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1、U D C 编号 硕士学位论文 题名和副题名 基于 ARM的网络摄像机的设计与实现 作者姓名 _ 朱朝飞 _ 指导教师姓名及职称 周 冬 梅 副 教 授 郭勇教授 申请学位级别 硕士 专业名称 电路与系统 论文提交日期 2010.5 论文答辩日期 2010.6 _ 学 位 授 予 单 位 和 日 期 成 都 理 工 大 学 （ _年月 ) 答辩委员会主席 _ 评阅人 2010年 6月 UDC _ 密级 _ 学号： 2007020344 成都理工大学硕士学位论文 基于 ARM的网络摄像机的设计与实现 朱朝飞 指导教师姓名及职称 周冬梅副教授 郭勇教授 申请学位级别 硕士 专业名称 电路与系统 论
2、文提交日期 2010.5 论文答辩日期 2010.6 _ 学 位 授 予 单 位 和 日 期 成 都 理 工 大 学 （ _ 年月 ) 答辩委员会主席 _ 评阅人 2010年 6月 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 成都理工大学 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的人员对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论 t作者完全了解 成
3、都理工大学 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被杳阅和 借阅。本人授权 成都理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书 ） 学位论文作者签名： 学位论文作者导师签名： 年月口 基于 ARM的网络摄像机设计与实现 作者简介：朱朝飞，男， 1982年 8月生，师从周冬梅副教授和郭勇教授， 于 2010年 6月毕业于成都理工大学电路与系统专业，获得工学硕士学位。 摘要 随着通信、微电子和网络技术的快速发展，视频监控系统正在向嵌
4、入式、数 字化、网络化、智能化的方向发展。目前网络视频监控系统包括网络摄像机、网 络视频服务器、网络编解码器等第三代监控产品，是现阶段安防行业应用的热点。 而网络摄像机是传统摄像机和网络视频技术相结合的新一代产品，它集成了 视频和网络传输等多种功能，拥有独立的 IP地址和嵌入式操作系统，将视频信号 进行采集、压缩、通过网络将监控的视频图像通过 Internet直接传输到处于远端的 视频监控平台。 目前，在监控市场上视频监控系统解决方案很多，主要有 DSP处理器方案、 CPLD/FPGA处理器方案和 ARM处理器方案等。采用 DSP处理器解决方案，当 用 DSP处理器来压缩和处理视频数据，算法比
5、较灵活，运算速度快，且传输到 监控终端的画面比较清晰，但是采用 DSP处理器方案，通常具有开发难度大、 周期长、成本高等缺点。采用 CPLD/FPGA处理器的解决方案，此方案具有数据 处理速度快、内嵌 DSP核、系统容易升级且集成度高等优点，但是采用此方案 开发难度比较大，并且开发成本也较高，所以在监控领域普遍推广这两种方案有 一定难度。 从安防领域的发展趋势和目前的现有技术来看，本文提出了一种基于嵌入式 技术的网络视频监控系统的实现方案。系统是以华为海思的多媒体芯片 HI3512 为核心平台，通过此硬件平台建立了基于 TCP/IP协议和 RTP协议的视频服务器， HI3512将 CCD摄像头
6、采集到的视频图像数据进行压缩，然后经过 Internet的网 络传输，完成对现场的网络视频监控任务。 论文主要包括以下内容：首先阐述了视频监控系统的发展现状和发展趋势， 详细分析了监控系统功能、性能需求和基本原理，提出了系统的总体设计方案。 然后介绍了 ARM处理器的相关知识，重点介绍了本系统所采用的基于 ARM9+DSP核的多媒体芯片HI3512， 用模块化的方法设计了 HI3512主要外围电 路： CPU与存储器模块、音频与视频模块、电源与复位模块、网络收发模块、外 围接口电路模块等，并对各个模块进行了详 细的阐述，另外，重点研究了系统的 PCB板设计，其中电磁兼容性设计和系统的防雷防静电
7、措施是重中之重。接着介 绍了嵌入式 Linux操作系统和 Bootloader的启动原理及运行过程，以及如何在 ARM 硬件平台上进行系统引导程序 Bootloader和 Linux内核的编译与移植；并在 Linux 操作系统下，对网络设备驱动程序开发进行了深入研究和开发，并完成了网络驱 动程序的设计。接着对本系统的主要功能芯片进行了调试，并对整机进行了应用 调试和测试。最后对全文进行了总结，并提出了进一步的开发建议。 本系统实现了一种数字化、网络化、低功耗、低成本和体积小的监控解决方 案。它满足了视频监控系统对视频数据传输的实时性和可靠性的要求，具有很大 的工程和现实意义。 关键词 ： AR
8、M HI3512视频监控 Linux嵌入式系统 Design and Implementation of Network Camera Based on ARM Introduction of the author: Zhuchaofei, male, was bom in August, 1982 whose tutor was Associate Professor Zhoudongmei and Professor Guoyong. He graduated from Chengdu University of Technology in Circuits and Systems maj
9、or and was granted the Master Degree in June, 2010. Abstract With the development of communication, microelectronic and network technology , Digital Video Surveillance System is being to embedded, digitalization, network, intelligent. Currently, network video surveillance system includes Network Cam
10、era, Network Video Server and Network codec such the third generation of monitoring products, that is application focus in safety-security area at present. But Network Camera is new generation product, which combines traditional camera and network video technique and integrates the function of video
11、 and network network transmission and posses independent IP address. Video signal is collected, compressed , transported through Internet to remote video monitor platform directly. At present, solutions of video surveillance system have many in monitor market, mainly includes DSP processor solution,
