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1、第 3 5卷第9期 2 0 0 9年 9月 信 息 化 研 究 I n f o r ma t i z a t i o n Re s e a r c h Vo 1 3 5 N o 9 S e p2 00 9 基于 A R M7的远程视频监控系统 韩国华，杜永贵(1 太原理工大学理学院物理 系，山西省太原市 0 3 0 0 2 4；2 太原理工大学信息学院，山西省太原市 0 3 0 0 2 4)摘要：利用 A R M7芯片 L P C 2 4 7 8实现 了低功耗远程 实时视频监控 系统。该系统主要针对电力 线的监控，提 高电力线的安全性。主要从硬件方面叙述 系统各部分的组成及 实现方式，该 系统
2、的硬件 部分以 L P C 2 4 7 8为 MC U(微控制器)，还 包括 电源、视频采集 编码、气象传感器及 无线通信 等部分。该 系统的监控中心通过无线网络控制下位机对现场视频及 气象数据进行采集，再对数据进行相应 处 理，然后将数据发送到监控 中心。本 系统 已经在实际中应用，系统运行 良好。关键词：A R M7；低功耗；远程视频监控；G P R S 中图分类号：7 7 0 引言 视频监控技术在工农业生产、交通运输、军事及 日 常生活中有着非常广泛的应用。随着集成电路技术和 嵌入式技术 的发展，视频监控系统正向数字化、网络 化、智能化方向发展，出现了嵌入式视频监控系统。嵌 入式视频监控
3、系统是 由图像传感器、图像处理芯片、嵌 入式处理芯 片以及存储器等构成 的一 种视频监控 系 统。与传统的视频监控 系统相 比，具有体积小、功 能 强、实时性好等特点，具有 良好 的应用与发展前景，因 此研究并开发一种嵌入式视频监控系统具有很大的实 际意义。本文在分析了国内外研究现状和远程监控系 统中的关键技术及其实现方式后，提 出了一套切实可 行的软硬件设计方案，并将其应用于工程项 目中。本系统首先对摄像头输入的模拟信号进行数字化 处理，然后进入编码 电路，按照 J P E G格式编码，同时 配合 L P C 2 4 7 8的控制将现场 的气 象数据如 温度、湿 度、仪器倾斜度、风速风向等数
4、据，按数据帧的格式通 过 G P R S(通用分组无线电业务)无线网络传送到监控 中心。无线视频实时监控管理系统如图 1 所示。1 系统电源 本系统 的下位机工作在无人值守 的户外环境 中，要求全天候 的监控，所 以对电源 的稳定性有更高的要 求。本系统的电源供电主要采用太阳能电池板加蓄电 池的方法-。由于 A R M芯 片的高速、低功耗和低工作 电压导 收稿 日期：2 0 o 9 5 1 5。基金项 目：山西省科技攻关项 目(2 0 0 7 0 0 5 5)。5 4 图 1 无线视频实时监控管理 系统 网络圈 致其噪声容限低，对 电源的纹波、瞬态响应性能、时钟 源的稳定性和电源监控可靠性等诸
5、多方面也提出了更 高的要求。电源电路中要求提供 1 2 V、5 V和 3 3 V直流 电 压 以 带 动 摄 像 头、各 路 传 感 器 和 C P U。C P U 即 L P C 2 4 7 8的内核和 I 0使用 同一 电源电压，只需单 电 源 3 3 V供电。电路 图如图 2所示，C O N 3为5 V直流 电源输入端，其 1口输 出的 5 V直流电压为摄像头控 制信号的驱动芯片和部分传感器供电。圈 2 电压转换 电路 m 密 第 3 5卷第9期 韩国华，等：基于A R M7的远程视频监控系统 技术应用 5 V电源经过 C 2、c 3滤波，然后通 过 L 1 1 1 7 3 3 将电源稳
6、压到 3 3 V，此时 D 1指示灯会被点亮。电路 中 c 4的作用是提高稳定性。而 L P C 2 4 7 8具有独立 的 模拟电源引脚 V。、V ，为 了减低噪声和 出错概率，模拟电源和数字电源应该隔离，图中 u、L 2就是用于 电源隔离的元件，将数字电源的高频噪声隔离，这种设 计不但能提高系统的稳定性，还能有效地 抑制电源纹 波。L 1 1 1 7 3 3的特点是输 出电流大、输 出电压精度 高、稳定性高。其输 出电流可达 8 0 0 m A，可广泛应用 于手持仪表、数字家电和工业控制等领域。2 MC U部分 出于低功耗和性价比考虑，本文选用 了 N X P公司 的功能强大且成本效率高
