基于PCI总线的视频监控系统设计.pdf

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1、V I D E OE N GI N E E R I N GN o.2 V o l.3 1 2 0 0 7(S u mN o.2 9 8)文章编号:1 0 0 2-8 6 9 2(2 0 0 7)0 2-0 0 8 1-0 4基于 P C I 总线的视频监控系统设计廖军,周鄂林,管庆(电子科技大学-美国德州仪器D S P s技术中心,四川 成都6 1 0 0 5 4)【摘要】介绍了一种基于T IT M S 3 2 0 D M 6 4 2的P C I总线的视频监控系统的设计和实现,它可实时处理两路模拟摄像机数据或两路I P摄像机数据,对系统软硬件构成进行了分析,在T I的I O M硬件驱动模型上用

2、R F 5架构进行了系统任务调度,试验结果表明该系统能实时对多路图像数据运行监控算法,并将监控结果通过P C I总线传送给主机,可方便完成本地存储和远程监控,为各种视频监控算法提供了有效的软硬件平台。【关键词】T M S 3 2 0 D M 6 4 2芯片;P C I总线;C I F图像;I P摄像机;远程监控;I O M驱动模型【中图分类号】T P 2 7 7【文献标识码】BD e s i g no fP C IV i d e oMo n i t o r i n gS y s t e m B a s e do nT MS 3 2 0 D M6 4 2L I A OJ u n,Z H O UE

3、-l i n,G U A NQ i n g(U E S T C-T e x a sI n s t r u m e n t sD S P sT e c h n o l o g yC e n t e r,S i c h u a nC h e n g d u6 1 0 0 5 4,C h i n a)【A b s t r a c t】T h ed e s i g na n di m p l e m e n t o f P C Iv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do nT I sT M S 3 2 0 D M 6 4 2i si n t

4、r o d u c e d,w h i c hc a np r o-c e s st w o-c h a n n e la n a l o gc a m e r ao rt w o-c h a n n e lI Pc a m e r av i d e os t r e a m.T h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ec o r es y s t e m m o d u l e si sd i s-c u s s e d,i n c l u d i n gt a s ks c h e d u l eb a s e do nT I sR F 5f r a m

5、 e w o r ka n dI O M m i n i-d r i v e r.T h ee x p e r i m e n t r e s u l t si n d i c a t et h a t t h i ss y s-t e m c a np r o c e s sm o n i t o r i n ga l g o r i t h m f o rm u l t i p l e xv i d e os t r e a m a n dt r a n s f e rm o n i t o r i n gr e s u l t st ot h eh o s t t h r o u g h

6、P C Ib u si nr e a lt i m e.I ti sc o n v e n i e n tf o ru s e rt oc o m p l e t et h ef u n c t i o n so fl o c a l-s t o r a g ea n dr e m o t em o n i t o r i n g,a n dp r o v i d e su s e ra ne f f e c t i v es o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r m f o rv i d e om o n i t o r i n ga

7、l g o r i t h m.【K e yw o r d s】T M S 3 2 0 D M 6 4 2;P C Ib u s;C I Fi m a g e;I PC a m e r a;r e m o t em o n i t o r i n g;I O M 实用设计 1引言近几年来,视频监控系统的发展出现了以下趋势:从模拟监控转向数字监控;从落后的现场监控转向先进的远程监控;从有人值守监控转向无人值守监控。本文介绍的基于T I T M S 3 2 0 D M 6 4 2(以下简称D M 6 4 2)P C I总线的视频监控系统可同时满足数字监控、远程监控和无人值守监控的要求,并能在该平台

8、上灵活移植各种视频监控算法。2系统结构设计2.1系统设计目标以T I高性能图像处理芯片T M S 3 2 0 D M 6 4 2为核心,搭建了视频监控硬件平台并完成驱动开发,还搭建了基于T IR F 5参考框架的D S P软件平台。系统能同时采集两路分辨率为P A LD 1 7 2 0 5 7 6/2 5f/s的视频流(模拟或网络摄像头均可),并能对采集的图像数据运用监控算法进行实时处理。视频监控板卡作为计算机的P C I设备,通过P C I接口同计算机完成控制、数据等信息交换。2.2系统设计特点系统结构框图如图1所示。整个监控系统分为D M 6 4 2模块、监控算法控制台模块、模拟摄像机模块

