大型仪器设备远程视频监控系统的硬件设计

摘要：为了有效地管理高校中分布范围广、运行周期长的大型实验仪器设备，设计出一种采用嵌入式ARM处理器和DSP处理器双核结构的视频监控系统，详细分析了视频采集压缩、数据存储和设备上电检测等主要硬件模块的设计方案。系统实现了对大型实验设备的远程化监控和自动化管理功能，为高校设备管理提供了一种可行的解决方案。
关键词：ARM；DSP；远程视频监控；硬件设计

    目前，国家对高等教育的重视程度不断提高，对高等院校的科研资金投入不断增加。各类高校的科研条件得到很大的改善，许多高校都引进或购置了大型的实验用仪器设备。这些仪器设备往往较为昂贵，且对使用条件要求较高。高等院校及科研院所的实验室大多采用计算机管理系统进行管理，但此类管理系统一般都只局限于对设备账目的日常化管理，是一种静态的管理。而对设备的使用状态及完好情况、使用设备的计时收费、实验教学情况监控、实验室电源系统的控制以及实验室安全等方面缺乏完整的监控管理系统。因此，设计一种针对高校大型仪器设备的远程视频监控系统是很有意义的。通过这一系统，设备管理人员能够实现对仪器设备的远程监控和自动化管理。当设备故障时，亦可通过观看先期存储的使用状态录像来判断故障原因，减少了维修时间和维修成本。

1 总体方案设计
1．1 处理器介绍
    数字信号处理器(DSP)凭借强大的运算处理能力被广泛应用在视频图像处理等运算密集的场合，而嵌入式微处理器(ARM)以其强大的控制能力广泛应用于网络服务等外围控制的场合。在本系统中，以ARM作为主处理器芯片，完成各种控制和网络传输功能；采用DSP作为从设备单元处理器，完成数据采集和分析处理的工作。ARM单元和DSP单元构成监控系统的双核架构，并通过数据总线将DSP上处理的数据发送给ARM进行传输或存储。
    本系统采用芯唐公司的NUC960作为主处理器芯片。NUC960是一款以16／32位ARM926EJ-S为内核的精简指令集微处理器。该内核提供了8 kb指令高速缓存和8 kb数据高速缓存，并包含一个完整的存储器管理单元(MMU)。
NUC960集成了丰富的片上资源，包括10 M／100 Mb以太网MAC控制器、EBI总线单元和用于外围设备通信的PCI总线接口等。NUC960提供嵌入式Linux系统所需的虚拟存储功能，尤其适用于各种要求高性能和低功耗的嵌入式产品中。
    同时，本系统采用SPCT6100作为从处理器DSP芯片。SPCT6100是一款高性能多媒体数字信号处理器，主要用于监控系统中的编解码。它采用H．264视频编解码技术，并包含四路视频输入、一路音频输入和一路音视频输出。特别地，SPCT6100包含有两种接口类型，即PCI(外围器件接口)和HPI(主机接口)。通过这两种接口，SPCT6100可以方便地集成到各种嵌入式系统中。
1．2 系统总体结构
    系统的整体框图如图1所示。NUC960上运行嵌入式Linux操作系统，实现整个监控系统的协调控制和网络功能等；SPCT6100通过数字信号处理算法，实现数据的分析、处理和传输。为了尽可能多的保留NUC960外围接口，且考虑到芯片引脚特点，NUC960与SPCT6100之间采用PCI总线进行数据通信。

