關鍵詞： linux , TMS320DM355 , 處理器 , 服務器 , 視頻

本設計以TI公司DaVinci系列芯片作為硬件平臺，結合嵌入式Linux操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于TMS320DM355的視頻服務器。本文闡述了各硬件模塊的選型與功能，以及服務器的軟件架構與實現(xiàn)。同時給出了整個網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的框架，包括視頻服務器、網(wǎng)絡傳輸鏈路及客戶監(jiān)控端。本設計采用 MPEG4視頻編碼標準，由DM355內(nèi)部的MPEG/JPEG協(xié)處理器完成。實驗表明，在帶寬充足的條件下，可實現(xiàn)實時監(jiān)控。

1．引言

多媒體監(jiān)控一直是人們關注的應用技術熱點之一，它以直觀、方便、信息內(nèi)容豐富等特點被廣泛應用于許多場合。而隨著嵌入式系統(tǒng)和視頻壓縮技術的不斷發(fā)展，基于嵌入式技術的視頻監(jiān)控系統(tǒng)也得到了快速的發(fā)展與應用。其通過把攝像機輸出的模擬信號轉化為數(shù)字信號，再經(jīng)過嵌入式系統(tǒng)編碼和傳輸。在客戶端，通過安裝監(jiān)控軟件，或者直接通過Web進行監(jiān)控。采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具備編碼處理、網(wǎng)絡通信、自動控制等強大功能，直接支持網(wǎng)絡傳輸和網(wǎng)絡管理，使得監(jiān)控范圍達到了一定的廣度。

此外，嵌入式處理器的發(fā)展也日新月異，有專注于控制的ARM系列處理器，擅長快速計算的DSP處理器，還有一些針對性非常強的處理器，可以實現(xiàn)硬件視頻編解碼等。而德州儀器（TI）新近推出的針對便攜式高清（HD）視頻產(chǎn)品市場的達芬奇（DaVinci）處理器TMS320DM355處理器，結合了它們的特長。其內(nèi)部具有一個ARM9EJ-S的主處理器，負責整個系統(tǒng)的控制，同時也集成了一個MPEG/JPEG協(xié)處理器，專注于MPEG/JPEG算法的實現(xiàn)。其內(nèi)部的視頻處理子系統(tǒng)（VPSS）及其它外設可方便快速的實現(xiàn)視頻的采集、預處理、顯示、網(wǎng)絡傳輸?shù)裙δ堋Ｍ瑫r，其低廉的價格也為用戶降低了成本。而本設計即選用此處理器。

2．視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體框架

本嵌入式網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)由視頻服務器、網(wǎng)絡傳輸鏈路、客戶監(jiān)控端等3部分組成。視頻服務器負責音視頻等數(shù)據(jù)的采集、壓縮處理等，網(wǎng)絡傳輸鏈路將視頻服務器壓縮和發(fā)送的多媒體數(shù)據(jù)進行傳輸，而客戶端監(jiān)控部分接收音視頻數(shù)據(jù)，進行解壓、顯示以及對視頻服務器的控制等。整個系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

圖1視頻監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

2.1．視頻服務器

視頻服務器采用德州儀器（TI）新近推出的達芬奇(DaVinci)系列處理器TMS320DM355作為主處理器，接收CCD攝像頭采集的視頻信號，進行預處理及MPEG4壓縮，然后將壓縮后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸。同時，接收上位機發(fā)送的命令，解析并且執(zhí)行。每個設備都具有唯一的ID，當客戶端進行連接時，服務器會首先檢查ID號是否匹配，以防止惡意連接。此外，當視頻服務器運行異常時，其內(nèi)部的守護進程會進行監(jiān)視，適當?shù)臅r候進行重啟。
　 　
2.2．網(wǎng)絡傳輸鏈路