9、和I P摄像机模块。1)D M 6 4 2模块运行视频监控算法,与外围设备通信。2)监控算法控制台模块位于P C机端,包括规则管理工具和警报控制台两个子模块。规则管理工具设定安全规则,并将用户设定的安全规则作为参数由P C I总线传递给D M 6 4 2中的监控算法;警报控制台显示从D M 6 4 2中传过来的违背安全规则的图像警报并存储。图1系统结构框图模拟摄像机网络摄像机P C端软件P C机网卡P a n a s o n i cS D K解码A X I SS D KP C I图像传输网络摄像机管理A P I规则管理工具警报控制台监控算法软件开发套件监控服务器传感器P C I传输队列P C

10、I监控卡R T C/Wa t c hD o gF L A S HS D R A NM C UE M I FP C ID M 6 4 2I2CV P 1V P 0视频解码器1视频解码器0P C I总线T C P/I P网络Ap p l i c a t i o n&p r o j e c to fv i d e ot e c h n o l o g i e s8 12 0 0 7年第3 1卷第2期(总第2 9 8期)3)模拟摄像机模块实时拍摄图像,通过视频解码器转换为数字图像,再通过D M 6 4 2的V P O R T(V i d e oP o r t)传给D S P,在D S P中运行视频监控

11、算法,可智能地实时监视安全事件并对违背安全规则的产生图像警报,通过P C I总线传到P C机的警报控制台。4)I P摄像机实验表明,输入一路帧率为1 0f/s的C I F(3 5 2 2 8 8)格式图像到D M 6 4 2,并运行视频监控算法时,D S P占用率为3 0%左右,如果在D M 6 4 2端进行图像解码会导致D S P端算法负载过重。因此,I P摄像机的设计方案是由计算机接收M o t i o nJ P E G,M P E G-4或H.2 6 4等格式视频数据流,并完成至Y U V或R G B格式的图像解码,再通过P C I总线与视频监控卡交换数据。本系统的硬件设计把本地监控和远

12、程监控有效地融合在一起,避免了大规模长距离布线带来的不便;以D M 6 4 2为核心,使系统具有57 6 0M i n s t r u c t i o n/s计算能力,且实时;采用P C I板卡设计和计算机互连,增加了该系统的可移植性,若一台计算机同时在5个P C I插槽上插上该板卡,最多可同时监控1 0路视频流,由计算机进行数据存储也很方便。系统软件框架基于T IR F 5之上,各种监控算法可灵活地兼容,可移植性强,如果在D S P端运行智能监控算法模拟人工视觉,可有效地实现无人值守,弥补模拟监控需要人工职守的先天性不足。3系统的硬件实现系统硬件功能模块包括核心模块D M 6 4 2D S

13、P、视频输入采集模块、外部存储模块、P C I接口模块、算法加密模块以及电源管理模块等。即由1片T I T M S 3 2 0 D M 6 4 2(D S P)、2片T IT V P 5 1 5 0 A(视频A/D芯片)、2片M i c r o nM T 4 8 L C 8 M 3 2 B 2 T G-7 F(S D R A M)、1片S P A N S I O N S 2 9 GL 0 6 4 M 9 0 T A I R 4(F L A S H)、1片M i c r o c h i p P I C 1 8 F 2 6 2 0(M C U)和2片T IT P S 5 4 3 1 0 P WP(

14、电源管理芯片)组成。3.1 D M6 4 2D S P模块本模块采用T I推出的7 2 0 M H zT M S 3 2 0 D M 6 4 2D S P芯片,主要功能是对采集到的数字视频流运行监控算法并实现与P C机的交互。其主要外围设备包括:3个V P O R T;1个V I C;1个1 0/1 0 0 M b i t/sE M A C;1个M D I O;1个M c A S P;1个I2C总线模块;2个M c B S P;3个3 2位T i m e r;1个用户可配置的1 6/3 2位H P I接口;1个3 2位主/从P C I接口;1个1 6针G P I O;1个6 4位E M I F