12、 CPLD/FPGA processor solution and ARM processor solution and so on. Use DSP processor solution has several advantage as follows, more flexible algorithm, operation speed, more clearer picture in monitoring terminal when using DSP processor processes and compresses video data. But it has several disa
13、dvantage with great development difficulties, long period and high cost. Using CPLD/FPGA processor solution has fast processing speed, embedded within DSP core, easy updating and high integration, but the solution has disadvantage of great development difficulties, and high development cost, so the
14、extension of two solutions has certain difficulty in monitoring area. From the view of development trend and current technology, the paper presents an implementation scheme of network video surveillance system based on embedded technology. The system takes HUAWEI Hisilicon multimedia process chip HI
15、3512 as hardware platform. We can set up Video Server based on TCP/IP and RTP protocol in HI3512 platform, HI3512 will compress video image from the collected data of CCD camera, then through network transmission by Internet, finished the network vedio surveillance tasks. The paper main contents inc
16、ludes: firstly paper expounds development status and development trend, analyzes basic principle and performance requirements of surveillance system in detail, presented overall design scheme. Secondly this paper introduces ARM processor, and introduces emphatically the use of system multimedia proc
17、ess chip HI3512 based on ARM9+DSP core. The modularization method is applied to the design of main peripheral circuit: CPU and memory module, audio and video module, power and reset module, network transceiver module, peripheral interface circuit and so on. Moreover the paper expounds the design of
18、each module in detail, in addition, In addition, the paper mainly studied design of system PCB, includes design of EMC and anti-static measures. Thirdly this paper introduces embedded Linux operating system and starting principle and running process of Bootloader, and expounds how to compile and tra
19、nsplant for Bootloader and Linux kernel in ARM platform, and further researched and the development of Network Driver in Linux, and completed design of Network Driver. Then we debugged and tested main IC and the whole system. Finally we summarize the full texts and present futher development plan. T
20、his system realizes an surveillance solution of digitalization, network, low power dissipation, low-cost and small size. It meets the demands of system possesses advantages of realtime and reliability, and has great engineering significance and practical significance. Keywords: ARM HI3512 Video surv
21、eillance Linux Embeded system 第 1 章 引 言 . 1 1.1选题依据与研究意义 . 1 1.2国内外研究现状 . 1 1.3本文的主要研究内容 . 3 第 2章系统总体设计方案 . 4 2.1系统功能需求分析 . 4 2.2视频监控系统总体方案选择 . 4 2.3本系统硬件设计方案 . 6 2.4系统软件设计方案 . 7 2.4.1几种常见的嵌入式操作系统 . 8 2.4.2嵌入式 Linux操作系统的优势 . 8 2.4.3本系统软件设计方案 . 9 2.5本章小结 . 9 第 3章系统硬件电路设计与实现 . 10 3.1 ARM微处理器简介 . 10 3.
22、2多媒体 HI3512微处理器 . 10 3.3基于 HI3512的系统硬件电路设计 . 13 3.3.1 SDRAM接口电路设计 . 13 3.3.2 FLASH接口电路设计 . 14 3.3.3系统电源电路 . 15 3.3.4复位电路 . 16 3.3.5音频模块电路 . 17 3.3.6网络收发模块电路 . 19 3.3.7其他接口电路设计 . 21 3.4系统 PCB板的设计 . 23 3.4.1叠层及板厚 . 23 3.4.2电磁兼容性与 EMC设计 . 23 3.4.3元器件的布局要求 . 24 3.4.4 PCB的布线要求 . 25 3.5系统防雷防静电措施 . 27 3.5.
