基于無線的數(shù)字式船舶視頻監(jiān)控系統(tǒng)

于 謇

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是船舶系統(tǒng)中不可或缺的子系統(tǒng)，是直接獲取船舶甲板面視覺信息和處理突發(fā)事件的重要手段。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化、集成化、無線化［1］是今后民用船舶視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

當下市場上的民用船舶視頻監(jiān)控系統(tǒng)是基于圖像系統(tǒng)的應(yīng)用，即前端攝像頭采集的模擬信號，通過同軸電纜傳輸至網(wǎng)絡(luò)視頻編碼器，由網(wǎng)絡(luò)視頻編碼器對視頻圖像進行數(shù)字化編碼及存儲，通過網(wǎng)絡(luò)視頻編碼器的VGA接口將視頻圖像在顯示器上進行顯示。或者由控制解碼終端通過網(wǎng)絡(luò)訪問網(wǎng)絡(luò)視頻解碼器，獲取數(shù)字視頻流，通過內(nèi)部解碼芯片將數(shù)字化的視頻信號進行解碼輸出顯示。

然而，傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)是基于有線方式進行傳輸，系統(tǒng)集成度不高，設(shè)備拉線繁雜影響美觀。基于無線的數(shù)字式船舶視頻監(jiān)控系統(tǒng)可有效避免復(fù)雜布線的問題，實現(xiàn)攝像前端編碼，數(shù)據(jù)傳輸無繩化，便于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)監(jiān)控節(jié)點的增減和維護，適應(yīng)現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，也適用于民船應(yīng)用。

TMS320DM6446是TI公司推出的基于第三代VLIW的面向數(shù)字多媒體應(yīng)用且支持Davinci技術(shù)的雙核SoC。本文圍繞這款包含ARM926EJ-S核和TMS320C64x+核的高性能片上系統(tǒng)設(shè)計了一個無線數(shù)字式船舶視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成與設(shè)計原理

整個系統(tǒng)分為攝像機前端模塊和監(jiān)控中心視頻服務(wù)器兩部分。攝像機前端模塊具有智能化的攝像頭，并將采集到的視頻信號進行編碼壓縮［2］，轉(zhuǎn)換為視頻流后，通過無線的方式發(fā)送到監(jiān)控中心接收端。監(jiān)控中心視頻服務(wù)器可通過無線網(wǎng)絡(luò)對授權(quán)的攝像前端進行開關(guān)、錄像、云臺姿態(tài)和鏡頭的變焦等控制，并可選擇需要采集的圖像進行顯示。

攝像機前端由電源模塊、視頻采集轉(zhuǎn)換模塊、主控模塊、無線傳輸模塊組成。監(jiān)控中心由視頻服務(wù)器、無線傳輸模塊、控制鍵盤和軌跡球組成，并通過解碼軟件來實現(xiàn)對視頻流的還原和在顯示器上顯示［3］。系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 TMS320DM6446片上系統(tǒng)

TMS320DM6446是一種高性能雙核芯片，外部供電電壓為5 V，并可分壓至1.2 V，1.8 V，3.3 V的工作電壓。其內(nèi)含ARM926EJ-S核的ARM處理器、TMS320C64x+核的DSP子系統(tǒng)、視頻處理子系統(tǒng)VPSS和圖像協(xié)處理器VICP。其中，DSP子系統(tǒng)工作最高頻率為594 MHz，最大處理能力可達4 800 MI/s(兆指令/秒)，并包含了64個32位通用寄存器、2個乘法器、6個算術(shù)邏輯單元，此外，還集成了32 kbyte的L1P編程RAM、80 kbyte的L1D數(shù)據(jù)RAM和64 kbyte的L2統(tǒng)一映射RAM。ARM子系統(tǒng)為32位RISC處理器，包含32位和16位ARM指令集，并集成了16 kbyte指令緩存、8 kbyte緩存。ARM子系統(tǒng)主要負責系統(tǒng)的整體配置、模塊功能控制和調(diào)用視頻算法。而DSP子系統(tǒng)負責視頻算法的執(zhí)行。

片上系統(tǒng)TMS320DM6446為361腳BGA封裝，其外設(shè)十分豐富，包含全速USB2.0端口、71個通用I/O輸入輸出端口、64通道DMA控制器、3個UARTS、SPI、音頻串口和3個64位通用定時器。另TMS320DM6446片上系統(tǒng)還集成了可接256 kbyte 32位DDR2型SDRAM的DDR2控制器和可擴展128 kbyte 16位Flash的異步外部存儲器接口EMIF。

2.2 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊采用EVDO數(shù)傳模塊，完成撥號即可通過3G組建工作網(wǎng)絡(luò)。EVDO數(shù)傳模塊收到發(fā)送指令，則檢測主控模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)，得到確認后將采集得到的視頻信號用3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。

EVDO是美國主導的基于碼分多址的，針對分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進行優(yōu)化的、高頻譜利用率的CDMA無線通信技術(shù)。其頻譜利用率高、保密性好、容量大、覆蓋范圍廣。

EVDORev.A是單載波系統(tǒng)，上行速率為1.8 Mbit/s，下行速率為3.1 Mbit/s。可在1.25 MHz帶寬內(nèi)提供峰值速率達2.4 Mbit/s的高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，這一速率甚至高于WCDMA的5 MHz帶寬內(nèi)所能提供的數(shù)據(jù)速率。其支持帶寬可達20 MHz，能保證至少5個用戶終端同時進行視頻傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量(QoS)。