15、;1个具有6 4路独立通道的E D M A等 1。3.2视频输入解码模块本模块由2片T V P 5 1 5 0 A视频解码芯片组成,其主要功能是将模拟摄像机输入的模拟数据进行视频解码,转换成B T.6 5 6流格式。该模块视频采集的数据格式为Y U V 4 2 2,采集的数字视频数据通过D M 6 4 2V P O R T端口送入缓冲区(51 2 0B y t e),由自己的时钟控制,当采集完一场数据时产生D M A中断,并在D M A中断服务程序里根据实际情况完成相应的视频处理,将处理后的数据输出到外部S D R A M 2。3.3外部存储模块本 模 块 主 要 包 括2片M i c r o

16、 n公 司 的S D R A M(M T 4 8 L C 8 M 3 2 B 2 T G-7 F)、1片S P A N S I O N公 司 的F L A S H(S 2 9 G L 0 6 4 M 9 0 T A I R 4)。板卡上D M 6 4 2处理器连接了两片3 2位的S D R A M,用来存储程序、数据和视频信息。连接一片F L A S H用于存储D S P自启动代码,其容量为8M b y t e,配合C P L D逻辑完成并行8位模式的系统自举过程。E M I F总线时钟由外部P L L设备控制输入,能在1 3 3M H z稳定运行。3.4 P C I模块D M 6 4 2片内

17、集成了一个主/从模式的P C I接口,支持P C I2.2规范,通过P C I总线能够实现D S P与计算机的数据交互。计算机可通过D M 6 4 2的P C I接口访问整个片内R A M以及外部存储器。3.5算法加密及电源模块系统采用一片M C U芯片配合C P L D逻辑完成对F L A S H自启动数据的加密。D S P的电源模块主要给D M 6 4 2及外围芯片提供所需的1.4V,3.3V,5V,1.8V,4.1V电源。4系统的软件实现4.1 P C端软件设计4.1.1 P C I数据传输结构框图在本设计的目标平台中,P C I读写模式采用从模式,即计算机是主设备,D M 6 4 2是

18、从设备。数据传输采用D M A方式。为实现P C与D S P的数据交互同步,需在P C与D S P端开辟一系列缓冲区,具体方式如下:1)在D M 6 4 2端的S D R A M中开辟2个2 0 0 K b y t e的用于P C读数据的读缓冲区(R B 0和R B 1),2个2 0 0K b y t e的用于P C写数据的写缓冲区(WB 0和WB 1),实现乒乓缓冲机制。同时开辟一个用于存放数据起始地址、数据长度、数据类型等信息的2 4b y t e的P C读数据消息队列(R Q),一个2 4b y t e的P C写数据消息队列(WQ),用于P C和D S P之间的数据传输同步 3。2)在P

19、 C机端用内存分配函数开辟一个2 0 0 K b y t e的主机读/写缓冲区(H B)。P C和D S P在约定的缓冲区里进行数据交互,其P C I数据传输结构框图如图2所示。视频技术应用与工程8 2V I D E OE N GI N E E R I N GN o.2 V o l.3 1 2 0 0 7(S u mN o.2 9 8)4.1.2 P C与D S P交互数据流程在P C端软件中通过调用Wi n d o w s的S e t T i m e rA P I定时函数来控制P C读写图像数据的帧率。P C机作为主设备读写D S P的数据,其读写流程如图3所示。4.2 D S P端软件设计

20、D S P端的软件设计基于T ID S P实时操作系统D S P/B I O S,完成系统资源管理和任务调度,包括I O M硬件驱动和R F 5架构。4.2.1 I O M驱动I O M是遵循T I建议的类/微驱动分层的设备驱动模型,采用该模型进行驱动程序开发,应用程序可复用绝大部分相似设备的驱动程序,从而提高驱动程序的开发效率。类/微驱动模型结构如图4所示。该模型在功能上将驱动程序分为依赖硬件层(微驱动)和不依赖硬件层(类驱动)两层,并在两层之间给出通用接口。上层的应用程序不直接控制微驱动,而是通过类驱动对其进行控制。每一个类驱动在应用程序代码中表现为一个A P I函数,并通过标准微驱动的接