7、的 A R M 7芯片 L P C 2 4 7 8，该 MC U内部有 5 1 2 k B的 F l a s h和 5 8 k B的 S R AM存储 器 J。支持 I S P(在系统编程)和 I A P(在应用编程)，同时支持 1 6位的 T h u m b指令集 和 3 2位的 A R Mv 4指 令集。本文选用的是 T Q F P封装 的 L P C 2 4 7 8。其有 2 0 豆 个引脚，1 6 0个 G P I O 口。除此之外，该芯片还有丰富 的工业级外设接 口，比如 4个 U A R T接 口、3个 S P I 接 口、3个 I I C总线等，足以满足该系统控制方面的需要。L
8、P C 2 4 7 8的每个外设都具有一个独立的时钟分频 器，这就使设计者能够将功耗降至最低。而且，P 0、P l 和 P 2口的每个引脚都可用作外部中断引脚。关于调试，每个器件都支持实时仿真 和嵌入式跟 踪，并且具有一个集成的 V I C(向量 中断控制器)。同 时，为了与现有的工具兼容，每个器件都使用了标准的 A R M 测试 调试 J T A G接 口。3 人机交互界面 本系统的微处 理器 L P C 2 4 7 8是 业界唯一 的提供 集成 L C D(液 晶显示 器)支 持 的基 于 闪 存 的 A R M 7 M C U。全新的 MC U配有双路 A H B(A R M高速总线)，
9、可实现多种高带宽外设(包括 L C D、1 0 1 0 0兆以太网、U S B主机 O T G设备、和 2个 C A N通道)的同步操作。这一全新的 M C U系列显著降低 了成本、尺寸和功耗，是广泛应用于 L C D面板并需要网络或 I n t e r n e t 连接的 工业、消 费、零 售 和 医疗 系 统 产 品 的 理 想 之 选。L P C 2 4 7 8和 L P C 2 4 7 0支持大多数静态 L C D显示器(最 高 1 0 2 47 6 8像素、1 5阶灰度单色和每像 素 2 4位真 彩色 T F T面板)。对 于嵌入式 系统设计师 而言，使用 L C D可在芯片上执行代
10、码，并且从外存储器取得帧数 据还可最大程度地降低 总线 冲突。此外，新 的控制器 提供 5 1 2 k B、高速 1 2 8位嵌入式闪存，带有内建的纠错 功能，尽可能确保其可靠性。L P C 2 4 7 8和 L P C 2 4 7 0仅 需单电压(3 3 V)电源，拥有独特的 R T C(实时时钟)，并配有带电池的2 k B S R A M，使得 M C U在休眠状态下 只消耗很少的电流，而在出现外部 中断或达到用户 自 定时问时，设备可迅速恢复工作。本 系 统 选 用 的 是R G B 5 6 5 模 式 的 T 胛屏。R G B 5 6 5使用 1 6位表示一个像素，这 1 6位中的5位
11、用 于 R，6位用于 G，5位用于 B。程序中通 常使用一个 字(WO R D，一个字等于 2个字节)来操作一个像素。4 视频部分 4 1 摄像头控制部分 本系统是户外的远程无人监控系统，对摄像头 的 各个方面要求都 比较高。在尽可能保证成本 的情况 下，要求其性能和可控性达到最高，此系统选用的摄像 头具有 2 0倍光学 变焦，支持 P A L，水平解像度为 4 8 0 线，充分满足了实时抓拍 图像的要求。夜晚可 以正常 使用，最低照度为 0 5 L u x。当配上红外装置等时，夜 晚拍 的图像将和白天没有太大区别。支持 自动跟踪 白 平衡、自动背光补偿 J。功耗 只有 3 0 0 m A，非
12、常适合 本系统的要求，而且摄像头 的控制线只需 4根就能控 制摄像头的全部参数。但是，摄像头控制线 的控制信 号电压是 D C 3 V1 2 V，为了充分驱动而且尽可 能降低功耗，实验证 明选用 5 V的信号驱动效果最 好。因为整个 系统的供 电没有负电压，所 以设计中加 入一片驱动芯片 A E 2 5 0 1，通过改变电流方 向的方法得 到负电平。系统 中一共用了 3个 A E 2 5 0 1 来驱动摄像 头的 4根控制线，每个芯片的 3脚都接到摄像头的 V B 端，也就是摄像头控制信号的公共端。6脚分别接摄 像头的 V A 1、V A 2和 V A 3，分别 为变倍、聚焦和菜单控 制线。A
13、 E 2 5 0 1是 5 V供电的电机驱动芯片，在此用作摄 像头控制信号的驱动，实现正负电压的变换。A E 2 5 0 1 的 1 脚和 8脚 的电阻有严格的范围限制，其计算方法 如下：R1 2 i =5 8 vi 一8 7 1 2 一 =1 7 2 v i 一2 5 8 这里，输入电压 的引脚由 L P C 2 4 7 8的 I O口直接相 连，即 为 3 3 V，通过计算：Rl 2 i=5 8 3 3 8 7=1 0 4 4 V R1 2 =1 7 2 3 3 2 5 8=3 0 9 6 V 实际电路中选用 1 3 k D,电阻，试验证明 1 3 k Q的阻值 不但能达到充分 的驱动而且
