基于CDMA2000-1X的无线视频监控系统的研究与实现_图文

论文题目:基于 CDMA2000-1X 的无线视频监控系统的研究与实现 专 业:控制理论与控制工程 (签名) (签名) 摘 要
为了满足对难以布线的无人值守设备进行远程监控的需要, 本文提出并设计实现了 一种基于 CDMA2000-1X 网络的无线视频监控系统。 系统融合了嵌入式系统、 无线网络、 视频编码等多项快速发展中的技术,实现了视频图像的远距离无线传输,并克服了传统 监控系统需要复杂连线的局限性,能够广泛地应用于多种行业的远程监控中。 硬件方面, 以基于 ARM920T 核的 AT91RM9200 微处理器为核心建立了监控终端的 嵌入式控制平台,并为监控终端设计了 CDMA 接口电路和视频、温度采集模块。处理 器通过 CDMA 接口电路连接 CDMA 网络,并建立与监控服务器的数据通道,以传输采 CDMA 接口电路采用了中兴公司的 CDMA 模块 MG815+, 集的视频流和温度监测数据。 视频采集模块则采用了视频编码芯片 IME6410 实现 MPEG-4 编码。 软件方面,首先在微处理器上移植了 Linux 操作系统,并在嵌入式 Linux 环境下编 写了各硬件模块的驱动程序。然后在驱动程序的基础上设计了读取视频流、PPP 拨号、 网络通信等应用程序模块,实现了监控终端所必需的各项功能。服务器端是一台接入 Internet 并具有固定 IP 地址的计算机,为其所设计的软件实现了控制命令的发送、数据 包的接收和处理等功能。 经测试,系统运行正常,较好地实现了各项设计目标,从而证明了本文的设计方法 是可行的。该系统为高压输电线路、油田油井等设备的远程视频监控提供了一种可靠的 解决方案,具有良好的应用前景。

硕 士 生:李 猛 指导教师:黄向东

关 键 词:无线监控;CDMA;嵌入式系统;AT91RM9200;嵌入式 Linux;MPEG-4 研究类型:应用研究

Subject

:Research and Realization of Wireless Video Supervisory System Based on CDMA2000-1X

Specialty :Control Theory and Control Engineering Name :Li Meng (Signature) (Signature) ABSTRACT
For the sake of supervising unattended equipment which is difficult to cable, the paper presents and realizes a kind of wireless video supervisory system based on the CDMA2000-1X network. The system integrates a variety of technologies which are developing very soon, such as embedded system, wireless network. The system achieves to transmit video pictures through wireless network, and conquered the disadvantage that conventional systems need complex cabling. So it can be widely applied to various fields. As to the hardware, the paper establishes the embedded control platform for the supervisory terminal based on AT91RM9200, and designs CDMA network interface unit, video data and temprature collection unit. The processor connects the CDMA network with CDMA DTU, and establishes the channels to send the MPEG-4 video data and the real-time temperature to supervisory server. In CDMA interface unit, MG815+, which is produced by ZTE, has been used. In video compression module, MPEG-4 encoder IME6410 has been used. As to the software, Linux operating system is transplated to the processor, and the driver of every module has been included, the function of PPP dialing-up and corresponding program has been achieved too. The server is a computer which has a fixed IP address on the Internet, it carries out the function of sending user commands, receiving and dealing with data packet. The test result of this supervisory system indicates that it works normally and reaches the design goales. This proves that the method is feasible, and the system can be used broadly for supervising unattended equipment, such as high voltage transmission line and oilfield.

Instructor :Huang Xiangdong

Keywords : Wireless Supervisal
Embedded Linux

CDMA MPEG-4

Embedded System

AT91RM9200

Thesis

: Application Research









1 绪论........................................................................................................................................ 1 1.1 选题背景及意义 ............................................................................................................. 1 1.1.1 远程监控系统现状.................................................................................................. 1 1.1.2 视频监控系统现状.................................................................................................. 2 1.1.3 课题的提出.............................................................................................................. 2 1.1.4 课题的研究意义...................................................................................................... 3 1.2 论文的主要内容 ............................................................................................................. 3 1.2.1 系统整体结构.......................................................................................................... 3 1.2.2 主要工作内容.......................................................................................................... 4 1.3 论文的结构安排 ............................................................................................................. 4 1.4 本章小结 ......................................................................................................................... 4 2 监控终端的平台设计............................................................................................................ 5 2.1 嵌入式系统概述 ............................................................................................................. 5 2.1.1 嵌入式系统的定义及组成...................................................................................... 5 2.1.2 ARM 处理器............................................................................................................ 6 2.1.3 嵌入式 Linux 操作系统 .......................................................................................... 6 2.2 硬件平台设计 ................................................................................................................. 7 2.2.1 AT91RM9200 微处理器.......................................................................................... 7 2.2.2 硬件平台整体结构.................................................................................................. 8 2.2.3 核心板设计.............................................................................................................. 9 2.2.4 扩展板设计............................................................................................................ 10 2.3 软件平台设计 ............................................................................................................... 12 2.3.1 软件平台的设计内容............................................................................................ 12 2.3.2 建立开发环境........................................................................................................ 12 2.3.3 固化启动加载程序................................................................................................ 13 2.3.4 裁剪 Linux 内核 .................................................................................................... 14 2.3.5 制作文件系统........................................................................................................ 15 2.3.6 设备驱动程序........................................................................................................ 15 2.4 本章小结 ....................................................................................................................... 15 3 CDMA 网络接口设计.......................................................................................................... 16 3.1 CDMA 网络简介 ........................................................................................................... 16
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3.1.1 CDMA 的基本概念及特点................................................................................... 16 3.1.2 CDMA 技术的演进............................................................................................... 17 3.1.3 CDMA2000-1X 网络结构..................................................................................... 17 3.1.4 CDMA2000-1X 分组数据业务............................................................................. 18 3.2 相关通信协议 ............................................................................................................... 20 3.2.1 TCP/IP 协议........................................................................................................... 20 3.2.2 PPP 协议 ................................................................................................................ 22 3.2.3 PPP 链路工作过程 ................................................................................................ 23 3.3 CDMA 模块选型及接口设计 ....................................................................................... 23 3.3.1 CDMA DTU 简介.................................................................................................. 23 3.3.2 AT 指令概述 .......................................................................................................... 24 3.3.3 模块接口板设计.................................................................................................... 24 3.3.4 CDMA 网络连接过程........................................................................................... 25 3.4 本章小结 ....................................................................................................................... 26 4 视频采集与处理单元.......................................................................................................... 27 4.1 MPEG-4 视频编码标准简介......................................................................................... 27 4.1.1 视频编码标准........................................................................................................ 27 4.1.2 MPEG-4 标准及其主要特点 ................................................................................ 27 4.1.3 颜色空间及 MPEG-4 的图像格式 ....................................................................... 28 4.1.4 MPEG-4 标准的核心思想和关键技术 ................................................................ 29 4.2 编码芯片 ....................................................................................................................... 31 4.2.1 MPEG 编码芯片.................................................................................................... 31 4.2.2 IME6410................................................................................................................. 31 4.2.3 SAA7114 ................................................................................................................ 32 4.3 视频单元的硬件连接 ................................................................................................... 33 4.3.1 视频单元总体结构................................................................................................ 33 4.3.2 IME6410 外接 SDRAM ........................................................................................ 33 4.3.3 SAA7114 与 IME6410 的连接.............................................................................. 34 4.3.4 IME6410 的主机接口............................................................................................ 34 4.4 本章小结 ....................................................................................................................... 35 5 监控系统实现与测试.......................................................................................................... 36 5.1 硬件体系........................................................................................................................ 36 5.1.1 监控终端的硬件连接............................................................................................ 36 5.1.2 温度采集单元........................................................................................................ 36
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5.1.3 视频单元与控制平台的连接................................................................................ 37 5.2 软件体系 ....................................................................................................................... 38 5.2.1 温度采集的软件设计............................................................................................ 38 5.2.2 读取 MPEG-4 视频流的软件设计 ....................................................................... 39 5.2.3 通过 CDMA DTU 建立 PPP 连接 ........................................................................ 43 5.3 网络通信 ....................................................................................................................... 45 5.3.1 总体设计................................................................................................................ 45 5.3.2 数据格式的约定.................................................................................................... 46 5.3.3 网络通信的软件流程............................................................................................ 47 5.4 系统测试 ....................................................................................................................... 50 5.5 系统的补充设计——监控终端维护代理单元 ........................................................... 50 5.5.1 Xmodem 协议及其实现 ........................................................................................ 51 5.5.2 Kermit 协议及其实现............................................................................................ 52 5.6 本章小结 ....................................................................................................................... 53 6 结论...................................................................................................................................... 54 6.1 总结 ............................................................................................................................... 54 6.2 展望 ............................................................................................................................... 54 致 附 谢.................................................................................................................................. 55 录.................................................................................................................................. 58 参考文献.................................................................................................................................. 56

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1 绪论

1 绪论
“无线”与“视频”是当前监控技术的两个热点话题,将两者结合在一起的无线视频 监控系统有着较高的科研与实际应用价值。本章对这类系统的相关背景和研究意义进行 了简单的阐述,并介绍了本文的主要工作内容。

1.1 选题背景及意义 1.1.1 远程监控系统现状
远程监控系统是指通过各种远程连接手段,将现场数据传输至主控中心进行显示、 汇总、打印、存档、报警等处理,从而可以对现场分散的设备实现远程监测和管理。 根据监控系统中数据远程传输方式的不同,可以把目前应用比较广泛、技术比较成 熟的远程监控系统分为以下几大类[1]: (1)使用专线的远程监控系统 对于监控距离较短、通信数据量大、通信频繁且实时性、可靠性和保密性要求都很 高的远程分布式监控系统,一般自行架设专线(如电缆)来作为数据传输的通道。 (2)利用公用电话网的远程监控系统 在通信不太频繁、数据量较小、实时性和保密性要求不高的场合,可以租用公用电 话网,采用拨号方式建立临时连接来实现远程监控。 (3)采用光纤通信的远程监控系统 利用光缆来传输测量和控制数据,可以充分发挥光缆传输的稳定性好、抗干扰能力 强、传输容量大等优点。这种监控系统的投资较高,但通信质量优越。 (4)基于 Internet/Intranet 的远程监控系统 这种监控系统的特征是以计算机为中心、以网络为核心,它使得人们从任何地点、 在任何时刻获取到测量数据的愿望成为现实。 (5)基于无线通信的远程监控系统 随着各行各业自动化水平的提高,需要监控的对象种类也越来越繁多。在有些监控 系统中,监控点分布范围广、数量多、距离远、位置偏僻,如果采用传统的有线监控系 统,布线成本会非常高,并且需要花费大量的人力、物力和财力进行网络的维护;如果 需要监控移动的对象,有线网络更是束手无策。此时,无线通信方式不可比拟的优势就 体现出来了。利用无线电波来实现主控站与各个子站之间的数据通信,有利于解决复杂 连线的问题,具有投资较少、建设周期短、运行维护简单、性价比高等优点。所以,无 线监控系统有着十分广泛的应用前景,也是当前监控系统研究的一个热点。
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1.1.2 视频监控系统现状
视频图像是人们从客观世界获得信息的主要来源,所以视频监控技术一直是人们关 注的应用技术热点之一,它以其直观、方便、信息丰富的特点被广泛应用于电力、交通、 工业、通讯、金融等领域。视频监控系统的发展经历了本地模拟监控系统、基于 PC 的 多媒体监控系统、基于网络的远程视频监控系统三个阶段[2]。 第一代模拟监控系统主要是以模拟设备为主的闭路电视监控系统,由摄像机、视频 矩阵、监视器和录像机等组成,使用同轴电缆以模拟方式传递视频信号和控制信号。这 种监控系统能够保证采集到的图像清晰、不失帧,但存在着传输距离小、可扩展性差、 后期处理能力不强等明显的局限性。 20 世纪 90 年代中期, 基于 PC 的多媒体监控系统随着数字视频压缩编码技术的发展 而产生。在这种系统中,远端摄像机获取的图像传输到多媒体监控终端,然后再通过通 信网络传送到一个或多个监控中心。由于采用了数字图像处理技术,所以系统的可扩展 性和后期处理能力得到了提高,但仍然存在着距离受限、布线繁琐、费用较高的缺点。 从 20 世纪 90 年代末开始,基于 Internet 的远程网络视频监控系统发展迅速。由于 利用了现成的 Internet 网络,所以不需要铺设专用的通信线路,就可方便、廉价地实现 远程视频监控。虽然网络传输的码率较低,但高性能的视频编码算法为这种系统的视频 传输质量提供了保证。同时,随着无线技术的发展,结合高压缩比视频编码技术和无线 网络技术实现无线视频监控是当前研究的一个热点问题。

1.1.3 课题的提出
近年来,在国民经济持续发展的带动下,我国的电力需求快速增长,电力网络的覆 盖范围也迅速扩大。为了有效地防止外力破坏事故和线路覆冰等自然灾害,有必要及时 了解输电线路的运行情况。而输电线路的迅速增长已使得传统的人工巡视方式远不能满 足电力系统自动化发展的需要,所以急需一种远程监控手段来实时监测电力线路的运行 情况,以便及时发现、处理事故,提高电力系统自动化运行的安全性和可靠性。 课题的目标即是针对高压输电线路的无人值守设备提出一种远程监控的解决方案, 实现视频监控及对其它环境数据的监测。 由于电力线路监控点多、距离远、自然条件恶劣,所以传统的有线监控方式无法满 足要求,需要寻找一种方便、可靠、范围广、费用低的无线数传方式。 在一些领域的无线监控系统中,基于数传电台的无线专网仍是主要的实现手段,但 是这种方法有限的传输距离决定了它同样不适用于对电力线路的监控。 近几年来,公用移动通信网络不断升级和扩容,获得了极大的发展。以 GSM/GPRS/ CDMA 技术为代表的无线通信技术越来越引人关注。无论是 GSM、GPRS 还是 CDMA,
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1 绪论

它们发展的目标都是在提供更好的语音服务之外,向用户提供更多的、丰富多彩的无线 数据业务。移动通信运营商为了探寻新的业务增长点,也在不遗余力地推广各种数据业 务,并不断地降低它们的费用,这些都为无线监控系统的使用提供了基础。依托上述各 类无线公网建立的无线监控系统,几乎不受区域的限制,而且组网灵活、维护费用低, 具有广阔的应用前景,并且也符合课题的要求。与 GPRS 等其它网络相比,CDMA 网络 的传输速率更高,业务费用也相对较低,所以课题选择它作为无线视频监控系统的传输 载体。

1.1.4 课题的研究意义
本课题提出并初步设计实现了基于 CDMA2000-1X 网络的远程无线视频监控系统。 本系统不仅可以应用于电力线路监测、油田油井数据采集,在工业监控、环境监测、交 通管理、金融、证券等领域同样有着比较广泛的应用前景。系统的监控终端具有小型化、 低功耗、低成本、可扩展性强等优点,具有一定的工程应用和参考价值。

