基于Zynq的移动视频监控系统的电机控制设计

摘 要： 针对传统固定监控架设成本高、监控有死角且需要布置的视频采集端个数太多的情况，提出一种基于ARM和FPGA相结合架构的移动视频监控系统及其软硬件实现方法，在减少视频采集端节点的前提下，能够全方位实时捕捉用户所需的信息。该系统由电机控制模块、视频采集模块和无线网络控制模块构成，实现了无线视频监控系统；基于Linux操作系统、Web服务器和视频编码器，实现了用户可以通过Internet远程查看目标现场的状况。

 

中国视频监控市场快速发展，数字监控逐步成为主流，网络化、个人化和智能化将是中国视频监控市场重要的发展趋势。但当前基于流媒体传输的技术对网络条件要求较高，不能大面积推广，固定监控成本太高。如何将视频监控与Interne相结合，使监控人员可以随时随地实施监控，是现代监控技术急需解决的问题。另一方面，目前视频监控系统采用的微控制器多是ARM9、ARM11等系列微控制器，ARM微控制器硬件外设出厂时已经固定，不利于用户进行硬件扩展和升级，而ARM和FPGA相结合的多芯片解决方案又会导致系统成本太高，同时还会造成系统资源的浪费，功耗太大。针对以上不足，本文提出了一种新的解决方案，采用Zynq系列处理器，芯片采用的是高性能Cortex-A9双核和FPGA相结合，ARM部分可以解决高清视频的处理问题，可编程逻辑FPGA部分可以升级和扩展硬件。

本设计的主控板为Digilent公司的ZedBoard开发板，主芯片Zynq7020结合高性能双核ARM Cortex-A9 MPCore处理系统和可编程逻辑于一体[1]。视频采集端位于移动小车之上，从而达到移动采集视频的目的。系统的设计主要包括ARM控制部分的设计和FPGA逻辑部分的设计。ARM部分主要用来运行操作系统和系统上的应用软件，如Web服务器Boa，视频编码器mjpg-streamer；FPGA部分主要用来扩展硬件资源，进行小车电机驱动部分PWM IP核的设计。系统总体结构框图如图1所示。各模块功能为：摄像头负责视频图像采集，Zynq主控模块负责ARM操作系统部分和FPGA逻辑资源部分，电机控制模块负责智能小车的运动，Boa Webserver负责网络的交互，无线路由器负责无线网络数据的收发。

系统上电之后，首先自动执行芯片内部固化的芯片初始化程序，然后执行第一阶段的启动加载器FSBL，使用比特流文件（PWM IP核设计生成的bit文件）对FPGA部分进行配置，待FPGA配置完成后，开始执行U-boot引导程序，启动Linux操作系统[2]。系统启动完成后，智能小车通过无线路由器产生无线信号，用户在另一端就可以通过网络来连接智能小车终端，实施视频监控。用户和系统的交互实现如图2所示。

本文主要介绍电机控制部分的设计，具体包括电机控制部分硬件电路的设计，FPGA部分PWM IP核的设计，Linux操作系统PWM驱动程序的设计。

2.1 电机控制部分硬件电路的设计

该模块主要由L298P双H桥直流电机驱动芯片实现。由于一个L298P芯片可以驱动两个直流电机，小车有4个车轮，因此需要两块L298P芯片[3]。同时，为了减少使用的FPGA I/O引脚数量，在原理图设计中采用了四二输入或非门芯片SN74HC02D，这样用两个I/O引脚就可以控制L298P的4个输入端。DIR1、DIR2、PWM1、PWM2通过Zedboard的PMOD接口与FPGA相连。原理图如图3所示，图中IN1、IN2、IN3、IN4为输入信号，ENA、ENB为使能信号。ENA控制IN1、IN2的输入使能，ENB控制IN3、IN4的输入使能。当ENA为1，DIR1为1时（也就是IN1为0，IN2为1时），P1接口上的电动机正转；当ENA为1，DIR1为0时（也就是IN1为1，IN2为0时），P1接口上的电动机反转；当ENA为0时，P1接口上的电动机停止。与P2口连接的电动机原理同上。

2.2 FPGA部分PWM IP核的设计

Xilinx嵌入式系统部分的设计由其公司推出的EDK（Embedded Development Kit）开发套件实现，EDK具有完成嵌入式系统设计的一整套工具，即：硬件设计工具XPS（Xilinx Platform Studio）和软件设计工具SDK（Xilinx Software Development Kit），硬件设计步骤如下：（1）设置新工程路径；
（2）自定义IP配置外设；
（3）建立UCF文件；
（4）bit流的生成[4]。自定义IP的部分主要实现电机的正转，反转和停止控制。关键VerilogHDL代码如下：
case（state）

