基于雙核的視頻偵測與跟蹤系統硬件設計

摘 要：設計了一種基于DSP和ARM單片機雙核的視頻移動偵測與快速跟蹤系統， DSP負責視頻圖像的采集、數據提取與分析處理；ARM負責視頻數據歷史記錄的存儲，以及對云臺和鏡頭的實時控制，并且通過觸摸屏、LCD及網絡接口的擴展，實現了人機交互與網絡化監控的管理。DSP和ARM的并行工作解決了視頻移動偵測的實時性與跟蹤系統的及時性之間的矛盾。

關鍵詞：DSP；ARM；視頻偵測；跟蹤控制

Hardware Design of Video Tracking System Based on DSP and ARM

LI Guangcai，NIE Dong

(Zhaoqing University，Zhaoqing，526061，China)

Abstract：A video motion detection and fast tracking system based on DSP and ARM dual core is designed.DSP responses for the video acquisition，data retriever and analysis processing，ARM responses for the storage of the history video data and the real-time control of the pan and lens.The management of human-machine intercommunication and network monitoring is achieved by touch screen，LCD and extending of network interface.The parallel working solves the contradiction between the real-time of video motion detection and in-time of tracking system.

Keywords：DSP;ARM;video detection;tracking control

隨著安全防衛需求的增長，以數字信號處理、嵌入式系統、網絡通信、自動化控制等相關技術為基礎的數字化、智能化、網絡化視頻監控系統正在迅速發展。系統功能的要求不斷提高，不但能夠對定點目標進行視頻實時偵測、圖像數據處理與存儲，而且還要進行移動目標的高速跟蹤、廣泛區域的多點網絡化集中管理，并且應具有人機交互的友好界面，滿足本地與遠地兩種工作模式的需要。

為此，本文設計了一種基于DSP和ARM單片機雙核的視頻移動偵測與快速跟蹤系統，雙核并行工作，實現了視頻實時偵測與高速跟蹤的并發執行。

1 系統組成

基于雙核的視頻移動偵測與高速跟蹤系統組成原理如圖1所示，其中DSP負責視頻信號實時采集與數據處理；ARM通過并口與DSP的HPI接口相連，實現實時的數據傳輸，主要負責云臺及鏡頭控制、網絡通信，以及視頻數據存儲、液晶顯示、觸摸屏輸入信號處理。

2 視頻輸入[WT][ST]^［1］

攝像頭采集的模擬信號由TVP5150轉化為ITU-RBT.656格式，并將內嵌行同步、列同步、場同步信號的視頻數據流信號發送到DM642的VP口。DM642的3個VP口中有2個用作視頻輸入口，每個連接2路視頻輸入。

圖1 系統組成原理圖

TVP5150和DM642采用最為簡化的連接線路，將雙方的I2C總線接口SCL和SDA 互連，TVP5150的視頻輸出口D[0-7]和DM642的VP口相連，TVP5150的點陣時鐘線和DM642上VP口的VP-CLK相接。

DM642對TVP5150內部寄存器的訪問通過I2C總線實現，DM642和TVP5150應答過程中需要從片TVP5150的地址，TVP5150作為從片的地址只有兩個:10111001和10111011，它由TVP5150上電時YOUT7上的電位高低來決定。

3 DSP與ARM接口[ST]^［2］

DM642的主機接口HPI是一個16/32位并行接口，通過該接口，S3C44B0X可以直接訪問DSP的內部存儲器空間或地址映射到存儲器空間的外圍設備，為發揮S3C44B0X和DSP的32位機優勢，提高存取數據的速度，DM642的HPI設為HPI32模式，DM642與S3C44B0X的接口如圖2所示。

