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视频监控系统硬件设计的论文
存档日期：
存档编号：
徐州师范大学科文学院
本科生毕业论文（设计）
论文题目：
视频监控系统硬件设计
姓名：
朱铖娟
学号：
078333112
专业：
自动化
年级：
07自动化
指导教师：
李旭超
科文学院教务部印制
摘要
随着电子技术，多媒体技术和通讯技术的发展，视频监控系统一直是人们关注的焦点，视频监控系统在工业，军事，民用等领域得到广泛应用，视频监控具有直观，方便和信息内容丰富等优点，为客户提供高品质的监控手段。
从落后的现场监控到先进的远程监控控制，从模拟监控到今天的数字化监控系统，视频监控技术正向网络化、移动化和智能化方向发展。
随着嵌入式处理器性能的提高和视频处理技术的发展，视频采集监控系统不再局限于高性能的PC平台，嵌入式与便携式平台有了快速发展。
本文利用三个领域上的技术：
嵌入式处理器中ARM处理器技术、数字视频芯片和视频编码中的H.264标准，实现了数字采集监控和存储系统。
本文主要对视频监控系统硬件部分及视频采集进行研究，ARM处理器采用了ARM9系列的S3C2410，采用了Linux系统进行配合处理，设计了包括电源电路、时钟电路、复位电路、存储模块、JTAG接口、UART串行调试接口、USB模块、以太网电路、视频接口电路。
摄像头采用了OV6620芯片。
主要围绕三部分展开介绍：
1.硬件电路设计2.嵌入式视频采集3.嵌入式Linux移植及H.264视频编码标准。
关键词：
ARM；视频采集；嵌入式系统；H.264；视频监控
Abstract
Withtheelectronictechnology,multimediatechnologyandcommunicationtechnologydeveloping,videosurveillancesystemhasstillbeenthefocusofattentionanditiswidelyusedintheindustrial,military,civilandotherfields.Videomonitoringwithanintuitive,convenientandabundantinformationcanprovidecustomerswithhighqualitycontrolmeans.Frombackwardtoadvancedfieldmonitoringofremotemonitoringcontrol,fromanalogtotoday'sdigitalsurveillancesystems,videosurveillancetechnologyisbeingtowardtonetwork,mobileandintelligentdirection.
Atthesametime,improvingtheperformanceofembeddedprocessorsandvideoprocessingtechnology,videocapturesurveillancesystemisnolongerlimitedtohigh-performancePCplatform.Embeddedandportableplatformhasrapiddevelopment.
Inthisarticle,thetechnologyhasthreeareas:
embeddedprocessorARMprocessortechnology,digitalvideochipsandvideocodingstandardH.264toachievecontrolofthedigitalacquisitionandstoragesystems.
Thisthesisfocusesonvideosurveillanceandvideocapturehardwareofthesystemstudied,ARMprocessorusingtheARM9seriesS3C2410andtakingaLinuxsystemwiththetreatment.Thedesignincludesthepowercircuitdesign,clockcircuit,resetcircuit,memorymodule,JTAGinterface,UARTserialdebuginterface,USBmodule,Ethernetcircuit,thevideointerfacecircuit.CamerausestheOV6620camerachip.Thepapermainlyintroducedaroundthreeaspects:
1.Hardwarecircuitdesign2.Embeddedvideocapture3.EmbeddedLinuxmigrationandH.264videocodingstandard.