23、1系统防雷措施 . 27 3.5.2系统防静电措施 . 28 目录 3.6本章小结 . 29 第 4章系统软件平台构建和 Linux内核移植 . 30 4.1嵌入式 Linux开发环境的搭建 . 30 4.1.1嵌入式 Linux开发环境的基本结构 . 30 4.1.2HI3512 开发环境 . 30 4.1.3安装交叉编译环境工具 . 31 4.1.4 安装 HI3512 SDK 开发包 . 32 4.2系统引导程序的移植 . 32 4.2.1 Bootloader 原理 . 32 4.2.2 HiBoot 的编译 . 34 4.2.3 HiBoot 的烧写 . 34 4.3嵌入式 Linu
24、x内核移植 . 36 4.3.1嵌入式 Linux内核结构 . 37 4.3.2配置和编译内核 . 38 4.3.3 使用 mkimage 工具 . 38 4.3.4 Linux的根文件系统 . 39 4.3.5烧写嵌入式 Linux内核移植 . 40 4.4本章小结 . 41 第 5章网络设备驱动程序设计与实现 . 42 5.1 Linux设备驱云力程序简述 . 42 5.1.1设备驱动程序的概念 . 42 5.1.2驱动程序的构成 . 42 5.1.3设备注册和初始化 . 43 5.1.4中断管理 . 43 5.2以太网技术概述 . 44 5.3设备驱动程序的开发 . 45 5.3.1网络
25、设备驱动程序的结构 . 45 5.3.2网络设备驱动程序的基本函数 . 46 5.4 KSZ8041NL驱动程序设计 . 47 5.4.1设备初始化函数 . 48 5.4.2 JTJFaS . 49 5.4.3关闭函数 . 50 5.4.4发送函数 . 50 5.4.5接收函数 . 51 5.4.6设备中断函数 . 51 5.5把设备驱动程序编译到 Linux内核 . 52 5.6本章小结 . 53 第 6章系统调试结果与分析 . 54 6.1系统调试 . 54 6.1.1系统样机介绍 . 54 6.1.2硬件调试 . 55 6.1.3驱动程序调试 . 57 6.1.4整机调试 . 57 6.
26、2整机功能性测试 . 60 6.2.1整机功耗 . 60 6.2.2 . 60 6.2.3纹波噪声测试 . 61 6.3结果分析 . 62 6.4本章小结 . 62 结论及建议 . 63 至夂 if. 65 参考文献 . 66 攻读硕士学位期间发表的论文 . 68 附录 A系统实物图 . 69 第 1 章引言 1.1选题依据与研究意义 进入 21世纪以后，随着通信、微电子和网络技术的快速发展和人民物质生 活水平的提高，视频监控以其直观、方便和内容丰富的特点，越来越受到人们的 重视，已经成为我们生活和生产中必不可少的重要组成部分 1。同时视频监控产 品现在正经历着从模拟化向数字化、网络化的革命，
27、并已被广泛用在科学研究、 工农业生产、交通运输、遥感探测、航天探测等领域内。 而目前的视频监控系统主要是模拟监控为主，难以满足实时处理和稳定可靠 的要求。因此无论是从国家的战略高度还是国民生产的具体需要，都急需要研制 新一代的数字 视频监控系统，而随着大规模集成电路和嵌入式的软硬件的迅猛发 展，为研制嵌入式数字视频监控系统提供了可靠条件。 研制新一代的视频监控系统有着重要的意义，可以广泛应用于各行各业。同 时，随着我国经济的快速发展和消费观念的改变，安全防范已经成为视频监控市 场的重要应用领域。几年以前，安防的数字化、网络化、智能化仅仅被一些对前 沿技术比较敏感的企业作为一种很不清晰的概念提出
28、来，市场并没有相应的产品 作为支撑。而近几年，比较成熟的 DVR、 网络摄像机、网络视频服务器等产品 出现了。目前，作为安防视频监控最高境界的视频监 控智能化趋势变得更加清晰。 数字视频监控系统不仅符合信息产业的未来发展趋势，也代表了安防领域的 未来发展方向，蕴藏着巨大的商机和经济效益，因此越来越受到重视。 1.2国内外研究现状 嵌入式网络监控系统是一种提供网络视频传输和共享的嵌入式设备。它是采 用嵌入式一体化结构，以面向实时处理的硬件平台，集成了多通道视频和网络传 输等多种功能，将视频信号进行采集、压缩、传输，通过网络协议实现视频压缩， 数据流的实时网络传输。 视频监控系统的发展大致经历了