EVDORev.A對接入信道和控制信道均進行了優(yōu)化:在接入信道上可以支持更高的傳輸速率和更短的接入前綴，使用戶可以在發(fā)起服務(wù)請求時更快地接入網(wǎng)絡(luò);在控制信道上可以支持更短的尋呼周期，使用戶可以較快地響應(yīng)來自網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)請求。EVDORev.A高層協(xié)議中引入了三級尋呼周期機制，使終端可以適配網(wǎng)絡(luò)服務(wù)情況的同時降低功耗，提高待機時間。此外，CDMA2000 1xEV-DO采用增強的無線鏈路協(xié)議RLP，與TCP協(xié)議共同減少誤幀率，其強大的空中鏈路鑒權(quán)與加密算法保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

無線傳輸模塊接口電路如圖2所示。

圖2 無線傳輸模塊接口電路

2.3 視頻采集轉(zhuǎn)換模塊

視頻采集轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司推出的可實現(xiàn)優(yōu)異圖像質(zhì)量的新型TVP5158多通道NTSC/PAL視頻解碼器。該芯片內(nèi)核電壓為1.8 V，輸入輸出電壓為3.3 V，采用外部獨立的14.318 Hz的晶振為其提供時鐘頻率。TVP5158可同時解碼4個通道的視頻輸入，輸入的模擬視頻信號通過TVP5158視頻解碼芯片轉(zhuǎn)換成10位YUV 4∶2∶2的格式，經(jīng)過YUV分離電路，在YUV到Y(jié)CrCb的轉(zhuǎn)換電路中轉(zhuǎn)換成8位的ITU-RBT.656格式的視頻數(shù)據(jù)。

由于TVP5158的視頻輸出與基于達芬奇技術(shù)的TI數(shù)字媒體處理器具有無縫接口，其連接可不借助于FPGA，從而降低系統(tǒng)成本。TVP5158的輸出連接至DM6446的視頻輸入接口，TMS320DM6446通過I2C總線對TVP5158的模擬信號輸入口選擇、視頻流輸出格式選擇等工作狀態(tài)和參數(shù)進行確定。然后，TMS320DM6446通過EDMA通道將存入FIFO的視頻流數(shù)據(jù)分配至存儲器進行數(shù)據(jù)處理，視頻采集轉(zhuǎn)換模塊接口電路如圖3所示。

圖3 視頻采集轉(zhuǎn)換接口電路

2.4 總體硬件電路

整個攝像前端電路由攝像頭、云臺控制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、處理模塊、無線數(shù)傳模塊和外圍電路組成。攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊輸入到處理模塊中，處理模塊對數(shù)據(jù)進行存儲。在收到發(fā)送指令后，處理模塊通過USB接口利用無線數(shù)傳模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。

此外，處理模塊除了基本的外圍電路外，還專門設(shè)計了一個更改節(jié)點ID按鍵電路，它用于在節(jié)點出現(xiàn)故障或臨時加入時更正或修改節(jié)點的ID。總體硬件電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 攝像前端軟件設(shè)計

圖4 攝像前端硬件電路

攝像前端不間斷地采集視頻信號，當攝像前端收到監(jiān)控中心的發(fā)送讀取命令后，將壓縮編碼后的圖像數(shù)據(jù)寫入存儲器中，每次寫完便發(fā)出中斷信號通知處理器。處理器響應(yīng)中斷信號，從存儲器中讀取數(shù)據(jù)并做相應(yīng)處理后通過USB控制器將數(shù)據(jù)通過EVDO無線傳輸模塊發(fā)送，攝像前端視頻數(shù)據(jù)采集發(fā)送流程如圖5所示。

圖5 視頻數(shù)據(jù)采集發(fā)送流程

ID更改按鍵電路的設(shè)計是為了方便系統(tǒng)分辨、維修、增加攝像前端，采取中斷的手段實現(xiàn)。設(shè)置外部中斷低電平有效，長按按鍵后(按住時間大于2 s)，進入中斷流程，短按一下計數(shù)器加1，從而達到網(wǎng)絡(luò)ID號的修改。更改網(wǎng)絡(luò)ID流程如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)ID修改流程

3.2 監(jiān)控中心軟件設(shè)計

監(jiān)控中心在確認所有接入網(wǎng)絡(luò)的攝像前端后，開始讀取階段:監(jiān)控中心向指定前端發(fā)送讀取命令，如果沒有得到回復(fù)，則延時70 ms再發(fā)送一次讀取命令，反復(fù)3次后仍沒有回復(fù)，則認定通信失敗或沒有該前端，轉(zhuǎn)向其他攝像前端;如果得到回復(fù)，則記錄下所收到的數(shù)據(jù)進行存儲、解碼，并傳送至顯示終端進行圖像展示。整個數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)處理流程

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)充分融合高性能雙核SoC和EVDO無線傳輸技術(shù)，設(shè)計出了基于無線的船舶視頻監(jiān)控系統(tǒng)，為解決工程難題提供了一定的思路。

無線的船舶視頻監(jiān)控系統(tǒng)有效地解決了系統(tǒng)布線的難題，便于整個視頻監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的增加、刪除、修復(fù)。同時，主機硬件采用嵌入式技術(shù)路線，可有效實現(xiàn)設(shè)備小型化，有利于總體布置。經(jīng)實際測試，本系統(tǒng)可直接應(yīng)用于民用船舶視頻監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)用，實現(xiàn)攝像前端布線難點部位數(shù)據(jù)傳輸無繩化，適應(yīng)現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，使用效益良好。

［1］盧秋波.視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)及技術(shù)發(fā)展趨勢［J］.電信技術(shù)，2009，10(23):23-26.

［2］張溢華，萬曉榆，樊自甫.3G視頻監(jiān)控系統(tǒng)傳輸部分的設(shè)計［J］.電視技術(shù)，2009，33(2):61-62.

［3］劉富強.數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2003.