Keywords:
ARM;videocapture;embeddedsystems;H.264;
videosurveillance
1绪论
1.1视频监控系统的发展历史
视频监控系统主要经历了三个阶段[1]：
第一代模拟闭路电视（CCTV）监控系统
闭路电视系统可以视为单个行组合的模拟设备，其中有摄像机、监视器、画面分割器，切换器（包括矩阵），各种长时间模拟视频录像机、云台镜头解码器和控制器等。
并不难找到此复杂系统的异常，需要对安装和布线大量工作、维护和扩展系统也是很难。
系统不支持远程的传输图像，而且不能与其他系统结合，如门禁、报警系统的工作，已经变得越来越不能适应时代发展步伐。
第二代半数字式监控系统——数字硬盘录像系统（DVR）
第二代基于PC机监控系统DVR的出现使得计算机得到了普及应用。
早期的DVR是基于硬压缩x86芯片卡和基于Windows98操作系统的软件平台，其后逐渐发展成一种特殊类型的监控设备—数字硬盘录像机。
网络概念的渗透允许执行远程网络传输等功能。
但对于仍然使用集中式监视下，摄像机、编译/解码器、视频设备如电缆没有任何改善，所以DVR数字监控系统是不完全正确。
在安装、维护、升级、扩展系统方面，用户的问题都还不小。
此外，基于Windows操作系统的稳定性差，DVR可能会导致系统出现紧急情况，需要更高的级别监测站点是一个很大的问题。
第三代全数字监控系统（DSS）
第三代视频监控系统趋于网络化，数字视频压缩、传输、存储为核心，以智能图像分析为特点，与警报系统、门禁系统在一个平台上的结合引发了一场革命，由于发挥突出，视频监控很快得到保安行业和用户的注意。
与传统的CCTV系统（即第一代）和半数字监控系统DVR（即第二代）比，第三代监测系统基于TCP/IP网络协议，出现了一个分布式的概念，扩展到分散与集中的监视模式互补无限的延伸的监测范围。
在硬件设备方面，第三代系统中的应用有更高级的D/A和A/D转换设备视频服务器或内置处理器的网络摄像机，图像处理包括集合、压缩和协议转换和传输，设置监测点到处使用互联网和局域网，即插即用，实现了图像收集、传输、录像，最终输出是在全程化数字的情况下完成，处理程序的系统固化及DVR系统也更稳定，因此是真正意义的全数字化网络监控系统。
特别是第三代数字监控系统具有以下突出的优点：
1.数据存储：
使用JPEG议案，H.26x，MPEG多媒体数字压缩技术，全数字视频图像，存储在计算机的硬盘上，可以存储为1个月或更长的时间不断，以避免定期更换磁带的麻烦。
数字数据存储可以保证长时间、更稳定的数据，不容易损坏。
2.数据查询：
传统的模拟监控系统，当问题出现需要花很多时间看录像来查找站点的记录，而数字视频监控系统使用计算机的索引就可以帮助用户在短时间内整合到相应字段的记录，节省时间和精力，大大提高了工作效率。
3.录像的质量和图像质量：
数字图像的图片显示是以循序渐进的方式，使用数字视频可以使视频画质高度清晰、确保图像屏幕信息。
使用该计算机还可以帮助图像去噪、锐化、处理，调整图像大小及使用高分辨率的计算机显示器，你可以看到高质量的图像。
此外，你还可以在同台显示器上看到4、12、16路或更多视频图像。
4.网络传输功能：
数字监控系统是一种产品的完美结合在安防行业、IT行业中，所以它有相当一部分的功能在计算机网络上。
数字监控系统的抗干扰的能力，不易受传输的信号衰减影响和能加密传输，以便您可以在实时监测数千公里的数字信息。
特别是在恶劣的条件或不利于直接亲自管理的情况下，数字视频监控可以实现的访问效果。
跨域监测需求可以得到完美的解决。
5.系统集成：
发展到第三代，视频监控系统使门禁系统、报警系统集成在一起。
数字视频数据、门禁数据和报警数据，通过计算机的操作，处理，数据之间的互动，完善这三个系统，几乎可以解决所有用户的需求。
6.扩充简易：
数字视频监控系统的前端设备主要由网络摄像机和视频服务器组成，他们很容易扩充，只要电源和网络接口就能够访问系统的扩展范围。
7.系统易于管理和维护：
数字视频监控系统主要由电子设备，集成度、视频传输使用有线或无线信道。
以这种方式，整个系统的设计是一个模块化的结构、，体积小、便于安装、使用和维护。
是的因为第三代数字监控系统存在很多优势，满足了信息化、智能化、网络化发展，使数字监控系统取代模拟监控系统和DVR系统成为必然，慢慢地应用到每个行业中。
1.2视频监控的现状与发展
对国内和国外市场，主要有两种类型的监测产品：
