基于CDMA的無線圖像監(jiān)控終端設(shè)計

　　目前，數(shù)字類消費電子產(chǎn)品的需求增長驚人。在這些產(chǎn)品中，成像和視頻類產(chǎn)品比重很大。并且技術(shù)積累日益成熟，單說算法有靜態(tài)圖像的JPEG標(biāo)準(zhǔn)、動態(tài)視頻的MPEG1、MPEG2、MPEG3和H.263、H.264,并有向H.264過渡的趨勢。將相關(guān)的圖像技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)中將是我們考慮的一個重要方向。在銀行、變電站、車站等場所，需要重點考慮單張圖片的提取分析要求，以及控制應(yīng)用成本，所以用M-JPEG算法比較合適。

　　本監(jiān)控系統(tǒng)基于TMS320DSC21嵌入式處理器平臺和嵌入式Linux系統(tǒng)，分為遠(yuǎn)程現(xiàn)場采集端和本地監(jiān)控終端，通過CDMA無線網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，如圖1所示。現(xiàn)場采集端采集監(jiān)控現(xiàn)場單幀圖像和視頻連續(xù)幀并編碼壓縮成M-JPEG并保存成文件，然后通過CDMA網(wǎng)路傳給本地監(jiān)控端。監(jiān)控端接收到圖像數(shù)據(jù)后，進M-JPEG解碼并在模擬液晶屏上顯示出來。M-JPEG采用幀內(nèi)壓縮算法，對長時間沒有變化的對象可以達(dá)到較高的壓縮比，并且成本較低，從而實現(xiàn)在帶寬有限的情況下實現(xiàn)遠(yuǎn)程觀測。本文主要介紹監(jiān)控終端的設(shè)計。

　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)監(jiān)控終端硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　CPU采用TI公司芯片TMS320DSC21。該芯片是TI公司推出的一款基于多處理器架構(gòu)之上的DSP數(shù)字圖像處理器。其采用一個ARM7 32 位 RISC 微控制器來處理非成像功能，并用作整個系統(tǒng)的主控制器，同時采用可編程的 C5409 DSP 核心處理圖像解碼。另外，DSC21 還集成了專門用于處理大部分復(fù)雜計算圖像任務(wù)的可編程協(xié)處理器。其中一個協(xié)處理器——圖像處理引擎iMX執(zhí)行 DCT、反向DCT，其它協(xié)處理器執(zhí)行可變長度編碼/解碼、量化與逆量化。

　　電源模塊負(fù)責(zé)電源的平穩(wěn)輸出和監(jiān)視。

　　CDMA無線接收模塊接收J(rèn)PEG數(shù)據(jù)流，并存放到SDRAM中。圖像顯示模塊將解壓后的原始圖像在電視或模擬液晶屏上顯示出來。

　　存儲器模塊由FLASH與SDRAM組成。FLASH存儲器用來存儲程序，是系統(tǒng)獨立運行(脫機運行)必不可少的組成部分。SDRAM存儲器用于系統(tǒng)軟件的運行以及圖像數(shù)據(jù)的存儲。這樣可以調(diào)用以前的圖像數(shù)據(jù)，用于研究。

　　調(diào)試仿真模塊用于調(diào)試仿真使用，還可以通過它將圖像數(shù)據(jù)從SDRAM中導(dǎo)入電腦中。

　　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)的設(shè)計基于開放源代碼Linux操作系統(tǒng)，本系統(tǒng)移植的是2.4版本。整個Linux系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　整個Linux系統(tǒng)以前面介紹的TMS320DSC21硬件平臺為基礎(chǔ)，針對本系統(tǒng)硬件需要的主要驅(qū)動程序分別是CDMA模塊驅(qū)動和OSD圖像顯示驅(qū)動。驅(qū)動程序?qū)Φ讓佑布M行抽象，為頂層應(yīng)用程序提供一致的底層接口。JPEG圖像數(shù)據(jù)接收、管理程序作為一個常駐守護線程一直監(jiān)控底層CDMA模塊的活動，并給上層應(yīng)用層程序提供相關(guān)接口函數(shù)。

