节能型视频监控终端的设计

摘要： 设计了一种节能型视频监控终端。该终端以TMS320DM642 芯片为核心，在摄像头、图像解码芯片TVP5150、红外传感器等外围芯片的协助下， 能有效监控区域人员出入情况， 并仅在有人员进入监控区域时才开始视频图像的采集、处理、传输等，既达到了监控目的，又节约了部分电能。

视频监控系统越来越多地走进人们的生活， 系统节能也是电子系统必须考虑的一个重要参数。对一个少有人出入的场合， 采用不间断的实时监控不仅没有必要，也会浪费很多的电能。针对这种情况， 本文设计了一个无人值守的智能监控终端。在没有人进入监控区域时，监控终端处于低能耗的休眠状态； 当红外传感器检测到有人进入监控区域时， 终端被唤醒并开始摄像， 同时将处理后的视频信号经过网络传输到监控中心， 为中心值班人员提供判断依据。对于出入人员较少的场合， 利用该监控终端可以有效减少系统能耗， 减少传输、保存的数据量， 而且不会错过监控对象。

1 终端工作原理及总体框图

终端的总体框图如图1 所示， 在没有人员进入监控区时， 系统处于休眠、节能状态， 当红外传感器检测到有人员进入监控区域时， 产生外部中断， 中央处理器TMS320DM642 在接收到外部中断时立即启动各模块进行图像的采集、处理、传输等。

图1 终端原理框图

2 终端系统设计

2.1 中央处理器的选择

由于终端要处理的数据量大， 实时性强， 所以采用多媒体处理芯片TMS320DM642( 以下简称为DM642) 。该芯片是TI 公司C6000 系列DSP 中较新的32 位定点DSP ， 工作频率由内部倍频器设置， 可以达500 MHz 、600 MHz 或720 MHz ， 每秒可执行指令数4 000 、4 800 、5 760 MIPS 。DM642 采用TI 公司第2 代增强型超长指令集， 它的EMIFA 接口数据总线宽度为64 位， 最高存取频率133 MHz ， 可直接与大容量、低成本的SDRAM 芯片无缝连接。DM642 带有3 个双通道(A，B 两通道)数字视频口， 可同时处理多路数字视频流。DM642 拥有I2C 接口， 可以与外部I2C 设备通信， 用来配置外部I2C 设备的寄存器，DM642 的网口(EMAC 接口) 、PCI 口和HPI 口共享引脚。因其处理性能强， 外围接口多而灵活， 在机器视觉、医学成像、网络视频监控、数字广播等领域得到了广泛的应用。

2.2 红外传感信号处理模块的设计

为了节约电能， 本终端采用红外传感器来检测监控区域有无人员进入， 只在有人员进入监控区域时， 终端才进入图像采集、处理、传输状态。本设计采用BISS0001芯片为热释电红外传感信号处理核心元件， 其应用电路如图2 所示。

图2 红外信号处理电路

图2 中，7805 为三端稳压集成电路， 为信号处理电路提供电源。BISS0001 芯片的第9 引脚为触发控制信号Vc的输入脚， 工作中应当保证输入电压Vc>VR ( 通常：VR=0.2VCC)， 可以通过调节电阻R3来达到目的。当有行人进入监控区域时， 热释电红外传感器PIR 将检测到的人体发出的红外线转化为电信号， 并将其送到BISS0001内部， 信号经BISS0001 处理后由2 脚输出， 输出Vo为低电平到高电平的跳变。如果BISS0001 工作在有效状态不可重复触发的情况下(即图2 中S1 接低电平)， 高电平的持续时间为Ts (Ts=49 152 R1C1)， 在Ts时间段结束时，输出Vo即刻由高电平进入低电平并被封锁Ti (Ti =24R2C2 ) 时长； 对于有效状态可重复触发的情况来讲( 即图2 中S1 接高电平)， 如果在前一Ts时间段内， 输入的变化使得输出有效状态再次触发， 则Vo高电平信号将从此刻算起再持续一个Tx时长， 之后才转换为低电平并进入封锁时间Ti。在封锁时间内， 即使由于负载的切换而引入的干扰也不会改变输出Vo的状态。本设计中让S1 接高电平， 红外传感信号处理电路的输出信号Vo作为DM642 的外部中断信号， 将Vo与DM642 的GP[5:4]连接， 同时也作为TVP5150 芯片的节电模式输入控制信号， 如图2 所示。

2.3 图像采集模块的设计

对于图像采集模块， 本设计采用TI 公司的TVP5150作为解码芯片。TVP5150 是一款超低功耗的解码芯片，正常操作时的功耗只有113 mW， 节电模式下功耗为1 mW， 并支持PAL/NTSC/SECAM 等格式， 它能将摄像头所采集到的模拟图像信号转换为YUV4:2:2 格式的ITU-R BT.656 数字信号， 它可以接收2 路复合视频信号(CVBS) 或1 路S -Video 信号， 通过I2C 总线设置内部寄存器， 可以选择输出8 位4:2:2 的ITU-R BT.656 数字信号( 同步信号内嵌)， 以及8 位4:2:2 的ITU-R BT.601 信号(同步信号分离， 单独引脚输出)。TVP5150 与DM642 的硬件连接如图3 所示。