数字控制的模拟视频监控和数字视频监控。
数控仿真监测系统技术长时间的发展在实际工程是有非常广泛的应用，发展成熟及性能也是稳定，但因为视频监控系统中的信息流形成不变量仍为模拟视频信号，系统的网络结构主要是一个单向的和方式集中的信息收集网络，系统已发展到很高的水平，没有太多的潜力可挖其限制仍然存在；数字监控系统技术是新的兴起，解决模拟系统部分缺点且快速发展，但发展不成熟，需要更近一步完善。
纵观全局，数字监控系统是大势所趋，具有真正的研究价值[2][3]。
数字监控视频系统通常分为两类：
一种基于PC的相结合的多媒体作品；另一种是嵌入式数字视频监控系统[4]。
数字视频压缩编码技术日趋成熟，为基于PC机多媒体监控创造了许多有利条件。
迅速崛起了新视频的视频监控系统，替换一些视频矩阵图像分割器、录像机为核心，辅之以其他路由仿真模拟视频监控，主要的好处：
（1）多媒体监控主机PC机结合视频矩阵、分割、录像机等多项功能，极大地简化的体系结构。
（2）计算机网络技术、数字多媒体远程网络监测没有距离限制。
（3）使用大容量磁盘或光盘存储的结果，您可以节省大量的磁带介质，同时有利于多媒体信息查询系统。
但随着视频监控的发展，基于PC机在实际工程的过程中，使用的视频系统不稳定。
嵌入式的系统是专用到计算机系统，嵌入式系统的核心技术是一个新的技术发展方向在计算机系统中嵌入对象。
嵌入式系统定义为：
嵌入式的系统是“用于控制，监视，或者辅助操作机器和设备”，国内公认的嵌入式的系统定义为:
“以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能，可靠性，成本，体积，功耗等严格要求的专用计算机系统”。
由于到嵌入式系统具有体积小、性能、低功耗、高可靠性和面向行业应用的特点，已经广泛应用于军工、消费类电子产品、信息家电、网络通信、工业控制等。
嵌入式的系统可以描述成无处不在，各种电子手表、电话、手机、PDA、洗衣机、电视、电饭煲、微波炉等日常生活用品都存在了嵌入式系统。
1.3嵌入式系统的发展趋势
嵌入式信息家电产品，参加的互联网时代不仅为嵌入式的市场得到了一个很好的前景，注入新的生命；也对嵌入式系统的技术，尤其是软件技术带来了新的挑战。
这包括：
支持越来越多的功能密度、灵活的网络连接、轻量级的移动应用程序和多媒体信息处理、，当然也要面对更激烈的市场竞争。
1.嵌入式的应用软件的开发需要强大功能的开发工具和对支持操作系统
随着技术走成熟，互联网的带宽增加，ICP和ASP的互联网信息的内容日益丰富，包括应用程序各不相同，如电话、手机、固定电话和冰箱、微波炉功能嵌入不再单一、电气结构是更为复杂的电子设备。
以满足应用程序的功能升级，设计师一方面强大嵌入式处理器，增强处理能力对32位、64位RISC芯片或信号处理DSP；同时使用实时多任务的编程技术和交叉开发工具技术控制复杂性、简化应用程序的设计，确保软件质量，并缩短开发时间。
目前，海外的商业化嵌入式实时操作系统，适配已进入中国市场，微软、QNX和Nuclear等其它产品。
我国自主开发的嵌入式系统软件产品，如科银（CoreTek）公司的嵌入式的软件开发平台DeltaSystem，它不仅包括DeltaCore嵌入式实时操作系统，也包括LamdaTools交叉开发工具套件、测试工具、应用程序组件等；此外，中国科学院也推出霍本嵌入式操作系统[5]。
2.网络互连的必然趋势
为了满足嵌入分布式的处理结构和互联网应用的需要，面向21世纪的嵌入式系统需要标准的一个或多个网络接口的通信。
对于外部网络的要求，嵌入式的设备分布需具有通讯接口，对应需要TCP/IP协议系列软件的支持；因为家电相互关联（防盗报警、照明节能控制和电视设备终端的信息交换）协调工作的要求，下一代嵌入式的设备的试验场仪器要有IEEE1394、USB和可以与蓝牙或IrDA通信的接口同时还需要提供相应的通讯组网络协议软件和驱动的物理层。
特定的编程模型支持应用软件，如Web或无线Web编程模型，但还需要适当的浏览器，如HTML、WML等[6]。
3.支持小型电子设备实现体积小、低功耗和低成本
为了满足此属性，嵌入式产品被要求降低处理器性能，有限内存容量，多路复用接口芯片。
这增加了嵌入式的软件设计的技术要求。
例如，选择最佳的编程模型和持续改进的算法，使用Java编程模型、性能优化系列仪器。