21、口I O M与微驱动进行通信。其中G I O模块基于流输入输出模块的同步I/O模式,更适合文件系统I/O,如视频采集和P C I应用。因此,对于D M 6 4 2芯片内部3个可配置的视频端口,使用通用输入输出模块G I O实现驱动。4.2.2基于D S P/B I O S的R F 5架构T I的D S P软件参考架构R F 5面向高密度的多通道、多算法系统应用,总内存消耗要大于R F 1和R F 3,它基于D S P/B I O S构架和T M S 3 2 0 D S P算法标准,在本系统的D S P端完成任务管理和算法集成。操作系统首先完成系统初始化,包括D S P初始化、R F 5模块和通

22、道初始化,然后,使用D S P/B I O S的任务管理器调度3个任务,任务间使用S C O M模块通信 4。1)模拟摄像机输入任务t s k I n p u t该任务调用I O M驱动提供的F V I D _ e x c h a n g eA P I完成采集C I F(3 5 2X2 8 8)图像帧。采集到的数字图像帧为Y U V 4 2 2格式,也可根据实际情况转换为Y U V 4 2 0格式,并将该数字图像帧放入由R F 5指定的存储空间,再将该数字图像帧的起始地址指针通过S C O M消息队列发送给主处理任务t s k P r o c e s s,然后等待从t s k P r o c

23、e s s返回的消息来继续下一次的周期性操作。2)主处理任务t s k P r o c e s s主处理任务完成系统的监控与维护算法以及信号处理算法。主处理任务t s k P r o c e s s使用“c h a n n e l”顺序执行“c e l l”。每一路视频输入(包括A n a l o gC a m e r a输入和I PC a m e r a输入)在t s k P r o c e s s中使用一个c h a n n e l。c e l l使用标准的c e l l接口,任何遵循T I推荐的标准设计T M S 3 2 0D S P算法模块都可集成到这里,使用c e l l接口申请存储

24、器及D M A等系统资源,然后依次运行。主处理任务t s k P r o c e s s使用c e l l接口集成智能监控算法,分析检测安全事件,如果检测到警报,则对该图像帧的违规物体进行跟踪处理,并将该图像帧送入指定的存储空间,同时再修改D S P与主机间通信的读数据消息队列R Q来通知主机接收该图像帧,然后通过S C O M消息队列来进行下一帧的相关操作。3)P C I接收任务t s k P C I r x该任务接收来自主机的I PC a m e r a数字图像帧或规Ap p l i c a t i o n&p r o j e c to fv i d e ot e c h n o l o

25、g i e s8 32 0 0 7年第3 1卷第2期(总第2 9 8期)则管理工具中的相应安全规则,并存储到R F 5指定的存储空间,再将该数据帧的起始地址指针通过S C O M消息队列发送给主处理任务t s k P r o c e s s,同时修改D S P与主机间通信的写数据消息队列WQ,通知主机可继续向D S P发送图像帧或规则,然后等待主机对D S P的硬件中断产生的旗语和从t s k P r o c e s s返回的消息,在这两者的共同作用来继续下一次的周期性操作。5系统运行效果5.1系统硬件运行效果其硬件运行详细指标如表1所示。5.2系统软件运行效果P C配置:赛扬2.4 G H

26、z;2 5 6 M b y t e内存;Wi n d o w s 2 0 0 0操作系统。在P C机上插上P C I视频监控卡作监控测试。图5所示为D S P没有运行监控算法,将模拟摄像机和I P摄像机采集的图像作直通测试所得的截图,截图的左上方是模拟摄像机采集的图像,右上方为I P摄像机采集的图像;图6所示为D S P端对模拟摄像机采集的图像运行动目标检测算法后的截图。算法截取白色的背景为背景帧,当有物体进入此背景,算法即能检测并捕获到此物体,并由用户自定义的颜色显示出来。由此可见,本系统软硬件工作正常,能完全满足数字化、远程化和无人值守的监控要求,并且用户在此平台上可灵活地进行算法移植以满

