基于TMS320DM642的红外监控系统设计与实现

摘要：红外监控系统以其不受可视环境影响、24 h不间断工作等诸多优势逐渐成为安防监控领域的重要发展方向之一。在此设计的嵌入式处理平台以TMS320DM642为核心，红外视频源采用FLIR热成像仪，红外图像经TVP5150解码芯片处理后进行H．264编码压缩，数据通过以太网传输至客户端PC机，基于Visual C++平台开发的客户端解码器进行解码及图像增强后实时还原红外图像，系统工作稳定、图像还原质量高，以太网的平均传输率为0．087 MB／s，图像压缩率约为7：1，达到了系统设计要求。
关键词：红外热成像；TMS320DM642；H．264；Visual C++

    红外技术自诞生以来，红外探测器作为一种在常温下即可将任何物体发出的红外辐射转换为电信号的热辐射转换器，以其被动探测隐蔽性强、体积小巧易携带等诸多优势，广泛应用于红外侦查与跟踪、雷达制导、电力监测、安防监控、医疗诊断等军事及民用领域。红外监控技术集红外热成像技术与传统的视频监控技术的优势于一体，有效地弥补了传统视频监控系统的不足，是未来安防监控领域的重要发展方向。本文在客户端／服务器的系统架构基础上提出了以TMS320DM642为核心的红外监控系统，前端采用FLIR公司的红外热成像仪，红外图像数据经过H．264技术压缩后通过以太网传输至客户端PC机，利用由Visual C++平台开发的客户端解码器解压缩后还原红外图像并显示。整套红外监控系统工作稳定，图像压缩比率高，网络带宽占用率低，图像还原质量较好，达到了系统设计要求。

1 系统设计的总体框架
    红外监控系统的设计，是基于DSP实现红外视频数据从前端光源红外探测器到上位机PC端的实时显示，主要由前端视频源、DSP服务器及PC客户端构成，如图1所示。系统前端红外图像采集设备采用FHR公司的红外热成像仪，能够提供320×240像素的红外图像，数据经过DSP端采集模块、存储模块、压缩模块及网络模块的处理后，H．264数据流在以太网的另一端PC上位机端经过解码后，红外图像数据保存或显示于客户端。

2 系统模块设计与实现
2．1 视频采集模块
    DM642无法处理红外热像仪输出的PAL模拟信号，所以本系统首先采用视频解码芯片TVP5150解码红外视频数据。TVP5150是TI公司生产的超低功耗(115 mw)、可编程高性能视频解码器。本设计中TVP5150接收热像仪输出的红外图像PAL信号，输出8位4：2：2格式的的ITU-R BT．656视频解码信号，芯片与DM642的硬件连接如图2所示。
    视频采集模块的驱动设计遵循TI公司针对DSP驱动开发专门定义的基于DSP／BIOS双层外设驱动模型，该模型从功能上分为与硬件无关的类驱动和硬件相关的微驱动，类驱动(Class Driver)负责互连顶层应用程序和微驱动。而微驱动(Mini Driver)与具体应用到的外设相关，针对TVP5150芯片只需要简单修改EDC(ExtemalDevice Contml)函数即可控制视频解码芯片的打开、关闭以及控制。如调用mdBindDev函数对数据通道进行绑定；调用mdCreateChan函数完成通信对象的创建；调用mdDelvteChan函数删除通信对象并释放相关资源；调用mdControlChan函数向TVP5150发送控制命令等。
2．2 存储模块
    系统采用两片共4Mx64 b的动态随机存储器SDRAM存放视频数据，一片4Mx8 b的FLASH存储程序。红外图像的压缩等处理均是在SDRAM内部完成的，FLASH芯片接收并存储通过仿真器JTAG接口下载到开发板的DSP程序，在系统启动时加载程序并运行。
    (1)FLASH。本系统采用4Mx8b的Am29LV033C，DM642通过分别控制FLASH的片选信号、读使能和写使能，其与DM642的连接如图3所示。

    (2)SDRAM。由于在整个图象处理过程中需要缓存大量的图像数据，而DM642芯片内部只集成了256 KB的SRAM，显然不能满足需求，TM320 DM642外挂两片SDRAM来扩展存储空间，保证了系统实时运行时，图像的缓存功能。SDRAM采用2M 64 b存储空间的HY57V643220，并与EMIF的CE0接口相接，如图4所示。
2．3 压缩模块
    系统的视频压缩模块采用H．264技术对红外图像进行编码，加入了多模式宏块划分、高精度运动估计、整数变换与量化等诸多技术亮点。设计采用调用H．264视频编码库h264enc．lib对红外图像进行处理，视频压缩流程如图5所示。

2．4 网络传输模块
    TMS320DM642的网络通信接口由EMAC(Ethemet Media Access Controller)控制模块、EMAC模块与MDIO(Managemem Data Input／Output)模块3部分组成的。本系统设计时采用Broadcom公司的BCM5221作为10／100Base-TX以太网收发器，与DM642连接如图6所示。

3 客户端解码器的设计
    在上位机PC端的红外视频图像解码器是基于Windows环境下VC 6．0的基础类库MFC(Microsoft Foundation Classes)设计的，主要负责接收DSP网络模块发送来的红外图像数据码流，对码流进行解码并正确显示。解码器的界面如图7所示。
    客户端解码器可在网络设置区域配置服务器端IP地址、子网掩码及默认网关等信息以便进行通信，并配置相应码率；客户端还集成了图像处理与录像的功能，图像增强采用直方图均衡方式对红外图像进行处理，录像时保存文件为*．264格式数据，方便对关键视频信息保存及回放。

4 系统测试及评价
    红外监控系统的成像效果主要取决于红外热成像仪、压缩传输的嵌入式平台以及图像的接收与显示终端三部分，其中压缩与传输的嵌入式DSP平台H．264压缩比率以及网络传输速率成为本系统的主要评价指标。系统正常工作情况下测试了30s，60s和90s三组时间下服务器与客户端的之间红外视频数据的平均传输速率，如表1所示。

    红外监控系统服务器与客户端的以太网平均传输速率为0．087 MB／s，又由热像仪输出红外图像分辨率为320x240，每秒钟原始图像数据量约为0．608 MB／s，估算系统压缩率约为7：1。系统正常工作时客户端成像效果如图8所示。

5 结语
    作为红外技术领域的重要应用，红外监控系统克服了传统视频监控系统的缺点。本文设计了以TMS320DM642为核心的嵌入式红外视频采集压缩传输平台，并且开发了配套解码与显示客户端软件，使得无论在视频处理芯片TMS320DM642还是在H．264视频编解码算法都体现了远程红外视频监控系统的技术亮点，系统工作稳定、图像还原质量较高、占用带宽低，以太网的平均传输率为0．087 MB／s，图像压缩率约为7：1，达到了设计要求。