在許多比較惡劣的環(huán)境如野外、井下、甚至在戰(zhàn)爭(zhēng)中，人們更需要獲取及時(shí)、有效的視頻信息，這種環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的能耗、抗干擾性、穩(wěn)定性等方面提出了更高的要求，把嵌入式技術(shù)應(yīng)用于視頻的采集和傳輸可以解決很多復(fù)雜的環(huán)境問題。德州儀器（TI）推出的基于達(dá)芬奇技術(shù)的新型TMS320DM365數(shù)字媒體處理器，DM365高度集成了眾多組件，其中包括符合生產(chǎn)要求的H.264、MPEG-4、MPEG-2、MJPEG與VC1編解碼器，可滿足智能視頻處理功能的集成影像信號(hào)處理（ISP）解決方案，以及一系列板載外設(shè)等，可使開發(fā)人員將系統(tǒng)成本降低25%。本文圍繞DM365數(shù)字媒體處理器，對(duì)基于DM365的嵌入式視頻采集與傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了具體介紹。
1 嵌入式視頻采集與傳輸系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)利用目前先進(jìn)的WiFi 無線通信技術(shù)，結(jié)合H.264視頻壓縮算法構(gòu)建無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)工作過程為：視頻采集節(jié)點(diǎn)將采集到的視頻、音頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過前端壓縮等處理之后，轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的IP數(shù)據(jù)包格式，以WiFi無線方式發(fā)送到AP，AP接入工業(yè)光纖以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)無線與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，構(gòu)成感知礦山多媒體數(shù)字網(wǎng)絡(luò)。該無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)既可應(yīng)用于礦井救災(zāi)應(yīng)急通信系統(tǒng)，也可用于井下皮帶、液壓支架等煤礦安全生產(chǎn)管理，可極大提高礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的能效，節(jié)約礦井生產(chǎn)成本。無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)
2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)核心架構(gòu)
本視頻采集與傳輸系統(tǒng)完成的主要功能是在煤礦井下能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)流暢的多媒體通信。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總指導(dǎo)原則是：在保持實(shí)時(shí)的多媒體通信質(zhì)量的前提下，低功耗，低成本。節(jié)點(diǎn)硬件主要包括：視頻采集前端、視頻處理模塊、無線發(fā)射模塊和電源模塊以及一些外圍電路。
系統(tǒng)的原理框圖如圖2 所示。
圖2 攝像機(jī)原理框圖
2.2 視頻處理模塊
視頻處理模塊采用TI的達(dá)芬奇高性能多媒體處理器TMS320DM365 完成設(shè)備管理、音視頻的壓縮處理及傳輸通信，通過外接的以太網(wǎng)物理層芯片實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)接口，利用轉(zhuǎn)WIFI芯片GS1010 實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信，支持TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
TMS320DM365 是德州儀器（TI）推出的基于達(dá)芬奇技術(shù)（DaVinciTM technology），面向便攜高清視頻應(yīng)用的新型數(shù)字媒體處理器。該處理器延續(xù)了達(dá)芬奇家族中DM355的處理器構(gòu)架，集成了一顆ARM926EJ-S 內(nèi)核，一個(gè)H.264 高清編解碼協(xié)處理器HDVICP 和一個(gè)MPEG-4/JPEG高清編解碼協(xié)處理器MJCP，可以支持H.264/MPEG-4 的高清視頻編解碼。
DM365 內(nèi)部集成有視頻處理子系統(tǒng)VPSS（Video Processing Subsystem）、H.264 協(xié)處理器（HDVICP）、ARM926EJS 的處理器以及各種相關(guān)外設(shè)，并且可以使用豐富的外設(shè)，例如高速的USB OTG 2.0。通過各種擴(kuò)展的結(jié)合，DM365 可應(yīng)用于相機(jī)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)碼攝像機(jī)等領(lǐng)域。
2.2.1 ARM處理器
ARM 組系統(tǒng)采用ARMv5TEJ（32/16bit）指令集的ARM926EJ-S內(nèi)核CPU，是采用管道化流水線的32bit RSIC 處理器，工作頻率為216/270/300MHz。ARM CPU執(zhí)行通常的系統(tǒng)控制任務(wù)，如系統(tǒng)初始化，配置，電源管理，用戶界接口和用戶命令等。ARM作為主控和執(zhí)行這些功能是因?yàn)樗幸粋€(gè)大的程序存儲(chǔ)空間和快速的任務(wù)切換能力，因而其更適合復(fù)雜的，多任務(wù)和通用的任務(wù)控制。
ARM 子系統(tǒng)（ARMSS）包含ARM926EJ-S RISC 處理器，ARM 內(nèi)部存儲(chǔ)器，嵌入式跟蹤模塊和嵌入式跟蹤緩存模塊（ETM/ETB）和系統(tǒng)控制外設(shè)。ARM926EJ-S RISC 處理器又包含協(xié)處理器15，內(nèi)存管理單元（MMU），16KB 指令集，8KB 數(shù)據(jù)cache，寫緩存和Java 加速器。ARM 內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)32KB 的內(nèi)部RAM（32-bit 寬訪問）和16KB 內(nèi)部ROM。系統(tǒng)控制ARM中斷控制器，PLL控制器，電源管理模塊和系統(tǒng)模塊。