1.2 论文的主要内容 1.2.1 系统整体结构
基于 CDMA2000-1X 网络的无线视频监控系统基本结构如图 1.1 所示。

图 1.1 监控系统基本结构图

整个系统分为监控终端和监控服务器两部分。监控服务器以固定 IP 地址接入 Internet;监控终端通过 CDMA DTU 连接 CDMA 网络,并主动与监控服务器建立连接。 这种连接方式成本低、通信质量稳定、安全性适中、运行可靠,是目前比较成熟的组网 方式。 监控终端的核心部分是它的控制平台,本课题中采用运行嵌入式 Linux 操作系统的 ARM9 处理器来实现。控制平台采集监控数据和视频图像,经过处理后发送到 CDMA DTU;CDMA DTU 将数据打成 IP 数据包,然后发送到 CDMA 无线网络;IP 数据包经
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过 CDMA 系统的分组数据服务节点, 传输至 Internet, 并且去寻找在 Internet 上指定的监 控服务器;服务器将数据接收,经过处理后进行显示、存储等操作。同时,监控服务器 也可向监控终端发送控制信息。

1.2.2 主要工作内容
本课题所做的主要工作如下: (1)监控终端控制平台的设计:分别以 ARM9 处理器和嵌入式 Linux 操作系统为核 心,设计实现监控终端的硬件平台和软件平台。 (2)CDMA 网络接口的设计:对 CDMA DTU 进行选型,并完成所需的软硬件设计, 实现监控终端与 CDMA 网络的连接。 (3)视频采集与处理单元的设计:实现视频图像的采集、数字化、压缩编码。 (4)软件系统的设计:以嵌入式 Linux 软件平台为基础,编写所需的驱动程序和应 用程序,建立监控终端的软件系统,实现终端的各项功能。 (5)系统的整合、调试、完善。

1.3 论文的结构安排
本文共分为 6 章: 第一章,简述了课题的研究背景和论文的主要工作内容。 第二章,介绍了监控终端控制平台的设计,包括硬件平台和软件平台。 第三章,简要介绍了 CDMA2000-1X 网络技术及 CDMA 网络接口单元的设计方法。 第四章,简要介绍了 MPEG-4 标准,并对视频采集、处理的实现方法进行了叙述。 第五章,详细阐述了整个监控系统整合的方法,尤其是软件系统的设计。 第六章,总结了本文所作的工作,并指出了课题的不足之处以及后续研究的方向。

1.4 本章小结
本章首先介绍了远程监控系统和视频监控系统的发展现状, 然后对课题的研究对象、 应用领域及研究意义进行了说明,最后简要叙述了本课题所实现的监控系统的基本结构 及论文的主要工作内容。

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2 监控终端的平台设计

2 监控终端的平台设计
监控终端的控制平台是监控终端乃至整个监控系统的核心, 也是本系统设计的基础。 本章简要介绍了它的软硬件平台设计方法,以及涉及到的背景知识。

2.1 嵌入式系统概述 2.1.1 嵌入式系统的定义及组成
嵌入式系统(Embedded System) ,目前被普遍认同的定义是:以应用为中心,以计 算机技术为基础,软硬件可裁剪,对功能、可靠性、成本、体积、功耗有着严格要求的 专用计算机系统[6]。 类似于通用计算机系统,嵌入式系统也是由硬件和软件两大部分组成的。整个系统 可以分为五个部分,体系结构如图 2.1 所示。

图 2.1 嵌入式系统体系结构

嵌入式处理器(CPU)是嵌入式系统硬件的核心,根据性能特点、应用场合的不同, 可以分为如下四种: ①微处理器(MPU) ②微控制器(MCU) ③数字信号处理器(DSP) ④片上系统(SOC) 嵌入式处理器的种类很多,但芯片生产厂家一般都是在基于不同的处理器核生产不 同型号的芯片。主流的处理器核有:ARM、MIPS、Power PC、X86、SPARC 等。其中 ARM 的市场占有率远远高于其他处理器架构,为主流市场所认可。 早期的嵌入式系统(如单片机系统)通常并不含有操作系统。但是随着处理器功能 的增强、存储器容量的扩大,以及操作系统在体积、功能、可裁剪性、可移植性等方面 的提高,嵌入式系统已经普遍选配操作系统作为应用程序的开发平台,从而增强了应用 程序执行的实时性和可靠性,并减少了开发时间、提高了软件质量。
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嵌入式操作系统大体上可以分为以下三类: (1)商用型:功能强大、性能稳定、辅助工具齐全、有完善的技术支持和售后服务, 但价格昂贵。如 Windows CE、Vxworks、QNX、pSOS 等。 (2)专用型:一些专业厂家为本公司产品特制的嵌入式操作系统。 (3)开放性:源代码开放、网络资源丰富,在成本方面具有优势,但无专门技术支 持。典型代表为嵌入式 Linux 和 μC/OS-Ⅱ。

2.1.2 ARM 处理器
1990 年 11 月成立于英国剑桥的 ARM 公司, 是专门从事基于 RISC 技术芯片设计开 发的公司。作为知识产权供应商,ARM 公司本身不直接从事芯片生产,而是靠转让设 Intellectual 计许可由合作公司生产各具特色的芯片。 目前, 采用 ARM 技术知识产权 (IP, Property)核的微处理器,已遍及汽车、工业控制、消费电子、通信系统、网络系统、无 线系统等各类产品市场。基于 ARM 技术的微处理器应用已占据 32 位 RISC 芯片 75%以 上的市场份额,ARM 技术可谓无处不在[7]。 (1)工业控制领域:基于 ARM 核的微控制器芯片不仅占据了高端市场的大部分份 额,同时也逐渐向低端微控制器应用领域渗透。 (2)无线通信领域:目前超过 85%的无线通讯设备采用了 ARM 技术。 (3)网络应用:ARM 技术在 ADSL 芯片、语音及视频处理上的应用正日趋广泛。 (4)消费电子产品:ARM 技术广泛应用于数字音频播放器、数字机顶盒等产品。 (5)成像和安全产品:数码相机和打印机、手机的 SIM 卡中都采用了 ARM 技术。 ARM 微处理器目前包括这样几个系列:ARM7 系列、ARM9 系列、ARM9E 系列、 ARM10E 系列、SecurCore 系列、Xscale 和 StrongARM,它们除了具有 ARM 体系结构 的共有特点之外,每一个系列的 ARM 微处理器都有自己的特点和应用领域。 ARM9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供了最佳的性能,主要应用于无 线设备、仪器仪表、安全系统、数字机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。 ARM9 系列包含 ARM920T、ARM922T 和 ARM940T 三种类型,适用于不同的场合,本 文的监控终端控制平台选用的 AT91RM9200 处理器属于 ARM920T 系列。

2.1.3 嵌入式 Linux 操作系统
随着 Internet 的发展,Linux 操作系统在全球计算机爱好者的关怀下,不断地发展和 成长,已经成为当前最流行的免费操作系统。Linux 还以其独有的特性广泛应用于嵌入 式领域,在目前正开发的嵌入式系统中,大约 49%的项目选择嵌入式 Linux 作为操作系 统。Linux 之所以在嵌入式系统市场上取得了如此快的发展,与其自身的优良特性有着 不可分割的关系。
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2 监控终端的平台设计

(1)源码开放、软件资源丰富:Linux 是自由的操作系统,它的开放源代码使用户 获得了最大的自由度。Linux 的软件资源十分丰富,每一种通用程序在 Linux 上都可以 找到,并且每天都在增加。这些特点节省了开发人员的工作量,缩短了开发时间。 (2)内核功能强大、性能高效且稳定:Linux 的高效和稳定性已经在各个领域,尤 其是网络服务器领域得到了验证。Linux 的内核功能强大,并且易于裁剪,这使得 Linux 很适合嵌入式系统的应用。 (3)支持多种体系结构:Linux 已经被移植到数十种硬件平台上,几乎所有流行的 CPU,包括 ARM、MIPS、X86、Power PC 等体系结构,Linux 都支持。 (4)完善的网络通信、图形和文件管理机制:网络是 Linux 的强项。此外,在 Linux 上既有成熟的 X Window,也有 Embeded QT、MiniGUI 等嵌入式图形用户界面,它还支 持多种文件操作系统。 (5)支持大量的周边硬件设备、驱动丰富:Linux 支持各种主流硬件设备和最新的 硬件技术,许多芯片厂家也开始提供 Linux 上的驱动,从而进一步促进了 Linux 在各种 硬件平台上的应用。 (6)大小、功能都可定制:Linux 继承了 Unix 的优秀设计思想,内核与用户界面完 全独立,各部分的可定制性都很强,能适合多种需求。

2.2 硬件平台设计 2.2.1 AT91RM9200 微处理器
Atmel 公司推出的 AT91RM9200 微处理器是一款基于 ARM 公司 ARM920T 核的 32 位嵌入式芯片,它集成了丰富的外围设备和标准接口,为控制、通讯等领域的应用提供 了一个低功耗、低成本、高性能的单片解决方案。 AT91RM9200 的主要特性如下: ARM920T 核 主频 180MHz 时运算速度高达 200MIPS,带有内存管理单元(MMU) 16KB 数据缓存,16KB 指令缓存,写缓冲区 含调试通信信道的在线仿真器 支持 32 位数据总线、26 位地址总线,寻址空间高达 64M 低功耗:VDDCORE 电流为 30.4mA,待机模式电流为 3.1mA 附加的嵌入式存储器:16KB 的 SRAM,128KB 的 ROM 外部总线接口(EBI) :支持 SDRAM、Burst Flash、CompactFlash?、SmartMedia? 和 NAND Flash 片内集成了丰富的外设:
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增强的时钟发生器和电源管理控制器,2 个带 PLL 的片上晶振 超慢时钟工作模式和软件电源优化功能 4 个可编程的外部时钟信号 系统定时器,看门狗和计秒器,有报警中断的实时时钟 调试单元,支持调试通信信道的双线 UART 有 8 个优先级的高级中断控制器,独立的可屏蔽中断源,伪中断保护 7 个外部中断源和 1 个快速中断源 4 个 32 位并行 I/O 口,多达 122 根可编程 I/O 线 20 路通道的 DMA 控制器 10/100 Ethernet MAC(以太网媒体接入控制器) USB2.0 全速设备端口及双主端口,多媒体卡接口(MCI) ,两线接口(TWI) 4 个通用同/异步收发器 IrDA 和 Smart Card, (USART) 支持 RS485、 , 其中 USART1 带有完整的 MODEM 控制线 主/从串行外设接口(SPI) 个同步串行控制器(SSC) ,3 2 个三通道 16 位定时计数器 全部数字引脚的 JTAG 边界扫描 可见,AT91RM9200 充分满足了本系统对微控制器芯片的性能要求,并且为今后系 统功能的进一步扩展提供了方便,于是课题选择它作为监控终端的主处理器。

2.2.2 硬件平台整体结构
监控终端的硬件平台由核心板和扩展板两部分构成,它们之间通过一个 200PIN 连 接器连接。核心板上主要是以 AT91RM9200 为核心的最小系统,主要包括电源(1.8V) 、 晶振、SDRAM 和 FLASH 等。扩展板主要提供了电源(3.3V) 、以太网接口、两个 UART 以及其它数据引脚接口。硬件平台的结构框图如图 2.2 所示。
RJ45接口 晶振
EBI FLASH 16MB SDRAM 16MB SDRAM 16MB 3.3V 3.3V 5V 电源输入

UART1 (调试用)

UART2 (CDMA)

数据采集与 控制接口

电源 模块

单阻隔离 变压器

电源 1.8V CPU AT91RM9200 模块

EBI EBI

MAX3232 电平转换

网络控制器 DM9161
3.3V 3.3V 3.3V 3.3V

3.3V

3.3V

各功能引脚

与扩展板接口

与核心板接口

(a) 核心板结构

(b) 扩展板结构

图 2.2 监控终端硬件平台的结构框图

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2 监控终端的平台设计

2.2.3 核心板设计
(1)电源部分 核心板上的 CPU、FLASH、SDRAM 等使用的 3.3V 电源由扩展板提供,另外,还 需要提供一个 1.8V 的电源,由 LM1117-1.8 产生。电路如图 2.3 所示。
3V3 VIN GND 3 vout2 VOUT 4 2 C17 C18 1V8

+

1

DS4 2 1

R14

图 2.3 核心板电源电路

(2)FLASH 存储器 Flash 存储器是一种可在系统(In-System)进行电擦写、掉电后信息不丢失的存储 器。它具有功耗低、容量大、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程及擦除的特点, 并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作,因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应 用。本系统采用 Intel 的 Flash 存储芯片 TE28F128,容量为 16MB,内部存放启动代码、 Linux 内核及文件系统等。地址分配为 0x10000000~0x10FFFFFF,电路如图 2.4 所示。
D[0-31] A[0-25] A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 A16 A17 A18 A19 A20 A21 A22 A23 A24 U6 32 28 27 26 25 24 23 22 20 19 18 17 13 12 11 10 8 7 6 5 4 3 1 30 56 21 42 48 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 A16 A17 A18 A19 A20 A21 A22 A23 A24 GND0 GND1 GND2 E28F128J3A150 DQ0 DQ1 DQ2 DQ3 DQ4 DQ5 DQ6 DQ7 DQ8 DQ9 DQ10 DQ11 DQ12 DQ13 DQ14 DQ15 VCC0 VCC1 VCCQ nBYTE STS nRP nOE nWE nCE0 nCE1 nCE2 VPEN 33 35 38 40 44 46 49 51 34 36 39 41 45 47 50 52 9 37 43 31 53 16 54 55 14 2 29 15 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 3V3

3V3

R16 0

NRST NRD NWR0 R17 0 R18

R19 47K

NCS0

3V3

图 2.4 Flash 连接电路图

(3)SDRAM 存储器 与 Flash 存储器相比,SDRAM 不具有掉电保持数据的特性,但其存取速度远高于 Flash 存储器, SDRAM 在系统中主要用作程序运行的空间、 并且具有读写的属性, 因此, 数据及堆栈区。SDRAM 具有单位空间存储量大和价格便宜的优点,已经广泛应用于各
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种嵌入式系统中。本系统采用 2 片 SAMSUNG 的 SDRAM 存储器芯片 K4S281632 并联 成 32MB 的 SDRAM 存储器系统,地址分配为 0x20000000~0x21FFFFFF,电路如图 2.5 所示。
D[0-31] A[0-25] A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 SDA10 A13 23 24 25 26 29 30 31 32 33 34 22 35

U3 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 DQ0 DQ1 DQ2 DQ3 DQ4 DQ5 DQ6 DQ7 DQ8 DQ9 DQ10 DQ11 DQ12 DQ13 DQ14 DQ15 VDD VDD VDD VDDQ VDDQ VDDQ VDDQ VSS VSS VSS VSSQ VSSQ VSSQ VSSQ

A16 A17 A14

20 21 36 40 37 38 15 39 17 18 16 19

BA0 BA1 NC NC CKE CLK DQML DQMH /CAS /RAS /WE /CS

2 4 5 7 8 10 11 13 42 44 45 47 48 50 51 53 1 14 27 3 9 43 49 28 41 54 6 12 46 52

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15

A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 SDA10 A13

23 24 25 26 29 30 31 32 33 34 22 35

U4 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 DQ0 DQ1 DQ2 DQ3 DQ4 DQ5 DQ6 DQ7 DQ8 DQ9 DQ10 DQ11 DQ12 DQ13 DQ14 DQ15 VDD VDD VDD VDDQ VDDQ VDDQ VDDQ VSS VSS VSS VSSQ VSSQ VSSQ VSSQ