因此，这两个软件人员有丰富的经验，需要更多的嵌入式的软件技术，如Java，如Web和WAP的发展。
4.提供了先进的多媒体人机接口
嵌入式的设备数以百万计的用户愿意接受的其中一个重要因素是使用自然的人机交互界面，如驱动程序处理的契合和高度自动化的汽车，主要是通过方向盘的习惯、踏板和操纵杆。
人与信息终端需求和GUI屏幕中心多媒体接口进行交互。
输入、语音拨号、彩色图形、图像、发送和接收电子邮件，取得了初步成效。
目前一些先进的PDA显示屏已实现汉字书写，语音短信发布，但远离语言同声传译，还有很长的距离。
1.4本课题的主要工作
本文主要工作是基于ARM的嵌入式视频监控系统硬件设计的研究与实现，主要围绕视频的采集与回放。
安排工作如下：
第一章绪论，介绍视频监控系统的发展历史以及现状与发展，嵌入式系统的发展的驱动。
第二章系统的硬件设计。
第三章嵌入式Linux移植。
第四章嵌入式视频软件设计。
第五章结论与展望。
2系统的硬件电路设计
2.1系统的工作原理
本系统设计的硬件平台主要由三部分组成，监控前端视频服务器、USB摄像头以及远程客户机。
其中监控端视频服务器是基于ARM9的32位嵌入式系统，视频服务器主要由核心处理器部分和扩展部分组成。
下图2-1是系统工作的原理框图。
图2-1系统工作原理
其工作原理：
移植具有实现硬件功能的嵌入式Linux操作系统到系统平台中，在操作系统中编码驱动程序实现对摄像头的驱动控制，系统平台中Linux操作系统启动后加载摄像头驱动，用视频采集应用程序实现对视频信号的采集，处理器S3C2410再对采集到的视频数据进行H.264压缩，最后通过网络通讯程序把压缩后的视频数据发送出去，远程端主机收到后可解压显示，同时也可通过网络对系统平台进行远程控制。
2.2ARM嵌入式处理器简介
ARM系列嵌入式处理器是英国先进RISC（ReducedInstructionSetComputer）机器公司（AdvancedRISCMachines，简称ARM公司）的产品。
ARM公司是业界领先的知识产权供应商，与一般的公司不同，ARM公司既不生产芯片，也不销售芯片，而是设计出高性能、低功耗、低成本和高可靠性的IP内核，如ARM处理器内核（ARM7TDMI、ARM9TDMI、ARM10TDMI等）和ARM处理器宏核（ARM720T、ARM920T/922T/940T、ARM1020E/1022E等），授权给各半导体公司使用；半导体公司（ARM公司合作伙伴）在ARM技术的基础上，根据自己公司的产品定位，添加自己的设计并推出各种嵌入式微处理器MPU或微控制器MCU芯片产品；最后有OEM客户采用这些芯片来构建基于ARM技术的最终应用系列产品。
由上面可以得知，ARM并不是一款处理器的名称，它只是一个公司的名称，或者说是嵌入式处理器的内核名称。
所以，ARM嵌入式处理器应该理解为以ARM为内核的嵌入式处理器。
ARM处理器是精简指令集计算机（RISC）。
RISC的概念源于斯坦福大学和伯克利大学在1980年前后进行的处理器研究计划。
最初ARM是1983到1985年间在英国剑桥的AcornComputer公司开发的。
它是第一个为商业用途开发的RISC微处理器，同后来的RISC体系结构有明显的不同。
1990年，ARM特别为扩大开发ARM技术而成立了独立的公司。
从那以后，ARM已被授权给世界各地的许多半导体制造厂。
它已经成为低功耗和追求成本的嵌入式应用的市场领导者。
ARM微处理器主要包括ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、ARM11系列、SecurCore系列、OptimoDE系列、StrongARM系列、XScale系列，以及Cortex系列等。
ARM芯片还获得了许多实时操作系统供应商的支持，比较知名的有：
WindowsSE、uCLinux、pSOS、Vxworks、,Nucleus、uC/OS、PalmOS等。
2.2.1ARM内核
在ARM内核中有四个功能模块，这四个模块分别用T、D、M和I来表示[13]。
T：
表示Thumb，该内核可从16位指令集扩充到32位ARM指令集。
D：
表示Debug，该内核中放置了用于调试的结构，通常它为一个边界扫描链JTAG，可使CPU进入调试模式，从而可方便地进行断点设置、单步调试。
M：
表示Multiplier，是8位乘法器。
I：
表示EmbeddedICELogic，用于实现断点观测及变量观测的逻辑电路部分，其中的TAP控制器可接入到边界扫描链。
