基于DSP的視頻檢測和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：提出一種視頻測和遠(yuǎn)程控制的嵌入式設(shè)計(jì)方法，解決了采用具有高性能的數(shù)據(jù)處理功能的DSP作為視頻檢測處理器的設(shè)計(jì)總是；同時，提出在嵌入式操作系統(tǒng)中通信平臺的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了在嵌入式操作系統(tǒng)中PCI總線的設(shè)備驅(qū)動以及通過PPP協(xié)議與Internet建立連接。
　　關(guān)鍵詞：視頻檢測PCI總線PPP協(xié)議
　　
　　引言
　　
　　隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)以及圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺和視頻檢測技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能交通、設(shè)備制造等很多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的視頻檢測往往采用工控機(jī)作為其視頻處理器來實(shí)現(xiàn)其功能。這種方法往往由于工控機(jī)處理速度的問題，無法實(shí)現(xiàn)對各個不同方向同時進(jìn)行視頻檢測，而且由于視頻檢測處理過程需要占用大量的處理時間，因而無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時的遠(yuǎn)程控制功能。
　　
　　目前在遠(yuǎn)程控制和通信方面，基于DOS和Windows操作系統(tǒng)的通信平臺得到普遍的引用，但是DOS操作系統(tǒng)作為單任務(wù)操作系統(tǒng)，無法實(shí)現(xiàn)多任務(wù)功能和實(shí)時處理的要求；而Windows操作系統(tǒng)作為視窗操作系統(tǒng)，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時性也無法與實(shí)時多任務(wù)嵌入式操作相比擬。
　　
　　本文提出一種以DSP作為視頻檢測處理芯片，以Linux為操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。
　　
　　1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　
　　本系統(tǒng)的開發(fā)主要包括視頻檢測卡和x86通信平臺的設(shè)計(jì)2個部分。視頻檢測卡主要包括模擬圖像采集、轉(zhuǎn)換、DSP視頻檢測3個部分，每塊交換參數(shù)檢測卡擴(kuò)充PCI總線接口，插在通信開發(fā)平臺的PCI總線插口上，通過PCI總線同通信平臺交換數(shù)據(jù)。通信平臺處理多塊交通參數(shù)檢測卡的通信問題，將視頻檢測卡通過PCI總線傳送過來的視頻檢測數(shù)據(jù)實(shí)時通過網(wǎng)絡(luò)傳送給控制中心。系統(tǒng)的功能方框圖如圖1所示。
　　
　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，視頻檢測卡功能主要分為：模擬圖像采集、模擬圖像A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩存以及DSP視頻檢測5個部分。視頻檢測卡流程如圖2所示。
　　
　　本系統(tǒng)采用Philips公司的SAA7111A來實(shí)現(xiàn)模擬圖像A/D轉(zhuǎn)換。該芯片可實(shí)現(xiàn)多路選通、鎖相與時序、時鐘產(chǎn)生與測試、ADC、亮色分離等功能。其輸出可以具有如下格式：YUV4：1：1（12bit）、YUV4：2：2（16bit）、YUV4：2：2(CCIR-656)（8bit）等。由于DSP處理芯片和SA7111A的時序不同，可以通過CPLD進(jìn)行邏輯控制FIFO來完成數(shù)據(jù)緩存的功能。
　　
