基于ARM的嵌入式視頻監控系統的硬件設計

張仕海+周穎

摘 要：隨著社會的發展，監控系統愈加重要，在公路、鐵路以及其他公共場合安防產品都是不可或缺的重要組成部分。本設計的嵌入式視頻監控系統使用ARM11的UP-CUP6410-II開發平臺采集和顯示圖像，實現多路視頻之間的動態切換，并把采集的模擬攝像頭數據壓縮為H264格式進行網絡傳輸。

關鍵詞：ARM；嵌入式；監控系統；硬件設計

中圖分類號：TP316 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）05-00-03

0 引 言

隨著社會的快速發展，監控系統已遍布市區各個角落，不僅可為市民的安全出行保架護航，還能在出現糾紛時提供有力證據，極大地避免了因遇“碰瓷”而出現有理說不清等狀況發生。文中設計了一款基于ARM的嵌入式視頻監控系統，可有效免除大家做好事的后顧之憂。

1 視頻采集電路的總體結構

該嵌入式視頻監控系統使用了ARM11平臺UP-CUP6410-II采集和顯示圖像，可實現多路視頻之間的動態切換，并能采集模擬攝像頭數據顯示在LCD屏幕上，將采集的數據保存為H264文件，備份到外部存儲設備進行視頻回放。使用Qt4開發圖形界面，支持用戶操作，可實現視頻切換和云臺控制功能，使用 TV-OUT接口將數據實時顯示在外置LCD上，支持多屏顯示。具有視頻切換和云臺控制功能的系統框圖如圖1所示。

采集的模擬攝像頭數據壓縮為H264格式還能進行網絡傳輸，實現局域網內H264視頻服務，支持多客戶端點播功能。視頻圖像的網絡傳輸系統框圖如圖2所示。

由于MFC編碼只能從YUV數據轉換為H264，而實際攝像頭采集的數據就是YUV 數據，所以為避免對采集的攝像頭進行二次轉換，此處只使用MFC編碼，不使用PP編碼，采集的數據格式為YUV數據，經MFC轉換后為H264格式的視頻流。

2 監控系統的硬件結構

系統包括ARM11平臺UP-CUP6410-II型系統平臺和視頻采集單元。文中采用模塊化設計方案，主要包括主控制器模塊、存儲電路模塊、外圍接口電路模塊、電源和復位電路，視頻采集單元。系統硬件結構如圖3所示。

基于S3C6410X處理器構建系統時，硬件設計中需要注意處理器的特點，下面列出UP-TECH 6410DVK硬件架構中考慮的問題和采用的方式：

（1） S3C6410X的存儲器有兩個外部接口。DRAM接口用于連接動態存儲器，本設計采用MobileDDR存儲芯片，在PCB設計中要注意DDR布線規則。DRAM接口的電壓為1.8 V，可以和存儲芯片一起供電。

（2） 其他Flash芯片和外設均在SROM端口上，此端口供電電壓為1.8 V，連接3.3 V Flash等芯片，電路中設有電平轉換芯片，可增強總線的驅動能力。

（3） S3C6410X的CF控制器可通過兩種方式連接CF卡，利用SROM端口總線間接連接或利用獨立的CF總線直接連接。間接方式支持PC卡的IO和Memory模式及ATA的IO模式，但直接方式只支持ATA的UDMA模式。本設計采用直接模式，故只支持IDE UDMA模式的CF卡和IDE硬盤。

（4） S3C6410X支持多種SROM類的存儲芯片，包括SRAM/SROM、NorFlash、OneNandFlash、NandFlash和CF等。每種存儲器都有對應的控制器，多種控制器共享SROM端口。每種控制器可占用指定的存儲Bank和外部片選信號。此外，XSELNAND引腳用于選擇OneNandFlash或NandFlash，盡管二者控制器占用不同的Bank和片選，卻不能同時存在于系統之中（部分信號線復用）。本設計將XSELNAND引腳接高電平，只使用NandFlash芯片。

（5） 影響每個片選和控制器關系的因素除XSELNAND引腳、MP0_CS_CFG寄存器設置外還有啟動方式。S3C6410X有多種啟動方式，本設計采用從NorFlash啟動和從NandFlash啟動方式，同時也支持從IROM（內部ROM代碼）啟動下各子模式。MP0_CS_CFG寄存器設置及啟動方式見表1所列。

表1中雖并未列出直接從NandFlash啟動的選項，但前4個標有RESERVED的選項就是NandFlash啟動選項，分別針對不同容量或規格的芯片。本設計中的NandFlash芯片為K9F1G08，頁大小為2 KB，OM[4：0]設置為0010時可直接從NandFlash啟動。

（6） 每個Bank的地址空間如表2所列。在底板設計中，連接到系統總線的DM9000A、16C550和CPLD等芯片，都使用nCS1和若干地址線譯碼得到各自的片選信號，因此基地址都為0x1800 0000。

