基于A R M的嵌入式視頻監控系統設計

林國政，沈小林

(中北大學，山西省 太原 030051)

0 引言

視頻監控系統是將視頻采集、處理、存儲、傳輸以及顯示圖像結合在一起，并逐漸走向微型化商業產品行列，已經成為安全防護措施中的重要組成部分，防范能力達到了較高的水平。本文采用嵌入式系統代替PC系統，實現智能化控制；通過攝像頭CCD采集后輸出模擬信號，經過視頻放大與帶限濾波通過A/D采樣量化轉換為特定的數字圖像信號，由于攝像頭搜索視頻范圍受限，因此借助工程調試器控制攝像頭云臺的旋轉可以隨時收集到其它地方的狀況，只要將視頻輸入插頭直接與攝像頭連接就可以通過控制儀的TFT-LCD顯示出來，屏幕顯示所有功能只需按屏幕調節菜單的按鈕便可輕松實現；使用Flash 作為存儲器，在下電的情況下，通過USB接口與PC相連把采集到的圖片信息讀取出來。此測試儀帶有2.5英寸LCD屏幕，圖型發生器，發送彩色圖案；OSD菜單設置，操作簡單易用；支持RS485接口，可以充電并且省電。

1 視頻監控測試儀整體方案設計

本系統選用以PHILIPS公司的ARM芯片LPC2210為控制核心，選用T118B作為視頻顯示控制器及三星公司的閃存芯片K9F1G08U0M作為圖像數據存儲。CPLD芯片選用Altera公司的EPM240作時序控制電路，如圖1所示為系統結構圖。

圖1 系統結構圖

在視頻顯示控制上的選型中要建立在嵌入式系統的視頻顯示接口上并將所需的圖像信息轉換為能通過視頻接口傳輸的信號方式在終端上顯示，通過視頻A/D將CCD攝像頭輸入的PAL等制式模擬視頻信號轉換成標準的數字視頻信號接入視頻接口輸入插頭。視頻解碼調節電路中T118B系統配置的視頻輸入信號有6xCVBS, 2xSvideo 與2xCVBS或1xCVBS，1xS-Video幾 種 配置，TFT-LCD顯示器可以直接通過T118B直接驅動，不需要再接驅動電路。T118B的數據傳輸是通過I2C總線直接傳輸，因此可選用性價比較高的LPC2210進行控制。128M×8bit 的K9F1G08U0M 是一個1Gbit 并帶備用的32Mbit 容量的存儲器,在數據頁上的數據可在30ns內讀出一個字節。I/O 引腳可作為地址和數據輸入輸出以及命令輸入。在線寫控制器自動操作所有編程和擦除功能，包括脈沖重復以及內部校驗及數據余量。可利用K9F1G08X0M的擴展的可靠性的100k編程/擦除周期。其中CPLD在系統中起到了緩存的作用，RAM通過對I2C 總線進行初始化，初始化完畢后，T118B就開始工作，可直接將輸入的配置信號轉換為數字信號，接著將信號輸入到CPLD中，CPLD可以起到兩方面的作用，一方面可以起到格式轉換的作用，但主要的一方面是作為地址發生器對SRAM中12bit的數據位可與CPLD對應的數據位相連，作為與SRAM與FLASH傳輸數據的一條總線。

2 主要硬件系統設計

2.1 電源電路

選用的是TI公司的TPS767D318線性穩定電壓且能同時輸出3.3V和1.8V的電壓提供給T118B，此芯片穩定性好。

2.2 主控制器與存儲器

SRAM中12bit的數據通過CPLD的控制后，先輸入高8位給Flash，再輸入低4位，這樣，一個12bit的數據寫入Flash連續的兩個地址下。同樣，CPLD的8條數據線IO0~IO7與ARM的I/O端口以及與Flash的8條數據線相連，作為另一條數據總線。SRAM中3個與存取操作有關的控制信號CE，WE，OE都由CPLD的相應位來控制，CPLD的時序是由ARM控制的用于使能SRAM的讀使能信號OE，片選信號CE以及寫使能WE，由CPLD輸出的數字信號將像素逐個的存入到SRAM中，當一幀圖像傳輸并同時保存后，則對ARM發出讀取信號，將一幀圖像從SRAM中讀出，這樣讀出的數據就可直接寫入Flash中，同時送入液晶顯示模塊中進行顯示。

2.3 屏幕顯示電路

ARM通過系統總線把字符及控制信息寫入到字庫存儲器芯片MBM29F040C中在掉電后仍然保持原有程序。先將在視頻信號輸入過程中要使所采集到的視頻信號對行同步、場同步以及奇偶場同步信號分離，在視頻信號處理中，同步信號分離電路使發送端的信號能夠正常的重現，接收端與發送端的像素在時間準確性上和屏幕上的結合是相當重要的，因此，系統采用LM1881芯片完成同步分離，能夠準確的顯示接收到的信號并分離出各種同步信號，確保各種信號之間的邏輯關系。信號進行同步分離后需在原有的視頻信號上實現同步信號疊加，從字符存儲器中提取字符信號轉換成視頻制式信號與原視頻信號結合在一起供給OSD視頻疊加模塊，選用液晶顯示屏MB90092支持的不同顏色字符，顯示點陣為24×32；通過LM1881提供同步信號經其視頻信號輸入腳將原視頻信號與字符信號疊加，直接輸出復合視頻信號至監控儀，直接在監控儀上顯示出不同的圖形背景顏色和不同字符顏色的文本，受外部信號觸發，ARM發出命令，控制MB90092從MBM29F040C字庫存儲器的相應地址讀出標識，完成了疊加字符代碼生成字庫查詢地址提取字符數據的任務。