2.2.2 視頻處理子系統(tǒng)（VPSS）
TMSDM365 擁有一個(gè)視頻處理子系統(tǒng)（Video Processing Subsystem-VPSS）支持輸入接口（Video Processing Front End-VPFE）用于外部圖像外設(shè)，例如圖像傳感器， 視頻解碼器等等。
并且支持輸出接口（Video Processing Back End-VPBE）用于顯示設(shè)備，例如模擬SDTV/HDTV顯示器，數(shù)字LCD顯示等等。
除了這些外圍設(shè)備，有一個(gè)共同的緩沖存儲(chǔ)器和DMA控制設(shè)置，以確保有效地利用DDR2/mDDR帶寬。共享緩沖邏輯/內(nèi)存是唯一的模塊，無縫集成到一個(gè)圖像的VPSS內(nèi)的圖像/視頻處理子系統(tǒng)。它作為主要的源和接收器給所有的VPFE和VPBE模塊，以從DDR2/mDDR獲得或傳遞數(shù)據(jù)。為了有效地利用外部DDR2/mDDR帶寬，它通過高帶寬總線（64-bit寬）DMA系統(tǒng)， 共享緩沖區(qū)的邏輯/內(nèi)存接口。共享緩存的邏輯/內(nèi)存接口通過一個(gè)128-bit寬總線給所有VPFE和VPBE模塊。
VPFE模塊包含圖像傳感器接口（ISIF），圖像通道（IPIPE），圖像通道接口（IPIPEIF）和硬件3A統(tǒng)計(jì)發(fā)生器（H3A）。這些模塊提供了設(shè)備強(qiáng)大和靈活的前端接口。
VPBE 模塊包含屏幕菜單（OSD）和視頻編碼（VENC）模塊。這些模塊支持設(shè)備帶有強(qiáng)大和靈活的后端顯示接口。
2.3 視頻采集前端
視頻采集前端核心部件即攝像頭，一般攝像頭由鏡頭、圖像傳感器、數(shù)字信號(hào)處理芯片、等部分組成。景物通過鏡頭生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器表面上，然后轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào)，再送到數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）中加工處理，最后通過接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，通過顯示器即可看到圖像。
CCD和CMOS傳感器是當(dāng)前被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光像轉(zhuǎn)換為電子數(shù)據(jù)。由于CCD與CMOS圖像傳感器的工作原理的不同導(dǎo)致兩者在性能表現(xiàn)上各有優(yōu)劣。
表1 CCD與CMOS優(yōu)缺點(diǎn)比較
總之，CMOS傳感在采集圖像品質(zhì)方面相對(duì)于CCD傳感器有一些缺點(diǎn)，有上表可知但CMOS在其他特性方面卻占有一定優(yōu)勢(shì)。考慮到系統(tǒng)對(duì)功耗的要求比較高，而CMOS攝像頭采集圖像質(zhì)量還是能夠滿足大部分監(jiān)控需求的，所以本系統(tǒng)選用CMOS攝像頭。
2.4 無線發(fā)射模塊
利用 wifi 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)視頻的無線發(fā)送，Wifi 是Wireless Fidelity 的縮寫，是一種無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)與規(guī)格，也就是IEEE 所定義的無線通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11。從DM365開發(fā)板的接口特性考慮，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)采用wifi 解決方案GS1010 芯片，該款無線SOC 芯片采用雙ARM7 內(nèi)核，包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、功耗控制單元、閃存（Flash）和 SRAM，并且整合了wifi 射頻（RF）前端和微控制器，具備定位跟蹤以及監(jiān)控物資功能，這樣的芯片結(jié)構(gòu)大大減輕了節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，也節(jié)省了節(jié)點(diǎn)的成本。電源模塊為傳感器模塊及處理器模塊提供能量，氣體調(diào)理電路的輸出僅需要連接到GS1010的ADC接口，這樣就基本完成了基于wifi的氣體監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)。GS1010采用0.18微米工藝制造，10mm*10mmQFN封裝，在硬件設(shè)計(jì)上節(jié)省了元器件數(shù)量，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)電路布線密度，提高了系統(tǒng)的可靠性，1.8V工作時(shí)電流為2mA，3.6V時(shí)為5mA，在單節(jié)AA電池下能維持長(zhǎng)達(dá)5～10年的節(jié)點(diǎn)運(yùn)行壽命。
另外，它還支持IEEE802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)，并提供802.11i（WPA2-PSK）、AES編碼、EAPFAST三種方式保證數(shù)據(jù)和信息安全。
3 結(jié)束語
視頻信號(hào)具有直觀、豐富與時(shí)序性的信息內(nèi)涵，在傳達(dá)信息方面有著其他信號(hào)無法達(dá)到的效果。本文重點(diǎn)闡述了基于DM365的嵌入式Linux視頻采集與傳輸系統(tǒng)硬件的具體設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)功耗低、價(jià)格廉，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜、惡劣工作環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以應(yīng)用于煤礦中的無人工作面，及時(shí)了解工作面環(huán)境等各種變化，保障了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的安全。