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1、南京理工大学硕士学位论文基于嵌入式ARM的远程视频监控系统研究姓名：李保国申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：陈青林20090608摘要基于嵌入式A R M 的远程视频监控系统研究摘要随着科技的进步，视频监控系统正在向嵌入式、数字化、网络化方向发展。嵌入式视频监控系统充分利用大规模集成电路和网络的科技成果，实现了体积小巧、性能稳定、通讯便利的监控产品。本文以$3 C 2 4 1 0 为核心硬件平台开发了基于嵌入式的远程视频监控系统，并对关键技术进行了论述和研究。首先给出了系统总体软硬件设计方案，针对本系统硬件对v i v i 进行了修改和移植，对编译和移植L i n u x 内
2、核以及制作Y A F F S 文件系统也做了深入的研究，重点讨论了在嵌入式L i n u x 操作系统下开发U S B 接口摄像头驱动程序和利用l i n u x 提供的V i d e 0 4 L i n u xA P I 函数实现视频数据采集，其次采用背景差法实现了对视频图像中运动目标的检测，然后通过M J P E G 压缩算法实现了视频数据压缩，接着介绍了在L i n u x 下基于T C P I P 协议的s o c k e t 编程，实现了视频数据的网络发送。最后着重论述了嵌入式W e b 服务器的设计，编写了视频监控主界面程序，并实现了基于B S 模式的视频监控系统结构。本系统采用模
3、块化设计方法，使得设计更加简洁、高效，具有良好的扩展性和易用性，有利于系统升级。另外采用嵌入式的方法，系统成本较低，易于推广使用。关键词：A R M，嵌入式L i n u x，U S B 摄像头，V i d e 0 4 L i n u x，嵌入式W e b 服务器A b s t r a c t硕士论文A b s t r a c tW i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y,t h ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mi sd e v e l o p i n gt ot h e
4、d i r e c t i o no fe m b e d d e d，d i 百t a l，a n dn e t w o r k e d T h ee m b e d d e do fv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mm a k e sf u l lu s eo fl a r g e-s c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t sa n ds c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a la c h i e v e m e n t so fn e t w o r
5、 k，r e a l i z i n gc o m p a c t a b l e，s t a b l e，c o n v e n i e n tm o n i t o r i n gp r o d u c t s I nt h i sp a p e r,t h ee m b e d d e do fr e m o t ev i d e om o n i t o rs y s t e mb a s e do n$3 C 2 4 1 0o fc o r eh a r d w a r ep l a t f o r mh a sb e e ns u c c e s s f u l l yd e v
6、e l o p e d，a n dt h ek e yt e c h n o l o g i e sh a v eb e e nr e s e a r c h e da n dd i s c u s s e d F i r s t l y,t h eo v e r a l lh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e md e s i g na r eg i v e n,v i v ih a sb e e nm o d i f i e da n dt r a n s p l a n t e df o rt h eh a r d w a r e T
