基于ARM和以太網供電的網絡攝像機設計

陳顯明

（西京學院，西安710123）

引 言

本文提出了一種基于ARM和POE的嵌入式系統的網絡攝像機設計方案。該方案以AT91RM9200處理器及其外圍模塊作為硬件平臺，以嵌入式Linux作為操作系統，構成整個系統。該系統應用以太網供電，實現網絡攝像機的功能，不必提供專門供電線路，這種設計實現的網絡攝像機是一個創新。同時，隨著網絡技術的高速發展，該設計將具有極好的市場應用前景。

1 系統的結構

整個系統由AT91RM9200處理器、CMOS傳感器、音頻采集系統、以太網供電系統和以太網數據通信等幾部分組成。首先，通過CMOS傳感器鏡頭采集圖像，同時還可以進行音頻采集，經過AT91RM9200處理器處理，整個過程通過網絡進行數據傳輸，通過網絡進行供電，從而實現以太網供電的網絡攝像機系統功能。

2 系統的硬件設計

2.1 AT91RM9200相關設計

AT91RM9200［1]嵌入ARM920TARM Thumb處理器核，工作于180MHz時，性能高達200MIPS，存儲器管理單元SRAM為16K，ROM為128K。AT91RM9200集成了許多標準接口，包括USB 2.0全速主機和設備端口、多數外設和在網絡層廣泛使用10／100Base－T以太網媒體訪問控制器（MAC）。此外，它還提供一系列符合工業標準的外設，可在音頻、電信、Flash卡紅外線及智能卡中使用。

獨立的媒體接口（MII）或簡化的獨立媒體接口（RMII），對于接收與發送有集成的28字節FIFO及專用的DMA通道。自動協議控制及快速自動數據傳輸與MMC及SD存儲器卡兼容，支持兩個SD存儲器、32位的高速數據流傳輸，系統的硬件結構如圖1所示。AT91RM9200作為系統的CPU，采用MT9D131作圖像采集傳感器。MT9D131［3]是CMOS傳感器，擁有200萬像素圖像傳感器芯片，因為其較好的性能，廣泛應用于監控行業。捕獲麥克風的音頻信號，通過WM8731進行處理，WM8731［4]是一款帶有集成耳機驅動器的低功耗、高質量音頻編碼／解碼器，專為便攜數字音頻應用而設計。該器件可以提供CD音質的音頻錄音和回放，為16Ω的負載提供50mW的輸出功率。此外，AT91RM9200具有豐富的外設及I／O，這對將來的系統升級也提供了很大的便利。

圖1 系統的硬件結構

2.2 POE電源設計

2.2.1 POE供電的工作過程

首先，PSE設備在端口輸出很小的電壓，直到其檢測到線纜終端的連接為一個支持IEEE802.3af標準的受電端設備。當檢測到受電端設備PD之后，PSE設備可能會為PD設備進行分類，并且評估此PD設備所需的功率損耗。

POE技術允許在現有的五類線、超五類線和六類線網絡上安全可靠地傳輸功率高達15W的48V電源，特別適合于通信方面的應用。它可以為13W（在被供電設備測量）范圍內的IP電話、WLAN接入點、網絡攝像機和其他各類網絡終端供電。POE供電原理圖如圖2所示。

圖2 POE供電原理圖

2.2.2 以太網供電控制器LTC4269

凌力爾特公司（Linear Technology）推出IEEE802.3af以太網供電（POE）控制器LTC4269［2]，它具有一個集成開關穩壓器，極大簡化了受電設備（PD）設計。LTC4269增強了傳統POE功能。

用戶可以配置一個代表PD功率分級的分級負載電流，一個堅固100V熱插拔MOSFET，在檢測和分級時隔離以太網供電接口DC／DC轉換器，同時提供100mA浪涌電流，當采用任何PSE時能順利地加電過渡。

3 系統的軟件設計

軟件系統組成包括系統引導程序Bootloader、嵌入式操作系統以及上層應用程序。大多數Bootloader都包含兩種不同的操作模式：啟動加載和下載。啟動加載模式也稱為自主模式，即Bootloader將操作系統從目標機上的存儲設備加載到RAM中運行，整個過程并沒有用戶的介入。下載模式下，目標機上的Bootloader將通過串口連接或網絡連接等通信手段從主機（Host）下載文件。

軟件系統還包括網絡攝像機關鍵的TCP／IP、UDP協議庫。應用軟件包括完成文件系統管理、網絡服務、郵件發送、文件傳送、偵測報警等。網絡服務程序把語音、圖像發送到網絡的某個端口，以供其他網絡設備來訪問［4]。

U－Boot移植過程：U－Boot的源代碼可以到官方網站下載。在Linux里安裝交叉編譯器，編譯代碼，生成UBoot.bin文件。啟動后顯示。代碼如下：

結 語

本文介紹了以AT91RM9200處理器為核心的網絡攝像機的設計與實現，網絡供電模塊LTC4269增強了傳統POE功能的DC／DC控制器。CMOS傳感器MT9D131實現圖像的采集，其強大的圖像采集能力，保證了動態圖像的清晰可靠。

音頻編碼解碼器WM8731可以實現攝像機音頻的采集。目前AT91RM9200在音頻／視頻、語音和多媒體等消費電子等領域有著廣泛的應用。因此，該系統具有很好的應用前景。

［1] Atmel.ATMEL AT91ARM Thumb Microcontrollers Datasheet，2009.

［2] Linear Technology.Power over Ethernet IEEE 802.3af PD Interface with Integrated Switching Regulator Datasheet，2004.

［3] National Semiconductor.Boosted Class D Audio Power Amplifier Datasheet，2007.

［4] 張海亮.基于FIC8120和POE的IP－CAMERA設計［J] .微計算機信息，2007（35）.