    在本系统中，从外接的CCD摄像头采集到的视频模拟量信号经由A／D转换进入SPCT6100进行数字信号处理。NUC960通过PCI总线读取经过处理后的数字量信号，并将压缩的数据通过校园网络传送到服务器。当网络阻塞或服务器故障时，NUC960可以将数据存储在本地的存储器芯片上。设备管理人员可以通过Web-server查看设备当前的运行画面，也可以调取存储在服务器上的设备早期运行画面。
    考虑到本系统主要面向高校实验室的仪器设备，为了方便校园信息化管理，NUC960扩展的UART串口可以连接读卡器，系统可以通过读取校园卡来记录使用实验设备人员的信息。另外，本系统还实现了设备上电检测的功能，即当实验设备开始上电运行时，系统才开始处理和存储视频信号；当实验设备关闭时，系统停止处理数据。这样即可消除大量的冗余数据，节省服务器开销。
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2 主从处理器接口设计
    在使用ARM和DSP的嵌入式系统设计中，如何高效方便地实现ARM控制器和DSP之间的数据通信是很重要的一部分。
    PCI总线即外围部件互联总线，是先进的高性能32／64位地址数据复用局部总线，可同时支持多组外围设备。PCI局部总线不受制于处理器，为中央处理器及高速外围设备提供一座桥梁。PCI总线的运行速度快，它采取总线主控的方式来加速执行高吞吐量、高优先级的任务。P CI总线的存取延迟时间极小，它独特的同步操作功能可以保证处理器能与总线主控同时操作而不必等待后者的完成。另外，PCI总线还具有可扩展性强和支持线性突发传输等特点。
    很多DSP芯片采用HPI口来与外部总线进行通信，如果要和CPU进行通信，则一般要通过增加PCI总线控制芯片来实现。而SPCT6100内部已经集成了PCI总线接口，通过PCI总线接口能够对比特流数据进行编码，并实现与NUC960主处理器单元的无缝对接。SPCT6100的PCI总线上32位地址／数据复用引脚及其他大部分控制引脚与NUC960的相应引脚可以直接相连。

3 系统硬件设计与实现
3．1 电源模块
    在本系统中，ARM处理器NUC960需要两种电压，一种是1．8 V的内核电压，另一种是3．3 V的I／O电压；而DSP处理器SPCT6100需要3种电压，即1．2 V的内核电压、2．5 V的DDR驱动电压和3．3 V的I／O电压。然而，在外围设备中，许多器件还要求5 V供电，例如USB接口和电流检测电路等。因此，为了便于电源管理，本系统采用5 V电源输入。由于输入电压和输出电压之间的压差并不接近，如果采用LDO型线性稳压器作为输入端电源芯片，则功率消耗较大，并不合适。本系统采用TPS54386作为输入端电源芯片，经过外接合适的电感和滤波电容能够同时得到3．3 V和1．8 V两种电压。TPS54386是DCDC转换芯片，其输出电流可以高达3 A，且工作效率高，工作状态稳定，能够适合本系统的要求。另外，可以使用LDO型电源芯片来实现3．3 V到2．5 V和1．8 V到1．2 V的电平转换。
3．2 存储器模块
    NUC960内部的程序存储器和数据存储器是无法满足系统运行要求的，为了满足设计目标的需要，本系统扩展了Flash和SDRAM两种存储器。
    NOR Flash是Flash的一种，它的写入和擦除速度较慢，但随机读取速度快。NOR Flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节。NOR Flash最大的特点是芯片内执行，这样应用程序可以直接在Flash内运行，不必再把代码读到系统RAM中。本系统所用的NOR Flash容量为2 Mx16 bits，用来存放系统启动代码、操作系统内核和文件系统。由于NUC960自身EBI接口支持扩展Flash，因此电路相对比较简单。
    和Flash不同，SDRAM不具有掉电保持数据的特性，但可读可写，且存取数据的速度很快，因此SDRAM在系统中主要用作程序的运行空间、数据及堆栈区。为了充分发挥32位CPU的数据处理能力，本系统采用两片16位数据宽度的SDRAM并联构建32位的存储器系统，其中一片作为高16位，另一片作为低16位，两片SDRAM均与NUC960的EBI总线连接，可满足系统相对复杂的运行要求，电路如图2所示。