網(wǎng)絡傳輸鏈路負責多媒體數(shù)據(jù)的傳輸。此處，可以根據(jù)實際需求，進行網(wǎng)絡傳輸鏈路的選擇。局域網(wǎng)（LAN）、無線局域網(wǎng)（WLAN）、INTERNET、 CDMA、3G等都是可供選擇的傳輸鏈路。其中，局域網(wǎng)（LAN）和無線局域網(wǎng)（WLAN）帶寬充足、穩(wěn)定，并且設備簡單，易于實現(xiàn)，但會受到距離的限制。INTERNET和CDMA網(wǎng)絡可以使監(jiān)控距離得到擴展，但是其帶寬受限，圖像質量會受到影響。而最新的3G網(wǎng)絡也是一個不錯的選擇，帶寬在靜止狀態(tài)下可以達到2Mbps，但是其在穩(wěn)定性方面還待測試。用戶可以根據(jù)自己的需求進行選擇，或者直接搭建專線網(wǎng)絡，以實現(xiàn)各自的監(jiān)控指標。

2.3．客戶監(jiān)控端

客戶端主要與各個視頻服務器進行連接，以實現(xiàn)監(jiān)控?？蛻舳丝梢圆捎肞C機或者便攜式設備，與網(wǎng)絡傳輸鏈路相連，通過上位機軟件與視頻服務器連接，接收視頻服務器發(fā)送的多媒體數(shù)據(jù)，進行解碼，然后在上位機顯示。同時，向視頻服務器發(fā)送控制命令，實現(xiàn)云臺、鏡頭等的控制。

3．視頻服務器硬件設計

3.1．整體框架視頻服務器完成視頻的采集、MPEG4壓縮和網(wǎng)絡傳輸，以及云臺、鏡頭等的控制。其硬件結構框圖如圖2所示。

圖2視頻服務器硬件結構框圖

3.2．各模塊簡介

1）主處理器

TMS320DM355TMS320DM355是一款針對數(shù)字靜態(tài)照相機，數(shù)碼相框，IP安全攝像機，視頻門鈴和其它一些低功耗便攜式數(shù)字視頻應用設計的高集成度的處理器?？蓪崿F(xiàn)低成本，高圖像質量的視頻解決方案。它集高性能，低功耗，低成本于一身，提供與外部CCD或CMOS傳感器的無縫連接。此外，還提供與電源管理，DDR/mDDRmemory，SRAM，NAND等的接口。

DM355處理器的主處理器是一個ARM926EJ-S核。ARM926EJ-S是一個32位的處理器核，提供216MHz或270MHz的時鐘速率，可執(zhí)行32位和16位的指令集，以及32位，16位和8位的數(shù)據(jù)。

此外，DM355內(nèi)還集成了一個MPEG/JPEG協(xié)處理器，實現(xiàn)數(shù)字視頻的壓縮。

DM355內(nèi)還包括一個視頻處理子系統(tǒng)（VPSS），分為視頻處理前端(VPFE)和視頻處理后端(VPBE)。視頻處理前端提供與CCD/CMOSimager模塊和視頻解碼器的接口。視頻處理后端實現(xiàn)硬件的OSD支持和復合的NTSC/PAL或LCD輸出。

2）視頻采集模塊

視頻采集模塊主要由鏡頭和模擬前端電路組成。模擬前端的作用是將圖像傳感器輸出的模擬信號鉗位放大，并完成A/D轉換，這里采用的是TVP5146。TVP5146是TI的一款高質量、單片的視頻解碼器，數(shù)字化并且解碼所有主流的基帶模擬視頻格式。TVP5146將復合的或者分離的NTSC，PAL或者SECAM信號轉換為YCbCr格式。輸出格式可以是20位的YCbCr4:2:2或者10為的YCbCr4:2:2。它由一組內(nèi)部寄存器進行控制，通過I2C進行配置，改變對比度、亮度、飽和度、色調(diào)等參數(shù)。