14、还具有较好的稳定性。5 5 技术应用 信 息 化 研 究 2 0 0 9年 9月 这样将 3个芯片的 8脚都接到 L P C 2 4 7 8的 P 1 0 口，而 3个芯片的 1脚分别接到 P 1 1、P 1 4和 P 1 8口 就可以实现线控正负电平的切换。当 P 1 0为低电平 时，如果给 P 1 1、P 1 4、P 1 8提供 高 电平，则 V A1、V A 2、V A 3和 V B之间将是正 向电压；当 P 1 0为高 电 平时，如果给 P 1 1、P 1 4、P 1 8提供低 电平，则 V A1、V A 2、V A 3和 V B之间将是负向电压。电路原理如图 3 所示，由于篇幅有限在
15、此仅画出一片 A E 2 5 0 1，另两片 的接法和此片相同。O 1 2 3 4 5 6 7 P OT08 图3 摄像头驱动电路 4 2 编码器 本系统选用视频解码芯片 S A A 7 1 1 3 H对模拟视频 信号进行采集、解码成标准的 V O P数字信号。该芯片 正常工作时的功耗为 0 4 W，空闲时为 0 0 7 W。芯片 具有上 电自动复位功能，其上电复位延时是 1 0 ms 左 右，另有外接复位引脚(C E)连接到 L P C 2 4 7 8的 P 1 9 脚，为低电平有效，复位后输 出总线为三态，待 复位信 号变高后 自动恢复，时钟丢失、电源电压降低都会引起 芯片 自动复位。这样
16、就保证了在编码电路与系统同步 复位的同时也可 以按需要被主机单独复位 J。电路 的复位状态取决于内部上电复位 电路和 P 1 9脚的共 同作用，也就是说，只要这两个信号 中的任意一个有 效，该电路就处于复位状态，当这两个信号都撤消后才 开始正常工作。针对视频照片的存储和发送，采用了标准的 J P E G 压缩算法，输 出码 流符合 J F I F规范，可直接生成通用 的j p g 格式文件。用户可根据需 要选择压缩质量、彩 色或黑 白压缩方式，压缩分辨率在 6 4 6 4像素到 7 0 4 5 7 6像素之问按 1 6的整数倍 有多种选择。而且该 模块使用的是编码质量恒定先决的可变输 出码率方
17、 式，也就是说压缩质量预先确定并保持不变，输出码率 随压缩率变化，最大压缩帧取决于最大输 出码率。5 6 5 G P R S及气象传感器 5 1 GP R S无线传输 G P R S模块采用 西门子公司 的 MC 3 9 i，支持 P P P 连 接 里 的P A P 协 议 和C H A P 协 议 ，传输 波 特率 为 3 8 4 0 0 b i t s。G P R S 模块采用4 5 V供电，以最好地满 足射频收发电路的供 电要求；当蓄电池供电处于低 电 压时，可通过 G P R S断电控制线 关闭 4 5 V的供电电 源，实现低耗电的休眠方式 。L P C 2 4 7 8和 G P R
18、 S之 问采用 串 口通信，通信速率 范围是 9 6 0 0 b i t s 一 2 3 0 4 0 0 b i t s，格式是 8-N 1，1 T I L 电平，支持全双工模式，收发使用相同波特率。串口 通 信使用 R X D、T X D和 C T S三根信号线。R X D为输入 信号，T X D为输 出信 号，C T S为流量控制 输入信 号，C T S为低电平有效。由于模块上电复位后的默认波特 率 是9 6 0 0 b i t S，而整个 系统 的通 信 波特率 要求 为 1 1 5 2 0 0 b i t s，所以在系统上电复位后要对 C P U和编 码电路进行 同时改变波特率的控制才
19、能正常使用。数 据传输采用 G P R S方式，为 了不受传输线路的不稳定 性的影响，传输时利用 C T S的硬件流控制作用将图像 数据分成若干子帧，一帧一帧地发送并对每帧数据加 上校验，发现错误则重新发送子帧，以避免数据丢失。串口通信通常采用查询方式，即让 C P U一直检验 串口是否有数据收到，但是，本系统并不是一直在串口 收发数据，只有在接到控制命令后数据才会传输，这将 大大增加 整个 系统 的功 耗而 且还 加大 了系统 的开 销 。因此，本系统对 串 口采用 中断的方式，即通过 判断中断标志寄存器 U x l I R(X表示串口号)，对不同的 中断源做出不同反应，代码如下：U t i
20、 n t()u i n t 8 i r f；定义中断标志 w h i l e(i r f=U 0 1 I R)&0 x O 1)=：0)N断最后 一 位是否为零，为零则表示仍然有 中断 s w i t c h(i r f&0 x 0 e)3 a s e 0 x 0 2：发送数据 b r e a k；c a s e 0 x 0 4：接收数据 b r e ak；c a s e 0 x 0 6：读取 U 0 t S R(线状态寄存器)br e a k；第 3 5卷第 9期 韩国华，等：基于 A R M7的远程视频监控系统-技术应用 c a s e Ox Oc：字符超时处理 br e a k；d ef
