基于DSP的远程视频监控系统的研究和实现.pdf
第22卷第5期湖 北 工 业 大 学 学 报2007年10月Vol.22 No.5Journal of Hubei University of TechnologyOct.2007收稿日期 2006-09-18作者简介杨 凡(1980-),女,湖北黄石人,广东女子职业技术学院,工学硕士,研究方向:计算机控制.文章编号 1003-4684(2007)0520025204基于DSP的远程视频监控系统的研究和实现杨 凡1,李 祥2,涂 军3(1广东女子职业技术学院现代教育技术中心,广东 广州511450;2湖北工业大学电气与电子工程学院,湖北 武汉430068;3湖北工业大学计算机学院,湖北 武汉430068)摘 要以基于DSP的视频图像压缩系统作为研究对象.为实现电视监视系统,利用DSP构成一个能在信源端对全电视信号进行采集和压缩并可以通过电话线来传输的远程监视系统.整个流程可分成初始化、图像采集、压缩编码和数据传输4个主要模块.通过视频采集电路完成图像数据的采集;采用DSP芯片C5402实现图像压缩.关键词 TMS320VC5402;视频采集;视频压缩中图分类号 TP273文献标识码:A 随着家庭安全意识的增强,家用监控系统的需求逐渐增大.由于传统监视设备通常是对模拟信号进行处理、存储和传输故而在安装和使用上有很大的不便,其推广受到很大的限制.针对这种情况,提出了一种基于DSP的远程视频监控系统1.本系统采用廉价的TMS320VC5402DSP以及一些通用器件来实现图像的压缩和传输.把摄像头传来的视频信号数字化、压缩处理后通过MODEM传到网络实现远程监控2.这样无论使用者在何处,只要拨打电话激活系统就可以通过网络收到实时视频信号.1 系统整体结构系统运用PC机为控制台,通过电话线实现远程监视.用户在控制台运行自编监视软件,通过Modem向远程拨号并传输密码.监视端被激活并验证密码后,接通主电源.监视端上电后开始采集数据、图像压缩并传输.控制台收到信号在显示器上显示.系统框图见图1.2 系统硬件结构分析监视端以TI公司的TMS320C5402数字信号处理器为核心,配置一些外围器件组成一个独立的图像压缩和传输终端,具有成本低、编程灵活和可靠性高等优点.除C5402 DSP3外,电路还包括电话接口电路、视频采集电路、扩展存储器、扩展输入/输出口、数据传输接口电路和电源等.图1 系统框图2.1TMS320VC5402的特点定点DSP芯片,时钟频率100 MHz,性价比极高.C5402片内有8条数据或地址总线,构成增强型哈佛结构的总线系统.片内ROM可配置为程序/数据存储器.片内提供多种集成外设4.2.2 存储器配置C5402的内部仅有16 KB的随机存储器和4KB Word的只读存储器,不能满足需要,因此扩展了512 KB的帧缓冲器用来存放原始图像数据,并且扩展了32 KB的Flash ROM用来存放应用程序,二者都映射到C5402的外部数据空间.由于C5402的数据空间仅为64 KB Word,因此采用内存页扩展技术,将外部数据空间分为16页,每页32KB.用C5402的一个扩展输出口作为扩展内存的页选择信号,选择016页.用C5402的A15脚控制扩展存储器片选信号的产生,当A15=0时选择片内DARAM,当A15=1时选择片外SRAM.存储器的配置如图2所示.图2 存储器扩展系统硬件复位时,输出口Q0为低电平,自动选中U14(AT29C256),C5402将U14中的应用程序加载到片内DARAM中.加载结束后将Q0置位,选中U17(CY7C1049),DSP用A0A15和输出口Q1Q4来寻址512 KB的数据存储器.本系统的数据存储器配置如下.片内:16KB,DARAM;地 址 为0000 h3FFFh.片外:32 KB,Flash ROM;地址为8000 hFFFFh(Q0=0).片外:512KB,SRAM;地址为n8000 hnFFFFh(Q0=1,n=016).2.3 视频采集电路根据本监视电路的目的和价格要求,采集电路由视频缓冲器5、高速A/D转换器和行、场同步分离电路等组成.2.3.1 视频缓冲器5 来自摄像机的标准黑白全电视信号的幅度为1 VP2P,要送往A/D转换器和行、场同步分离电路,而A/D转换器的满量程为2 V,因此需要视频缓冲器对全电视信号进行阻抗匹配和电压放大,并能对全电视信号进行黑电平调整.图3中,视频放大器U8构成视频缓冲器6,增益为+2;调整电阻W1可以调整输出信号的直流电平,从而实现对黑电平的调整;R16是输入匹配电阻,阻值大小由信号源决定,本电路中为75.2.3.2A/D转换 A/D转换器采用TI公司的TLC5510芯片7,TLC5510为8 bit、20 MSpS的高速并行A/D转换器.将参考低电压设定为0.6 V,参考高电压设定为2.6 V,这样满量程为2 V,当输入电压为0.6 V时,A/D转换的数据为0,当输入电压为2.6 V时,A/D转换的数据为255.图3 视频采集电路TLC5510有一个转换时钟输入端(CL K)和一个片选端(OE).CL K的下降沿启动A/D转换,一次A/D转换需要2.5个CL K周期,即第1个CL K的下降沿启动A/D转换后,要等第3个CL K的上升沿出现时,第一个A/D转换数据才会准备好.当片选信号(OE)为低电平时,A/D转换数据输出到外部数据总线上,供DSP读取.本系统将CL K和OE与DSP的输出引脚XF相连,通过XF控制TLC5510采样.TLC5510的时序图见图4.图4TLC5510时序图2.3.3同步分离电路 同步分离电路采用LM1881,该器件能接收PAL制、N TSC制和SE2CAM制的全电视信号,输出复合同步信号、垂直同步信号、奇、偶场信号和色同步旗形脉冲信号.C5402根据奇、偶场信号找到一场图像的开始,做好采集图像数据的准备,当行同步脉冲信号到来时,C5402响应行中断(INT0),连续采集一行图像数据.2.4 输入/输出口扩展C5402仅有一个输入引脚BIO和一个输出引脚XF,因此要扩展并行输入/输出口.