7、h et r a n s p l a n t a t i o no ft h ec o m p i l e ra n dp r o d u c t i o no fL i n u xk e m e l，f i l es y s t e mo fY A F F Sa l s ob es t u d i e di nd e t a i l I ti sf o c u s e do nt h ed e v e l o p i n go fU S Bc a m e r ai n t e r f a c ed r i v e ru n d e rt h ee m b e d d e dL i n u x
8、o p e r a t i n gs y s t e m，g a t h e r i n gv i d e od a t au s e dV i d e 0 4 L i n u xA P If u n c t i o n S e c o n d l y,t h et e c h n o l o g yo fv i d e om o t i o nd e t e c t i o nw h i c hu s e dt h eb a c k g r o u n dd i f f e r e n c em e t h o di sr e s e a c h e d，v i d e od a t ac
9、o m p r e s s i o nw h i c hu s e dM J P E Ga l g o r i t h mi si m p l e m e n t，a n dt h e nt h ev i d e od a t aw h i c hb a s e do nT C P I Pp r o t o c o lo ft h es o c k e tp r o g r a m m i n gs e n to v e ri nt h en e t w o r k F i n a l l y,t h ep a p e rf o c u s e so nt h er e a l i z a t
10、 i o no ft h ee m b e d d e dW e bs e r v e rd e s i g n，c o m p i l i n gt h eh o m ep a g ep r o g r a mo fv i d e os u r v e i l l a n c e，i m p l e m e n t i n gt h es t r u c t u r eo ft h em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nB Sm o d e l T h em o d u l a rd e s i g na p p r o a c hi su s
11、 e di nt h es y s t e mw h i c hm a k e st h ed e s i g nm o r ec o m p a c t a b l e，e f f i c i e n t，a n de a s et ou p g r a d e t h em e t h o do fe m b e d d e df o rt h es y s t e mm a k e s1 0 W e rc o s t，e a s yt ou s ei np r o m o t e K e yw o r d s：A R M，E m b e d d e dL i n u x，U S Bc a
12、 m e r a，V i d e 0 4 L i n u x，E m b e d d e dW e bs e r v e rU声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名：阚犹1 年月；D 日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文
13、的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：沙6 7 年石月为日l 绪论基于嵌入式A R M 的远程视频监控系统研究1 绪论1 1 课题背景视频监控系统是重要场所诸如电力、邮电、银行、交通、商场等需要信息广泛交流企业的生产与管理的必备系统。比如，对于银行系统而言，通过监控系统，可以对一些突发事件进行回放，很容易找到事件的相关责任人；在制造企业中，可以通过监控系统实现无人生产，对机器进行远程维修等。随着国民经济的发展，视频监控系统的应用已经越来越广泛。目前视频监控系统主要在以下领域中使用【l l：(1)对机要部门的监视、控制和报警，如档案室、文件室、金库、博物馆等；(