21、 a u h：br e a k；这样，系统在串 口不收发数据时就处于关闭状态，既减少了功耗又节省了系统开销。5 2 风速风向传感器 本系统的传感器种类较多，而且用户在应用时的 具体环境和要求会有所不同，因此，将各传感器设计成 可以自行添加和裁剪。所支持的传感器有风速、风向、温湿度、光照，还包括一些特殊气体 的传感器。由于种 类繁多，限于篇幅，本文 只介绍风速风 向传感器 的选 型。风速风向传感器的类型主要有毕托管、热线热膜、超声波、机械式。如表 2表示。表 2 各种风速传感器的比较 范 27 0 02 3 06 0 07 0 I m。s J 毕托管的输出与风速的平方成正 比，测量较高风 速时精
22、确且分辨力好，但 当风速较低时，毕托管上产 生的压差小，难 以精确测量；使用时全压 孔需正对 风 向，而且由于其静压孔尺寸较小，仪器本 身对流场会 产生扰动。基于热偶的二维风速传感器的测速范围为 02 3 m s，风 速分 辨率 达 到 1 5 m s，最 大误 差 为 0 5 m s；传感器 的反应时间为 3 5 s，整体功耗约为 5 0 0 m w；由于采用三角 函数法的风向测量受到风速大 小的限制，当风速过大时，传感器 单端输 出信号会饱 和 ，误差较大。超声波测风速没有机械转动部件，不存在机械磨 损、阻塞、冰冻等问题，也没有“机械惯 性”，可捕捉瞬时风速变化，可测出风速中的高频脉动 成
23、分。从表 2中可 以清楚地看到各种 风速传感器 的 特点。6 结束语 本文系统地叙 述 了以 A R M 7芯片 L P C 2 4 7 8为 中 央处理器实现的高稳定性、高性价 比、低功耗的远程监 控系统，详细叙述 了各个部 分的组成及实现方式。在 硬件的实现方式上比传统的监控 系统有 了一定 突破，本系统已经在实际中应用，系统运行 良好，其稳定性及 实用性均得到了用户的肯定。参考文献 1 周立功A R M嵌入式系统基础教程 M 北京：北京航空 航天大学 出版社，2 0 0 5 2 李佳A R M系列处理器应用技术完全手册 M 北京：人 民邮 电出版社，2 0 0 7 3 马小虎，张明敏，严
24、华 明多媒体数据压缩标准及实现 M 北京：清华大学出版社，1 9 9 6 4 H S I U N G P A，K AO H C D e v i c e c e n t r i c l o w p o w e r s c h e d u 1 i n g f o r r e a 1 t i m e e mb e d d e d s y s t e m J I n t e rna t i o n a l J o u r n al o f S o f t w a r e E n g i n e e r i n g&K n o w l e d g e E n gi n e e ri n g，2 0 0
25、5，1 5 (2)：4 6 1-4 6 6 5 L U O X i a o h u a，Z H E N G K o u g e n，P A N Y u n h e，e t a 1 A T C P I P i mp l e me n t a t i o n for w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s C P r o c e e d-i ng s o f 2 0 04 I EEE I n t e rn a t i o na l Co n f e r e nc e o n S y s t e ms，Ma n a n d Cy b e rne t i
26、 c s，2 0 04：6 081-6 08 6 6 L A G R A N G E X，G O D L E WS K I P，T A B B A N E S G S M 网络与 G P R S M 顾肇基，译北京：电子工业出版社，2 0 0 2：1-45 7 S H E N Q i n g g u o P e r f o r ma n c e o f V o l P o v e r G P R S C P r o c e e d i n g s of 1 7t h I n t e rna t i o n a l Co nfe r e n c e o n Ad v a n c e d I nf