图3 TVP5150 与DM642 硬件连接图

TVP5150 芯片的AIP1A 和AIP1B 为模拟信号的输入端， 该引脚需接0.1～1 μF 的滤波电容，HSYNC 为行同步信号的输出引脚。由于本设计采用了同步信号内嵌的ITU-R BT.656 格式， 所以该引脚未与DM642 相关引脚相连接。PND 引脚为省电模式的控制信号输入端， 低电平有效， 与红外传感信号处理电路的输出信号Vo连接，当监控区域无行人走动时，Vo为低电平， 这将使TVP5150 芯片进入省电模式。YOUT[6:0] 为BT.656/YUV数据输出引脚，YOUT [7]/I2CSEL 是BT.656/YUV 数据的第7 位， 也是I2C 接口设备地址设置位，TVP5150 设备地址由I2CSEL 引脚所接的上拉电阻或下拉电阻确定，I2CSEL 引脚的状态与设备地址映射关系如表1 所示，DM642 和TVP5150 应答过程中需要从片TVP5150 的地址。SCL、SDA 分别为I2C 接口的串行时钟和数据引脚，DM642 对TVP5150 内部寄存器的访问通过I2C 总线实现。

DM642 芯片的VP0D [19:0] 为视频口VP0 的数据总线引脚， 其中VP0D [8:2] 与多通道串行口McBSP0 引脚复用， 为了将VP0D [8:2] 配置为VP0 的低位数据引脚，需要把PERCFG 寄存器中的VP0EN 位置1。VP0CLK0 为外部像素时钟输入引脚， 与视频解码芯片TVP5150 的像素时钟输出引脚PCLK/SCLK 连接。

2.4 网络模块的设计

为了将监控终端所采集到的视频图像传回值班中心， 终端应当支持网络传输功能。DM642 上EMAC 口支持网络通信，EMAC 接口与PCI、HPI 接口共用相同的引脚， 在系统上电时， 通过上/下拉电阻配置系统使用的模式。本设计中令PCI_EN=0 ，MAC_EN=1 ，HD5=0 将复用接口配置为16 位的EMAC 接口和16 位的HPI 接口。

表1 TVP5150 设备地址

DM642 的EMAC 接口符合IEEE802.3 协议， 支持传媒无关接口， 具有8 个独立的发送与接收通道， 支持同步10/100 Mbit 的数据操作和广播、多帧传输格式。EMAC 接口需要外扩相关的网络电路才能完成网络与DM642 之间的数据包交换。本终端设计中， 采用INTEL 公司的LXT971ALC 芯片完成网络功能， 最后通过一个网络电平转化芯片PM44-11BG 和外部相连， 其硬件连接如图4所示。

图4 EMAC 与底层网络芯片的连接

3 终端工作流程

终端工作流程如图5 所示。上电复位时，DM642 执行复位中断， 完成对自身及周围芯片的初始化。DM642的外部中断EXTIN4~EXTIN7 与GPIO 口的GP[7:4]复用，当这些引脚配置为外部中断输入引脚时， 可通过设置中断寄存器IER[7:4] 相应位来使能中断， 触发方式( 上升沿触发或下降沿触发等) 由中断方式寄存器EXTPOL[3:0] 设置。本设计中对相关寄存器做如下配置： 令寄存器EXTPOL [1:0] =01 ， 将外部中断EXTIN5 (GP [5]) 设置为上升沿触发，EXTIN4 (GP [4]) 设置为下降沿触发。因此与EXTIN5 对应的中断函数执行唤醒芯片， 启动图像采集、处理、传输等功能； 而与EXTIN4 对应的中断函数执行停止图像采集、处理、传输等功能， 并将控制状态寄存器设置为CSR [15:10] =010001 ， 使CPU 的工作模式转变为功率下降模式PD1 。

图5 终端工作流程

在中断使能寄存器IER 中，IE[15:4] 位用于使能CPU 中断INT[15:4] 。当IEx=1 时， 使能INTx 中断响应， 此时程序的中断服务函数才起作用； 当IEx=0 时， 禁止INTx 中断响应。使用汇编语言设置IER 寄存器的中断位使能外部中断的程序代码如下：

MVK 30H，B1； //B1 寄存器赋初值， 对应INT4 、INT5

MVC IER，B0； // 把IER 的当前值赋予寄存器B0

OR B1，B0，B0； //两个寄存器中的值按位取“ 或”

MVC B0，IER； // 把B0 寄存器的值赋予IER 寄存器，IE4、IE5 被置位， 使能INT4 ，INT5如果禁止中断INT5 ， 可采用如下代码：

MVK FFDFH，B1； //B1 寄存器赋初值， 对应INT5

MVC IER，B0；// 把IER 寄存器的当前值赋予寄存器B0

AND B1 ，B0，B0； //B0 和B1 寄存器中的值按位取“ 与” ，把结果保存在寄存器B0 中

MVC B0，IER // 把B0 寄存器的值赋予IER 寄存器中，IE5 被清除

当红外传感器检测到监控区域有人员进入时， 红外传感信号处理电路输出端Vo由低电平变为高电平， 并保持一段时间的高电平。DM642 的EXTIN5(GP[5]) 端在检测到上升沿触发信号后， 执行与之对应的中断函数，唤醒芯片， 启动图像采集、处理、传输等功能。由于红外传感信号处理电路设置为可重复触发模式， 则只要监控区有人员走动， 输出端就一直保持高电平， 终端就一直保持采集、处理、传输视频图像。当监控区域无行人走动时，Vo由高电平变为低电平， 并进入低电平的封锁时间段，EXTIN4(GP[4]) 端在检测到下降沿触发信号后， 执行对应的中断函数， 停止图像采集、处理、传输等功能，并使CPU 的工作模式再次转变为功率下降模式PD1 。

本文面向实时图像处理， 采用模块化设计思想， 以多媒体专用DSP 处理器TMS32ODM642 为核心， 在红外传感器、图像采集芯片、网络数据处理芯片等的紧密配合下， 终端既能完成图像的采集、处理、传输功能， 又能实时地根据监控区域的人员变化情况调整工作模式，减少了无用数据的处理， 提高了效率， 节约了成本， 满足了社会对电子产品的绿色、低碳的要求。