14、2)工厂、市场等的监视，如工厂生产过程、市场、营业厅、展览厅、货场等的监视；一(3)对交通运输的监视，如公共交通、铁路车站、铁路调度等的监视；(4)用于安全报警，如防盗、防火等的报警；(5)家庭用户，随着人民生活水平的提高以及计算机的家庭普及率提高，家庭小型监控系统的需求量也变得越来越大。在计算机未被广泛应用以及数字视频等理论研究尚未成熟以前，传统模拟监控系统占据了监控领域的主要位置。传统的模拟监控，通常是利用录像机将镜头的画面录下来以备查，而录像机录下来的图像，一是清晰度不够，二是查询麻烦，而且录像带的保存也是问题，尽管有着种种不足，但因为前几年的技术限制，这种模式的监控系统还是被普遍使用。
15、随着网络、通信和数字信息技术的不断进步，监控系统的组成模式也在快速变化和发展中，当前网络技术与嵌入式系统技术的结合催生了全新的基于嵌入式w e b 的监控系统【2】。它向人们展示的是现代高科技的结晶，是网络技术与嵌入式系统技术的完美结合。基于嵌入式w e b 监控系统由于把视频处理和w e b 功能集成到一个体积很小的设备内，可以直接连入以太网，达到即插即看，省掉很多复杂的电缆，安装方便，用户无需专用软件。这些优点将使得基于嵌入式视频监控系统获得更广泛的应用。1 2 视频监控发展现状和趋势近三十年来，视频监控系统的发展十分迅速，总体来看，视频监控系统的发展大致可分为三代【3 1。第一代是模拟监
16、控时代。模拟监控技术发展较早，在2 0 世纪9 0 年代以前，系统以模拟设备为主。模拟视频监控系统一般由监控前端、传输设备、控制设备以及显示1 绪论硕士论文设备几个部分组成。监控前端一般为模拟摄像机、云台、声光电报警设备和雨刷等。传输设备一般为传输视频的同轴电缆，远距离传输可采用模拟光纤或者利用光端机进行传输。控制设备主要是视频切换矩阵，采用键盘进行切换和控制，将需要监控的图像在指定的显示设备进行显示。显示设备主要包括图像的监视器、报警指示设备等。这类系统主要应用于小范围内的监控，如大楼监控等。监控图像一般只能在控制中心查看。有线模拟视频监控无法联网，只能以点对点的方式监视现场，并且布线工程量
17、极大。第二代是半数字时代。2 0 世纪9 0 年代视频监控进入数字化阶段，随着计算机和多媒体处理技术的发展，人们利用多媒体控制主机或硬盘录像主机(D V R)进行数字化处理与存贮，将原来的磁带存储方式转变成数字存储录像，进行模拟数字转换并录像和显示，集合了录像机、画面分割器等功能，跨出数字监控的第一步，基于P C 的多媒体监控系统由此产生。由于传输依旧采用传统的模拟视频电缆，所以就叫做第二代半模拟半数字本地视频监控系统。而该系统视频前端(如C C D 等视频信号的采集、压缩、通讯)较为复杂，稳定性、可靠性不高，功耗高，结构复杂，价格高昂。P C 机也需专人管理，操作较为繁琐。图像传输仅局限在局
18、域网内传输，传输距离明显受限，并且模拟视频信号的衰减很严重，传输距离不能超过1 0 0 0 m，否则必须采用光纤传输，图像质量受环境干扰也较大。第三代是全数字时代。从2 0 0 4 年开始，随着网络带宽的提高和成本的降低、硬盘容量的加大和中心存储成本的降低，以及各种实用视频处理技术的出现，视频监控步入了全数字化的网络时代【4 1。近两年随着远程监控系统被越来越多的应用于各个领域，对视频监控系统的要求也越来越高：操作简单、实时可靠、多功能、数字化、经济实用的视频监控系统的开发和设计正越来越多地受到人们的瞩目。基于嵌入式技术的网络化视频监控系统应运而生【5 J。目前市场上的数字视频监控系统主要有三
19、种，一种是基于P C 机的远程视频监控系统，现场放置插有视频卡的P C 机，视频的压缩与解压缩由视频卡来负责完成。其优点在于能实现在网上互联互通及授权客户直接访问，便于构建系统及方便联网，缺点是实用性较差，系统稳定性差，费用高，而且现场不能脱离P C 机。另一种是通过在现场设置视频网络编码器，将模拟视频编码后上网传输，并在监控端设置的对应解码器上将网上传输的数字视频信号解码后进行监控。其优点在于现场不需要P C 机支持，系统稳定性提高。缺点是只能实现一对一传输，较难实现授权客户直接访问和联网。随着技术的进步，市场上出现了一种新型的网络化远程视频监控，即基于嵌入式视频服务器技术的远程网络视频监控
