孫俊琳，程立倩

（煙臺職業(yè)學院，山東 煙臺 264670）

數(shù)字化遠程圖像監(jiān)控是基于現(xiàn)代通訊科技的一種新應(yīng)用，它正在越來越多地被廣泛應(yīng)用于交通、能源、公安、電信、軍事等部門。與傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控系統(tǒng)相比，它的組網(wǎng)成本低、系統(tǒng)體積重量小、運行維護更容易。

本文針對低設(shè)備成本、低運行成本和超遠距離的圖像監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用提出了一種基于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)字化遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)方案。該方案使用直接獲得的數(shù)字化影像信號；圖像壓縮不使用專用壓縮芯片，而是在高速處理器內(nèi)部由壓縮軟件實現(xiàn)；最后打包經(jīng)由公共電話網(wǎng)發(fā)送。本方案不僅適合于數(shù)字化圖像監(jiān)控系統(tǒng)的實際應(yīng)用，而且它高度的靈活性與自主性更加適合于教學與科研部門對嵌入式系統(tǒng)、可編程邏輯系統(tǒng)以及語音、圖像和視頻信號處理的學習與研究。

本文使用ARM處理器與FPGA技術(shù)構(gòu)建了嵌入式遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)，并在實際應(yīng)用中實現(xiàn)了低運行成本的圖像遠程監(jiān)控。

1 ARM平臺及其系統(tǒng)組成

基于ARM體系結(jié)構(gòu)的嵌入式處理器是目前應(yīng)用最為廣泛的32位處理器，ARM提供了一系列的內(nèi)核、體系結(jié)構(gòu)、微處理器和系統(tǒng)芯片方案。ARM芯片有多達十幾種的芯核結(jié)構(gòu)，本文系統(tǒng)根據(jù)建立低成本的圖像數(shù)據(jù)采集、實時壓縮與遠程傳送系統(tǒng)，以及擴展性，選擇了Cirrus Logic公司的EP7312。

1.1 EP7312應(yīng)用

EP7312是基于ARM720T內(nèi)核的嵌入式微處理器，由ARM720T內(nèi)核加外圍擴展邏輯構(gòu)成，運行于74MHz時其性能與100MHz的Intel Pentium芯片基本相當，且功耗很低。之所以選用EP7312處理器，主要是看中它的高速ARM720T核心、豐富的外設(shè)接口與啟動ROM的設(shè)置。

要正確應(yīng)用EP7312處理器必須首先對它的系統(tǒng)寄存器進行正確配置，各寄存器的具體定義可以參考“EP73XX用戶手冊”，這里就不再贅述。除此以外，還要對EP7312的中斷控制器和堆棧設(shè)置有深入了解。在系統(tǒng)初始化階段必須對將要使用到的各種處理模式的堆棧寄存器進行設(shè)置，才能保證以后系統(tǒng)程序與用戶應(yīng)用程序的正常運行。

EP7312不但支持JTAG運用于邊界掃描測試，而且由于使用了ARM720T核心，可以通過JTAG接口與EmbeddedICE單元連接實現(xiàn)對ARM內(nèi)核的調(diào)試。

EmbeddedICE接口協(xié)議轉(zhuǎn)換器是ARM開發(fā)中的關(guān)鍵硬件，它在PC機開發(fā)環(huán)境與ARM目標板之間建立起連接。EmbeddedICE接口協(xié)議轉(zhuǎn)換器是非常昂貴的開發(fā)設(shè)備，但是通過對相關(guān)資料的檢索，發(fā)現(xiàn)可以使用簡單的并口調(diào)試電纜，按照JTAG協(xié)議就可以連接EmbeddedICE，實現(xiàn)ARM硬件調(diào)試，但調(diào)試速度較慢。本文給出兩種應(yīng)用簡單并口調(diào)試電纜來進行調(diào)試的方法。

（1）使用ALTERA公司ByteBlasterMV電纜

ByteBlasterMV電纜是應(yīng)用于ALTERA公司可編程邏輯器件下載程序的常用設(shè)備，在認真學習了JTAG標準后，參考相關(guān)資料對ByteBlasterMV電纜進行改造：并口第12引腳與下載電纜10線出口的第6引腳相連，并在Vcc供電端與下載電纜10線出口的第4引腳之間加上了二極管保護，使目標板電源只可以單向流入下載電纜。

（2）使用Wiggler電纜配合IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境可以實現(xiàn)在線調(diào)試。

1.2 ARM的系統(tǒng)框圖

針對方案的需要和日后擴展的考慮，設(shè)計了ARM開發(fā)板，見圖1。

主處理器：EP7312－CV（Cirrus Logic公司）；SDRAM：HY57V281620HCT－H（Hynix公司）；FLASH：SST39LV040－90－3C－NH（SST公司）；串口驅(qū)動：MAX3243ECUI、MAX232CSE（Maxim公司）；IrDA接口：TFDS4500（Vishay Telefunken公司）；觸摸屏接口：MXB7846EUE（Maxim公司）電源：LM1085IT－ADJ（National Semiconductor公司）；LCD升壓：MAX5026EUT－T（Maxim公司）；LCD顯示：MTG－F32240HFWNSEB－01（Microtips Technology公司）；板載接口：JTAG調(diào)試接口、GPIO接口、音頻接口、觸摸LCD模塊接口、MODEM接口、系統(tǒng)擴展槽和設(shè)備擴展槽，用于為ARM系統(tǒng)添加如以太網(wǎng)接口、海量數(shù)據(jù)存儲接口和PCMCIA等接口或者用于與其他功能開發(fā)板DSP、FPGA等連接使用。