A16 A17 A14

20 21 36 40 37 38 15 39 17 18 16 19

BA0 BA1 NC NC CKE CLK DQML DQMH /CAS /RAS /WE /CS

2 4 5 7 8 10 11 13 42 44 45 47 48 50 51 53 1 14 27 3 9 43 49 28 41 54 6 12 46 52

D16 D17 D18 D19 D20 D21 D22 D23 D24 D25 D26 D27 D28 D29 D30 D31

3V3

3V3

SDCKE SDCK A0 NBS1 CAS RAS SDWE SDCS

SDCKE SDCK A1 NBS3 CAS RAS SDWE SDCS

图 2.5 SDRAM 连接电路图

2.2.4 扩展板设计
(1)电源部分 整个硬件平台由外部提供 5V 直流电源输入,经扩展板上的 AS1117-3.3 实现 5V 到 3.3V 的转换,提供给外围设备和核心板使用,电路如图 2.6 所示。
5V C14 220uF GND 3 C15 0.1uF U5 Vin AS1117-3.3 Vout 2 C16 3V3 C17

0.1uF 220uF

图 2.6 扩展板电源电路

(2)网络接口 硬件平台使用以太网来下载、调试嵌入式 Linux 及相关程序。以太网接口电路主要 由 MAC 控制器和物理层接口两大部分组成。AT91RM9200 内嵌网络控制器,支持媒体 独立接口(MII)和带缓冲 DMA 接口(BDI) ,可在半双工和全双工模式下提供 10M/100Mbps 的以太网接入。也就是说,AT91RM9200 内部包含了以太网 MAC 控制, 但并未提供物理层接口,所以需要外接一片物理层芯片来提供以太网的接入通道。 本系统采用 DM9161 作为以太网的物理层接口,经单阻隔离变压器 LF04-3506S 连
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1

2 监控终端的平台设计

接 RJ45 接口,参考时钟为 50MHz,电路如图 2.7 所示。
PA[0-31] 1 2 CY1 NC GND 50MHZ PC[0-15] U1 REF_CLK/XT2 TXD3 TXD2 TXD1 TXD0 TX_EN TX_CLK/ISOLATE RXD3/ADR3 RXD2/ADR2 RXD1/ADR1 RXD0/ADR0 RX_EN RX_CLK/SCRAMEN/10BTSER RX_DV/TESTMODE TX_ER/TXD4 RX_ER/RXD4/RPTR COL/RMII CRS/ADR4 MDC MDIO MDINTR
DM9161E

VCC OUT

4 3

5V C1 0.1uF

VCCA C2 100nF AGND

PA7

42 17 18 19 20 21 22 26 27 28 29 31 34 37 16 38 3V3 R3 10K 36 35 24 25 32

XT1

43

R1 50R

R2 50R

RXRX+ TEMP_GND TEMP_GND CHASSIS_GND CHASSIS_GND TEMP_GND TEMP_GND TX+ TX-

U2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 CON10

PA1 0 PA9 PA8

TX+

7 C7 100nF

U3 AGND 16 14 15 4 8 C5100nF C6 1 3 2 10 12 11 13 9 7 5 6 R7 75 AGND AGND R8 75 RX+ RXTX+ TX1 2 3 6

U4 TPTX+ TPTXTPRX+ TPRXNC NC NC NC NC NC 8 7 5 4 CHASSIS_GND TEMP_GND

TX-

8

PA1 3 PA1 2

RX+

3

R5 50R

3V3
PA1 1

RX-

4 VCCA

R6

50R

AGND AGND 100nF

LF04-3506S

11 12

R4

10K

PA1 4

R9 75 AGND

R10 75

PC4

AVDD AVDD AVDD AGND AGND AGND BGRESG

1 2 9 5 6 46 47

C3 C4

100nF 100nF

JP1 3 2 1 MHDR1X3
PB2 9

PA1 5 PA1 6

R112.2K C8 C9 C10 C11 100nF 100nF 100nF 100nF

3V3

C12 100nF AGND

41 39 30 23 15 33 44

DVDD DVDD DVDD DVDD DGND DGND DGND PWRDWN RESET DM9161 3V3

3V3 R14 10K R16 10K R18 10K 2 2 2 1 DS1 LED0 红 1 DS2 LED1 黄 1 DS3 LED3 绿 R21 R22 R23 R24 R25 R20 2k 2k 2k 2k 2k 2k

3V3

R13 6.8K BGRES FDX/COLLED/OP0 SPEEDLED/OP1 LINK/ACTLED/OP2 CABLESTS/LINKSTS N.C 48 11 12 13 14 45

PB[0-29] 1 NRST 3V3

J1 JMP

2

10 40

R12 47K

VCCA L1 742792093 R26 10R C13 AGND 100nF AGND

R15 10K

R17 10K

R19 10K

图 2.7 以太网接口电路图

(3)UART 硬件平台提供了两个串行接口, 串口 1 用来下载、 调试程序, 串口 2 用来连接 CDMA 模块。串口 1 使用 MAX3232 进行 TTL 电平和 RS232 电平的转换。由于 CPU 和 CDMA 模块的电平是匹配的,所以串口 2 不需要电平转换,并且扩展板通过串口 2 空闲的针脚 提供 3.3V 电源给 CDMA 模块。电路如图 2.8 所示。
C4 + 3.3V C1 0.1uF 16 15 14 13 12 RXD 11 TXD 10 9 1 6 2 7 3 8 4 9 5 DB9 + 0.1uF U1 1 C1+ VCC 2 V+ GND 3 C1T1OUT 4 C2+ R1IN 5 C2R1OUT 6 VT1IN 7 T2OUT T2IN 8 R2IN R2OUT C5 MAX3232 0.1uF

C2 + 0.1uF

J1

REST RXD TXD ON/OFF

3V3

3 F

+

1 6 2 7 3 8 4 9 5

(4)数据采集接口 数据采集接口引出了 ARM 处理器的 GPIO、TWI 和 SMC 等接口,以便连接监控终 端的其它硬件模块,具体内容将在后续章节中详细介绍。 (5)时钟电路 日期和时间对于远程监控系统来说是个重要的参数。 本系统采用美国 DALLAS 公司
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+

图 2.8 串行接口电路图

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的 I2C 总线接口实时时钟芯片 DS1307, 并使用锂电池对其单独供电。 电路如图 2.9 所示。
5V 1 Y1 U11 2 1 2 3 BT1 3V 4 X1 X2 VBAT GND VCC SQW SCL SDA 8 7 6 5 R28 15K R29 15k

20MHz

PB2 8 PA2 6 PA2 5

DS1307

图 2.9 时钟部分电路图

2.3 软件平台设计 2.3.1 软件平台的设计内容
监控终端软件平台设计的目标就是将 Linux 操作系统移植到硬件平台上,以便在此 基础上开发相应的程序, 实现终端的各项功能。为了便于理解移植嵌入式 Linux 的步骤, 现将 Linux 操作系统与 PC 机上的 Windows 操作系统进行如图 2.10 的对比。

图 2.10 Linux 与 Windows 的结构对比

移植嵌入式 Linux 操作系统的主要步骤为: ①第一步:建立交叉编译的嵌入式开发环境,以便跨平台操作。 ②第二步:编译、移植 Bootloader,Bootloader 相当于 PC 机的 BIOS 加上操作系统 引导头部的内容,它的功能是引导操作系统进行装载和运行。 ③第三步:配置和裁剪 Linux 内核,并重新进行编译,然后下载到硬件平台。 ④第四步:制作文件系统,并下载到硬件平台。 ⑤第五步:在嵌入式 Linux 的基础上编写程序,实现平台的具体功能。

2.3.2 建立开发环境
交叉编译的含义是指在一个平台上生成可以在另一个平台上执行的代码。此处所指 的平台,包含两个概念:体系结构(Architecture) 、操作系统(Operating System) 。同一
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2 监控终端的平台设计

个体系结构可以运行不同的操作系统, 同一个操作系统也可以在不同的体系结构上运行。 就本系统中的目标硬件 AT91RM9200 而言,之所以使用交叉编译,是因为在该硬件上无 法安装所需要的编译器,只好借助于宿主机,在宿主机上对即将运行在目标机上的程序 进行编译,生成可以在目标机上运行的代码格式。 本课题开发过程中使用的宿主机安装了 Fedora Core 6 的 Linux 操作系统,使用纯粹 的 Linux 开发环境。宿主机的关键是要提供 arm-linux 的交叉编译器。 从 网 站 ftp://ftp.arm.linux.org.uk/pub/armlinux/toolchain/ 下 载 交 叉 编 译 工 具 软 件 包 cross-2.95.3.tar.bz2,它主要包括如下的内容: Bin utilities ARM linux C compiler and linker Glibc Library ARM linux C++ compiler 取得压缩文件后,通过以下步骤将其安装在/usr/local 下(建议以 root 用户登录) : $cd /usr/local $mkdir arm $cd arm $tar –jxvf cross-2.95.3.tar.bz2 此时,开发环境已经建立在/usr/local/arm/2.95.3/bin 下,使用时要指出编译器的这个 位置。

2.3.3 固化启动加载程序
启动加载程序(Bootloader)是系统上电后运行的第一段软件代码,用于基本硬件的 初始化和检测, 并加载、 引导操作系统内核及文件系统的启动。 本系统采用 U-BOOT-1.1.1 作为控制平台的 Bootloader。 U-BOOT 的全称是 Universal Boot Loader,由德国 DENX 小组开发。它支持基于 ARM、 PowerPC、 MIPS、 X86 等多种体系结构的 CPU 以及 Linux、 VxWorks、 QNX、 pSOS 等几十种常用目标操作系统,并包含常见的外设驱动程序,可以完成初始化系统、引导 系统、操作 FLASH 等功能。 从网站 http://www.sourceforge.net/projects/u-boot 下载 U-BOOT 源代码,根据硬件平 台的具体配置,对源码依次进行修改、配置、编译,生成 ARM 板上的启动加载程序 u-boot.bin 和 u-boot.gz,按照如图 2.11 所示的地址分配将它们固化在 FLASH 中,就实现 了完整的启动加载程序。 有了 U-BOOT,就可以利用它一系列的命令在宿主机的超级终端上经过调试串口 (Debug UART)对目标机进行设置,并完成 Linux 内核及文件系统的以太网下载。
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图 2.11 U-BOOT 存储分布图

2.3.4 裁剪 Linux 内核
(1)修改内核源码 可以从 Linux 内核开发的主站点 www.kernel.org 获取 Linux 的内核源码,如本系统 中使用的 2.4.27 版本。在对内核进行配置之前,需要针对 AT91RM9200 处理器对内核源 码中一些相关文件进行必要的修改,主要修改点如下: ①修改源码根目录下的 Makefile 文件,设置目标平台和交叉编译器位置; ②修改/arch/arm/Makefile 文件,使内核包含 AT91RM9200 处理器; ③需要静态编译进内核的驱动程序,放在/drivers/目录下。 (2)配置内核 配置 Linux 内核的方式有三种:make xconfig(图形界面) 、make menuconfig(菜单 方式) 、make config(文本方式) 。配置过程中,需要注意以下几项: ①在 character device 和 network device suppose 子项中分别选中串行口和以太网口; ②在 block device 子项中选中 NFS 网络文件系统相关选项; ③选中 network 子项中的 TCP/IP 和 PPP 等选项; ④将其它不常用的功能代码(如某些设备驱动程序)编译成模块,在内核运行时动 态加载,以减小内核尺寸。 (3)编译内核 分别执行如下指令: make clean //删除中间文件 make dep ./mkimage //读取配置文件,创建内核依赖关系 //运行 mkimage 脚本文件

最终就编译得到了能够用 U-BOOT 加载启动的 ARM Linux 内核映像文件 uImage。

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2 监控终端的平台设计

2.3.5 制作文件系统
Linux 对所有对象的管理几乎都是以文件的形式进行的。有两种方法进行 Linux 文 件系统的开发:一种是自己创建全部的文件系统;另一种是在网络上获取已编译完成的 文件系统,并在此基础上进行修改,生成自己所需的文件系统。 课题采用第二种方案,主要步骤如下: (1)解压获得的文件系统; (2)挂载在宿主机上,对目录进行操作; (3)卸载文件系统; (4)压缩文件系统,生成新的文件系统映像; (5)下载至目标机。

2.3.6 设备驱动程序
设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏 蔽了硬件的细节,这样在应用程序看来,硬件设备只是一个设备文件,应用程序可以像 操作普通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核的一部分,它主要完成以 下功能: (1)对设备初始化和释放; (2)读取应用程序传送给设备文件的数据,并把数据从内核传送到硬件; (3)从硬件读取数据到内核,并回送应用程序的请求; (4)检测和处理设备出现的错误。

2.4 本章小结
ARM 处理器和嵌入式 Linux 等相关背景知识的基础 本章在简单介绍了嵌入式系统、 上,叙述了监控终端控制平台的设计方法。 首先建立了以 AT91RM9200 微处理器为核心的硬件平台, 它包括核心板和扩展板两 部分,分别实现了 CPU 的最小系统和系统所需的各种接口。在硬件平台的基础上,完成 了嵌入式 Linux 的移植,包括建立交叉开发环境、固化 Bootloader、配置和编译 Linux 内核、建立文件系统等内容,最终建立了监控终端的软件平台,为系统各项功能的实现 奠定了基础。

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3 CDMA 网络接口设计
实现与 CDMA 网络的连接以进行数据传输是监控终端的基本功能,本章在介绍 CDMA 网络和相关通信协议的基础上,叙述了网络接口的设计内容。

3.1 CDMA 网络简介 3.1.1 CDMA 的基本概念及特点
在蜂窝移动通信系统中,是以不同的通信资源(可以看作是抽象的信道)来区分通 信对象的,一个信道只容纳一个通信对象进行通话,许多同时通话的对象,互相以信道 来区分,这就是多址的概念。多址技术主要有以下三种: (1)频分多址(FDMA) :以传输信号载波频率的不同划分来建立多址接入,以第一 代模拟移动通信系统为代表。 (2) 时分多址 (TDMA) 以传输信号存在时间的不同划分来建立多址接入, GSM : 以 系统为代表。 (3)码分多址(CDMA) :以传输信号码型的不同划分来建立多址接入。 CDMA 是码分多址(Code Division Multiple Access)的英文缩写,最早是由美国 Qualcomm(高通)公司开发出来的。码分多址系统利用码序列的正交性(或准正交性) 来区分不同用户,它是在同频、同时的条件下,各个接收机根据不同信号码型之间的差 异分离出需要的信号。码分多址系统为每个用户分配了各自特定的地址码,利用公共信 道来传输信息。CDMA 系统的地址码相互具有正交性(或准正交性) ,而在频率、时间 和空间上都可以重叠。 CDMA 系统采用了扩频技术, 扩频技术的概念就是将需要传送的具有一定信号带宽 的信息数据,用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制,使原始信号的带宽 被扩展,再经载波调制并发送出去。与 FDMA 和 TDMA 系统相比,CDMA 系统具有很 多优点。这些优点一方面是由于扩频系统所具有的,另一方面是因为 CDMA 系统采用 的一些关键技术(如功率控制、软切换等)而具有的。CDMA 系统主要具有以下优点: (1)系统容量大; (2)具有软容量特性; (3)通话质量好; (4)保密性高; (5)频率规划简单、建网成本下降。