27、o r ma t i o n Ne t wo r ki ng an d App l i c a t i o ns，20 0 3：61 1-61 4 8 刘沛骞，陈俊杰，王成文，等基于 G P R S的配电变压器 实时监控一体化系统 J 电网技术，2 0 0 5，2 9(6)：8 2 8 4 9 梁红玉，马旭林浅谈现代电子技术在我国气象领域中的 应用与发展 J 山西气象，2 0 0 1(1)：4 3 46 韩国华(1 9 6 9 )，女，工程师，主要从事物理实验教学工作。(下转第 6 4页)5 7 技术应用 信 息 化 研 究 2 0 0 9年 9月 令；列车到站时，应该下达停站时间以及站间运行
28、时间 等。这样，A T S系统的主要功能(自动排列进路、列车 跟踪、列车时刻表信息)在高容车辆的情况下，可以方 便地得到测试结果。b h s 一一 盛 0 曲 女 萎 翻 崎 紫 嘲黎 g g 隧 H 目 l 酬 器 簦 h$#5 嚣 露 E t 辩 g ，H 篓 茹 一 J 麓“一 i：一一 ：二：一 ：a一。嚣 _：“i _ h 轴 f。j 图 5 场景运行界面 6 结束语 A T S系统的容车量是一项重要的性能指标，通过 上述方案可以准确地对该项指标进行验证。另外，该 方案可复用性强，易扩展，测试成本相对较低，因此在 信号系统等相关行业中值得推广。参考文献 1 1 C E N E L E
29、 C C E N E L E C S t a n d a r d s E N 5 0 1 2 6 S 1 9 9 9 2 刘群策L o a d R u n n e r 和软件项目性能测试 M 北京：电 子工业出版社，2 0 0 8 3 陈邵英，刘建华，金成姬Loa d R u n n e r 性能测试实战 M 北京：电子工业出版社，2 0 0 7 4 陈邵英，金成姬，冯艳硕【J0 a d R u n n e r 虚拟用户开发指南 M 北京：电子工业出版社，2 0 0 9 刘支援(1 9 7 8 )，男，助理工程师，主要从事列车 自动监控 系统、安全平 台、联锁 系统、车载 系统等信号领域 的相
30、 关测试。S y s t e m Pe r f o r m a n c e An a l y s i s a n d Re a l i z a t i o n M e t h o d o f ATS S y s t e m Ba s e d o n Lo a d Ru n n e r LI U Zhi yu a n(N a n j i n g N R I E T I n d u s t r i a l C o L t d，N a n j i n g 2 1 1 1 0 6，C h i n a)Ab s t r a c t：Ba s e o n a n a c t u a l s y s t e
31、 m，t h i s p a p e r s u mma riz e s t h e p e r f o r ma n c e a n a l y s i s a n d r e a l i z a t i o n me t h o d o f ATS s y s t e m b a s e d o n L o a d Ru n n e r，wh i c h e x a c t l y c h e c k s s y s t e m p e rfo r ma n c e b e f o r e r u n n i n g o f me t-r o a n d p r e v e n t s m
32、e t r o o p e r a t i o n f r o m s e rio u s d a ma g e s d u e t o s o f t wa r e d e f e c t s L i k e wi s e，t h i s me t h o d a v o i d s b u i l d i n g c o mp l e x a p p l i c a t i o n e n v i r o n me n t a n d r e d u c e s t e s t i n g c o s t Th e p r o c e s s o f p e rfo r ma nc e t
33、 e s t i n g f o r Au-t o m a t i c T r a i n S u p e r v i s i o n(A T S)，r e l a t e d t o d e s i g n，i m p l e m e n t a t i o n a n d r e s u l t a n a l y s i s a r e i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r Th e k e y t e c h n i q u e i s c r e a t i n g t h e l o g i c a l t e l e g r a m