　　DSP是實(shí)時信號處理的核心。本系統(tǒng)采用TI公司DSP芯片——TMS320C6211。該芯片屬C6000的定點(diǎn)系列，C6211在這個系列中是性價比最高的一種。C6211處理器由3個主要部分組成：CPU內(nèi)核、存儲器和外設(shè)。集成外設(shè)包括EDMA控制器、外存儲器接口（EMIF）、主機(jī)口（HPI）、多通道緩沖接口（McBSP）、定時器、中斷選擇子、JTAG接口、PowerDown邏輯以及PLL時鐘發(fā)生器。通過EMIF接口擴(kuò)充SDRAM，而PCI總線控制芯片的擴(kuò)展通過HPI接口。
　　
　　PCI總線的接口芯片PCI9050，主要包括PCI總線信號接口和本地總線（LOCALBUS）信號。在硬件設(shè)計(jì)時，只需將本地總線信號的接口通過電平轉(zhuǎn)換連接到DSP的HPI接口，同時擴(kuò)展PCI接口就可以完成其硬件電路設(shè)計(jì)。
　　
　　2通信開發(fā)平臺的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　
　　通信開發(fā)平臺以x86為核心器件，擴(kuò)充PCI總線，通過Modem撥號，實(shí)現(xiàn)x86與Internet的連接。
　　
　　2.1PCI總線設(shè)備驅(qū)動
　　
　　PCI設(shè)備有3種物理空間：配置空間、存儲器空間和I/O空間。配置空間是長度為256字節(jié)的一段連接空間，空間的定義如圖3所示。在配置空間中只讀空間有設(shè)備標(biāo)識、供應(yīng)商代碼、修改版本、分類代碼以及頭標(biāo)類型。其中供應(yīng)商代碼用來標(biāo)識設(shè)備供應(yīng)商的代碼；設(shè)備標(biāo)識用來標(biāo)識某一特殊的設(shè)備；修改版本標(biāo)識設(shè)備的版本號；分類代碼用來標(biāo)識設(shè)備的種類；頭標(biāo)類型用來標(biāo)識頭類型以及是否為多功能設(shè)備。除供應(yīng)商代碼之外，其它字段的值由供應(yīng)商分配。
　　
　　命令字段寄存器用來提供設(shè)備響應(yīng)的控制命令字；狀態(tài)字段用來記錄PCI總線相關(guān)事件（詳細(xì)的命令控制和狀態(tài)讀取方法見參考文獻(xiàn)4）。
　　
　　基地址寄存器最重要的功能是分配PCI設(shè)備的系統(tǒng)地址空間。在基地址寄存器中，bit0用來標(biāo)識是存儲器空間還是I/O地址空間�；�地址寄存器映射到存儲器空間時bit0為“0”，映射到I/O地址空間時bit0為“1”�；�地址空間中其它一些內(nèi)容用來表示PCI設(shè)備地址空間映射到系統(tǒng)空間的起始物理地址。地址空間大小通過向基地址寄存器寫全“1”，然后讀取其基地址的值來得到。
　　
　　
　　
　　
　　PCI設(shè)備的驅(qū)動過程主要包括下面幾個步驟。
　　
　　首先，PCI設(shè)備的查找。在嵌入式操作系統(tǒng)中一般提供相應(yīng)的API函數(shù)，在Linux操作系統(tǒng)中通過函數(shù)pcibios_find_device(PCI_VENDOR_ID,PCI_DEVICE,index,&bus,&devfn)可以找到供應(yīng)商代碼為PCI-ID，設(shè)備標(biāo)識為PCI-DEVICE的第n(index+1)個設(shè)備，并且返回總線號和功能號，分別保存于bus和devfn中。
　　
　　第2步，PCI設(shè)備的配置。通過操作系統(tǒng)提供的API函數(shù)訪問PCI設(shè)備的配置空間，配置PCI設(shè)備基址寄存器的配置、中斷配置、ROM基地址寄存器的配置等，這樣可以得到PCI的存儲器空間和I/O地址空閑映射，設(shè)備的中斷號等。在Linux操作系統(tǒng)中，訪問PCI設(shè)備配置空間的API函數(shù)有pcibios_write_config_byte、pcibios_read_config_byte等，它們分別完成對PCI設(shè)備配置空間的讀寫操作。
　　
　　第3步，根據(jù)PCI設(shè)備的配置參數(shù)，對不同的設(shè)備編寫初始化程序、中斷服務(wù)程序以及對PCI設(shè)備存儲空間的訪問程序。
　　
　　2.2遠(yuǎn)程控制與通信鏈路的建立
　　