2.4 TFT-LCD與視頻解碼T118B的接口電路設計

本系統選用TFT-LCD模塊是臺灣統寶的TC020THEA6，先將T118B與TC020THEA6通過排線連接起來，其中T118B的管腳CPH1、CPH2、CPH3分別與TC020THEA6的DCLK、DIN0、DIN1連接，提供時鐘數據；STH1、HS分別與VSYNC、HSYNC管腳連接，產生的水平同步信號的頻率與幀同步信號相同，大概為50Hz，同時垂直同步信號產生15kHz的頻率與場同步信號的頻率相同； GOE管腳與DIN5管腳連接作為柵極驅動輸出的使能端；STV1、STV2管腳分別與DIN6、DIN7管腳連接作為柵極驅動的脈沖源；GCLK管腳與DIN4管腳連接作為柵極電路的輸出時鐘；LP管腳與DIN3管腳相連作為源級驅動電路的鎖存器；Q1H管腳與DIN2管腳相連作為源級驅動，RSTB管腳與GREST管腳連接可以重新驅動芯片。必須準確理解TFT-LCD的參數，結合T118B的相關參數。在使能控制U/D和L/R與高電平或低電平連接時，通過控制STVR/STVL和STHR/STHL只要將控制參數配置為INPUT/OUTPUT時，就可以改變屏幕上下的旋轉。

2.5 RS485通信電路

本系統選用由專業的通訊接口器件廠商SIPEX公司設計生產的SP485R作為高性能的RS485收發器，可以代替通用的RS485收發器，主要集成了ESD保護措施，在接收器輸入端電纜處有開路故障時，不會使電路失調輸出仍然拉高，不影響系統的正常工作。經過ARM串行接口后通過RXD 直接連接SP485R 芯片的RO引腳，TXD直接連接SP485R 芯片的DI 引腳。ARM輸出的R/D 信號直接控制SP485R 芯片的發送器/接收器使能端，當R/ D 信號為“1”時，則SP485R 芯片的發送器有效，接收器禁止，控制器向RS485 總線發送8位數據；當R/D 信號為“0”時，則SP485R 芯片的發送器禁止，接收器有效，控制器接收RS485 總線的8位數據。

3 系統主程序軟件設計

系統上電后先對ARM初始化以及特殊寄存器賦值，以及采取軟件復位方式對視頻處理芯片初始化，通過延時打開通道開關對T118B芯片寄存器初始化；鍵盤初始化提供于對顯示模式的控制；總線采取從模式初始化方式，可選取合適的I/O口功能選擇；OSD初始化完成后，使用初始化得到的不同結果輸入給視頻處理芯片并解碼后通過鍵盤程序進行處理。當檢測到菜單鍵按下時，進入OSD操作程序，用戶根據自己的選擇可以得到不同的OSD信息。當檢測到模式鍵按下的時候，程序開始在配置模式規定的視頻輸入信號之間切換，一直切換到模式方式結束，又重新跳回第一次的切換方式，另外也可按1：2比例切換方式采取按鍵操作。制式檢測完后返回到鍵盤掃描處理程序，如果需要存儲圖像信息就將圖像存儲在FLASH中通過USB與終端輸出連接，如果不需要則開始另一個新的循環操作，如圖5所示為系統主程序流程圖。

圖5 系統主程序軟件設計流程

4 屏幕顯示與制式方式配置

先存儲標志不同的視頻信號，禁止OSD的運行，如圖6所示系統默認初始化為復合視頻信號可通過按下確認鍵根據不同方式的命令配置選擇對應的模式，接著ARM根據制式方式的不同所反饋信息來讀取寄存器中的值，如果制式發生改變則調用Scaling函數和顯示處理函數將顯示模式控制為比例值1：2，如果制式沒發生變化，則繼續檢測制式的變化情況，最后通過CPLD負脈沖遞減計數，將字體的個數、色彩表等屬性發送到緩沖寄存器，以至于清零至地址為0X0C00退出。

圖6 屏幕顯示與制式方式配置流程

5 調試結果

要使整個可視化的OSD菜單能夠正常顯示，關鍵是要使T118B的寄存器實現寄存器寫數與讀數的功能，如圖7所示是兩幅T118B實現的分頁地址切換，數據的寫入與讀出的變化證明了T118B寄存器能夠正常的工作，對于頁擦除寄存器、背光寄存器、時間輸出寄存器都帶有鏡像功能，通過軟件將地址0XE2寫入0X11，就可更新T118B寄存器的值，產生下一次的讀數。

圖7 T118B寄存器調試情況

為了使輸入按鍵值和顯示器輸出時的亮度之間具有高光到暗調之間色調的分布，可以調節伽瑪值的大小，通過圖8調整可以通過T118B的值改變圖像中間色調灰階的亮度值，以增加圖像的中間層次，而不會對暗部和亮部的層次有太大的影響。輸入為1時，曲線的曲率成45°，若輸入一個比1大的數，將擴大中間色調的范圍，這樣便能使中間色調占很大比例的圖像產生較小的對比度和較多的細節。例如一種顏色由藍色和黑色組成，藍色的亮度為10%，綠色的亮度為30%，未經過伽馬矯正的顯示器的伽馬值是0.8，通過校正后結果的色調灰度將分別為50%和60%，其色調灰度增加了。

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