3）音頻采集模塊

音頻采集模塊由Mic和模數(shù)轉換電路構成。此處采用TLV320AIC33。TLV320AIC33是一款低功耗立體聲音頻編解碼器，實現(xiàn)模擬音頻信號的數(shù)字化。包括立體聲耳機擴音器，并且提供多輸入多輸出。支持8k到96k采樣。DM355對其的配置也是通過I2C進行的。而數(shù)據(jù)接口則采用McBSP。

4）存儲模塊

本設計采用了512MB的nandflash用于存儲UBL、U-Boot、kernel、根文件系統(tǒng)。需要的話可以存儲一定數(shù)量的音視頻數(shù)據(jù)。它與DM355之間的接口為8位數(shù)據(jù)線。通過這8位數(shù)據(jù)線進行命令及數(shù)據(jù)的傳遞。

5）動態(tài)存儲模塊
　 　
由于DM355提供DDR接口，所以選擇速度更快的DDRSDRAM作為動態(tài)存儲器。Linux操作系統(tǒng)及應用程序的運行都在這里。當系統(tǒng)上電后，bootloader進行一些簡單的設置之后將自己搬運到SDRAM內(nèi)運行，當需要啟動內(nèi)核時，將內(nèi)核搬運到SDRAM內(nèi)運行。此后，整個內(nèi)存的控制就交給了Linux內(nèi)核。

6）Ethernet控制器

Ethernet控制器選擇DM9000，通過網(wǎng)絡傳輸鏈路實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。

7）RS232及RS485RS232

主要用于開發(fā)階段的調(diào)試，RS485用于控制云臺，鏡頭等。RS232和RS485采用通用的232和485芯片即可滿足需要。

8）電源模塊電源模塊負責整個系統(tǒng)的供電

我們采用現(xiàn)成的電源模塊提供云臺需要的24V交流電壓，鏡頭需要的12V直流電壓，以及視頻服務器需要的5V直流電壓。由于DM355的核電壓為1.3V，I/O電壓為3.3V，DDRSDRAM的電壓為1.8V，所以我們選擇了TPS65021電源芯片，將輸入的5V電壓轉換為3種不同的電壓輸出。此外我們對DM355的上電順序也進行了考慮。

4．視頻服務器軟件設計

本設計采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為其軟件基礎。系統(tǒng)上電后，首先運行引導程序bootloader，初始化CPU和一些I/O設備，然后將Linux內(nèi)核搬運到內(nèi)存中，將控制權交給內(nèi)核。內(nèi)核啟動后，運行用戶應用程序。系統(tǒng)的軟件層次結構如圖3所示。

圖3系統(tǒng)軟件層次結構

4.1．系統(tǒng)上電及引導程序

系統(tǒng)上電時，是由DM355的輸入引腳BTSEL[1:0]來決定從ROM或者AEMIF啟動。此設計處選擇從ROM啟動。此時，系統(tǒng)直接跳轉到內(nèi)部 ROM的起始地址（0X00008000）執(zhí)行指令。內(nèi)嵌的ROM啟動代碼（RBL）進行一些配置操作，然后讀取BOOTCFG寄存器來決定是從 NAND、MMC/SD或者UART啟動。本設計選擇NAND啟動。NANDflash里預先燒寫好了U-boot、Linux內(nèi)核以及根文件系統(tǒng)。 NAND啟動以后，會讀取bootloader的stage1部分的指令對系統(tǒng)進行必要的設置，然后將stage2部分的代碼搬移到SDRAM中進行執(zhí)行。當用戶選擇啟動內(nèi)核時，bootloader將內(nèi)核從NANDflash里搬運到SDRAM，然后跳轉到內(nèi)核的起始地址進行執(zhí)行，啟動內(nèi)核。
　 　
4.2．嵌入式Linux操作系統(tǒng)

嵌入式Linux操作系統(tǒng)是針對不同的應用需求，對Linux內(nèi)核進行裁剪修改使之能在嵌入式計算機系統(tǒng)上運行的一種操作系統(tǒng)。它開放源碼，內(nèi)核小、效率高，適用于多種CPU和硬件平臺，性能穩(wěn)定，可移植性好等特點為其開辟了一片屬于自己的空間。