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3 CDMA 网络接口设计

3.1.2 CDMA 技术的演进
最早的 CDMA 系统的空中接口标准称为 IS-95, 1993 年由美国电信工业协会提出, 于 后经多年的发展演进,发展到 IS-95B 标准。人们将基于 IS-95 标准系列的 CDMA 系统 统称为 CDMAOne 系统,它包括更多的相关标准,如 IS-95、IS-95A、TSB-74 及 IS-95B。 IS-95 系统在向第三代移动通信系统演进时, 所采用的技术体制称为 CDMA2000, 这 也是 ITU 在制定第三代移动通信系统空中接口标准时,美国所提出的技术建议。实现 CDMA2000 技术体制的正式标准名称为 IS-2000,它由美国电信工业协会制定,并经 3GPP2 批准成为第三代移动通信系统的空中接口标准之一。 CDMA2000-1X 是 CDMA2000 系统发展的第一个阶段, 是在 CDMA IS-95 窄带系统 上发展起来的新的承载业务,目的是为 CDMA 用户提供分组 IP 形式的数据业务。 CDMA2000-1X 的技术目前已经成熟,并在世界上多个国家和地区投入了商用[15]。

3.1.3 CDMA2000-1X 网络结构
CDMA2000-1X 符合移动通信系统的典型结构,图 3.1 是它的网络结构示意图。

图 3.1 CDMA2000-1X 网络结构示意图

CDMA2000-1X 网络主要由移动台(MS) 、无线网络(RN) 、网络交换系统(NSS) 和操作维护系统(OMS)四部分组成。 (1)移动台 移动台(Mobile Station,MS)是为用户提供服务的设备,它与网络之间的通信链路 为无线链路。移动台由两部分组成:移动设备(Mobile Equipment,ME)和用户识别模 块(User Identity Module,UIM) ,移动设备用于完成语音或数据信号在空中的接收和发 送,用户识别模块用于识别唯一的移动台使用者。 (2)无线网络 无线网络(Radio Network,RN)完成从无线信息传输形式到有线信息传输形式的 转换,完成空中无线资源的管理和控制,交换信息到网络交换系统。CDMA2000-1X 系 统的无线网络结构与 IS-95 系统非常类似,仍包括有基站收发信机(BTS)和基站控制
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器(BSC)两个主要功能实体。同时,为了支持分组数据业务而增加了新的功能实体即 分组控制功能(PCF) 。 (3)网络交换系统 CDMA2000-1X 系统的网络交换系统分为电路域和分组域两大部分,所有的业务在 无线网络(RN)中进行分流,语音业务走电路域网络交换系统(C-NSS) ,数据业务走 分组域网络交换系统(P-NSS) 。 无线网络的电路域部分为移动用户提供传统的基于电路交换技术的服务,如语音业 务、电路数据业务等,并提供这些服务所必需的呼叫控制、用户管理、移动性管理等功 能。 无线网络的分组域部分为移动用户提供基于 IP 技术的分组数据服务, 包括采用加密 或不加密的方式登录企业内部网(Intranet)并获得服务、登录外部互联网(Internet)并 获取相应的互联网服务提供商(ISP)提供的各种服务。同时提供这些服务所必需的路由 选择、用户数据管理、移动性管理等功能。 (4)操作维护系统 操作与维护系统(Operations and Maintenance System,OMS)提供在远程操作、管 理和维护 CDMA 网络的能力,由网络管理中心(NMC)和操作维护中心(OMS)两部 分组成。

3.1.4 CDMA2000-1X 分组数据业务
本课题所设计的监控系统,主要使用的是 CDMA 网络的分组数据业务,所以有必 要对这一业务的基本情况进行简单的了解。 CDMA2000-1X 的分组数据业务完全基于 IP 技术。 当用户使用分组数据业务的时候, 分组域将为移动终端提供一个接入 IP 网络的通道,在此基础上,CDMA2000-1X 分组核 心网可以向移动用户提供互联网接入和专网接入等多种业务。 CDMA2000-1X 的理论带宽可达 300Kbps, 目前实际应用中下行链路带宽在 100Kbps 左右,上行链路带宽在 60Kbps 左右。分组数据网络主要由 PDSN(分组数据业务节点) 、 AAA(鉴权、授权、计费服务器) 、HA(本地代理)等关键设备组成,全面支持从消息 型到高速多媒体的各种分组数据业务[16]。 用户有两种接入 CDMA 分组数据网络的方式:简单 IP(SIP) 、移动 IP(MIP) 。 (1)简单 IP 简单 IP 是用户接入分组网的基本方式,所用协议比较简单,易于实现。移动终端的 IP 地址由接入地的 PDSN 动态分配, 移动台与 PDSN 之间的数据链路层协议是 PPP 协议。 用户在同一个 PDSN 管辖范围内移动时可以保持其 PPP 连接而不改变 IP 地址。在跨越 PDSN 时,用户的 PPP 连接需要重新建立,业务将中断。
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3 CDMA 网络接口设计

基于简单 IP 的 CDMA 分组数据网的基本网络结构如图 3.2 所示。

图 3.2 简单 IP 业务的基本网络结构示意图

(2)移动 IP 移动 IP 技术引用了处理蜂窝移动电话呼叫的原理,使移动节点采用固定不变的 IP 地址, 一次登录即可实现在任意位置上保持与 IP 主机的单一链路层连接, 使通信持续进 行。基于移动 IP 的 CDMA 分组数据网的基本网络结构如图 3.3 所示。
VLR No.7信令网 HLR 归属地业务提供者网

拜访AAA

归属AAA 归属地IP网 IP传输网

R-P接口 MS RN 无线网 (RRC,PCF) HA 归属地IP网/专用网 /归属地接入提供者网 PDSN 代理AAA AAA代理网

拜访地业务提供者网

图 3.3 移动 IP 业务的基本网络结构示意图

与简单 IP 相比,移动 IP 接入网络中增加了归属代理(HA)部分,PDSN 除了具有 路由功能外,还相应增加了外地代理(FA)的功能。HA 负责维护移动节点的当前位置 信息以便和网络中的其他节点通信。当 MS 漫游到一个新的子网时,必须向家乡网络中 FA 的 HA 注册, 协助 MS 向家乡代理注册并为已注册的移动节点提供路由和其他相关服 务。在移动 IP 网络中,MS 使用一个属于归属网络的 IP 地址,这个地址即使 MS 在不同 的 PDSN 之间切换时也不改变,同时 MS 也要有一个固定的家乡代理(HA)地址。
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同时作为 CDMA 无线通信网络中的 IP 接入方式,简单 IP 和移动 IP 各自存在优缺 点,所以在网络建设的不同阶段可以考虑采用不同的接入方式。目前的 CDMA2000-1X 网络中使用的是简单 IP 接入方式,简单 IP 方式的最大缺陷——PDSN 切换引起的业务 中断,可以通过终端软件实现初步的克服。待网络发展到一定阶段、具备一定规模时, 可以根据业务发展状况和用户需求再逐步过渡到移动 IP 接入方式。 由于本系统的监控终端位置是固定的,所以暂时不必考虑 SIP 和 MIP 之间的区别。 但如果要用这种结构的监控系统实现对移动对象的监控,则必须要在监控终端的软件中 克服 SIP 的缺点所带来的影响,以保证系统的可靠性。

3.2 相关通信协议
上一节所讨论的 CDMA 无线网络是我们的监控系统所使用的物理传输载体,而要 在这个载体中实现可靠的数据通信,还需要一系列通信协议的配合。了解这些协议,是 接下来编写程序实现网络通信的基础。

3.2.1 TCP/IP 协议
TCP/IP 协议是 Internet 最基本的协议,它由许多协议组成,以协议簇的形式存在。 TCP/IP 协议的实现采用了分层的体系结构,从下到上分为如下 4 层: (1)网络接口层:负责接收和发送物理帧。网络接口层的协议能把 IP 数据包封装成 网络能传输的帧,使之可以通过打通连接的网络,把帧传送到目的主机或其它网络。 (2)网络层:负责相邻节点之间的通信。传输层是在任何两台计算机之间建立通信 连接,使之能相互通信;而网络层则负责在任意两个子网间传输数据。这两层配合,体 现了 Internet 的网际网功能特性。网络层的特性和服务功能主要在 IP 和 ICMP 协议上实 现。 (3)传输层:负责起点到终点的通信。该层的主要功能是提供端到端的通信连接, 即一个应用程序到另一个应用程序的通信连接。它可以同时从应用层的几个应用程序接 收数据并发送给下一层(IP) 。在这一层上有两个广泛应用的协议:TCP 协议,为高层提 供可靠的、面向数据流的服务;UDP 协议,为高层提供没有可靠性保证的、无连接的服 务。 (4)应用层:提供诸如文件传输、电子邮件等应用程序。该层根据不同用户的各种 应用需求,与下一层的 TCP 或 UDP 协议相配合,向用户(程序或进程)提供所需的网 络应用程序服务。 数据要以 TCP/IP 协议方式从一台计算机传送到另一台计算机, 需要经过上述四层通 讯软件的处理才能在物理网络中传输。 TCP/IP 协议集合中最重要的协议包括 TCP 协议(Transport Control Protocol,传输控
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3 CDMA 网络接口设计

制协议) 、IP 协议(Internet Protocol,网际协议)和 UDP 协议(User Datagram Protocol, 用户数据报协议) 。 (1)网际协议 IP Internet 上使用的一个关键的低层协议是网际协议,通常称为 IP 协议。可以利用这 样一个共同遵守的通信协议,使 Internet 成为一个允许连接不同类型的计算机和不同操 作系统的网络。 IP 协议对于网络通信有着重要的意义:网络中的计算机通过安装 IP 协议软件,使 许许多多的局域网构成了一个庞大而又严密的通信系统。从而使 Internet 看起来好像是 真实存在的,但实际上只不过是利用了 IP 协议把世界上所有愿意连接 Internet 的计算机 局域网络连接了起来,使得它们彼此之间能够相互通信。 (2)传输控制协议 TCP TCP 协议被称作一种端对端协议。当一台计算机需要与另一台远程计算机连接时, TCP 协议利用重发技术和拥塞控 可以使用 TCP 协议来建立连接、 传输数据和终止连接。 制机制,向应用程序提供可靠的通信连接,使其能够自动适应网上的各种变化。即使在 Internet 暂时出现堵塞的情况下,TCP 也能保证通信的可靠性。 IP 从上面所述可以得知: 协议只保证计算机能发送和接收分组数据, TCP 协议则 而 能提供一个可靠的、可流控的、全双工的信息流传输服务。虽然它们的功能不尽相同, 也可以分开单独使用,但它们是在同一时期作为一个协议来设计的,并且在功能上是互 补的。只有两者结合,才能保证 Internet 在复杂的环境下正常运行,所以在实际中常把 这两个协议统称为 TCP/IP 协议。 (3)用户数据报协议 UDP UDP 协议与 TCP 协议一样,直接位于 IP 协议的上层,属于传输层协议。与 TCP 协 议不同,UDP 协议并没有提供数据传送的保证机制。如果在从发送方到接收方的传递过 程中出现数据报的丢失,协议本身并不能作出任何检测或提示。因此,通常把 UDP 协 议称为不可靠的传输协议。 尽管 UDP 协议是一种不可靠的网络协议,但具有 TCP 所望尘莫及的速度优势。虽 然 TCP 协议中植入了各种安全保障功能,但是在实际执行过程中会占用大量的系统开 销,使速度受到严重影响。反观 UDP,由于排除了信息可靠传递机制,将安全和排序等 功能移交给上层应用程序完成,所以极大地降低了执行时间,使速度得到了保证,因此 在有些场合中变得非常有用。 UDP 协议可以在无线视频传输中起到重要的作用。因为相对于可靠性来说,诸如视 频传输这样的应用更加注重实时性能,所以为了获得更好的使用效果(如更高的画面帧 刷新速率)往往可以牺牲一定的可靠性(如画面质量) 。

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3.2.2 PPP 协议
PPP 协议(Point To Point Protocol,点对点协议)是远程接入服务器(RAS)中的关 键技术,是为在同等单元之间传输数据包的简单链路而设计的,它支持多协议、具有帧 检错能力、支持 IP 地址的动态分配、支持身份验证方式的网络安全等。在 ISO 参考模 型的七层结构中,PPP 协议属于数据链路层协议。 PPP 协议主要由下面四个部分组成:PPP 协议的封装方式、LCP 协议的协商过程、 认证过程和 NCP 协议的协商过程。 (1)PPP 协议的封装 PPP 协议的报文封装格式采用的是最常用的数据链路层协议 HDLC 的定界帧格式, 如图 3.4 所示。

图 3.4 PPP 协议的封装格式

其中第一、第二、第三和最后一个字节分别为帧起始标志、地址域、控制域和帧结 束标志;协议域用来区分信息域所承载的数据报文的内容;信息域缺省时最大长度不超 过 1500 字节;CRC 校验域对 PPP 数据帧传输的正确性进行检测。 (2)LCP 协议 LCP(Link Control Protocol,链路控制协议)是用于建立、配置和测试数据链路连 接的控制协议。它被封装在 PPP 数据帧的信息域中,此时 PPP 数据帧的协议域固定填充 0xC021。到目前为止,LCP 共包括 12 种 LCP 数据报文,可以分为以下三类: ①链路配置报文,用来建立和配置一条链路; ②链路终止报文,用来终止一条链路; ③链路维护报文,用来维护和调试链路。 (3)认证协议 PPP 支持两种认证协议:PAP 和 CHAP,用于对用户合法性进行认证。PAP 认证是 两次握手,CHAP 认证是三次握手。在 CDMA 系统中,用户认证可以通过 UIM 卡来唯 一标识,采用 PAP 认证。 PAP 协议相对比较简单,被认证方发送用户名和密码给认证方,如果认证通过,返 回应答报文,否则返回拒绝报文。 (4)NCP 协议 NCP(Network Control Protocol,网络控制协议)用来根据不同的网络层协议提供一 IPCP 协议在 族网络控制协议, 常用的是提供给 TCP/IP 网络使用的 IPCP 网络控制协议。
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3 CDMA 网络接口设计

运行过程中,主要完成点对点通信的两端动态地协商 IP 地址。

3.2.3 PPP 链路工作过程
如果要使用 PPP 协议来建立点对点的通信,则无论哪一端的设备都需要发送 LCP 数据报文来配置链路(测试链路) 。当 LCP 的配置参数协商完成后,通信双方就会根据 LCP 配置请求报文中所协商的认证参数来决定链路两端所采用的认证方式。 认证完成后, 进入到 NCP 配置参数的协商。 直至几个配置过程全部完成后, 点对点的双方就可以开始 通过已经建立好的链路进行网络层数据报文的传送了,整个链路就处于可用状态。当任 何一端收到 LCP 或 NCP 的链路关闭报文,或者物理层无法检测到载波时,链路都会断 开,从而终止 PPP 会话[17]。具体的状态转移过程如图 3.5 所示。

图 3.5 PPP 协议状态转移图

3.3 CDMA 模块选型及接口设计 3.3.1 CDMA DTU 简介
监控终端与 CDMA 无线网络之间的连接是通过 CDMA DTU (CDMA 数据终端单元) 来实现的。目前市面上已经有很多厂家出品的多种 CDMA 模块,如西门子、华为、中 兴等。本系统采用的是中兴通讯的 MG815+模块。 MG815+是基于高通公司 6025 平台的工业级 CDMA 模块,支持语音、数据、短信 等功能。可用在基于 CDMA 技术的车船载、无线终端、数据传输、实时监控等领域。 该模块集射频电路和基带于一体,具有高通信质量、高频谱利用率、高抗干扰性、低辐 射等特点。 模块内嵌了 TCP/IP 协议栈, 并且向用户提供了标准的 AT 指令和 RS232 接口, 用户可以很方便地通过微处理器的 UART 与 MG815+模块连接,使用 AT 指令控制模块 实现数据传输。图 3.6 所示为模块实物图及其基本连接方式。

