2.4.x/Makefile，選擇CPU體系機構（ARCH？：=？armnommu）和交叉編譯器（CROSS_COMPILE？=？arm-elf-）。
對內(nèi)核修改完畢后，在uClinux-dist目錄下執(zhí)行make menuconfig。在彈出的對話框中對內(nèi)核進行配置和裁減。
最后就是編譯內(nèi)核。依次執(zhí)行make dep（編譯相關依賴文件），make clean（在編譯內(nèi)核之前把內(nèi)核清理干凈），make（最終的編譯命令），此時在images目錄下生成了image.ram和image.rom文件，iamge.rom便是要燒寫到FLASH中的內(nèi)核映像文件。
驅(qū)動程序設計
設備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分，是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機器硬件之間的接口。Linux操作系統(tǒng)將所有的設備看作具體的文件，對與用戶而言，可以通過設備驅(qū)動程序所提供的一組入口點（open（）、close（）、read（）、write（）、ioctl（）等）來完成對設備文件的訪問和控制。在Linux系統(tǒng)里，設備驅(qū)動程序提供的這組入口點是由結構
向系統(tǒng)注冊設備，登記驅(qū)動程序所提供的入口點。當應用程序?qū)υO備操作時，會根據(jù)file_operations結構中的函數(shù)指針找到相應的操作函數(shù)并進行調(diào)用。圖3中的驅(qū)動程序都是按照上述來完成的。
應用程序設計
在應用程序中設計了兩個進程：GPS進程和視頻進程，應用程序流程圖如圖4所示。
GPS進程，首先設置車載終端的IP地址，初始化GPS模塊，然后通過Linux Socket編程和服務器建立鏈接，等待服務器命令，如果10秒鐘內(nèi)沒有收到命令，則通過CDMA發(fā)送GPS數(shù)據(jù)到服務器。
視頻進程，首先注冊信號量SIGUSR1，其次是對視頻相關硬件（DSP、TVP5150、CCDC、Preview engine）的初始化，初始化的具體實現(xiàn)是在各個驅(qū)動程序中完成的，然后利用Linux Socket編程和服務器建立鏈接，最后啟動MPEG-4編碼器。當視頻進程成收到SIGUSR1信號后，便通過CDMA傳送編碼好的視頻數(shù)據(jù)。
ARM與DSP通訊
整個程序運行過程中時刻存在著ARM與DSP之間的通訊。
在視頻編碼開始前，DSP的引導由ARM來控制，首先ARM將DSP掛起在復位狀態(tài)，隨后向DSP下載MPEG-4編碼程序，最后喚醒DSP開始編碼。DSP的引導順序如圖5所示。
在視頻編碼過程中，ARM與DSP通過HPIB進行通信。ARM管理著DSP數(shù)據(jù)空間的數(shù)據(jù)輸入輸出。在DSP數(shù)據(jù)空間定義了一段內(nèi)存空間作為命令寄存器，然后通過HPI訪問這些寄存器，這就是ARM與DSP之間的一個通訊接口，ARM和DSP都可以異步地向?qū)Ψ桨l(fā)出命令，不存在主從關系。為了建立這種雙向通訊，系統(tǒng)設計了兩組寄存器，一組用于ARM（命令由DSP發(fā)出），另一組用于DSP（命令由ARM發(fā)出）。在編碼過程中就是利用這組寄存器以及HPI中斷完成了圖像數(shù)據(jù)的讀取、編碼和發(fā)送。DSP的HPI中斷過程如圖6所示。DSP通過寫寄存器并發(fā)出HPI中斷，向ARM發(fā)送命令。ARM在HPI中斷服務程序中判斷命令類型并執(zhí)行，其中一種命令是DPS向ARM請求原始圖像數(shù)據(jù)進行編碼；另一種命令是DPS請求ARM發(fā)送壓縮后的MPEG-4視頻數(shù)據(jù)，在這個命令中會向視頻進程發(fā)出SIGUSR1信號。ARM執(zhí)行完命令之后發(fā)出HPI通知DSP。
結語
本系統(tǒng)把無線視頻監(jiān)控技術和GPS定位系統(tǒng)相結合，同單一的GPS定位系統(tǒng)相比有明顯的優(yōu)勢。在實際測試中，實現(xiàn)了視頻和GPS的同步傳輸。視頻傳輸速度可達8幀/秒，圖像分辨率達到CIF格式。同時通過對GPS數(shù)據(jù)的解析，可準確的確定客車的位置和速度。隨著MPEG-4算法的優(yōu)化，無線網(wǎng)絡的不斷發(fā)展以及3G的推出，傳輸效果將會更加的理想。雖然該系統(tǒng)是為長途客運車而設計，但它的整個解決方案可用于其它需要遠程監(jiān)控的行業(yè)，比如可廣泛應用于軍事、交通、油田、煤礦以及手持娛樂設備等。
工商網(wǎng)監(jiān)
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