圖2 DSP與ARM接口

DM642的HPI口的兩條地址線HCNTRL ［1:0］ 負責對HPI口的內部寄存器進行尋址，HPI口只有3個32位內部寄存器，分別是控制寄存器HPIC、地址寄存器HPIA和數據寄存器HPID。HPI口內部有1個用戶不可見的EMDA地址產生器和一個緩沖區，負責產生地址和數據調度，用戶只需對上述3個HPI口寄存器進行相應的讀寫操作，就可完成對DSP內存

空間的訪問。

4 觸摸屏及液晶顯示電路

4.1 觸摸屏電路^［3］

本設計選用TI公司新一代四線電阻式觸摸屏控制器ADS7846，為了實現LCD液晶屏320*240點陣的相應的分辨率，ADS7846通過軟件配置為12位采樣模式。

觸摸屏與ARM的接口電路如圖3所示，其中2個輔助輸人端接地不用，ADS7846的片選信號和忙信號腳都接到ARM的通用引腳，其他接到SIO的相應的控制腳上，筆中斷信號(PENIRQ)接到外中斷3上。為了降低功耗，配合軟件設計，硬件電路設計成只有在用戶按下觸摸屏時，PENIKQ引腳電位變低并向S3C44B0X發出中斷，才進行A/D轉換，并查詢BUSY引腳直到轉換完成取出坐標。啟動轉換分兩次進行，分別獲得X和Y方向的坐標。如圖3所示，ADS7846接到S3C44B0X的SIO控制單元。經測試，時鐘信號在50 kHz時抗干擾效果較好，再升高頻率有可能導致觸摸屏控制器同S3C44B0X之間的通信出錯。

圖3 液晶顯示及觸摸屏與ARM接口

4.2 液晶顯示接口電路^［4］

本設計選用南亞公司的液晶模塊LTB-GA492，這是一款320×240的點陣液晶模塊，其與 S3C44B0X 的接口如圖3所示。S3C44B0X 內置 LCD 控制器功能，通過編程支持 LTB-GA492。在圖中 VDD 接3.3 V電源電壓，VEE 接20 V左右的液晶偏置電壓，液晶模塊的S腳連到 S3C44B0X 的 VFRAME，實現 LCD 控制器和液晶屏之間的幀同步，CP1腳連到 S3C44B0X 的 VLINE，實現 LCD 控制器和液晶屏之間的行同步，CP2腳連到 S3C44B0X 的 VCLK，實現時鐘信號同步，DISPOFF 腳連到 S3C44B0X 的 VM，控制像素點的顯示或熄滅，液晶模塊的 D［3…0］ 腳連到 S3C44B0 的 VD［3…0］，傳輸像素顯示數據。

5 數據存儲電路^［5］

存儲芯片 KM29U128與S3C44B0X的接口電路如圖4所示，FLASH的數據輸入輸出口與CPU的數據總線相連，CPU的Bank1的連接線nGCS1分別與nOE，nWE相與后接到FLASH的RE和WE上，起著片選的作用。只要對Bankl的任一地址(Ox02000000-Ox03FFFFFF)進行相應的數據的讀寫就既可以完成對FLASH的數據口的讀寫。本設計不使用寫保護功能，所以WP接高電平，而SE接低電平，使用芯片的備用空間。

圖4 Nand FLASH接口電路

S3C44B0X 操作控制KM29U128芯片是通過往KM29U128芯片的數據口(I/0)寫不同的數據流來加以區分的。數據流由命令字、地址和數據三大部分組成。當引腳WE和WR均置低時，命令字、地址和數據就按照內部時鐘時序，通過I/0引腳寫入。由于命令字、地址和數據均通過I/O引腳寫入，故芯片必須有鎖存器，以便I/O口分時復用。在引腳WE的上升沿，數據被鎖存。而命令鎖存引腳CLE和地址鎖存引腳ALE分別表示對I/O數據口上的命令字和地址數據加以鎖存。 

6 時鐘電路^［6］

由于監控圖像及存儲圖像數據的歷史記錄皆需要時鐘基準，故本系統利用時鐘芯片PCF8583設計了一個時基電路。 PCF8583是一種串行日歷芯片，具有256×8 b的靜態RAM和秒、分、時、日、星期、月和年等計時功能。其與DSP及ARM的接口電路如圖5所示。

