引言
隨著公路交通的不斷發(fā)展，長途客運(yùn)車也隨之不斷增長，方便人們出行的同時(shí)，交通事故不斷發(fā)生，盜竊、搶劫也時(shí)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(yùn)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(shù)正在逐步向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，將監(jiān)控技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完美結(jié)合，是數(shù)字監(jiān)控領(lǐng)域的新方向。本文介紹的長途客運(yùn)車無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)是整合嵌入式技術(shù)、CDMA無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、MPEG-4數(shù)字視頻壓縮技術(shù)和GPS定位技術(shù)為一體的視頻終端。
系統(tǒng)簡介
整個(gè)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(luò)和監(jiān)控中心組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)對圖像進(jìn)行壓縮，使圖像分辨率達(dá)到CIF格式，幀率在1-8幀/秒可調(diào)。同時(shí)GPS模塊實(shí)時(shí)接收全球定位衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，得到當(dāng)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(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)
車載終端的設(shè)計(jì)是根據(jù)系統(tǒng)的總體要求，將硬件電路劃分為獨(dú)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(gè)硬件模塊的功能定義以及他們之間的關(guān)系。車載終端的結(jié)構(gòu)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(gè)處理器：ARM7TDMI RISC處理器；TMS320C5409 DSP，并帶有兩個(gè)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(yù)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(wù)負(fù)擔(dān)，如：白平衡、自動(dòng)曝光和自動(dòng)調(diào)焦。除此之外，還有USB、UART、SPI、外圍存儲(chǔ)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號(hào)。TVP5150由一組內(nèi)部寄存器初始化并控制，因此在系統(tǒng)復(fù)位上電時(shí)DM270要通過I2C對TVP5150進(jìn)行初始化。
CDMA模塊和網(wǎng)絡(luò)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(shí)時(shí)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(luò)覆蓋范圍較大的CDMA網(wǎng)絡(luò)。
CDMA是碼分多址的英文縮寫(Code Division Multiple Access)，它是在數(shù)字技術(shù)的分支——擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種移動(dòng)通信技術(shù)。本系統(tǒng)采用Q2358C RJ45接口模塊作為CDMA接入設(shè)備，它內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，支持高達(dá)153.6Kb/s的數(shù)據(jù)吞吐率，適合窄帶寬視頻傳輸，有相當(dāng)高的穩(wěn)定性。由于系統(tǒng)采用了先進(jìn)的MPEG-4編碼技術(shù)，所以完全可以適應(yīng)CDMA的傳輸速率。
網(wǎng)絡(luò)模塊也是本系統(tǒng)中一個(gè)重要的組成環(huán)節(jié)，采用的是AX88796網(wǎng)卡芯片。它負(fù)責(zé)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(shí)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(hào)，再加以幾何上的計(jì)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(shè)計(jì)2M的NORFLASH用來存儲(chǔ)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(yùn)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(shè)計(jì)
基于DM270的軟件設(shè)計(jì)分為兩部分：ARM端設(shè)計(jì)、DSP端設(shè)計(jì)。DSP端的軟件設(shè)計(jì)主要是圖像算法的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)采用的是MPEG-4算法，同時(shí)把DSP作為嵌入式uClinux的外部設(shè)備，并編寫DSP的驅(qū)動(dòng)程序，注冊進(jìn)內(nèi)核；ARM端運(yùn)行uClinux操作系統(tǒng)，處理非成像功能，用來控制整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)模塊。系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。
uClinux內(nèi)核移植