20、【6】。现场采用的网络监控产品主要包括：网络摄像机、网络服务器、网络视频接入器等。网络视频服务器解决了视频流在网络上的传输问题，从图像采集开始进行数字化处理、传输，这样使得传输线路的选择更加多样2l 绪论基于嵌入式A R M 的远程视频监控系统研究性，只要有网络的地方，就提供了图像传输的可能，现场无需P C 机支持。可采用流媒体技术实现视频在网上的多路复用传输。经过授权的监控者均可随时随地对其进行访问和管理，充分利用了网络资源，是视频监控系统的发展趋势的代表。嵌入式远程视频监控系统的国内外研究现【7】况如下：在国外，视频监控业务主要为个人用户提供安全系统方案，基本定位在个人和住宅应用方面。国外
21、研究的起步较早，并处于领先水平，已有成熟的嵌入式W E B 摄像机产品。比如索尼公司的S V C V L l O N，松下公司的K X H C M l 3 0，三星公司的S N C 1 0 0 P，还有安特公司的A N T-删C 1 0 5 0 l O O，瑞典的A X I X 系列等，这些产品性能普遍较好，但是价格也很昂贵，国内用户大多无法承受。国内在这方面的研究起步较晚，大多数是代理国外厂商的现成产品，从事实际研究的单位不多。国内同类产品大多功能较少，播放速度较慢，播放效果较差，科技含量有待于进一步提高。另外，国内的视频监控业务主要集中在行业应用，如公安、交通、金融、楼宇等领域，行业用户已
22、成为国内视频监控市场的主要增长点。目前，国内视频监控系统已经进入了一个高速的、全面发展的新时期，行业竞争日益激烈。尤其在当今的社会，平安城市建设已经成为社会治安防控体系的重头戏之一，也是构建“和谐社会”的重要举措。随着“3 1 1 1”工程的深入开展，全国各地都在进行平安城市建设，有条件的地方和城市都在投资兴建城市社会治安视频监控系统，北京、上海、深圳、广州、昆明等城市都计划或已经安装监控摄像头2 0 万只以上。广阔的市场前景伴随着各项新技术的日益发展与成熟，这使得嵌入式视频监控系统的研究与开发具有重大的现实意义。1 3 本文主要研究内容本课题的思路是结合视频监控的发展趋势，开发一套基于嵌入式
23、A R M 的远程视频监控系统，在嵌入式设备终端上主要要完成U S B 摄像头驱动设计、视频图像采集、图像的入侵检测、图像压缩、图像数据的网络发送、嵌入式W e b 服务器的设计，并通过客户端实时监控。本文主要内容：(1)嵌入式L i n u x 平台的构建(2)U S B 摄像头驱动程序的设计和移植(3)基于v i d e 0 4 L i n u x 的视频采集程序的开发(4)图像入侵检测及图像压缩的实现(5)基于T C P I P 协议的s o c k e t 编程，实现了视频数据的网络发送(6)嵌入式W e b 服务器的设计31 绪论硕士论文1 4 本文结构安排第一章绪论。主要论述了课题
24、的研究背景，以及视频监控技术的发展现状和未来发展趋势，给出了本文的研究内容，章节的结构安排。第二章视频监控系统的总体方案设计。首先分析了嵌入式系统概况，介绍了A R M技术和$3 C 2 4 1 0 体系结构，其次给出了视频监控系统硬件平台的构建及软件总体框架设计，并对系统中的一些关键技术进行了分析和选型。第三章详细介绍了嵌入式L i n u x 平台的构建。首先建立了交叉编译环境，介绍了B o o t L o a d e r 的基本概念和v i v i 的启动过程，并针对本系统硬件对v i v i 进行了修改和移植，然后对如何修改、编译和移植L i n u x 内核以及对Y A F F S
25、文件系统制作也做了深入的研究。第四章U S B 设备驱动程序的设计。首先介绍了L i n u x 下设备驱动程序开发的相关知识，详细分析了U S B 设备驱动程序，开发了U S B 接口摄像头驱动程序，实现了U S B 摄像头的驱动移植和加载驱动程序到内核，最后在嵌入式L i n u x 系统平台下实现了对摄像头的访问。第五章视频数据处理模块的设计。首先分析了L i n u x 的内核模块V i d e 0 4 L i n u x 及其支持的一些重要数据结构，利用V i d e 0 4 L i n u x 提供的接口函数实现了的视频数据采集，接着采用背景差法实现了对视频图像中运动目标的检测，然