为了简化接口电路,提高I/O口寻址速度,本系统没有使用速度较慢的并行接口芯片8255(8255读/写时间为300 ns),而采用了通用高速芯片74AHCT244和74F273来 分 别 扩 展 输 入 口 和 输 出 口.U11(74AHCT244)为输入口,用来读取本电路板上的开关信号和外部设备的输入信号;U13(74F273)为输62湖 北 工 业 大 学 学 报2007年第5期 出口,复位时自动清零,Q0=0选择外部只读存储器,Q0=l选择外部随机存储器,Q1Q4用作扩展数据存储器的页选择信号,Q5Q7用来驱动本电路板上的发光管.C5402 DSP的地址信号、I/O口选通信号及读/写信号直接送给U9(74AHCT138),得到I/0口片选信号,可选择8个端口.2.5 数据传输接口虽然C5402有2个多通道缓冲串行口(McB2SP),但是DSP压缩图片需要花费大量的资源和CPU时 间.而Modem的 上 行 速 度 最 高 为33.6 kbps,属于慢速设备.如果用DSP内部的串行口,则需插入很多等待周期.这势必影响DSP的图片压缩速度8.所以用串行异步收发器TL16C550C来完 成 与Modem的 连 接.DSP把 数 据 传 到TL16C550C就可以去处理图片数据,这大大提高了DSP的效率.2.6 电源电路监视电路的输入电源为5 V直流电源,而C5402采用3.3 V和1.8 V电源供电,其中I/O采用3.3 V供电,芯片内核电压采用1.8 V供电.所以必须采用电源转换芯片.这类芯片很多,笔者采用TI公司专为DSP设计的电源转换芯片TPS73XX系列的TPS73H3189,这里不作多的介绍.3 系统软件结构分析软件设计主要分为2部分:1)远程控制台的监视软件;2)监视端的软件设计.用户在远程控制台使用系统时,首先在WINDOWS操作系统下调用监视软件.然后DSP开始控制A/D采样、J PEG压缩并通过接口发送压缩后的数据.PC接收到数据后解码并显示出来.如果需要存储,则保存到存储器并加入时间信号.这就是整个系统正常工作时的流程.3.1 控制台流程图控制台的监视软件涉及WINDOWS编程,采用VISUAL C+开发.整个软件的设计主要是WINDOWS串口编程.VC有串口的基础类库可以使用.控制台流程如图5所示.3.2 监视端流程图监视端也可分为MCU和DSP的编程.MCU主要是控制DSP系统的开关.因此MCU必须长期处于工作状态.MCU使用的是at89c5110,它有两个外部中断INT0和INT1.INT0主要用于振铃的检测.当有电话呼叫时,引起INT0中断,转入中断处理程序(图6).中断处理程序先关闭INT0,再开启INT1中断允许位,准备接受密码.INT1与8870的STD相接,进入中断时,已经解完码,只需读入即可.如密码正确,就通过继电器打开主电源,系统开始工作.另外,把“#”号专设为关机指令.DSP系统主要任务是实现视频图像的压缩编码11,程序流程如图7所示.图7 主程序流程图可分成初始化、图像采集、压缩编码和数据传输4个主要模块.系统上电或复位后,初始化并接收A/D转换模块发送过来的数据.再根据同步分离电72 第22卷第5期 杨 凡等 基于DSP的远程视频监控系统的研究和实现路提供的行场同步信号,提取一个帧的数据,存入帧缓冲器.帧数据经过分块、归一量化、直流分量预测和霍夫曼编码后,成为J PEG格式的图片(详细程序略)12.压缩编码后,DSP利用调制解调器拨号上网,发送给监视端,实现实时监控.4 结语结合视频压缩快速算法原理和C5402的指令特点,用DSP较好地实现了视频图像的压缩.采用并行机制,DSP能在处理图像的同时检测主机命令或者发送图像数据,将压缩卡的处理能力提高将近1倍.可以创造很好的经济效益.参 考 文 献 1 苏 涛,吴顺君,廖晓群.高性能数字信号处理器与高速实信号处理M.北京:高等教育出版社,1999:10-14.2 郑君里.杨为理,应启珩.信号与系统 M.北京:高等教育出版社,1996:12-16.3 胡广书.数字信号处理理论、算法与实现 M.北京:清华大学出版社,1996:4-11.4 奥本海姆A V,谢弗R W,巴克J R,等.离散时间信号处理M.西安:西安交通大学出版社,1996:8-12.5 Daniel Cassiday.In Finiband Architecture Tutorial.HotChips 12 T utorialR.s.l.,2000.6Andrew Lockey.S to Rageover the Infinib and FabricR.In tel Developer Forum,Mar1,2001.7 王念旭.DSP基础与应用系统设计 M.北京:北京航空航天大学出版社,2000:38-46.8 李朝清.单片机原理及接口技术M.北京:北京航空航天大学出版社,2001:18-19.9 章 云,谢莉萍.DSP控制器及其应用M.北京:机械工业出版社,2002:23-26.10程佩青.数字信号处理教程M.北京:清华大学出版社,2002:184.11 Pawlowski B,S hepler S,Beame C,et al.2000 The NFSV Ersion4 ProtocolR.In Second International Sys2tems and Networking(SANE)Conference.Intel Devel2oper Forum:Administration,2000.12 Howard J H.An 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