　　頂層應(yīng)用層程序通過JPEG圖像數(shù)據(jù)接收、管理服務(wù)程序獲取從CDMA驅(qū)動接收來的圖像數(shù)據(jù)，然后調(diào)用huffman解碼庫對圖像進行解壓，然后把解壓后的YUV數(shù)據(jù)存入SDRAM，然后映射到OSD區(qū)域，通過液晶屏顯示出來。

　　圖像的JPEG解碼實現(xiàn)

　　mclinux系統(tǒng)控制DSP端進行JPEG解碼，經(jīng)過預(yù)處理、Huffman 解碼、反量化、IDCT 變換這幾個主要步驟將JPEG 圖像數(shù)據(jù)恢復(fù)成壓縮編碼前的圖像數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過OSD處理最終在液晶屏上顯示出圖像來。詳細(xì)流程如圖4。

　　用CDMA模塊無線傳輸圖像數(shù)據(jù)

　　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——擴頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種移動通信技術(shù)。不同的移動臺共用一個頻率應(yīng)用擴頻通信技術(shù)對每個移動臺分配一個獨特的、隨機的碼序列，每個碼序列互不相同，而且彼此都不相關(guān)。它的容量接近于以前CDMA 1×系統(tǒng)容量的兩倍，從而能夠適應(yīng)不斷成長的語音服務(wù)和無線互聯(lián)網(wǎng)新型服務(wù)的需要。其次它的最高下載速度可以達(dá)到153kbps(將來可以達(dá)到307kbps)，上傳速度達(dá)64K。這樣的速度對于每秒4幀左右的352x288的M-JPEG壓縮圖像數(shù)據(jù)的傳輸已經(jīng)足夠。

　　為了能在盡量少的數(shù)據(jù)冗余的情況下，準(zhǔn)確無誤的傳送數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)的底層參考了XMODEM協(xié)議。

　　XMODEM協(xié)議是一種使用撥號調(diào)制解調(diào)器的個人計算機通信中廣泛使用的異步文件運輸協(xié)議。這種協(xié)議以128字節(jié)塊的形式傳輸數(shù)據(jù)，并且每個塊都使用一個校驗和過程來進行錯誤檢測。如果接收方關(guān)于一個塊的校驗和與它在發(fā)送方的校驗和相同時，如果包成功接收，接收方會返回一個肯定應(yīng)答信號(ACK)，如果發(fā)現(xiàn)錯誤，則返回一個否定應(yīng)答信號(NAK)并重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。然而，這種對每個塊都進行認(rèn)可的策略將導(dǎo)致低性能，特別是具有很長傳播延遲的CDMA連接的情況時，問題更加嚴(yán)重。

　　本系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)是JPEG壓縮數(shù)據(jù)包，結(jié)合這個特點，我們在Xmodem的基礎(chǔ)上制定了一套相應(yīng)的傳送協(xié)議。只有在數(shù)據(jù)包有丟失，而且的確影響后面的解碼時，才發(fā)送重傳請求，且只重傳相應(yīng)的包。如果不影響，則丟棄。這樣做能最大限度利用CDMA有限的帶寬保證數(shù)據(jù)的正常傳輸。

　　結(jié)語

　　本文主要完成了監(jiān)控終端設(shè)計，并進行了測試，當(dāng)監(jiān)控對象沒有劇烈運動時，在20kbps的帶寬下，達(dá)到了每秒4幀的傳輸速度，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。圖5是原始圖像， 圖6是采用上述處理流程，進行解碼后得到的圖像。應(yīng)用本文所述方法完成圖像采集和遠(yuǎn)程傳送工作，可廣泛用于銀行、變電站、車站、辦公大樓等場所。比傳統(tǒng)監(jiān)控方式更方便，而且成本低，有著廣闊的市場和應(yīng)用前景?！?br />

　　參考文獻

　　1.  王庫，盧致強，基于TMS320DSC21的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004.1

　　2.  韓春雷，王庫，馬健，一種數(shù)碼相機成像和視頻處理前端的設(shè)計。Microcontrollers & Embedded System，2004.9

　　3.  周國祥，周　俊，苗玉彬，劉成良 基于GSM的數(shù)字農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用。農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2005,6 Vo l. 21 No. 6:87~91