26、后介绍了视频数据的压缩方法，本文采用M J P E G 压缩算法实现视频数据的压缩，最后讨论了在L i n u x 下基于T C P I P 协议的网络s o c k e t 编程，实现了视频数据的网络发送。第六章嵌入式W e b 服务器设计。首先对W e b 服务器的相关知识作了阐述，接着实现了嵌入式W e b 服务器B o a 的移植，最后编写了视频监控主界面程序，实现了客户端的视频数据接收。第七章对该系统的整体功能进行测试，并观察运行结果。第八章总结与展望。对所完成的任务进行总结，并总结了所做工作的不足，指出在今后的研究工作中需要继续深入的环节。4硕士论文基于嵌入式A R M 的远程视频
27、监控系统研究2 视频监控系统总体设计2 1 嵌入式系统概况嵌入式系统是将计算机硬件和软件结合起来构成的一个专门的装置，这个装置可以完成一些特定的功能和任务。由于它可能会工作在一个与外界发生交互并受到时间约束的环境中，所以要求其能够在没有人工干预的情况下独立地工作。另外，由于被嵌入对象的体系结构、应用环境不同，所以各个嵌入式系统也可以由各种不同的结构组成。到目前为止，嵌入式系统已经有了4 0 多年的发展历史，并且是以硬件和软件交替双螺旋式发展的。第一款微处理器是I n t e I 的4 0 0 4，它出现在1 9 7 1 年，2 0 世纪8 0年代初、I n t e l 研制成功了M C S 8
28、 0 5 1 系列单片机。1 9 8 1 年出现了世界上第一个商业嵌入式实时内核(V T 砌(3 2)，该内核中包含了许多传统操作系统的特征，如任务管理、任务间通信、同步与互斥、中断支持、内存管理等功能。随后，出现了成型的多种嵌入式操作系统。目前，嵌入式实时操作系统已经在全球形成了一个产业。根据I E E E(国际电气和电子工程师协会)的定义，嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置(d e v i c e su s e dt oc o n t r o l，m o n i t o r,o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no f e q u i
29、 p m e n t m a c h i n e r yo r p l a n t s)。可以看出，此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。嵌入式系纠8】【9】的一般定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格需求的专用计算机系统。嵌入式系统分为硬件和软件两部分。硬件包括处理器、存储器及外设器件和I o端口等。软件部分包括嵌入式操作系统和应用程序两部分。嵌入式操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用，保证系统的运行以及各种操作的实现。应用程序控制着系统专用功能的实现。嵌入式技术可应用在工
30、业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理、网络及电子商务、环境监测和机器人等方面。A R M 技术的I P(知识产权)在许多领域己经取得了很大成功。比如，目前在绝大部分的无线设备(如手机等)中都采用了嵌入式技术。在P D A 之类的无线设备中，嵌入式微处理器针对视频流进行了优化，并获得了广泛的支持；在数字音频播放器、数字机项盒和游戏机等中，得到了更广泛的应用。在汽车领域，包括驾驶、安全和车载娱乐等各种功能在内的设备仅用五六个嵌入式微处理器就可将要求的功能统一实现。事实上，嵌入式技术无处不在，计算机技术也开始进入一个被称为后P C 技术的春天。我们不仅拥有那种放在桌上处理文档、进行工作管理和生产
31、控制的计算机“机器，而且一个普通人也可能拥有从大N d,的各种使2 视频监控系统总体设计硕士论文用嵌入式技术的电子产品，如M P 3、P D A、手机、智能玩具、电子病历、智能血压仪、无线收费设备、超市物流设备、网络家电、智能车载电子设备、安全监控装置、G P S、倒车雷达等。2 2 视频监控系统硬件设计2 2 1A R M 概述A l 蝴(A d v a n c e dR I S CM a c h i n e s)，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年A R M 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用