29、3个发展阶段： (1) 模拟视频监控时代。在 20世纪 90年代初以及以前，主要是以模拟设 备为主的闭路系统，称为第一代视频监控系统，即模拟监控系统。模拟安防视频 监控系统是一种局域性的安防视频监控系统。模拟视频监控系统的主要特点是： 系统在功能、性能、可靠性、与其它系统的接口规范、 UI界面方面都有了很大 的改观，但是信号仍然是模拟视频信号，并且是一种单向、功能单一、价格昂贵、 操作管理复杂、扩展能力差、难以实现较大系统的要求，所以它有很大的局限性， 难以满足数字化、网络化的发展需要。 (2) 半数字时代。 20世纪 90年代中期，随着计算机处理能力的提高和视 频技术的发展，人们利用计算机的
30、高速数据处理能力，进行视频的采集和处理。 这种基于多媒体计算机的系统称为第二代视频监控系统，即模拟输入与数字压 缩、显不和控制系统。 (3) 全数字时代。到 20世纪 90年代末期特别是近些年，随着网络带宽、 计算机处理能力和存储容量的迅速提高，以及各种实用视频信息处理技术的出 现，视频监控进入了全数字时代的网络时代，称为第三代视频监控系统，即全数 字视频监控系统或数字网络视频监控系统 23。 目前国内外的发展情况是模拟 视频监控的比例越来越少，数字监控系统逐渐 占据主导地位。特别是近几年，人们对监控系统的需求观念有了彻底的改变。随 着研究的深入，智能视频监控的经济价值会越来越大，因此，引起了
31、国内外许多 研究人员和公司的兴趣。 国际上，计算机视觉领域中的权威期刊 “ 国际计算机视觉期刊 （ IJCV)” 和 “ IEEE模式分析和机器智能汇刊 ” 相继在 2000年 6月和 8月出版了关于视频监 控的专刊 4。美国计算机学会 （ ACM)连续几年都有大量的文章在视频监控的智 能化、网络化和系统化方面做出研究 5。 IBM公司于 2006年 11月 7日宣布已经 开发并销售用于分析视频实时监控系统的安全软件 -智能监控系统 6。 在国内，智能视频监控的研究也已经有了长足的进步。目前国内从事智能视 频监控的研究单位主要有中国科学院自动化所、清华大学、北京大学、浙江大学、 国防科技大学等
32、。此外中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室已经成 立了智能视频监控研究小组，对智能视频监控进行了大量的研究，并且取得了许 多科研成果 7。国内数字监控领域的著名企业有海康威视、浙江大华、汉邦高科、 朗驰欣创等。 随着电子、通讯等高新技术行业的 快速发展，安防行业所应用的产品及技术 在近几年突飞猛进，从简单的第一代模拟监控产品，过渡到了第二代数字化监控 产品，进而演变出了第三代网络化监控产品。网络视频监控系统包括网络摄像机、 网络视频服务器、网络编解码等产品作为第三代监控产品，是现阶段的国内安防 行业应用的热点。 未来监控系统发展的整体方向是：数字化、智能化、自动化、网络化。近几 年是网
33、络摄像机的快速发展时期，网络视频技术日臻完善并深入人心，网络建设 基本完成，平安城市如火如荼开展， 2008年北京奥运会已经向我们证明了中国 这个世界人口最多的国家将 营造一个史无前例的监控市场。 2010年上海世博会 接踵而至，网络摄像机作为第三代网络监控技术的新宠将走在风口浪尖，获得长 足的发展。 1.3本文的主要研究内容 上一节分析了网络视频监控系统的发展现状后，针对传统方案的不足，提出 了一种基于嵌入式技术的网络视频监控系统的实现方案。系统是以华为海思的多 媒体芯片HI3512为核心平台，通过移植嵌入式 Linux系统作为系统的操作系统， HI3512将 CCD摄像头采集到的视频图像数
34、据进行压缩后，通过 Internet网络传 输到远程监控平台，完成对现场的视频监控任务。主要内容包括以下几个方面： (1) 硬件部分的实现。完成 HI3512与其外围电路（包括 SDRAM、 FLASH、 PHY、USB、 Audio、 USB、 JTAG、 系统电源、复位电路等 ） 的设计； (2) 搭建好嵌入式 Linux环境，完成软件部分的开发环境，编写引导程序 Bootloader和 Linux内核的裁剪和移植，构建根文件系统，及驱动程序的开发； (3) 网络设备驱动程序的编写与移植，及整机的调试等。 第一章，引言。阐述网络视频监控系统的发展现状，以及课题的研究意义。 第二章，系统总体设计方案。通过几种传统的设计方案对比，得出本系统的 设计方案以及优点。 第三章，系统硬件电路设计与实现。本章详细地对硬件各部分、各模块进行 详细的设计，然后重点介绍了硬件 PCB的绘制以及应该注意的问题，最后对系 统的防雷防静电采取了必要的防护措施。 第四章，嵌入式 Linux系统软件平台的构建和移植。本章重点介绍了如何搭