34、a n d s e nd i n g t h e m wi t h de fin i t e l o g i c b y Lo a d Ru n n e r t o o 1 S o i t c a n e v alu a t e we l l h o w ma n y o n l i ne e a r s ATS c a n s u p p o i n t h e c a s e o f n o r ma l a n d e x t r e me s i t u a-t i o n Ke y wo r ds：a u t o ma t i c t r a i n s up e r v i s i
35、 o n；p e rfo r ma n c e t e s t i ng；Lo a d Ru nn e r 釜整 盎些 盘 些 是警 迄篓(上接第5 7页)啦 p 0 Re mo t e Vi d e o M o n i t o r i n g S y s t e m Ba s e d o n ARM 7 蛙塞蛙耋 蛙 畦 谶 耋 啦耋蜷耋 HAN Gu o h u a ，DU Yo n g g u i (1 D e p a r t m e n t o f P h y s i c s，C o l l e g e o f S c i e n c e，T a i y u a n U n i v e
36、 r s i t y o f T e c h n o l o g y，T a i y u a n 0 3 0 0 2 4，C h i n a；2Co l l e g e o f I n f o r ma t i o n，Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f Te c hn o l o g y，T a i y u a n 0 3 0 0 2 4，C h i n a)Ab s t r a c t：Th i s pa p e r p r e s e n t s a v i d e o mo ni t o rin g s y s t e m o f l o w p o
37、 we r c o ns u mp t i o n b a s e d o n a n ARM7 mi c r o p r o c e s s o r L PC 2 4 78T hi s s y s t e m i s d e s i g ne d t o mo n i t o r e l e c t ric p o we r l i n e s a n d e nh a n c e t h e i r s a f e t y r e mo t e l y a n d i n r e a l t i me Th e mo ni t o rin g s y s t e m c o n s i s
38、 t s o f a L PC2 47 8 a s t h e MCU，t h e p o we r s u p p l y，t h e v i d e o c o d i n g，t he we a t h e r s e n s o r s a n d wi r e l e s s c o mmu n i c a t i o n u ni t Th e mo n i t o rin g c e n t e r c o n t r o l s t h e s u b o r d i n a t e s u b s y s t e ms t o c o l l e c t t h e d a
39、t a o f t h e fi e l d v i d e o a n d w e a t h e r b y w i r e l e s s n e t wo r ka n d ma k e s c o l r e s p o n d i n g p r o c e s s i n g Th i s s y s t e m h a s a l r e a d y be e n o p e r a t i n g i n p r a c t i c e a n d wo r k s we l 1 Ke y wo r d s：ARM7；l o w p o we r c o n s u mp t i o n；r e mo t e v i de o mo n i t o rin g；GP RS 6 4