系統(tǒng)配置指標：EP7312＠74MHz CPU（ARM720T）；32MB內(nèi)存；512KB程序存儲器；320×240×16級灰度LCD顯示；雙串口、IrDA、JTAG、音頻接口、LCD觸摸屏接口、擴展接口。

針對上面ARM板的程序設(shè)計，使用的軟件開發(fā)環(huán)境是ARM公司的ARM Software Development Toolkit（簡稱SDT）。由于開發(fā)板只配備512KB的FLASH ROM用于程序存儲器，所以應(yīng)用程序與原始數(shù)據(jù)的總和必須小于512KB。具體的程序在此不再祥述。

圖1 ARM系統(tǒng)框圖

圖2 FPGA系統(tǒng)框圖

2 FPGA平臺及其系統(tǒng)組成

可編程邏輯系統(tǒng)設(shè)計是當今電子系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分，本文選用ALTERA公司的十萬門可編程邏輯芯片ACEX1K100來構(gòu)建FPGA開發(fā)平臺。

FPGA在本文系統(tǒng)中的作用是：連接CMOS圖像采集模塊，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集和存儲；在以后的進一步開發(fā)中還可以把離散余弦變換（DCT）和系數(shù)量化等操作放到FPGA中以硬件方式高速實現(xiàn)，從而提高系統(tǒng)整體工作性能。

根據(jù)本文系統(tǒng)要求設(shè)計FPGA開發(fā)板框圖見圖2。

FPGA芯片：ACEX1K100QC208－3（ALTERA 公司）；高速SRAM：IS61LV25616－10T（ISSI公司）；CMOS圖像采集：MB86S02（Fujitsu公司）；DAI音頻接口：CS4333－BS（Crystal公司）；音頻功放：LM4858MM（National Semiconductor公司）；NAND＿FLASH：K9F5608U0A（Samsung公司）。

開發(fā)板具備的擴展接口有：

調(diào)試板接口連接專用調(diào)試板，6位LED顯示加5個按鍵，進行軟硬件調(diào)試；PS／2接口，連接PC鍵盤或鼠標；VGA接口，連接PC顯示器，通過電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)320×240×12Bits，即4096色彩色顯示；DAI音頻接口連接耳機，進行數(shù)字音頻播放；系統(tǒng)擴展槽用于系統(tǒng)功能擴展和互聯(lián)。

3 FPGA與ARM平臺的連接

FPGA的硬件可編程性使得FPGA系統(tǒng)的開發(fā)具有很強的靈活性，這一點使FPGA系統(tǒng)的硬件設(shè)計與基于CPU的系統(tǒng)設(shè)計有很多不同，特別體現(xiàn)在FPGA開發(fā)板的設(shè)計中。同樣的擴展端口經(jīng)過不同的引腳功能劃分，可以滿足非常多樣的擴展要求。

在FPGA開發(fā)板上按照ARM開發(fā)板的設(shè)備擴展槽定義，設(shè)計了FPGA的系統(tǒng)擴展槽，用于其與ARM系統(tǒng)的連接。接口的定義見表1。

表1 ARM開發(fā)板設(shè)備擴展槽定義

設(shè)備擴展槽使用IDC40接插件，為ARM處理器提供了256×2個16位總線地址用于功能擴展，同時擴展接口具備設(shè)備就緒信號、中斷信號和通用I／O信號，可以為ARM系統(tǒng)擴展諸如以太網(wǎng)接口、海量數(shù)據(jù)存儲器等設(shè)備。在本文系統(tǒng)應(yīng)用中，設(shè)備擴展接口為ARM系統(tǒng)擴展了基于FPGA的CMOS圖像獲取功能和VGA顯示功能。

4 遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)

ARM開發(fā)系統(tǒng)與FPGA開發(fā)系統(tǒng)相結(jié)合，再加上JPEG壓縮算法在ARM處理器上的實現(xiàn)，就構(gòu)成了本文提出的遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)雛形。系統(tǒng)框圖見圖3。

圖3 遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)的應(yīng)用中使用調(diào)制解調(diào)器通過公共電話網(wǎng)來建立遠程數(shù)據(jù)連接，在遠程圖像監(jiān)控終端處的調(diào)制解調(diào)器處于待命狀態(tài)，它被設(shè)置為自動應(yīng)答方式，在3次振鈴后自動摘機，經(jīng)歷“數(shù)據(jù)風暴”以后與主叫方建立連接。監(jiān)控中心的調(diào)制解調(diào)器由監(jiān)控軟件控制撥號建立連接或者掛斷連接。

5 結(jié)束語

本文著重從嵌入式系統(tǒng)硬件平臺的建立給出了解決方案，建立了低開發(fā)成本與方便易使用的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺，實現(xiàn)了基于ARM處理器的低成本數(shù)字化遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)。

［1］EP7312數(shù)據(jù)手冊［K］.凌云邏輯，200.

［2］EP73XX用戶指導［K］.凌云邏輯，2002.

［3］ARM720T技術(shù)參考手冊［K］.ARM 公司，2000.

［4］大衛(wèi)·希爾.ARM構(gòu)架參考手冊［K］.愛迪生韋斯利出版社，2000.

［5］ARM 開發(fā)板［K］.ARM 公司，1998.

［6］ByteBlasterMV并行端口下載線［K］.阿爾特拉公司，2001.

［7］ACEX 1K可編程邏輯器件系列［K］.3.1版.阿爾特拉公司，2001.

［8］基于SRAM LUT的器件配置設(shè)備［K］.12版.阿爾特拉公司，2001.