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图 3.6 MG815+实物图和连接方式

MG815+的主要技术指标: 频率:发送 824~849MHz,接收 869~894MHz 工作条件:工作温度-30℃~+75℃,储存温度-40℃~+85℃ 输入电压:3.3~4.25VDC 功耗:最大 1827mW,待机 42mW 左右 上下行最高速率 156.3kbps 由以上技术指标可以看出,MG815+模块满足本系统的设计要求,并且能够适应系 统的应用环境。

3.3.2 AT 指令概述
AT 指令是 Hayes 公司为 MODEM(调制解调器)制订的一个控制指令集,目前在 工业界已经变成一个事实标准,广泛应用于对 Modem 和 MS(移动台)的控制。 所有 AT 指令都以“AT”开头,以<CR>结尾,不区分大小写。主要有四种格式: (1)无参数指令:指示模块做什么,模块根据内部参数完成命令,并应答; (2)查询指令:查询该指令当前设置的值,模块返回设置值; (3)帮助指令:用来列出该指令的可能参数,模块返回列表; (4)带参数指令:设置模块的相应参数。 AT 指令的返回值主要有以下两种情况: (1)指令的操作结果报告:返回最近一条 AT 指令的操作结果,若指令操作错误, 则返回错误代码; (2)事件报告:当网络侧有下发事件时,如收到短信、来电振铃等,模块会主动将 事件报告给用户。

3.3.3 模块接口板设计
MG815+模块向外部提供的是一个 40PIN 和一个 10PIN 的连接器,需要为其设计一 块接口板以提供让它正常工作的条件。本系统中设计的模块接口板结构如图 3.7 所示。
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3 CDMA 网络接口设计

图 3.7 MG815+接口板结构图

接口板上设计了 UIM 卡插槽,需要插入开通数据业务的中国联通 CDMA 手机卡。 MG815+模块相应的数据线由串行接口向外部引出。 为了简化接口板的结构, 模块和 UIM 卡插槽所需的电源通过串行接口的空闲针脚由外部引入,不再单独设计电源电路。接口 板上的两个按键分别提供了手动开/关机和复位的功能,并有相应的状态指示灯进行指 示。天线连接在模块的射频接口上。接口板的具体电路如图 3.8 所示。
REST ON/OFF S2 S1 39 37 34 32 40 38 33 35 36 27 29 31 MIC_1P MIC_1N SPK_1P SPK_1N MIC_2P MIC_2N SPK_2P GPIO17 GPIO54 AUXOP AUXON GPIO8 V-MSM GND GND VBAT VCHG V-MAIN V-MAIN /REST ON/OFF GPIO47 GPIO42 USB_SUS USB_VPO USB_VMO USB_DATA USB_OE UIM_RST V_UIM UIM_CLK UIM_DATA NC NC NC NC NC NC 25 24 23 22 20 21 19 10 26 30 28 U4 9 7 5 3 1 2 8 6 4 2 2 50 49 48 47 46 45 K2 3 K3 3 3V 1 2 3 4 5 VCC RST CLK NC NC UIM 2 2 V_MSM 3V3 D1 DIODE SCHOTTKY 3V3 REST ON/OFF C6 1uF GND VPP IO NC NC 6 7 8 9 10 R4 510 3V

3V3

R2

1 1

2 LED1 2 LED2

1K V_MSM R3 1K

TXD RXD J1 5 9 4 8 3 7 2 6 1

ON/OFF RXD TXD REST 3V3

12 14 13 11 15 17 18 16

/RTS /CTS TXD RXD RI /DSR DCD /DTR

R1

10 11

3V K5

1

1

1

MG815+

图 3.8 CDMA 模块接口板电路图

3.3.4 CDMA 网络连接过程
CDMA 模块的硬件接口板设计完成之后,就需要通过软件控制模块实现与 CDMA 网络的连接,进而实现数据的传输。在此过程中,首先要建立模块到基站的 PPP 链路层 连接,在此基础上才能实现传输层的 TCP 或 UDP 协议,最后在应用层完成传输数据。 图 3.8 为模块建立 PPP 连接的流程。
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1

D Connector 9

41 42 43 44

GND GND GND GND

3

K4 3

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图 3.8 PPP 连接流程图

3.4 本章小结
本章首先介绍了 CDMA 网络技术的基础知识,主要是它的网络结构和分组数据业 务的基本情况;然后对与本系统相关的 TCP/IP、PPP 等网络协议进行了简单的叙述;最 后对 CDMA 模块的选型、硬件接口设计、网络连接过程进行了说明。

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4 视频采集与处理系统

4 视频采集与处理单元
视频采集与处理单元的任务是将通过 CCD 摄像头获得的原始视频信号,经过数字 化采集、压缩编码之后,将得到的视频流送入 ARM 处理器。本章将对这个过程在本系 统中的实现方法进行介绍。

4.1 MPEG-4 视频编码标准简介 4.1.1 视频编码标准
视频流是指原始数字视频信号经过压缩编码之后得到的视频数据流。与原始的数字 视频信号相比,视频流的数据量有了很大的减小,但是图像质量的变化可以控制在一定 的范围之内。原始视频图像的信息量是巨大的,所以将原始视频数据编码生成视频流是 实际应用中必须考虑的一个环节。没有对数字视频的压缩编码,数字视频的传输和存储 都将付出高昂的代价以致无法使用。 视频的压缩编码一般采用标准化的编码方式,因为这样可以获得很多的便利。在设 计编码器的时候,只需要遵循编码标准的规定,就能获得广泛的支持,利用该编码器产 生的视频流也就能被其他遵循此标准的解码器顺利地解码。 20 世纪 80 年代以后,为了推广图像压缩技术的应用,ISO(International Standards Organization ) IEC ( International Electrician Committee ) 和 ITU ( International 、 Telecommunication Union)陆续完成各种图像压缩与通信的标准和建议。目前,视频编 码标准主要有 ITU-T 的 H.26x 系列和 ISO 的 MPEG-x 系列。

4.1.2 MPEG-4 标准及其主要特点
ISO 的运动图像专家组 MPEG(Moving Pictures Experts Group)于 1992 年和 1994 年分别颁布了 MPEG-1 和 MPEG-2 标准,它们采用了基于 JPEG 标准的帧内压缩和基于 运动补偿的帧间压缩技术,从而获得了很高的压缩比,获得了巨大的成功[25]。但由于是 基于结构的压缩技术,所以 MPEG-1 和 MPEG-2 的算法固定,随着软硬件技术的发展, 不能扩展出更多的基于内容的算法。 另外其网络传输码率较大, 对网络带宽的要求过高, 不能适应传输速率不等的各种网络的一致访问,容错性较差。 鉴于以上原因,MPEG 于 1998 年制定了第二阶段编码方案——基于对象的编码标 MPEG-4 包含了 MPEG-1 和 MPEG-2 的绝大部分功能以及其他标准的长处, 准 MPEG-4。 并且采用了更为优化的编码方式。和传统的 MPEG-1、MPEG-2 相比,MPEG-4 在交互 性、抗误码性和高效压缩上都有巨大的优势,被称为互联网流式同步多媒体(Internet
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Streaming and Synchronized Multimedia) 。 MPEG-4 标准对传输速率要求较低, 4800~64000bits/s 之间。 在 它利用很窄的带宽, 通过帧重建技术,压缩和传送图像,以求以最少的数据量获得最佳的图像质量。它使得 高质量图像的低码率网络传输成为可能,使得多媒体应用在移动通信等低传输率、移动 式的网络中得以发挥。 将 MPEG-4 应用在网络视频监控中,可以发挥它的几点优势: (1)网络带宽占用少:由于压缩比是同质量的 MPEG-1 的十倍多,所以网络传输时 占用的带宽是同质量 MPEG-1 的 1/10。如在 64kbps 的带宽上,MPEG-1 平均每秒只能传 1/2 帧,而 MPEG-4 则可以传 5~7 帧; (2)可变带宽:网络输出速率从 56kbps 到 384kbps 可调; (3)节约存储空间:视音频全同步时存储量为 40M~120M/路/小时,能够节省硬盘 成本投入; (4)错误恢复能力强:当网络传输有误码或丢包现象时,MPEG-4 受的影响小并且 能够迅速恢复。如在误码达到 1%时,MPEG-1 已经无法播放,而 MPEG-4 只会有轻微 的边缘模糊;再如当网络传输有瞬间丢包现象时,MPEG-1 恢复至少需要 10 多秒,而 MPEG-4 只需要 1~3 秒; (5)图像质量高。 综合考虑设计需求、网络条件等实际情况,本系统即采用 MPEG-4 标准来实现视频 图像的压缩编码。

4.1.3 颜色空间及 MPEG-4 的图像格式
颜色空间(Color Space)是指用来表示亮度和颜色的方法。有两种颜色空间:用红 绿蓝三色表示每个采样点颜色的 RGB 空间;用亮度、色度分开表示图像信息的 YCbCr (或 YUV)空间。 同一个采样点的颜色值既可以用 RGB 空间表示,也可以用 YCbCr 空间表示,并且 可以相互转换。 在 RGB 空间中,可以通过公式(2.1)求出对应的亮度值。

Y = K r R + K g G + Kb B

(2.1)

其中,R、G、B 是 RGB 空间的三个颜色值。Kr、Kg、Kb 是对应的加权值,并且 Kr+Kg+Kb=1,ITU-R 推荐 Kb=0.114、Kr=0.299。YCbCr 空间中 Cr、Cg、Cb 表示的色度值 可以通过公式(2.2)求出。

Cb = B ? Y , Cr = R ? Y , Cg = G ? Y

(2.2)

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4 视频采集与处理系统

人类视觉系统(HVS)对亮度的敏感度要远远大于对色度的敏感度,而在 RGB 空 间中,亮度和色度都被同等重要地表现了出来,所以在视频编码中一般采用的是 YCbCr 空间,这样也起到了压缩图像信息的功能。

MPEG-4 采用 YCbCr 空间的目的就是按照 HVS 的敏感度, 区别对待亮度值和色度值,
减少对敏感度低的色度值的编码传输。在 MPEG-4 标准中,图像的采样格式为 4:2:0,即 每采样四个亮度信号值 Y) 就同时采样两个色度信号值 Cr 和 Cb) 表示色度元素 Cb ( , ( , ( —U,Cr—V)在垂直方向和水平方向上均是亮度元素(Y)比例的一半。采样示意图如 图 4.1 所示。

图 4.1 MPEG-4 采样格式

4.1.4 MPEG-4 标准的核心思想和关键技术
MPEG-4 标准的出发点是对运动图像中的内容进行编码,其具体的编码对象就是音
。在 MPEG-4 中所见的视音频已不再是过去 MPEG-1、 频和视频,或称为“AV 对象”

MPEG-2 中图像帧的概念,而是一个个的视听场景(AV 场景) ,这些不同的 AV 场景由
不同的 AV 对象组成。因此,MPEG-4 标准就是围绕着对 AV 对象的编码、存储、传输而 制定的,也就是说,高效率地编码、组织、存储、传输 AV 对象是 MPEG-4 标准的基本 内容。AV 对象的提出,使得多媒体通信具有了更强的交互性、更高效的编码能力。AV 对象编码就是 MPEG-4 的核心编码技术。 以往的视频压缩编码标准(如 MPEG-1、MPEG-2、H.263 等)都是基于矩形帧的视 频编码标准,而 MPEG-4 引入了视频对象平面(VOP)的概念,面向视频对象进行编码, 是基于媒体对象的压缩标准。从矩形帧到 VOP,MPEG-4 把从基于像素的传统编码方法 转变到了基于对象和内容的现代编码方法,从这个意义上讲,MPEG-4 视频编码技术已 经翻开了图像编码史上的崭新一页。 在基于对象的视频编码中,主要针对的是纹理、形状、运动这三种信息的编码。也 就是说,视频编码框架中主要包括的三个关键模块,即是形状、运动和纹理三个模块。 一般说来,基于对象的视频编码过程主要分以下三步进行:
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(1)在原始视频流中采用全自动、半自动、人工等方法分割出视频对象; (2)对视频对象进行编码,对不同视频对象的运动信息、形状信息、纹理信息分配 不同的码字; (3)对各个视频对象的码流进行复合。

MPEG-4 视频编码的基本结构如图 4.2 所示。
任意形状视频

DCT

量化 逆量化 IDCT +
预测1 预测2 预测3

运动 纹理 编码

视频 MPEG-4视频流 电路 合成

预测 开关 运动 估计

帧存

形状 编码

图 4.2 MPEG-4 编码器结构图

MPEG-4 除了采用第一代视频编码的核心技术,如变换编码、运动估计和运动补偿、
量化、熵编码外,还运用了一些有创见性的关键技术。 (1)视频对象提取技术 视频对象提取即视频对象分割,是指把视频图像分割成不同的对象或把运动对象从 背景中分离出来,从而针对不同对象采用不同编码方法,以实现高效压缩。目前的一般 步骤是:先对原始视频进行简化,然后进行特征提取,再基于某种均匀性确定分割决策, 根据所提取的特征将视频数据归类,最后是进行相关处理,实现滤除噪声和准确提取边 界。 (2)VOP 视频编码技术 视频对象平面(VOP)是视频对象在某一时刻的采样。MPEG-4 标准根据人眼感兴 趣的一些特性,如形状、运动、纹理等,将图像序列中每帧的场景看成是由不同的 VOP 所组成的。这样一个概念使得解码端可以实现基本的、基于内容的交互功能。 (3)视频编码可分级性技术 视频编码的可分级性是指码率的可调整性,即视频数据只压缩一次,却能以多个帧 率、空间分辨率或视频质量进行解码,从而支持多种类型用户的各种不同的应用要求。

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4 视频采集与处理系统

4.2 编码芯片
一般有软件和硬件两种方法来实现 MPEG-4 编码器,从节约嵌入式 CPU 资源、降 低设计复杂度和提高系统可靠性的角度出发,本课题不使用软件实现的方法,而是使用 专业的编码芯片来实现。

4.2.1 MPEG 编码芯片
MPEG 编码芯片使用硬件方式对视频信号进行编码,提供了良好的编码效率和较高
的实时性。开发者无需自行开发 MPEG 编码代码,大大减少了开发成本并缩短了开发周 期。 目前已有多种 MPEG 编码芯片得到了广泛应用, 如韩国 INTIME 公司的 MPEG-4/2/1 编码芯片 IME6400,Pentamicro 公司的两通道 MPEG-4 编码芯片 AT2042,PHLIPS 公司 的第二代实时 MPEG-2 编码芯片 SAA6752 等。在本系统中,选用 IME6410 编码芯片和 视频 A/D 转换模块 SAA7114 共同完成视频图像的采集和编码。

4.2.2 IME6410
IME6400/6410 是韩国 INTIME 公司生产的一种单片 MPEG 视音频压缩编码芯片, IME6410 是其单通道版本,支持 MPEG-4/2/1,课题使用了它的 MPEG-4 视频编码功能。 IME6410 的内部包含了用于视音频编码的高性能硬件模块以及一个 RISC CPU,具有性
能优良、实时性好、价格低的特点。选择 IME6410 进行 MPEG-4 编码是本课题实现监控 系统的高性能和高性价比的关键。