3 UP-CUP6410-II型系統平臺

3.1 UP-CUP6410-II開發板硬件構成

S3C6410X的DRAM接口可配置為支持mobileDDR、DDR、mobileSDRAM和SDRAM，而Flash/ROM接口支持NOR-Flash、NAND-Flash、OneNAND、CF和ROM類型的外設。S3C6410X包含多種硬件外設，攝像頭接口、24位真彩LCD控制器、4路UART、32路DMA、5路32位定時器和PWM、GPIO、AC97、I2S、I2C、USB Host、高速USB OTG、3路SD/MMC控制器等。

S3C6410X基于ARM1176JZF-S核，包括16 KB指令和16 KB數據Caches，16 KB指令和16 KB數據TCM，MMU支持虛擬內存管理。UP-CUP6410-II開發板的系統硬件結構圖如圖3所示。

框圖中央為核心板，XM1總線是DRAM端口，直接連接MobileDDR芯片；XM0總線是SROM端口，經BusBuffer后形成系統總線；NorFlash和NandFlash也連接到此系統總線上。系統總線在底板上連接了兩片DM9000A網卡芯片，即16C550和CPLD。CPLD內部邏輯完成各芯片的片選譯碼，并提供部分資源的控制功能以及系統電源控制。UP-TECH 6410DVK配置了雙網卡和GPRS模塊。

S3C6410X擁有獨立的Camera接口CIF，本設計中的攝像頭（目前支持的攝像頭模組芯片為MT9D111）和模擬視頻輸入均通過CIF總線輸入到CPU。攝像頭信號添加總線緩沖器后接到CIF總線，模擬視頻信號（復合視頻信號或S-VIDEO）經視頻ADC電路接到CIF總線。這兩個信號源只能有一個工作，通過CPLD切換。

S3C6410X模擬視頻信號（復合視頻信號或S-VIDEO）輸出經過視頻放大器后可接電視機等設備，有一組數字顯示輸出信號，可直接驅動TFT-LCD。本設計還預留了將此數字信號轉換為LVDS總線的電路，可接LVDS接口的TFT-LCD顯示器。同時，將此數字信號轉換為模擬RGB信號，可接VGA顯示器。

S3C6410X的音頻總線非常豐富，有兩組I2S、兩組PCM總線、一組AC97總線和一組可支持5.1聲道的I2S總線。本設計板上使用了AC97總線，通過一個CODEC芯片連接MIC輸入和耳機輸出。同時將一組立體聲I2S和5.1聲道I2S總線引出到擴展槽，可外擴5.1聲道環繞聲CODEC芯片，形成更高級的音頻系統。

S3C6410X有一個USB HOST，本設計中使用USB HUB芯片將其擴展為4個下行口。用戶可以駁接USB鍵盤等4個設備。

3.2 UP-CUP6410-II開發板硬件資源

S3C6410X具有64/32位內部總線，由AXI/AHB/APB總線構成。S3C6410X含有多個強大的硬件加速器，非常適合音視頻、2D圖形、顯示運算等應用。內部集成的MFC（多格式CODEC）支持MPEG4/H.263/H.264的編解碼，該硬件編解碼器支持實時視頻會議和電視輸出（NTSC和PAL制式）。UP-CUP6410-II開發板的主要硬件資源見表3所列。

4 視頻采集模塊設計

使用S3C6410處理器作為攝像頭數據的接收與處理芯片，由于該芯片不能直接接收模擬數據，因此需要進行視頻信號的編解碼，在本設計中采用SAA7113H作為視頻解碼芯片。這是一款功能非常強大的9位視頻輸入處理芯片，采用CMOS工藝，通過I2C總線與處理器或DSP芯片直接連接就可方便地構成應用系統，操作簡單。設置SAA7113H芯片的工作時鐘為24.576 MHz，數據輸出格式為4∶2∶2，幀頻為25 f/s。視頻采集芯片SAA7113H上電后，首先對內部寄存器進行初始化才能正常工作。它必須由多媒體處理芯片如Hi3510通過I2C總線對其內部寄存器進行初始化設置后，才能采集模擬視頻信號進行A/D轉換。視頻采集芯片SAA7113H的接口連接框圖如圖4所示。

除了上述操作外還可控制云臺進行360°全方位的監視掃描。系統還具有本地存儲、視頻錄像、停止錄像、視頻播放等功能，可以進行視頻錄制，視頻保存的路徑在外界U盤上，為H264格式，所以用戶還可以把錄制的H264文件在PC上查看，在8英寸或15英寸顯示屏幕上顯示。

通過SPI總線設置一路CAN總線。S3C6410X有4路UART接口，其中UART0直接經過RS 232電平轉換接到DB9插座，用于調試控制臺。另外3路則連接到CPLD，由內部路由邏輯連接到RS 485、IrDA、擴展槽等。

5 結 語

將UP-CUP6410-II開發板作為平臺，使用S3C6410芯片作為主控芯片，采集目標數據，并對目標數據進行壓縮、傳輸。在設計中，采用CPLD芯片對模擬數據和攝像頭輸入數據進行切換。該系統裝置可作為高速公路、城市交通道路智能化的設備，實現視頻信息采集、錄制等功能。

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