uClinux是Linux的一個(gè)分支，源代碼開放，并且被廣泛的移植到多種CPU平臺(tái)上。uClinux內(nèi)核是由Linux內(nèi)核根據(jù)所要運(yùn)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(diǎn)，如穩(wěn)定性好，出色的文件系統(tǒng)支持功能，完善的應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)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(dāng)越來越多的嵌入式系統(tǒng)需要提供網(wǎng)絡(luò)支持功能時(shí)，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(biāo)系統(tǒng)硬件開發(fā)板和宿主PC機(jī)構(gòu)成。先在宿主PC機(jī)上安裝標(biāo)準(zhǔn)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(luò)上獲得免費(fèi)的uClinux內(nèi)核源代碼uClinux-dist-20041215.tar.gz，并在宿主PC機(jī)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(dòng)文件。
2)uClinux-dist/linux-2.4.x/arch/armnommu/boot/Makefile，啟動(dòng)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(dòng)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(jī)構(gòu)(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(jìn)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(guān)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(shí)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(dòng)程序設(shè)計(jì)
設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口。Linux操作系統(tǒng)將所有的設(shè)備看作具體的文件，對與用戶而言，可以通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所提供的一組入口點(diǎn)(open()、close()、read()、write()、ioctl()等)來完成對設(shè)備文件的訪問和控制。在Linux系統(tǒng)里，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供的這組入口點(diǎn)是由結(jié)構(gòu)
向系統(tǒng)注冊設(shè)備，登記驅(qū)動(dòng)程序所提供的入口點(diǎn)。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備操作時(shí)，會(huì)根據(jù)file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)指針找到相應(yīng)的操作函數(shù)并進(jìn)行調(diào)用。圖3中的驅(qū)動(dòng)程序都是按照上述來完成的。
應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
在應(yīng)用程序中設(shè)計(jì)了兩個(gè)進(jìn)程：GPS進(jìn)程和視頻進(jìn)程，應(yīng)用程序流程圖如圖4所示。
GPS進(jìn)程，首先設(shè)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(wù)器建立鏈接，等待服務(wù)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(wù)器。
視頻進(jìn)程，首先注冊信號(hào)量SIGUSR1，其次是對視頻相關(guān)硬件(DSP、TVP5150、CCDC、Preview engine)的初始化，初始化的具體實(shí)現(xiàn)是在各個(gè)驅(qū)動(dòng)程序中完成的，然后利用Linux Socket編程和服務(wù)器建立鏈接，最后啟動(dòng)MPEG-4編碼器。當(dāng)視頻進(jìn)程成收到SIGUSR1信號(hào)后，便通過CDMA傳送編碼好的視頻數(shù)據(jù)。
ARM與DSP通訊
整個(gè)程序運(yùn)行過程中時(shí)刻存在著ARM與DSP之間的通訊。
在視頻編碼開始前，DSP的引導(dǎo)由ARM來控制，首先ARM將DSP掛起在復(fù)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(dǎo)順序如圖5所示。
在視頻編碼過程中，ARM與DSP通過HPIB進(jìn)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(gè)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(guān)系。為了建立這種雙向通訊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(wù)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(jìn)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(gè)命令中會(huì)向視頻進(jìn)程發(fā)出SIGUSR1信號(hào)。ARM執(zhí)行完命令之后發(fā)出HPI通知DSP。
結(jié)語
本系統(tǒng)把無線視頻監(jiān)控技術(shù)和GPS定位系統(tǒng)相結(jié)合，同單一的GPS定位系統(tǒng)相比有明顯的優(yōu)勢。在實(shí)際測試中，實(shí)現(xiàn)了視頻和GPS的同步傳輸。視頻傳輸速度可達(dá)8幀/秒，圖像分辨率達(dá)到CIF格式。同時(shí)通過對GPS數(shù)據(jù)的解析，可準(zhǔn)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(luò)的不斷發(fā)展以及3G的推出，傳輸效果將會(huì)更加的理想。雖然該系統(tǒng)是為長途客運(yùn)車而設(shè)計(jì)，但它的整個(gè)解決方案可用于其它需要遠(yuǎn)程監(jiān)控的行業(yè)，比如可廣泛應(yīng)用于軍事、交通、油田、煤礦以及手持娛樂設(shè)備等。