32、A R M 技术知识产权(I P)核的微处理器，即我们通常所说的A R M 微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于A R M 技术的微处理器应用约占据了3 2 位R I S C 微处理器7 5 以上的市场份额，A R M 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。采用R I S C 架构的A R M 微处理器一般具有如下特点【1 0】：体积小、低功耗、低成本、高性能；支持T h u m b(1 6 位)A R M(3 2 位)X 2 指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方
33、式灵活简单，执行效率高：指令长度固定。目前常见A R M 处理器系列有：A R M 7 系列、A R M 9 系列、A R M 9 E 系列、A R M l 0系列、S e c u r C o r eS C l 0 0、S t r o n gA R M、X S c a l e。在此，我们主要讲解A R M 7 系列、A R M 9 系列：A R M 7 系列：O 9 M I P S M H z3 级流水线、冯诺依曼结构；其内核主要有A R M 7 T D M I 和A R M 7 2 0 T；T 支持1 6 位T H U M B 指令，D 支持在片调试，M 增强型乘法器，产生全6 4 位结果，
34、I 嵌入式I C E 硬件提供片上断点和调试点支持。A R M 9 系列：1 I M I P S M H z5 级流水线、哈佛结构；其内核主要有A R M 9 2 0 T、A R M 9 2 2 T 和A R M 9 4 0 T。此外，A R M 芯片还获得了许多实时操作系统(R e a lT i m eO p e r a t i n gS y s t e m)供应商的支持，比较知名的有：W i n d o w sC E、L i n u x、p S O S、V x W o r k s、N u c l e u s、E P O C、u C O S、B e O S 等(1 l】。2 2 2S 3 C
35、 2 4 1 0 X 体系结构$3 C 2 4 1 0 X 是一款由S a m s u n g 公司设计的基于A R M 9 2 0 T 核的1 6 3 2 位R I S C 微6硕士论文基于嵌入式A R M 的远程视频监控系统研究处理器，它为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。A R M 9 2 0 T 核由A R M 9 T D M I、存储管理单元(M M U)和高速缓存三部分组成。A R M 9 2 0 T 实现了M M U，A M B AB U S 和H a r v a r d 高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的1 6 K B 指令C a c
36、h e 和1 6 K B 数据C a c h e，每个C a c h e 都是由8 字长的行(1 i n e)构成【1 2】。为了降低整个系统的成本，$3 C 2 4 1 0 X 提供了以下丰富的内部设备：分开的1 6 K B的指令C a c h e 和1 6 K B 数据C a c h e，M M U 虚拟存储器管理，L C D 控制器(支持S T N T F T)，支持N A N DF l a s h 系统引导，系统管理器(片选逻辑和S D R A M 控制器)，3 通道U A R T，4 通道D M A，4 通道P W M 定时器，I O 端口，R T C，8 通道1 0 位A D C和
37、触摸屏接口，I I C B U S 接口，I I C B U S 接口，U S B 主机，U S B 设备，S D 主卡&M M C卡接口，2 通道的S P I 以及内部P L L 时钟倍频器。S 3 C 2 4 1 0 X 内部结构斟1 3】如图2 1所示。(1)$3 C 2 4 1 0 X 微处理器体系结构为手持设备和通用嵌入式应用提供片上集成系统解决方案：A R M 9 2 0 T 核，1 6 3 2 位R I S C 体系结构和A R M 强大的指令集；A R MM M U，支持W i n C E、L i n u x 等操作系统；指令C a c h e、数据C a c h e、写缓冲；
