基于AT91RM9200的嵌入式網(wǎng)絡攝像機的設計與實現(xiàn)

1． 引言
隨著通信技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)的迅猛發(fā)展，通過網(wǎng)絡遠程實時監(jiān)控重要場所已倍受人們關注，網(wǎng)絡攝像機在此背景下產(chǎn)生，并成為人們關注的焦點。網(wǎng)絡攝像機要將高清晰度的實時視頻信息通過互聯(lián)網(wǎng)傳送到監(jiān)控終端，因其信息量巨大，所以必須壓縮。通常人們采用DSP與MPEG-4算法相結(jié)合的方案來實現(xiàn)，不僅編程工作量大，而且產(chǎn)品的成本高。本文所介紹的網(wǎng)絡攝像機采用專用的MPEG-4壓縮芯片、以嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，不僅開發(fā)便捷、成本低廉，而且實時性好，適用范圍廣。
2. 系統(tǒng)總體設計
系統(tǒng)總體設計包括硬件設計和軟件設計兩部分。硬件設計模塊主要包括微控制器模塊、壓縮編碼模塊、網(wǎng)絡接口模塊和相機控制模塊四部分。微控制器模塊主要由主控芯片、DataFlash和SDRAM(1)組成。其中，主控芯片是整個控制系統(tǒng)的核心，它負責整個系統(tǒng)的調(diào)度工作。DataFlash里固化了嵌入式Linux內(nèi)核、及其文件系統(tǒng)、應用軟件和系統(tǒng)配置文件。SDRAM(1)作為內(nèi)存供系統(tǒng)運行使用。壓縮編碼模塊由視頻數(shù)據(jù)采集芯片、MPEG-4壓縮編碼芯片、SDRAM(2)組成，負責將視頻流轉(zhuǎn)化為MPEG-4碼流。網(wǎng)絡接口模塊主要是配合主控芯片傳送MPEG-4碼流。相機的控制模塊主要由串口芯片組成，其完成轉(zhuǎn)發(fā)控制相機命令的功能。當系統(tǒng)啟動時，微控制器通SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）將Linux內(nèi)核轉(zhuǎn)入SDRAM（1）中，系統(tǒng)從SDRAM（1）中啟動。系統(tǒng)啟動后，微控制器通過HPI(Host Peripherial Interface, 主機接口)控制MPEG-4編碼模塊。統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
軟件設計部分主要包括嵌入式Linux移植、MPEG-4壓縮編碼模塊、CGI控制程序和MPEG-4解碼程序四部分。嵌入式Linux系統(tǒng)存放到由AT91RM9200控制的DataFlash里,它負責整個系統(tǒng)軟件的調(diào)度工作。MPEG-4壓縮編碼模塊主要負責模擬視頻流的采集，并將數(shù)字視頻流壓縮為MPEG-4數(shù)據(jù)流。CGI控制程序主要負責對攝像機的控制和對MPEG-4視頻流的相關設置。MPEG-4解碼程序主要負責對通過網(wǎng)絡得到的MPEG-4數(shù)據(jù)流的解碼工作。
3. 硬件設計
3.1微控制器模塊
微控制器是本系統(tǒng)的核心部件，選用的是ATMEL公司的AT91RM9200。它是一款基于ARM920T核的32位微控制器。其主頻為180MHz，處理速度快，功能強，性價比高，能很好滿足嵌入式Linux系統(tǒng)的需求。它在系統(tǒng)中的主要作用是在系統(tǒng)上電時配置其他芯片的功能寄存器，在正常工作狀態(tài)下調(diào)度控制整個系統(tǒng)工作，通過片內(nèi)以太網(wǎng)控制器控制物理層芯片發(fā)送碼流。
AT91RM9200通過片內(nèi)的SPI總線和SDRAM控制器實現(xiàn)對外圍DataFlash和SDRAM的控制，利用片內(nèi)的USART實現(xiàn)對串口芯片的控制，通過片內(nèi)的以太網(wǎng)控制器對片外網(wǎng)絡芯片進行控制。其控制原理圖如圖2所示。

圖2 控制原理圖
3.2壓縮編碼模塊
壓縮編碼模塊包括模擬視頻采集模塊和MPEG-4壓縮模塊。視頻采集芯片采用TI公司的TVP5150，數(shù)據(jù)壓縮芯片采用映佳公司的MPG440。TVP5150輸入端可是兩種混合視頻信號也可是S-Video端子的視頻信號，支持NTSC、PAL、SECAM等3種制式，其輸出的數(shù)據(jù)色彩格式可以為8bit 4：2：2數(shù)字信號或者8bit同步ITU-R BT.656數(shù)字信號。MPG440芯片具有符合工業(yè)標準的16b/32b的雙向主機接口,分別用來與視頻采集芯片和微控制器芯片通信。同時，具有移動偵測、防偽水印、動態(tài)調(diào)整IP畫格比率、動態(tài)調(diào)整圖像質(zhì)量等特性，支持D1、VGA、CIF、QVGA、QCI等五種分辨率模式。微控制器通過主機接口實現(xiàn)MPG440的初始配置，也由此接收MPEG-4碼流。壓縮編碼模塊的硬件設計原理如圖3所示。