//电机停止

′NOP：{pwm_left，pwm_right}<={7′d0，7′d0}；

′GOING：//电机正向旋转

begin

if（dis_value>31）

{pwm_left，pwm_right，dir_lself，dir_rself}

<={7′d100，7′d100，1′d0，1′d0}；

else

{pwm_left，pwm_right，dir_lself，dir_rself}<=

{{dis_value[4：0]，2′b0}，{dis_value[4：0]，2′b0}，1′d1，1′d1}；

end

′RETURN：//电机反向旋转

begin

if（dir_value==3′b010）

{pwm_left，pwm_right，dir_lself，dir_rself}<={7′d80，7′d80，1′d1，1′d0}；

else

{pwm_left，pwm_right，dir_lself，dir_rself}<={7′d80，7′d80，1′b0，1′b1}；

end

endcase

在本设计中，对电机的控制，传输的数据量较小，只需要添加一个低速的AXI4-Lite总线设备PWM模块来控制PMOD接口就可以实现硬件设备之间通信，其中AXI4-Lite的全局时ACLK设置为100 MHz，PWM模块分配的起始物理地址为0x6CA00000，空间大小为64 KB，PWM配置信息如图4所示。

2.3 Linux下电机驱动部分的设计

由于远端传输是在Linux系统下TCP/IP协议实现的，因此，编写Linux下的IP驱动，应用程序就可以通过Linux的标准接口访问FPGA的PMOD接口设备。本设计编写的是字符型设备驱动程序，包含设备加载、设备卸载以及文件操作函数。PWM模块加载时系统调用module_init（pwm_init）宏实现模块的初始化操作，在本系统中pwm_init（）函数主要完成以下工作：（1）内核注册字符型设备驱动；（2）创建PWM设备类；（3）利用PWM设备类创建设备；（4）将PWM模块物理地址映射到虚拟地址上[5]。部分关键代码如下所示：
//XPS分配的物理地址

#define PWM_MOUDLE_PHY_ADDR 0x6CA00000

//注册驱动

pwm_driver_major=register_chrdev（0，DEVICE_NAME，&pwm_driver_fops）；

pwm_driver_class=class_create（THIS_MODULE，"

pwm_driver"）；//创建设备类

pwm_driver_device=device_create（pwm_driver_class，NULL，MKDEV（pwm_driver_major，0），NULL，"pwm_device"）；

//利用设备类创建设备

//将PWM IP物理地址映射为虚拟地址

pwm_fre_addr=（unsignedlong）ioremap（PWM_MOUDLE_ PHY_ADDR，sizeof（u32））；

初始化工作结束，但是仅有初始化函数，设备仍然无法工作，还需要有实现频率和占空比的调节机制。控制PWM的频率函数如下所示：

staTIc ssize_t sys_pwm_frequency_set（struct device*dev， struct device_attribute*attr，const char*buf，size_t count）

{

long value=0；

int i；

frequency=0；

//修改频率之前，关闭PWM模块

outl（value，pwm_fre_addr）；

//将写入pwm_frequency中的字符串转化为整数

for（i=0；i100000000）value=100000000；

value=100000000/frequency；

//将计数值写入到PWM模块的pwm_fre_addr寄存器中

outl（value，pwm_fre_addr）；

return count；

}

控制PWM占空比的函数和控制PWM频率的函数一样。

系统的主控制板为Zedboard开发板，上电启动后，无线路由器会发布一个SSID为Tp_Link_5C90的无线网络，可以通过任何可以上网的设备连接这个网络。在浏览器中输入网址：192.168.1.100，就会登录到移动视频监控的网页上，通过界面的按钮控制视频终端的运行。

本文设计采用Xilinx All Programmable芯片Zynq作为主控CPU，FPGA部分可以实现逻辑扩展和功能补充。例如：自定义通信协议、IP核，同时还可以利用Xilinx的部分可重配置技术升级硬件系统，易于后期扩展和硬件升级；ARM部分采用的是性能较高的Cortex-A9双核，使得对高清晰视频的处理较为流畅，而且系统整体功能也比较稳定。相比于传统的模拟监控，数字视频处理技术提高了图像的质量和监控效率。

设计中采用软硬件协同设计的方法，即：在整个系统及定义的基础上，同时对软硬件进行设计和协调，其中包括软硬件的划分（哪些功能使用软件完成，哪些功能使用硬件完成）、软硬件系统的开发与联合调试，降低了开发风险，缩短了开发周期。

参考文献

[1] Xilinx Inc. UG585， Zynq-7000 All Programmable SoC Technical Reference Mannual[Z]. 2013.

[2] Xilinx Inc. UG873， Zynq-7000 All Programmable SoC： Concepts， Tools and Techniques[Z]. 2013：12-35，40-53.

[3] 王芳芳，张欢.基于Zynq平台的动态智能家居系统的设计[J].软件，2013，34（8）：98-100.

[4] 胡典荣，郭春生.基于ZedBoard的SPI和以太网传输设计[J].杭州电子科技大学学报，2013，33（5）：126-129.

[5] 陆佳华，江舟，马岷.嵌入式系统软硬件协同设计指南：基于Xilinx Zynq[M].北京：机械工业出版社，2013.