38、支持A R M 调试结构，片上I C E 支持J T A G 调试方式；内置高级微控制器总线(A M B A)体系结构(A M B A 2 0，A H B A P B)。(2)S 3 C 2 4 10 X 微处理器系统管理支持大4,端方式；寻址空间：每个内存块1 2 8 M 字节(总共1 G B)，支持8 1 6 3 2 位数据总线带宽编程；1 个起始寻址和大小可编程的内存块；8 个存储器b a n k：6 个用于R O M、S R A M 以及其他，2 个用于R O M S R A M D R A A 嗄：所有的存储器b a n k 都具有可编程的操作周期：支持外部等待信号延长总线周期；支持
39、掉电时的S D R A M 自刷新模式；支持多种型号的R O M 引导(N O R N A N DF l a s h，E E P R O M，或其他)。72 视频监控系统总体设计硕士论文IL C DL C Dlo o N T D M AIF _ x t M a 或e rIN N D C O N T 1N A N DF l a s hB o o tL o a d e r图2 1$3 C 2 4 1 0 X 内部结构框图2 2 3 系统硬件平台构建该平台采用S a m s u n g 公司的处理器$3 C 2 4 1 0。该处理器内部集成了A R M 公司A R M 9 2 0 T 处理器核的3
40、2 位微控制器，资源丰富，带独立的1 6 K B 指令C a c h e 和1 6 K B数据C a c h e、L C D 控制器、R A M 控制器、N A N D 闪存控制器、3 路U A R T、4 路D M A、4 路带P W M 的T i m e r、并行I O 口、8 路1 0 位A D C、T o u c hS c r e e n1 2 S 接口、2 个U S B 接口控制器、2 路S P I，主频最高可达2 0 3 M H z。2 2 所示：8接口、1 2 C 接口、开发板实物如图错 错镩硕士论文基于嵌 式A R M 的远程视频监控系统研究图2 2 A R M S Y$2 4
41、 1 0 概述在处理器丰富资源的基础上，还进行了相关的配置和扩展，平台配置了6 4 M B1 6位的F l a s h，K 9 F 1 2 0 8 是S a m s u n g 公司生产的采用N A N D 技术的大容量、高可靠F l a s h存储器。用来存放系统的启动代码、内核代码及根文件系统。R A M 是2 片H Y 5 7 V 5 6 1 6 2 0 共6 4 M B 的S D R A M。C S 8 9 0 0 A 是C i r r u s 公司生产的用于嵌入式设备的低成本以太网控制器芯片。具有集成度高等特点，独特的P a c k e t P a g e 结构可自动适应网络通信量模
42、式的改变和现有系统资源，系统中用来实现以太网的物理层和数据链路层。U S B 摄像头困具有低廉的价格，良好的性能，及方便使用的特性，因此很容易连接到嵌入式系统中。本文系统中U S B 摄像头使用采用Z C 3 0 1 P 芯片的极速摄像头。该摄像头采用高品质C M O S 感光芯片，图像的分辨率最大可达到6 4 0 x 4 8 0。引出了一个串行接口和一个H O S T U S B 接口。通过在U S B 接口上外接一个U S B口的摄像头，将采集到的视频图像数据放入输入缓冲区中，对采集的图像数据进行处理，然后通过网络接口将图像发送到I n t e r n e t 上。本文使用的系统硬件平台功
43、能框图如图23 所示。C S 8 9 0 0 Ar 面晶)、，J，图23 系统平台硬件功能框图2 视频监控系统总体设计硕士论文2 3 视频监控系统软件设计视频监控软件是工作的核心部分。本文研究的主要内容分为两个方面：一是软件平台的构建，二是视频监控软件中的u s b 驱动模块和应用程序模块的设计与实现。设计软件应遵循软件工程的方法：首先根据软件的功能，对软件进行模块划分和抽象，然后逐步求精，由抽象到具体地分析和构造出软件的层次结构，提高软件的可理解性。本节主要对软件进行概要设计和总体规划，在后续几章按照软件的层次结构依次给出详细设计过程。2 3 1 软件总体框架本文视频监控系统软件是基于“A
44、R M+L i n u x 平台开发的。软件的层次结构关系如图2 4 所示。W e bB r o w s e rC G IW e b p a g eJ a v aA p p l e t一审S 一手S o c k e t 通信C G I 程序W e bs e r v e r程序B o a 8视频数据处理模块U S B 摄像头驱动模块嵌入式L i n u x 平台图2 4 软件系统结构根据图2 4 所示，本系统软件主要分为服务器端及客户端的实现，服务器端包括系统软件和应用软件两部分组成。系统软件主要包括B o o t L o a d e r 的移植、嵌入式L i n u x操作系统移植、文件系统建