IME6410 的主要特点如下[27]:
视频处理 实时 MPEG-4/2/1 视频编码 最大支持:PAL 制式 720×576@25fps,NTSC 制式 720×480@30fps 图像尺寸可变 色彩格式 4:2:2 到 4:2:0 转换 支持 Alternate&Zigzag 扫描 支持运动检测(场景变换检测) 强大的音频处理和实时声像同步功能 灵活的主机接口,支持多种处理器外部总线,8/16 位宽可调 支持 CCIR-601 视频输入接口

27MHz 外部时钟输入,3.3V 工作电压 IME6410 的内部体系结构如图 4.3 所示。
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图 4.3 IME6410 体系结构

RISC CPU 用于各个硬件模块之间的协调和控制,它的具体功能取决于 IME6410 内 Firmware 可以视为 IME6410 硬件模块功能的软件设置和 部装载的微代码——Firmware。
扩展。IME6410 拥有多种不同版本的 Firmware,它们具有不同的特性、内存映射和输出 格式。使用哪种 Firmware 取决于用户的应用方案。本系统中采用的是支持 MPEG4 视频 的 Firmware。 在软件初始化阶段,Firmware 可以从外部的 ROM 中或通过 IME6410 的主 机接口下载到内部存储器中执行,本系统采取主机下载的方式,不再外接 ROM。

4.2.3 SAA7114
SAA7114 是 Philips 公司开发的 PAL/NTSC/SECAM 视频信号编码器, 可以将其看作
一个视频捕捉设备,适用于 VGA 控制器图像端口的应用。SAA7114 接收来自 CVBS 或

s-video 的模拟输入,将 PAL、SECAM 或 NTSC 信号解码为符合 ITU601 标准的颜色分
量值。

SAA7114 具有 6 路模拟视频输入和两个模拟预处理通 作为一款专用视频 A/D 芯片,
道,并且抗混滤波、梳状滤波都被集成到芯片内部,对于硬件设计带来了极大的方便。 它的配置通过 I2C 总线实现。

SAA7114 使用单一晶振输入(24.576MHz) ,从晶振引脚 XTALI、XTALO 引入,同
时具有一个实时信号输出(RT port) ,其中包括锁行时钟信号 LLC(27MHz) 、锁行像素 ( 、 时钟信号 LLC2 13.5MHz) 实时控制输出信号 RTCO 和实时状态信息输出 RTS0/RTS1。

SAA7114 对同步时钟的要求较严格,如果晶振输入的时钟频率不够准确,可能会出现画
面无彩色等故障。

SAA7114 具有三个数字端口, 包括数字视频扩展端口 X port)视频图像端口 I port) ( 、 (
和数字主机端口(H port) X port 用于从其它数字视频电路传送视频图像数据到 I port; 。 当用作输出时,则是 decoder 输出的未缩放的视频信号。I port 传输经过 scaler 缩放的视 频数据。H port 用作 X port 或 I port 的 16 位扩展[28]。本系统选择 I port 作为视频输出端 口,同时扩展 H port 作为 I port 的低 8 位数据总线。
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4 视频采集与处理系统

SAA7114 具有 6 个模拟输入, AI12 和 AI21-AI24, 另外, 包括 AI11、 它们用作 CVBS
复合视频或者 S-video 信号的输入。

4.3 视频单元的硬件连接 4.3.1 视频单元总体结构
监控终端视频单元的基本结构如图 4.4 所示。

图 4.4 视频单元硬件结构

普通 CCD 摄像头输出的是 NTSC 制式的复合全电视 CVBS 信号,其中不仅包含图 像信号,还包含行同步、行消隐、场同步、场消隐信号。SAA7114 不仅要将模拟信号转 换成数字信号, 还要分离出各种同步信号, 并将生成的 YUV 格式数字信号送给 IME6410

SAA7114 和 IME6410 分别通过 I2C 总线和主机 编码芯片进行 MPEG-4 视频编码。 另外,
接口连接外部处理器。

4.3.2 IME6410 外接 SDRAM
IME6410 需要外接一片片外 SDRAM,作为视音频编码的缓存,SDRAM 的大小由
编码的视频图像分辨率和编码方式决定。在本系统中,外接的是一片 32 位宽 2MB 的

SDRAM,可以满足系统的需求。IME6410 与 SDRAM 的连接如图 4.5 所示。
DO[0:31] DA[0:4] CKO CKE CS RAS CAS WE DOM

DO[0:31] DA[0:4] CKO CKE CS RAS CAS WE DOM IME6410

DO[0:31] DA[0:4] CKO CKE CS RAS CAS WE DOM SDRAM

图 4.5 IME6410 与 SDRAM 连接图
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4.3.3 SAA7114 与 IME6410 的连接
SAA7114 与 IME6410 的基本硬件连接如图 4.6 所示。

10pf 10pf 27.576MHz

10uH

10pf

图 4.6 IME6410 与 SAA7114 连接图

SAA7114 输入 IME6410 的视频信号为 16 位 YUV 数字信号。其中,I port 的 8 位数
据线提供 Y 信号,H port 的 8 位数据线提供 U、V 色差信号。同时,I port 的同步信号

IGPV、IGPH、IDQ、IGP0 和 ILCK 分别作为 IME6410 的 vsync、hsync、dvaild、field
和 pclk 输入。其中,vsync 是垂直同步信号,hsync 是水平同步信号,dvaild 是视频数据 有效信号(高电平有效) pclk 是像素时钟信号,field 是奇偶场指示信号。 ,

4.3.4 IME6410 的主机接口
IME6410 的主机接口可以直接和外部微处理器通信,支持 Motorola、Intel、netARM
和 MPC 等多种处理器接口。外部处理器可以直接读写 IME6410 的内部控制寄存器、读 取内部存储器、读取数据 FIFO 和完成 Firmware 下载等功能。主机接口的基本结构如图

4.7 所示。

图 4.7 IME6410 的主机接口
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4 视频采集与处理系统

与主机接口有关的各引脚功能为:

HA[4:0]:5 位主机接口寄存器地址总线 HD[15:0]:数据总线,由 BW 引脚决定总线位宽是 8 位还是 16 位 NCS:片选信号 NDR 和 NWR:分别为主机数据的读取、写入使能信号 MODE[1:0] : 主 机 接 口 模 式 选 择 , Synchronous Burst Type0/1/2 同 步 模 式 或 Asynchronous Single Type 异步模式 USEOCK:异步模式下的内/外时钟选择,低电平表示选择内部时钟

4.4 本章小结
本章首先介绍了视频编码标准的概况和 MPEG-4 标准的相关内容,然后对视频 A/D 芯片和视频编码芯片进行了选型,并在此基础上建立了监控终端视频采集和编码单元的 硬件结构。

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5 监控系统实现与测试
经过上面几章的介绍,监控终端的主要功能模块已经基本设计完成。最终也是最主 要的任务便是将这些模块组合起来,并建立以嵌入式 Linux 为基础的软件系统,实现终 端的各项功能。最后还要配合监控服务器对系统进行联调和完善。

5.1 硬件体系 5.1.1 监控终端的硬件连接
首先将前面设计的终端各功能模块(控制平台、CDMA 接口板、视频采集和编码单 元等)进行组合,得到如图 5.1 所示的监控终端硬件结构图。

图 5.1 监控终端硬件结构图

由图 5.1 可以看出,监控终端要实现的功能主要有以下三项: (1)通过数字温度传感器 DS18B20 采集实时温度值; (2)接收视频采集和编码单元传送来的 MPEG-4 编码流; (3)通过 CDMA 模块 MG815+连接 CDMA 网络和 Internet,并建立与后台监控服务 器的数据通道; 在本章的后续部分里,主要就是围绕这三项功能来介绍它们的硬件连接情况和软件 实现方法的。 控制平台和 CDMA 模块的连接非常简单。 终端控制平台的扩展板和 MG815+的接口 板提供了对应的 DB9 接口,用平行串口线将它们直接相连即可,在此不再赘述。

5.1.2 温度采集单元
在系统设计的任务里,监控终端除了要采集实时视频图像外,还要采集现场的温度 值,使监控人员能够及时了解现场的气温,对可能出现的线路覆冰等情况作出预测。
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5 监控系统实现与测试

系统采用了美国 DALLAS 公司的数字温度传感器 DS18B20,这是一款单总线芯片, 只有一个数据输入/输出口,微处理器只需一根端口线就能与它实现双向通信,可节省大 量的引线与逻辑电路。

DS18B20 的测温范围为-55℃~+125℃,可编程实现 9~12 位的转换精度,在 12 位
转换精度时,测温分辨率可达 0.0625℃,转换时间为 750ms(最大)[33]。

DS18B20 的内部结构和硬件连接方法如图 5.2 所示。
DQ
5V

存储与控制逻辑 温度传感器
R 5.1K S1 DQ VDD GND DS18B20

内部VDD

64位 ROM 和 单总线 接口

高温触发器TH 高速暂存器 低温触发器TL
C GPIO 2 3 1u 1

配置寄存器 VDD 电源检测 8位CRC发生器

(a) DS18B20内部结构

(b) 硬件连接图

图 5.2 DS18B20 温度传感器的内部结构和硬件连接方法

由图 5.2(a)可见,DS18B20 主要由五部分组成:温度传感器、配置寄存器、暂存器、

64 位 ROM 和非易失性报警触发器 TH 和 TL。 ROM 中的 64 位序列号是出厂时光刻好的,
可以看作是 DS18B20 的地址序列码,每个 DS18B20 的序列号均不同,这样就可以达到

1 根总线上挂接多个 DS18B20 的目的。
作为单总线器件,DS18B20 有着严格的信号时序,以保证数据传输的准确和完整。

DS18B20 共有 6 种信号类型:复位脉冲、应答脉冲、写 0、写 1、读 0、读 1。所有这些
信号,除了应答脉冲以外,都由主机发出同步信号。另外,DS18B20 规定了五条 ROM 操作指令和六条存储器操作指令,详细的指令和时序可以参见 DS18B20 的数据手册。 将 DS18B20 的信号线 DQ 与微处理器的某个 GPIO 口连接,按照时序协议的规定, 通过处理器的软件控制信号线电平,即可方便地实现温度值的读取。

5.1.3 视频单元与控制平台的连接
根据第四章对 IME6410 主机接口的介绍,可以得知:它的主机接口有同步、异步两 种模式。其中,异步模式(Asynchronous Single Type)支持 Samsung 的 netARM 处理器, 对于本系统使用的 AR91RM9200,也应该在这个模式下工作。

netARM 的外部总线接口与 AT91RM9200 的外部总线接口存在一些差异,但与它的 SMC(Static Memory Controller)接口十分相似。在仔细分析 SMC 接口时序的基础上,
可以配置它的时序与 IME6410 匹配, 从而建立了 IME6410 和 AT91RM9200 的连接电路。
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从而,AT91RM9200 就把 IME6410 当作一个 SRAM 来处理。它们之间的电路连接如图

5.3 所示。

图 5.3 AT91RM200 与 IME6410 的连接

IME6410 产生编码数据时,通过 GPIO0 的下降沿通知主机中断。IME6410 的 nCS
接到 AT91RM9200 的 NCS2 引脚,使 IME6410 的起始物理地址被映射到 0x30000000。 另外,mode[0,1]都接高电平,选择异步主机接口模式;USEOCK 和 BW 都接地,分别 表示选择内部时钟和选择位宽为 16 位。

5.2 软件体系
在上一节介绍监控终端的硬件结构时,已经说明了终端的三项主要功能。而这三项 功能在软件上的实现也是监控终端软件系统的重要组成部分,本节将分别做以介绍。而 对于数据传输信道的建立和传输的具体过程,将在下一节单独进行详细讨论。

5.2.1 温度采集的软件设计
将温度传感器 DS18B20 连接到 CPU 的 GPIO 口以后,要想正确地使用它,必须首 先编写相应 GPIO 口的驱动程序。对于设备驱动程序来讲,GPIO 口属于字符设备[35], 是 Linux 中最简单和最常见的设备。通过 GPIO 口设备驱动的读设备函数,应用程序可 以读取它的电平情况;通过写设备函数,可以设置 GPIO 口为高、低电平。 通过 DS18B20 读取温度值的过程是这样的: 处理器先发送一个复位脉冲, 复位总线 上的 DS18B20;接着发送 ROM 操作指令,激活序列号编码匹配的 DS18B20;然后处理 器发送 RAM 访问指令控制 DS18B20 完成温度转换及温度值的读取等工作。 当总线上只 连接了一个 DS18B20 时,可以跳过 ROM 指令操作。 根据 DS18B20 对时序的规定和它的指令格式, 在驱动程序的基础上编写了如下的几 个接口函数供最终的温度值读取函数调用: ①复位函数 OWReset(); ②写 1 位数据 OWWriteBit(); ③写 1 字节数据 OWWriteByte();
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5 监控系统实现与测试

④读 1 位数据 OWReadBit();⑤读 1 字节 OWReadByte()。 温度值读取程序的总体流程图如图 5.4 所示。

图 5.4 DS18B20 的操作流程

5.2.2 读取 MPEG-4 视频流的软件设计
与 DS18B20 驱动程序的作用类似,软件系统中的视频驱动模块是控制平台和

MPEG-4 视频编码单元之间的通信桥梁。 IME6410 的核心是内部的 RISC CPU, 它起着控制、 编码等重要的作用, RISC CPU 而
的功能又是围绕着 Firmware 来实现的,所以 Firmware 在 IME6410 编码芯片中就有着十 分重要的地位。IME6410 的整个工作过程可以简单地描述为如下几步: ①将 Firmware 下载到 IME6410; ②配置 Firmware 的有关参数; ③启动 IME6410 编码; ④读取压缩编码数据。 视频驱动模块需要初始化 SAA7114 和 IME6410, 然后按照上述的流程围绕 IME6410 来实现具体的操作。本系统仍然把视频单元作为字符设备,并设置主设备号为 254。它 包含以下几个主要组成部分。 (1)SAA7114 的初始化设置 作为视频单元的关键器件,SAA7114 的作用是为后端的编码芯片 IME6410 提供
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ITU-601 格式的视频源信号。SAA7114 的内部功能比较复杂,涉及到的标准较多,各个
功能模块的细节由多达 256 个 I2C 寄存器控制。 本系统将 SAA7114 与 AT91RM9200 的 TWI(即 I2C)接口相连,利用 Linux 内核提 供的 I2C 传输 API 函数, 根据系统的需要对 SAA7114 的各个 I2C 寄存器作出正确的功能 配置。

SAA7114 基本的内部结构如图 5.5 所示。
I2C Interface

VBI data decoder Decoder Scaler IO port X port H port I port

Clock generator

RT port

图 5.5 SAA7114 的功能模块和接口示意图

SAA7114 主要包含 4 个模块:Decoder、Scaler 和 VBI 数据解码器。Decoder 能够自
动检测 50/60Hz 场频,并自动在 PAL 制式和 NTSC 制式之间进行选择,将 PAL、NTSC 等制式的模拟信号转换为 ITU-601 标准的色彩分量值,并输入到 Scaler,由 Scaler 提供 画面尺寸的缩放。经 Scaler 处理之后的视频数据通过 I port(H port 作为 I port 的扩展) 输出 YUV 格式的视频信号到 IME6410。