圖5 時鐘電路及其接口

圖5中G為時鐘晶振，它與電容C1，C2為電路提供基準頻率信號，兩個二極管D1和D2起隔離內部電池和VDD的作用，在通常情況下該電路由VDD供電進行工作，在整個儀表停電不工作時就由BT電池供電來保證時鐘持續運行從而不間斷計時。 

7 網絡接口

網絡控制器選用Realtek公司生產的高集成以太網控制器芯片RTL8019AS，它具有與NE2000兼容、適應于EthernetII協議等特性。其與S3C44B0X接口電路如圖6所示。

圖6中數據線和控制信號線需要進行電平轉換，地址線上接限流電阻。IOCS16電平一直為高，RTL8019AS采用16位數據傳輸。為了減少硬件資源，將RTL8019AS的JP腳接高電平，以跳線方式與系統主CPU接口。S3C44B0X對RTL8019AS 的驅動主要是通過操縱其內部寄存器來完成的，這些寄存器映射在S3C44B0X的I/O端口上，對RTL8019AS的操作也既是對S3C44B0X的I/O端口操作。設計時可以把IOS3～IOS0懸空，將這些I/O地址定位到300H～31FH。其中偏移量為00H～OFH具有16位寄存器的地址。寄存器分為page0，page1，page2，page3，由RTL8019AS中命令寄存器CR中的PS1和PS0位來決定要訪問的頁。10F～17F為遠程DMA端口，用于獲得遠程DMA地址。復位端口包括18H～1FH，用于RTL8019AS的復位。利用S3C44B0X的地址線的A19～A17通過74LS138來進行片選：當A19 A18 A17=001時，選中RTL8019AS。

圖6 網絡接口電路

8 云臺與鏡頭控制電路

電動云臺有旋轉和俯仰2種運動狀態，分別由2臺交流伺服電機驅動；而攝像機有光圈、焦距和變倍3個狀態參數，分別由3臺無刷直流電機驅動調節。利用S3C44B0X的PWM 生成器功能，產生5路脈寬調制信號，分別通過相應接口輸出，再經過隔離驅動變換，分別驅動鏡頭的光圈、焦距、變倍電機及云臺的旋轉和俯仰電機。其控制電路如圖7所示。

圖7 云臺與鏡頭控制電路

9 結 語

本文采用DSP和ARM單片機并行工作方式，設計了一種基于雙核的視頻移動偵測與快速跟蹤系統，解決了視頻移動偵測的實時性與跟蹤系統的及時性之間的矛盾，實現了視頻圖像的采集、數據提取與分析處理、視頻數據歷史記錄的存儲，以及對云臺和鏡頭的本地和網絡兩種模式的實時控制，并且通過觸摸屏及LCD的擴展，實現了人機交互。該系統在金融、廠礦及社區的安全防衛上有廣泛的應用前景。

參 考 文 獻

［1］李楠，劉源.基于DM642開發的嵌入式圖像系統硬件實現［J］.工業控制計算機，2005，18(8):22-23.

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［3］譚愛國，琚長江.基于ARM單片機的觸摸屏嵌入式系統設計［J］.電腦開發與應用，2005，18(10):46-50.

［4］徐強，宋依青.GUI在嵌入式產品中的實現［J］.常州工學院學報，2007，20(1):16-19.

［5］蔡錦達，王德福，黃小松.大容量Nand FLASH 在ARM 嵌入式系統中的應用［J］.工業控制計算機，2004，17(5):43-66.

［6］嚴瑋.PCF8583在熱網智能終端中停電記錄的實現［J］.上海電力學院學報，2006，22(4):381-387.

作者簡介

李廣才 男，1962年出生，碩士。主要研究方向為檢測技術與自動化儀表。