本設計選擇嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為軟件平臺，實現(xiàn)各硬件模塊的驅動的添加及移植，用戶應用程序的編寫及調(diào)試。

4.3．用戶應用程序

本設計中將整個應用程序分為2個進程，data進程和command進程。Data進程主要負責音視頻數(shù)據(jù)的采集、壓縮和網(wǎng)絡傳輸。其中，又分為3個線程，capture線程、編碼線程以及control線程。Capture線程控制采集設備進行圖像及聲音的采集及預處理；編碼線程從capture線程讀取數(shù)據(jù)，進行MPEG4（視頻）或G.711（音頻）壓縮。Control線程從編碼線程讀取壓縮完的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡發(fā)送給客戶端。而command進程接收上位機命令，解析、執(zhí)行，并且控制云臺，鏡頭及測溫等。Command進程還加入了用戶ID檢驗等功能，提供簡單的保護機制。應用程序的流程圖如圖 4所示。

圖4應用程序流程圖

4.4．MPEG/JPEG協(xié)處理器編碼

由于DM355內(nèi)部集成了MPEG/JPEG協(xié)處理器，對于音視頻的編解碼主要是通過它來完成的。而對它的操作是依靠TI公司制訂的基于 eXpressDSP算法互用性標準（xDAIS）的xDAIS-DM標準實現(xiàn)的。此標準定義了一組統(tǒng)一的API，這些API是建立在各種多媒體算法之上的，這樣即簡化了集成難度，同時保證了互用性。TI提出的CodecEngine就是一組用于示例和運行xDAIS算法的API，而 VISA（Video，Image，Speech，Audio）類是用來與xDAIS-DM算法標準定義的基于各種多媒體算法的API函數(shù)集進行交互的接口。在應用程序編程中，通過進行如下的操作來完成視頻的編碼。

打開編解碼引擎：

staticStringengineName=videnc

Engine_Handlece;Engine_Errorerrorcode;ce=Engine_open(engineName,NULL,& amp;errorcode);視頻編碼類提供四個API函數(shù)：創(chuàng)建視頻編碼類：VIDENC_Handlehenc;staticStringencoderName=mpeg4enc; henc="VIDENC"_create(ce,encoderName,NULL);其中ce為打開編碼引擎時返回的句柄。對視頻編碼類進行控制，設置視頻編碼動態(tài)參數(shù)：VIDENC_control(henc,XDM_SETPARAMS,&dynamicParams,&encStatus);處理數(shù)據(jù)，進行編碼：VIDENC_process(henc,&inBufDesc,&outBufDesc,&inArgs,&outArgs); 其中參數(shù)henc為創(chuàng)建的VISA類句柄，inBufDesc為原始數(shù)據(jù)buffer，outBufDesc為壓縮后數(shù)據(jù)buffer，inArgs和 outArgs為輸入輸出配置參數(shù)。銷毀創(chuàng)建的視頻編碼類：VIDENC_delete(henc)；在應用程序中調(diào)用以上API，即可利用 MPEG/JPEG協(xié)處理器對原始視頻數(shù)據(jù)進行壓縮，而音頻數(shù)據(jù)的壓縮與此類似。

5．總結

本文介紹了基于最新DaVinci平臺的視頻監(jiān)控服務器的設計與實現(xiàn)，包括硬件組成和軟件設計。整個視頻服務器利用DM355內(nèi)部的ARM926EJ-S 核運行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，而用MPEG/JPEG協(xié)處理器進行MPEG4編碼相關的計算。文中對利用MPEG/JPEG協(xié)處理器進行編碼也做了介紹，同時給出了整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)的框架。經(jīng)過在局域網(wǎng)內(nèi)測試，可以實現(xiàn)D1格式的視頻的實時傳輸，同時可以進行云臺及鏡頭等的控制。利用該系統(tǒng)可實現(xiàn)樓宇、街道等場所的視頻監(jiān)控。