3．3 A／D转换电路
    本系统使用CCD摄像头进行视频信号的采集，CCD摄像头的成像分辨率较CMOS摄像头更为清晰。通过CCD采集到的视频模拟量信号经过BNC(同轴电缆卡环形接口)送入A／D转换芯片进行处理。[!--empirenews.page--]
    TW9910是一款适用于便携设备的低功耗视频解码芯片，可以将模拟量视频信号转换为8位或16位4：2：2YCbCr格式数字量输出。TW9910还包括检测和处理VBI信号的电路。在本系统中NUC960通过SPI口读写TW9910各个寄存器的值，复位信号可以初始化控制寄存器的值。本系统采用8位数字量输出的形式，将TW9910的高8位输出引脚与SPCT6100的其中一路视频信号总线相连。A／D转换电路如图3所示。

3．4 电流检测电路
    为了减少服务器的存储开销，也同时为了减少网络占用率，本系统特别设计了一种电流检测电路来实时检测用电设备的开启和关闭状态。
    大多数的实验仪器设备采用220 V交流电源供电，因此，本系统采用5A／2．5 mA的交流电流互感器作为前端检测元件，当设备上电运行和停止使用时可以检测到电流的变化。电流互感器二次侧的电流流过负载电阻可以转换为电压值，再经过由放大器搭建成的比较器即可产生ARM处理器能够识别的开关量。如图4所示，本系统用到了两个运算放大器：前一个运放用来加强带载能力，比直接加电阻负载的相位差小，动态范围大。负载电阻采用变阻器以满足各类设备的不同额定电流要求。后一个运放用作比较器，正向输入端输入的电压信号与反向输入端分压电路电压值比较并输出相应的电压开关量。考虑到输出端是直接连接到ARM的GPIO口，因此宜采用不高于5 V的单电源供电运算放大器。

3．5 外围接口设计
    NUC960的另一大特点就是提供了丰富的外围设备接口，在本系统中主要用到了网络通信接口、USB接口和UART串口等。
    NUC960内置以太网MAC控制器，该控制器具有相应的DMA控制器，发送和接收FIFO，支持IEEE802．3协议，可以以半双工或全双工模式工作在10 M／100 Mb／s的传输速度上。本系统采用IP101作为物理接口收发器，向网络层提供标准的数据接口。它提供了一个硬件中断用以指示连接状态、速度状态和全／半双工状态。
    同时，NUC960集成了USB2．0主设备控制器和USB2．0从设备控制器，可以支持USB0和USB1两个设备。其中USB1只能作为主设备，而USB0则可以配置为主设备或者从设备。在本次设计中，NUC960的2个USB2．0接口均配置为主设备。USB0用作预留的USB设备扩展接口，可以方便系统后期软件开发时挂载U盘使用：USB1则用于与外围设备SD卡进行通信，当网络环境不佳或接收不到服务器的应答信息时，系统可以将压缩的图像数据存储到位于本地的SD卡中以作备用，防止数据丢失。
    NUC960处理器片上还集成了3个串口，可以支持6至8位的数据传送，其波特率可通过编程设置，另外也支持奇偶校验和帧出错检查功能。本设计使用了其中两个串口，串口0用于当系统调试时与计算机连接进行通信；串口1用于与读卡器进行通信，读取使用设备者的相关身份信息。

4 结论
    本文提出了一种采用ARM和DSP双核结构的远程视频监控系统设计方案，实现了对高校大型实验仪器设备的远程监控，并对视频画面进行压缩、存储和传输。经过实验测试，本系统实现了对设备运行现场画面以25帧／秒的频率进行采集，在网络环境良好的情况下，用户可以通过Web-server观看设备的实时运行画面；当网络阻塞时，系统在本地存储压缩图像，每张图片的存储间隔最快可以达到1min，设备运行的历史图像可以保存30天，基本满足了高校实验室的管理要求。为了减少数据存储量，系统通过电流检测来选择是否处理和存储监控画面。另外，利用扩展的读卡器来记录设备使用者的信息，实现了设备的自动化管理。实验表明，本系统运行稳定、可靠性较高。考虑到SPCT6100最多能同时输入4路信号，在今后的优化过程中，亦可以考虑实现多路监控，以便达到系统精简和成本节约的目的。