2.2.2ARM体系结构
1.ARM体系结构
（1）ARM微处理器支持7种运行模式，如表2-1所示。
表2-1ARM微处理器运行模式
运行模式
模式描述
用户模式（User）
ARM处理器正常的程序执行状态
快速终端模式（FIQ）
用于高速数据传输或通道处理
外部中断模式（IRQ）
用于通用的中断处理
管理模式（Supervisor）
操作系统使用的保护模式
数据访问终止模式（Abort）
当数据或指令预取终止时进入该模式，可用于虚拟存储及存储保护
系统模式（System）
运行具有特权的操作系统任务
未定义指令终止模式（Undifined）
当未定义的指令执行时进入该模式，可用于软件仿真，该软件仿真支持硬件协处理器
说明：
ARM微处理器的运行模式有两种方法改变一种是通过软件，另外一种改变是通过外部中断或异常处理。
大部分的应用程序是在用户模式下运行，当处理器在用户模式下运行时，一些被保护的系统资源是不能被访问的。
除了用户模式，剩下的6种模式称为非用户模式或特权模式；其中除用户模式和系统模式另外5种模式又称为异常模式，常用于处理中断或异常，以及需要访问受保护的系统资料等情况。
（2）两种处理器工作状态
ARM状态（执行32位ARM指令）和Thumb状态（执行16位Thumb指令）。
（3）嵌入式在线仿真调试
ARM处理器的体系结构都嵌入了在线仿真ICE-RT逻辑，便于仿真调试芯片通JTA
的方式，节省了费用一些价格昂贵的在线仿真器。
（4）灵活方便的借口
ARM体系结构具有协处理器接口，可以接协处理器16个。
既方便地扩充ARM指
令集，可以使基本ARM处理器内核尽可能小，也可以支持协处理器的软件仿真通过未定义指令方式。
（5）低电压功耗的设计
ARM体系结构的处理器通常主要用于手持式嵌入式系统中，在设计中ARM体系结
构就比较注意功耗方面的设计。
（6）RISC型处理器结构
ARM采用RISC结构，在简化处理器结构，减少复杂功能指令的同时，提了高处
理器的速度。
2.ARM存储结构
ARM体系结构可以用两种方法存储字数据，称之为大端格式和小端格式。
大端格式（big-endian）:
字数据的高字节存储在低址中，而字数据的低字节则存放在高地址中。
小端格式（low-endian）:
与大端存储格式相反。
低地址中存放的是字数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。
3.ARM异常中断
ARM有7种异常：
1.复位2.未定义指令异常3.软件中断异常4.数据中止（取指令存储中止）5.数据中止（访问数据存储器中止）6.IRQ异常7.FIQ异常。
2.3嵌入式视频采集系统设计
嵌入式视频监控系统的实现通过前端的采集，经过网络传输，然后到后台。
前端采集的实现通过嵌入式平台，这里用普通的PC机作为后台的宿主机。
下图2-2为系统主成框图。
图2-2嵌入式视频采集系统框图
2.3.1ARM处理器选择
嵌入式系统最为重要的是要选择合适的处理芯片，所以本系统选择S3C2410处理器。
S3C2410处理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核，采用0.18um制造工艺的32位微控制器。
该处理器拥有：
独立的16KB数据Cache和16KB指令Cache，MMU，支持NAND闪存控制器，TFT的LCD控制器，4路DMA（直接存储器访问），3路UART，4路带PWM的Timer，I/O口，RTC，TouchScreen接口，8路10位ADC，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，2个USB主机，1个USB设备，SD主机和MMC接口，2路SPI。
S3C2410处理器最高可运行在203MHz。
S3C2410处理器的功能[12]：
（1）S3C2410芯片集成了大量的功能单元
1.内部电压1.8V，存储器电压3.3V，外部I/O电压3.3V，16KB数据Cache，16KB指令Cache，MMU。
2.内置外部存储器控制器（芯片选择逻辑和SDRAM控制）。
3.LCD控制器。
4.4个带外部请求线的DMA（直接存储器访问）。
5.3个通用异步串行端口（IrD
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