SAA7114 的每个功能模块都由相关的 I2C 寄存器控制,必须恰当地配置它们,从而
使得 SAA7114 能够输出正确的 ITU-601 标准信号。 在视频单元的驱动程序中, 定义了一 个 char iic_reg[256]的数组,首先设置了 I2C 的所有寄存器值,然后调用 I2C 的写函数 int

iic_mstw(int len,char slaveaddr, char subaddr,char *msgs)对 SAA7114 进行完整的设置。
(2)下载 IME6410 的 Firmware

Firmware 的下载同样需要 ARM 处理器的软件控制。IME6410 上电时,会首先检查
主机接口的类型和数据总线的宽度,然后与外部处理器交互下载 Firmware 到内存。

Firmware 的下载过程涉及到的 IME6410 寄存器有 Control、Status、BaseAddress0、 BaseAddress1、Data 和 User0。下载时首先需要向 BaseAddress1 寄存器写入 0x4000;然
后将 Firmware 看成一个二进制的数组,每次向 BaseAddress0 写入偏移地址,并向 Data 写入一个字的数据(16 位) ,如此循环直到按顺序下载完整个 Firmware。最后可以通过 查看 User0 寄存器确认下载是否成功。本系统使用的 Firmware 版本是 FW4-M,下载完 成后 User0 的值应为 0xe59。具体的流程图如图 5.6 所示。

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5 监控系统实现与测试
IME6410 Reset Start Download ADDR=0 SIZE=data size FW[0:SIZE-1]=Firmware Write 0x4000 to Register BaseAddress1 Write ADDR to Register BaseAddress0 Write FW[ADDR:ADDR+1] to Register DATA Write 0x01 to Register CONTROL Read Register STATUS N Data[0]==1? Y ADDR=ADDR+2 Y ADDR<SIZE? N Read Register USER0 N Data==FVERSION Y Download Complete Check if the download is successful Address for the next word Wait until the transfer completes Copy the word Transfer the word to the internal program memory

图 5.6 Firmware 下载流程图

在本系统的驱动程序中,将 Firmware 写成了一个大数组 const unsigned char

6410_firmware[],编译以后 Firmware 就成为了驱动程序及内核的一部分,虽然占用了较
多的内存空间,但是提高了 Firmware 下载的速度,并且省去了内核再从文件系统中读取

Firmware 文件的麻烦,能够使驱动程序更加可靠。
(3)启动视频编码和读取视频流数据

IME6410 在异步主机接口模式下的工作流程如图 5.7 所示。
初始化IME6410 向主机寄存器USER4写0 启动编码 等待GPIO0的下降沿 传输数据(NFIFIOSIZE 字节) 向主机寄存器USER4写一个新值 等待主机寄存器USER4的新值

更新FIFO为新的数据

当数据可用时将GPIO0置低

主机(HOST)

IME6410 Firmware

图 5.7 IME6410 的工作流程(异步主机接口模式)
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IME6410 初始化完毕后开始编码,当它的 FIFO 中有 NFIFOSIZE 字节(如 1024B)
数据时,会在 GPIO0 管脚产生一个低电平脉冲。AT91RM9200 检测到 GPIO0 的下降沿 时,会发生中断,然后中断服务程序从 IME6410 的 EncodedStream(0x10)寄存器读取 这 NFIFOSIZE 字节的数据。读取完毕后要向 USER4 寄存器中写入一个不同的值,通知

IME6410 数据传输结束。IME6410 再将新产生的编码数据继续写入 FIFO 中。如此循环,
处理器就能从 IME6410 中读取连续的编码数据。 对于 ARM 处理器来说,中断产生了视频编码数据,而用户进程会使用这些数据。 本系统的视频驱动程序利用了一块循环缓冲区来实现数据流在这两者之间的同步。 另外, 由于在中断中要读取 1024 字节的数据,所以要精心设计读取的过程以减少中断响应时 间。 循环缓冲区在物理地址上是连续的,并且设置了两个指针 head 和 tail,head 指向数 据读出的位置,tail 指向数据写入的位置。head 指针只由用户进程读取数据时更新,tail 指针只由中断服务函数更新。中断到来时,驱动从 IME6410 读取数据并前移 tail 指针; 用户进程需要数据时, 驱动从缓冲区拷贝数据给用户进程并更新 head 指针。该设计方法 还能够有效地处理并发访问问题。 另外,从系统层面上讲,数据传输的通道是 CDMA 无线网络,它的带宽有限,当 网络拥塞严重时(这是无法避免的) ,用户进程会无法及时将缓冲区的数据发送出去。因 此开辟的缓冲区的大小要合适,当缓冲区满的时候将产生的编码数据丢弃,但这同时需 要视频流接收端拥有容错和处理丢包的能力。 视频单元驱动的中断服务函数为 void interrupt_camera(int irq,void *dev_id,struct

pt_regs *regs)。它的主要流程如下:
①清中断标志位; ②判断 tail 指针,如果缓冲区满,则跳至⑤,即丢弃数据; ③从 IME6410 读取 1024 字节的编码数据; ④前移 tail 指针; ⑤改写 User4 寄存器,提示 IME6410 数据读取完毕。 对于中断来说,效率非常重要,响应时间越短越好。因此本系统中的中断函数利用 汇编代码来实现,以提高效率。例如下面一段读取视频流的汇编代码:

_asm__volatile_ { “mov %1,#0x200\n\t” “sub %1,%1,#1\n\t” “flag:ldrh %5,[%4]\n\t” “strh %5,[%0],#2\n\t”
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//设定循环次数为 512 //%4 寄存器即 EncodedStream 寄存器

5 监控系统实现与测试

“subs %1,%1,#1\n\t” “bpl flag\n\t”
……

}
由于总线宽度为 16 位,所以 AT91RM9200 每次只能从 IME6410 中读取一个字的数 据,程序从 flag 标志处开始循环 512 次,读取 1024 字节的数据。

5.2.3 通过 CDMA DTU 建立 PPP 连接
前面已经介绍到, 通过 CDMA DTU 连接 CDMA 网络的过程是通过 PPP 协议完成的。 而 Linux 下的 PPP 拨号上网则可以调用 PPPd 和 chat 这两个应用程序,经过 AT 指令来 实现。

PPPd 的全称是 Point to Point Protocol daemon,即点对点协议后台程序。PPPd 提供
基本的 LCP、认证、NCP(即 IPCP)的支持,建立和维持与服务器的 PPP 连接,并传 输数据。chat 程序的用途是拨号,并等待提示,根据提示输入用户名、密码等登录信息。

PPP 拨号的程序设计主要有以下几个步骤:
(1)配置内核支持 PPP 执行 make menuconfig 配置内核时,选择 network device support,配置 kernel 使它支 持如下的 PPP 选项:

PPP(point-to-point) support PPP multilink support(EXPERIMENTAL) PPP support for async serial ports PPP support for sync tty ports PPP deflate compression PPP BSD-Compress compression
以上选项主要是 PPP 协议、PPP 同步/异步串口通信、PPP 压缩等功能。 然后重新编译内核,此时生成的 Linux Kernel 便支持 PPP 了。 (2)安装和配置 PPPd、chat

PPPd 的下载地址为 http://ppp.samba.org/,本系统所用的 PPPd 版本为 2.4.1,chat 版
本为 1.22。下载完成后,用 arm-linux 交叉编译环境编译 PPPd 和 chat,然后下载至目标

PPP 板。 是字符设备, 主设备号是 108, 次设备号是 0, 需要使用命令 mknod /dev/ppp c 108 0 来建立 PPP 节点。 Linux 中,所有与 PPP 相关的配置文件都在/etc/ppp/目录下。其中/etc/ppp/pap-secrets
文件和/etc/ppp/chap-secrets 文件分别保存 PAP 认证协议和 CHAP 认证协议所需的用户名 和口令, 至于具体使用哪种认证协议, 由双方在出示用户身份认证信息的时候协商确定。
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因此需要把联通的认证信息添加到上述两个文件中。 连接中国联通的 CDMA 网络所需的拨号号码为#777, 用户名和口令都为 card, 联通 的服务器名为 pdsn。 在/etc/ppp/peers/目录下创建一个 options 文件,内容为:

ttyS1 115200 crtscts debug nodetach ipcp-accept-local defaultroute user card

//CDMA DTU 连接到/dev/ttyS1 串口上 //串口波特率 //rts 和 cts 信号线用于流控 //PPPd 工作在调试模式 //不转为后台进程 //接受分配的本机 IP 地址 //将服务器 IP 地址作为默认路由 //认证时的用户名为 card

ipcp-accept-remote //接受指定的服务器 IP 地址

以上是对/etc/ppp/peers/options 的说明, 另外还需要的一个文件是/etc/ppp/cdma-chat, 它的作用是告诉 chat 程序如何完成建立连接的过程,该文件的主要内容是:

ABORT “NO CARRIER” ABORT “NO DIALTONE” ABORT “ERROR” ABORT “NO ANSWER” ABORT “BUSY” TIMEOUT 120 “” at OK atdt#777 CONNECT
前 5 行 ABORT 的意思是:如果 CDMA DTU 返回诸如 BUSY 之类的信息,则取消

chat 过程,连接失败;TIMEOUT 120 表示连接的超时值为 120 秒。最后,先发出一个 at 命令, 期待 DTU 返回一个 OK; 然后拨号#777, 期待 DTU 返回 CONNECT。 如果 DTU
返回了 CONNECT,则表明连接建立成功。 (3)拨号联网过程 将 MG815+接口板连接到控制平台的 DB9 接口上,在验证硬件工作正常后,关闭默 认的网络设备(调试程序用的以太网设备) ifconfig eth0 down,然后拨号连接到 CDMA : 网络和 Internet。 拨号成功以后,会生成一个新的网络接口 ppp0,并获得一个服务器自动分配的 IP 地址。PPP 拨号的相关信息记录在/var/log/messages 中,以下是系统调试过程中产生的主
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5 监控系统实现与测试

要信息:

Link encap: Point-toPoint Protocol inet addr: 220.192.172.3 P-t-P: 220.192.168.1 Mask:255.255.255.255
这些信息表示无线终端分配到的 IP 地址是 220.192.172.3 ,联通服务器 IP 为

220.192.168.1。再用无线终端 ping 实验室 IP 地址为 202.200.60.249 的主机,实验结果是
数据包的传输时间在 430ms 左右, 在网络拥塞的情况下可能会出现 10%左右的丢包情况。

5.3 网络通信 5.3.1 总体设计
本系统中网络通信的总体结构如图 5.8 所示。

图 5.8 网络通信的结构

应用程序通过调用 API 函数来使用 TCP/IP 协议栈的功能;PPP 协议实现了链路层 功能,为 TCP/IP 协议的数据传输提供支持;嵌入式 Linux 内核为 TCP/IP 和应用程序提 供线程管理、存储分配等系统支持。 应用程序通过 socket 应用编程接口使用 TCP/IP 协议栈所提供的数据通信功能。发 送数据时,如果选择 TCP 协议,则应用程序将数据交给 TCP 协议模块处理,TCP 模块 如果选择的是 UDP 协议, 则将数据交给 UDP 协议模块处理, 将数据封装成 TCP 报文段;

UDP 模块将数据封装成 UDP 数据报。然后将封装好的 TCP 报文段或 UDP 数据报交给 IP 协议模块,IP 模块在 TCP 报文段或 UDP 数据报上添加 IP 首部,并封装成 IP 数据包,
然后根据路由表为 IP 数据包确定路由。如果找不到相应的路由,则向 ICMP 协议发送出 错报文,由 ICMP 协议模块进行处理;如果找到路由,则将数据包发送到网络接口层, 网络接口层直接利用下层的 PPP 协议将数据包封装成 PPP 帧,然后由异步串口驱动将

PPP 帧发送出去。接收数据的过程与此相反,不再赘述。 TCP 协议是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。建立 TCP
连接需要三次握手。接收端使用序号对收到的 TCP 报文段进行排序并检测重复数据,使 用校验和来检测报文段的错误,使用确认和计时器来检测并纠正丢包或延时,这样就保
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证了传输的可靠性,但也使得时间消耗很大。而 UDP 协议直接工作于 IP 协议的顶层, 提供的是面向操作的、简单不可靠信息传送服务。与 TCP 不同,UDP 并不提供对 IP 协 议的可靠机制、流控制和错误恢复等功能。由于 UDP 比较简单,UDP 头包含的字节少, 比 TCP 负载消耗少,所以适用于一些允许丢包、出错或拥塞的场合。经过综合考虑,本 系统使用 TCP 协议传送数据量较小的命令、 温度等信息, 而视频数据的传输则使用 UDP 协议。

5.3.2 数据格式的约定
为了保证监控系统的双方(监控终端和监控服务器)能够顺利地进行通信,本系统 制定了一套简单的协议,来约定传输数据包的格式和意义。 (1)服务器发送给监控终端的下行 TCP 数据包 下行 TCP 数据包的格式如图 5.9 所示。

图 5.9 下行 TCP 数据包的格式

帧起始符始终为 0xAA,占一个字节。类型码也始终为 0xAA,表明此数据包为下行 的命令数据包。功能码 F 表明命令的内容,主要有:

F=0x01,要求监控终端发送当前的 IP 地址。 F=0x02,要求监控终端发送当前的温度值。 F=0x03,要求监控终端开始 UDP 线程发送图像。 F=0x04,要求监控终端关闭 UDP 连接。
四个参数 P1、P2、P3、P4 在此保留。 (2)监控终端发送给服务器的上行 TCP 数据包 上行 TCP 数据包的格式如图 5.10 所示。

图 5.10 上行 TCP 数据包的格式

帧起始符始终为 0xAA,占一个字节。类型码始终为 0xBB,表明此数据包为上行数 据包。功能码 F 表明数据的内容,主要有:

F=0x0A,对下行命令数据包的一个回应,表示命令收到,P1、P2、P3、P4 保留。 F=0x0B,发送的是终端当前的 IP 地址,P1、P2、P3、P4 分别是 IP 地址的第四、
第三、第二、第一字节。
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5 监控系统实现与测试

F=0x0C,发送的是当前的温度值,P1、P2 分别是高 8 位和低 8 位数据,P3 和 P4
保留。 在服务器和监控终端的 TCP 线程里,TCP 数据包采用如下的结构体来表示:

struct tcp_data { unsigned char qishi; unsigned char type; unsigned char function; unsigned char p1; unsigned char p2; unsigned char p3; unsigned char p4; }
(3)监控终端发送给服务器的上行 UDP 数据包 上行 UDP 数据包的格式如图 5.11 所示。

//起始符 //类型码 //功能码 //参数 P1 //参数 P2 //参数 P3 //参数 P4

图 5.11 上行 UDP 数据包格式

帧起始符始终为 0xAA,占一个字节。类型码始终为 0xCC,表示此数据包为上行图 像数据包。数据包 ID 暂定占 4 个字节,是图像数据包的编号,方便监控服务器检测图 像数据的接收状态。数据包大小占 2 个字节,说明后面所跟的图像数据的长度。 在服务器和监控终端的 UDP 线程里,UDP 数据包采用如下的结构体来表示:

struct udp_data { unsigned char qishi; unsigned char type; unsigned int upd_id; unsigned short length; unsigned char databuf; } //起始符 //类型码 //数据包 ID //数据包大小 //图像数据