45、立、U S B 摄像头驱动模块设计；应用软件主要包括图像数据的采集、图像入侵检测、图像压缩、图像数据的网络发送等；客户端包括W 曲p a g e的编写、视频图像数据的接收与播放等。2 3 2B o o t L o a d e r 选择简单地说，B o o t L o a d e r 就是在操作系统内核或用户应用程序运行之前运行的一段小程序【1 4】。它对开发板上的主要部件如C P U，R A M，F L A S H，串口等基本硬件进行初始化，建立内存空间的映射图(包括设置系统堆栈和系统启动参数区等)，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。然后跳转
46、到操作系统内核的入口，将系统控制权交给操作系统，之后系统的运行和B o o t L o a d e r 再无任何关系。1 0硕士论文基于嵌入式A R M 的远程视频监控系统研究目前，B o o t L o a d e r 的开发通常都是基于一些开源的B o o t L o a d e r(如v i v i，U b o o t，B l o b，R e d b o o t 等1)设计的。表2 1 列出了几种比较流行并且支持L i n u x 操作系统的B o o t L o a d e r 并对它们进行了简单的比较。本文采用的B o o t L o a d e r 是v i V i【1 5】，己经
47、在嵌入式A R M 板上移植成功。详细的移植过程将在第三章阐述。2 3 3 嵌入式操作系统选择到目前为止，国际上已经出现的嵌入式操作系统多达十几种，从市场占有率来看，目前常用的嵌入式操作系统有以下几种【1 6】1 7】：(1)嵌入式L i n u x嵌入式L i n u x(E m b e d d e dL i n u x)是指对标准L i n u x 经过小型化裁剪处理之后，能够固化在容量只有几K B 或者几M B 的存储器芯片或者单片机中，是适合于特定嵌入式应用场合的专用L i n u x 操作系统。在目前已经开发成功的嵌入式系统中，大约有一半使用的是L i n u x。这与它自身的优良特
48、性是分不开的。嵌入式L i n u x 同L i n u x 一样，具有低成本、支持多种硬件平台、优异的性能和良好的网络支持等优点。(2)V x W o r k sV x W o f k s 操作系统是美国W i n d R i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式实时操作系统(R T O S)，它是在当前市场占有率最高的嵌入式操作系统。V x W o r k s 的实时性做得非常好，其系统本身的开销很小，进程调度、进程间通信、中断处理等系统公用程序精练而有效，使得它们造成的延迟很短。另外V x W o r k s 提供的多任务机制，对任务的控制采用了优先级抢占和轮转调度机
49、制，这充分保证了可靠的实时性，并使同样的硬件配置能满足更强的实时性要求。另外V x W o r k s 具有高度的可靠性，从而保证了用户工作环境的稳定。但是，由于V x W o r k s 的开发和使用都需要交高额的专利费，因此大大增加了用户的开发成本。同时，由于V x W o r k s 的源码不公开，造成它部分功能的更新(如网络功能模块)滞后。(3)Q N XQ N X 是业界公认的X 8 6 平台上最好的嵌入式实时操作系统之一，它具有独一无二的微内核实时平台，是建立在微内核和完全地址空间保护基础之上的，它同样具有2 视频监控系统总体设计硕士论文实时性强、稳定可靠的优点。(4)W i n
50、d o w sC EW i n d o w sC E 是微软开发的一个开放的、可升级的3 2 位嵌入式操作系统，是基于掌上型电脑类的电子设备操作系统。它是精简的W i n d o w s9 5。W i n d o w s C E 的图形用户界面相当出色。W i n d o w sC E 具有模块化、结构化和基于W i n 3 2 应用程序接口以及与处理器无关等特点。它不仅继承了传统的W i n d o w s 图形界面，并且用户在W i n d o w sC E 平台上可以使用W i n d o w s9 5 9 8 上的编程工具(如V i s u a lB a s i c、V i s u a