27、足各种场合的监控需要。6总结此项研究主要基于D M 6 4 2设计与实现了P C I视频监控系统。本系统结构设计简单,开发成本低,能灵活与各种视频监控算法、图像处理算法对接,可方便地完成本地存储和远程监控,同时本系统软硬件可扩展性强,升级空间大,升级后能广泛应用在以下场合:1)无须改动硬件,只需修改D S P软件,调用M P E G-4,H.2 6 4等图像编码库,可成为一个视频编码器,编码图像存储于计算机中,可作为一个D V R。2)如果使用P C I卡型D V R厂商提供的S D K,无需改动硬件,在计算机端开发客户端软件,通过P C I总线读取D V R的图像流,送至D M 6 4 2P

28、 C I卡进行处理即可成为智能D V R。3)紧缩芯片布局,使用较小的封装,按照网络摄像机提供的接口协议修改,将该P C I卡接口和将整个P C I卡作为网络摄像机的插卡,即可成为智能网络摄像机。可见,本系统是基于数字监控、远程监控、无人值守监控的新一代视频监控平台,十分适用于银行、交通、机场、小区等场合的智能视频监控。参考文献 1 李方慧,王飞,何佩琨.T M S 3 2 0 C 6 0 0 0系列D S P s原理与应用 M .北京:电子工业出版社,2 0 0 4.2 何泉,熊炜.基于D M 6 4 2的视频压缩板卡的设计与实现 J .计算机测量与控制,2 0 0 6,1 4(2):2 5

29、 0-2 5 2.3 何慧颖,胡越明,蒋嫣枫.基于D S P的P C I总线数据传输的实现 J .计算机工程,2 0 0 4,3 0(1 2):4 9 7-4 9 9.4 彭启琮,管庆.D S P集成开发环境-C C S及D S P/B I O S的原理与应用 M .北京:电子工业出版社,2 0 0 5.!作者简介:廖军(1 9 8 2-),硕士生,主研数字信号处理;周鄂林(1 9 8 1-),硕士生,主研高速实时信号处理;管庆(1 9 6 8-),副教授,使用T I的C 2 5,C 3 0,C 3 2等器件完成了几十项D S P应用,曾参加“D S P技术”课程的设计、建设与实践,获该年四川

30、省优秀教学成果一等奖,荣获2 0 0 1年国家级教学成果二等奖。责任编辑:刘伯义收稿日期:2 0 0 6-1 2-2 1表1 P C I视频监控系统硬件指标硬件性能指标视频输入复合视频图像分辨率:P A LD 1 7 2 0 5 7 6/2 5f/sN T S CD 1 7 2 0 4 8 0/3 0f/s输入接口:B N C连接器I P摄像头图像分辨率:P A LD 1 7 2 0 5 7 6/2 5f/sN T S CD 1 7 2 0 4 8 0/3 0f/s视频压缩:M o t i o nJ P E G/M P E G-4有效输入组合P C I最大带宽消耗2路A n a l o g C

31、 a m e r a输入4.5M b y t e/s2路I PC a m e r a输入9M b y t e/s1路A n a l o g C a m e r a+1路I PC a m e r a输入6.7 5M b y t e/s存储器处理器P C I接口 3 2b i t/3 3M H z,理论带宽1 3 2M b y t e/s通过P C I访问S D R A M,最大读速度9 2M b y t e/s,最大写速度5 0M b y t e/s功耗/W1 0P C机最低配置P I I I C P U1G H z,2 5 6M内存操作系统支持Wi n d o w s 2 0 0 0(S P 2)或Wi n d o w s X P动态存储器S D R A M/b i t8M 6 4F L A S H存储器/b i t8M 8D S P芯片T M S 3 2 0 D M 6 4 2,B G A 5 4 8封装D S P工作电压/VI/O电压3.3,核电压1.4D S P内部工作时钟/M H z7 2 0(1.6 7n s)D S P计算能力/(M I n s t r u c t i o n/s)57 6 0D S P外部总线时钟/M H z1 3 3D S P引导方式从F L A S H引导或从P C I接口引导图5视频图像直通测试图图6动目标检测算法测试图视频技术应用与工程8 4