5.3.3 网络通信的软件流程
上述的准备工作完成后,最终的任务便是通过软件建立数传通道并传输数据。同时
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还需要监控服务器端软件的配合。 首先需要说明的是同时实现 TCP、UDP 连接与传输的方法。在 PC 机上,可以采用

fork()来产生子进程。但由于开辟多个子进程会占用较多的系统资源,所以在嵌入式平台
上这种方法是不可取的。本系统使用的方法是采用多线程的技术,将对 TCP 和 UDP 的 处理作为同一个进程里的两个线程,能够有效地降低系统的负荷。 实现网络通信的软件分为如下几个部分: (1)监控终端的 TCP 线程设计

TCP 线程的流程图如图 5.12(a)所示。
开始 TCP套接字初始化 TCP连接监控服务器 等待接收数据 拆解数据包 N UDP线程开始 初始化IME6410 启动编码 UDP套接字初始化

下行命令数据包? 0x01 读取并发 送IP地址 0x02 读取并发 送温度值 Y F

Y 0x04 关闭UDP 套接字

要关闭UDP? N 读取视频流数据

0x03 开启UDP 线程

关闭UDP套接字 UDP线程结束

拼装数据包 向服务器发送数据

操作完成后回复确认

(a) TCP流程

(b) UDP流程

图 5.12 监控终端的 TCP 线程、UDP 线程流程图

监控终端的 TCP 线程在初始化套接字之后,主动向监控服务器的指定 IP 地址和端 口进行 TCP 连接。连接成功后,便读取并拆解下行的 TCP 数据包。如果数据包的类型 码不是 0xAA,则返回继续侦听和接收新的数据包;如果是 0xAA,则说明此数据包是下 行命令,根据功能码 F 的不同,去完成不同的操作,并在操作完成后向监控服务器发送 确认信息,然后返回继续等待接收新的数据包。 (2)监控终端的 UDP 线程设计

UDP 线程的流程图如图 5.12(b)所示。 UDP 线程中, 在 首先要初始化配置 IME6410,
并启动视频编码。然后绑定 UDP 的端口,并通过与 TCP 线程的交互,判断监控服务器 是否发来了关闭 UDP 线程的命令。如果不要求关闭,则按顺序读取循环缓冲区内的视 频流数据,并按照约定好的格式拼装成 UDP 图像数据包,发送到监控服务器,发送完 毕后返回,视服务器的命令,继续发送图像数据或关闭 UDP 套接字。
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5 监控系统实现与测试

(3)监控服务器的 TCP 进程设计

TCP 进程的流程图如图 5.13(a)所示。
开始 TCP套接字初始化 等待TCP连接 开启UDP线程 多路复用句柄初始化 Y UDP线程开始 UDP套接字初始化 开启视频解码线程

用户要求退出? N select() 处理 键盘 输入 读取键盘输入 拼装数据包 发送数据包 UDP线程结束

读取 上行 数据 读取数据包 拆解数据包 关闭套接字 结束 执行相应任务

Y

要关闭UDP? N 接收视频流

关闭UDP套接字

解码并显示

(a) TCP流程

(b) UDP流程

图 5.13 监控服务器的 TCP 进程、UDP 进程流程图

监控服务器的 TCP 进程在初始化套接字后,等待监控终端的主动连接,连接成功后 还要开启 UDP 线程。多路复用句柄用来判断接下来要处理的是键盘输入还是上行数据, 句柄初始化以后先查询用户此时是否要求退出,如果不要求退出,则根据 select()函数的 返回值执行不同的任务。当有上行数据包到达时,依次进行读取数据包、拆解数据包和 执行相应任务的过程;当有键盘输入时,将输入的命令封装成约定好的数据包格式并发 送给监控终端。上述过程完成后,重新初始化多路复用句柄,当用户要求退出时,则关 闭 TCP 套接字。 (4)监控服务器的 UDP 进程设计

UDP 进程的流程图如图 5.13(b)所示。在 UDP 进程中,首先初始化 UDP 套接字,然
后开启视频解码线程。接收监控终端发送来的上行图像数据包,拆解后提取出视频流数 据,进而进行解码和显示。 监控服务器把收到的视频流数据用链表的形式组织存储,当上层程序要读取数据进 行解码时,把该链表节点中的有效数据从头到尾地拷贝到解码缓冲区即可。另外,由于 数据的传输使用的是无线网络,并且用的是 UDP 协议,所以数据包到达监控服务器的 时间和顺序都是不能保证完全正确的,可能会出现乱序、丢包和延迟的情况,这就需要 监控服务器的程序能对这些情况进行相应的处理。
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5.4 系统测试
在系统的设计任务基本完成后,为了检验系统运行的实际效果,需要对系统的各个 模块和软硬件进行联调。 在验证系统的硬件全部能够正常工作的基础上,将包含了本系统所设计的全部程序 的嵌入式 Linux 操作系统及文件系统下载到监控终端的控制平台中,并配合监控服务器 上所简单设计的程序,对整个系统进行联合调试。 对嵌入式 Linux 的开机脚本进行了适当的修改,使它能够自动完成各个驱动模块的 加载、自动进行 PPP 拨号并连接到监控服务器、自动初始化视频单元的 SAA7114 并下 载 Firmware 到 IME6410。监控服务器运行在 Fedora Core 6 的 Linux 环境下,接收到视 频流时,将数据重组后存入一个文件,传输完成后将该文件进行 MPEG-4 解码,再用

YUV 播放器进行播放,以查看测试结果。
经过测试,监控终端能够正确地进行 PPP 拨号和 TCP、UDP 连接,数据包的传输 基本正常,在监控服务器上能够正确地读出终端送来的 IP 地址、温度值等信息。在视频 方面,编码速度初步控制在 4fps 左右,速率在 35~45kbps 之间,而 CDMA2000-1X 的 平均速率在 70~90kbps 之间,符合实际情况,图像的编码、发送、接收、解码基本正确, 显示基本正常。 系统的视频测试画面如图 5.14 所示。

图 5.14 MPEG-4 解码后的测试图像(QCIF 格式 176×144)

以上测试结果表明,本系统的设计方案是可行的。

5.5 系统的补充设计——监控终端维护代理单元
之所以要设计监控终端的维护代理单元,主要是从实用的角度来考虑的。当终端放 置于监控点后,在使用过程中,往往需要对它进行维护,这主要涉及到更新终端 CPU 的 程序,包括它的 Bootloader、操作系统内核和文件系统等。如果每次维护都把监控终端 取回再进行操作的话,显然是不太现实的,这就需要寻找一种低成本、低功耗、方便、 可靠的远程维护手段。这也是设计维护代理单元的目的所在。 本文所提出的初步实现方案是使用一块具有双 UART 的单片机,将它补充为监控终 端的一部分,两个 UART 分别连接 CDMA 模块和 ARM 处理器的 DBUG UART 接口。
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5 监控系统实现与测试

当需要对终端进行维护时, 监控服务器就通过这块单片机将程序下载到 ARM 处理器中。 因为系统的监控终端是电池供电的,而这块单片机大部分时间不起实际作用,所以它一 定要是低功耗的。 本系统选择使用了 TI 公司的 16 位超低功耗单片机 MSP430F149 作为维护代理单元 的硬件核心。MSP430 系列单片机有一种活动模式和五种低功耗模式,CPU 可以从低功 耗模式被迅速唤醒[39],并且内部集成了丰富的功能模块,能够满足维护代理单元的各项 设计需求。 维护代理单元与控制平台的连接方式如图 5.15 所示。

图 5.15 维护代理单元的连接方式

程序更新的基本过程是:监控服务器将新的程序发送给监控终端,MSP430 单片机 的 UART1 通过终端的 CDMA DTU 接收这些程序, 然后通过 UART2 向 AT91RM9200 的

DBUG UART 接口下载这些程序。
向 AT91RM9200 下载 Bootloader、Linux Kernel 和文件系统时,使用了 Xmodem 和

Kermit 两种协议,这是移植嵌入式 Linux 所要求的。所以需要在 MSP430 单片机中固化
实现这两种协议的通信程序。

5.5.1 Xmodem 协议及其实现
Xmodem 协议最早是在 2 台计算机间通过 RS232 异步串口进行文件传输的通信协议
标准,属于简单 ARQ(自动请求重发)协议。如图 5.16 所示,在 Xmodem 协议每次传 送的数据帧中,文件数据占 128 字节,开始标志、块序号、块序号的补码位于数据块开 始,校验字节位于数据块结尾。数据校验可以采用垂直累加和校验,也可以采用 16 位的

CRC 校验。

图 5.16 Xmodem 协议数据帧格式

在本系统中,将 Xmodem 协议代码分为 3 层:物理层、链路层和应用层。物理层用 于控制 UART 器件, 链路层处理 Xmodem 协议,应用层负责将收到的单个 128 字节数据 块组合成一个完整的数据块。这种分层,在程序移植时只要修改和硬件相关的物理层、
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应用层代码,无需修改实现 Xmodem 协议的链路层代码,便于将程序移植到不同的系统 中。 在 MSP430 单片机上实现 Xmodem 协议的链路层代码流程图如图 5.17 所示。
开始 发送NAK 开始 取得接收方的起始NAK 读取数据并打包处理 信息包到达?

N

Y
接收信息包

Y
取得信息包

超时?

N Y
EOT?

Y

发送完?

N
发送信息包 取得接收方的许可 发送EOT ACK?

下一个 信息包

Y

N
CAN?

发送ACK

N
信息包校验

Y
发送ACK 出错?

Y N

取得接收 方的许可

Y N

N
NAK?

N
致命错误?

N
CAN?

Y
中止 结束传输 结束 (b) 接收方程序

Y
中止

结束 (a) 发送方程序

图 5.17 Xmodem 协议流程图

5.5.2 Kermit 协议及其实现
Kermit 协议由美国哥伦比亚大学的 Frankda Cruz 和 Bull Catchings 在 1981 年提出。
该协议从一开始设计时就注意了其通用性,它使得在不同的计算机之间进行高速、远距 离和批文件传输的通信要求成为现实。
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5 监控系统实现与测试

Kermit 协议的工作过程与 Xmodem 协议相似,在此不再详述,仅给出它的流程图,
如图 5.18 所示。

图 5.18 Kermit 协议流程图

实现上述两种通信协议的程序设计完成后,经调试,MSP430 单片机对数据的接收 和下载都基本正常,能够完成维护代理所要求的功能,因此这种设计方法是可行的。

5.6 本章小结
本章从硬件和软件两方面对整个监控系统的实现方法进行了介绍,由于网络通信是 系统的核心,所以着重分析了它的实现原理和过程。测试结果表明本系统能够实现预期 的各项功能。最后,简单介绍了监控终端维护代理单元的功能和初步的实现方案。

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6 结论
6.1 总结
本文针对电力网络监控及与之类似的应用场合,提出并设计了基于 CDMA2000-1X 网络的无线视频监控系统。在分析监控系统现状和查阅大量资料的基础上,分析了系统 的实现原理,并完成了硬件与软件的设计。本课题所做的主要研究工作有: (1)设计实现了监控终端的嵌入式开发平台,包括:完成以 AT91RM9200 为核心的 硬件设计,建立交叉开发环境,并移植嵌入式 Linux 操作系统。这些工作为监控终端各 项功能的实现及以后的扩展提供了良好的基础。 (2)在了解 CDMA 系统的各项特点及结构的基础上,对与之相关的各项通信协议 进行了分析,然后完成了 CDMA DTU 的选型及接口电路的硬件、软件设计,实现了监 控终端与 CDMA2000-1X 网络的连接。 (3)对视频编码标准的现状和 MPEG-4 标准的基本内容进行了介绍,从系统的实际 情况出发,选择了硬件实现 MPEG-4 编码的方法,并完成了视频 A/D 芯片和 MPEG-4 编码芯片的选型,设计了硬件接口电路,实现了监控终端的视频采集与编码单元。 (4)完成了硬件系统的组合和软件系统的设计,对读取编码数据和实现网络通信的 软件设计方法进行了详细的叙述。 (5)对系统进行了测试,结果表明本课题的方案是可行的。 (6)分析了维护代理单元的实际作用,并给出了初步的设计方案。

6.2 展望
由于本人水平有限,系统中还有很多不尽如人意的地方。另外,课题研究的目的仅 是实现系统预期的各项功能,对实际应用时的各种情况考虑较少。要将系统运用到实际 中去,还有不少的工作要做。 为了满足实际应用的要求,可以在以下几个方面对系统进行完善: (1)监控终端的功能应该更加丰富,可能需要增加风速传感器、湿度传感器、摄像 机的云台控制等,并能实现监控数据的定时、报警、触发等传输模式。 (2)视频传输的指标还略低,需要增加传输的帧数,并实现对监控图像进行画面质 量、图像大小进行调节的功能。系统视频单元中的硬件选型也提供了对这些功能进行扩 展的支持。 (3)系统中监控服务器的实现比较简单,要想获得较好的实际应用,还应该增加对 数据库、B/S 和 C/S 网络结构、专家分析系统等的支持。
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在论文的撰写接近尾声的时候,回顾三年来的学习和生活,我深感自己收获颇多, 这不仅包括知识面的加宽、工作能力的提高,更重要的是我对生活和未来的发展有了一 个全新的认识。我的每一个进步和提高,都离不开我的导师——黄向东副教授的谆谆教 导。 在我攻读硕士学位期间,黄老师在学习、生活、思想上都给了我悉心的指导与帮助。 黄老师以其渊博的知识、丰富的实践经验使我学到了许多专业知识和科学研究方法。他 严谨缜密的治学作风和一丝不苟的工作态度无处不感染着我、 熏陶着我, 使我受益终生。 感谢黄老师给我创造了一个良好的学习环境和论文创作平台,使我在学习期间能高效地 提高理论知识,并将理论知识充分地应用于实际工作中。在此,我要向黄老师致以最诚 挚的谢意! 感谢朝夕相处的实验室的同学们,他们是郑洪刚、王贤彬、景宁波、王宗锐等同学, 感谢他们在我课题研究和论文撰写期间为我提供的帮助和支持。 感谢我的母校西安科技大学对我七年的培养,在这里学到的知识将是我一生宝贵的 财富! 最后,我要深深地感谢我的父母、兄妹和我的女友,是他们无微不至的关心和帮助 支持着我不断前进,感谢他们为我付出的一切!

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参考文献
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附录 1 作者在攻读学位期间发表的论文
[1] 李猛, Xmodem 协议在 MSP430 单片机上的实现. 代永革, 张兴和. 仪器仪表学报(增
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报(增刊),2007,28(4):923~925

附录 2 作者在攻读学位期间的科研情况
(1)基于 CDMA2000-1X 的无线监控系统的研究与实现 完成了监控终端的软、硬件设计及系统的调试工作,实现了视频和温度监控的设计 目标。 (2)高端仪表产品嵌入式开发平台的研制 以 LPC2220 处理器为平台的硬件核心,开发了以 μC/OS-Ⅱ为基础的软件系统,实 现了 VFD 显示、SD 卡读写、USB 通信和嵌入式 Web 服务器等功能,为新一代仪表产 品的开发提供了功能丰富的嵌入式平台。

附录 3 系统实物照片

附图 1 视频监控终端实物连接图
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(a) 核心板

(b) 扩展板

(c) CDMA 接口板

(d) 视频单元与摄像头 附图 2 监控终端各模块实物图

附图 3 温度监测值在服务器 Linux Terminal 上的显示

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