　　與Internet連接的數(shù)據(jù)鏈路方式主要有Ethernet方式和串行通信方式。Ethernet連接方式是一種局域網(wǎng)的連接方式，廣泛應(yīng)用于本地計(jì)算機(jī)的連接。通過Modem進(jìn)行撥號連接的串行通信方式，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信，下面詳細(xì)介紹串行通信接口協(xié)議方式。
　　
　　串行通信協(xié)議有SLIP、CSLIP以及PPP通信協(xié)議。SLIP和CSLIP提供一種簡單的通過串行通信實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)報封裝方式，通過RS232串行接口和調(diào)試解調(diào)器接入Internet。但是這種簡單的連接方式有很多缺陷，如每一端無法知道對方IP地址；數(shù)據(jù)幀中沒有類型字段，也就是1條串行線路用于SLIP就不能同時使用其它協(xié)議；SLIP沒有在數(shù)據(jù)幀中加上檢驗(yàn)和，當(dāng)SLIP傳輸?shù)膱笪谋痪�路噪聲影響發(fā)生錯誤時，無法在數(shù)據(jù)鏈路層檢測出來，只能通過上層協(xié)議發(fā)現(xiàn)。
　　
　　PPP（PointtoPointProtocal，點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議）修改了SLIP協(xié)議中的缺陷。PPP中包含3個部分：在串行鏈路上封裝IP數(shù)據(jù)報的方法；建立、配置及測試數(shù)據(jù)鏈路的鏈路控制協(xié)議（LCP）；不同網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議（NCP）。PPP相對于SLIP來說具有很多優(yōu)勢；支持循環(huán)冗余檢測、支持通信雙方進(jìn)行IP地址動態(tài)協(xié)商、對TCP和IP報文進(jìn)行壓縮、認(rèn)證協(xié)議支持（CHAP和PAP）等。圖4為PPP數(shù)據(jù)幀的格式。
　　
　　PPP的實(shí)現(xiàn)可以通過2個后臺任務(wù)來完成。協(xié)議控制任務(wù)和寫任務(wù)。協(xié)議控制任務(wù)控制各種PPP的控制協(xié)議，包括LCP、NCP、CHAP和PAP。它用來處理連接的建立、連接方式的協(xié)商、連接用戶的認(rèn)證以及連接中止。寫任務(wù)用來控制PPP設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)報的發(fā)送過程，就是通過寫任務(wù)往串行接口設(shè)備寫數(shù)據(jù)的過程，當(dāng)有數(shù)據(jù)報準(zhǔn)備就緒，PPP驅(qū)動通過信號燈激活寫任務(wù)，使之完成對串行接口設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)送過程。PPP接收端程序通過在串行通信設(shè)備驅(qū)動中加入“hook”程序來實(shí)現(xiàn)。在串行通信設(shè)備接收到1個數(shù)據(jù)之后，中行設(shè)備的中斷服務(wù)程序（ISR）調(diào)用PPP的ISR。當(dāng)1個正確的PPP數(shù)據(jù)幀接收之后，PPP的ISR通過調(diào)度程序調(diào)用PPP輸入程序，然后PPP輸入程序從串行設(shè)備的數(shù)據(jù)緩存中將整個PPP數(shù)據(jù)幀讀出，根據(jù)PPP的數(shù)據(jù)幀規(guī)則進(jìn)行處理，也就是分別放入IP輸入隊(duì)列或者協(xié)議控制任務(wù)的輸入隊(duì)列。
　　
　　PPP現(xiàn)在已經(jīng)廣泛為各種ISP（InternetSeverProvider）接受，而Linux操作系統(tǒng)下完全支持PPP協(xié)議。在Linux下網(wǎng)絡(luò)配置過程中，通過1個Modem建立與ISP的物理上的連接，然后在控制面板（ControlPanel）里面選擇NetowrksConfiguration。在接口（Interface）里面加入PPP設(shè)備，填入ISP電話號碼、用戶以及密碼，同時將本地IP和遠(yuǎn)端IP設(shè)置為0.0.0.0，修改/ETC/PPP/OPTION，加上DEFAULTROUE，由ISP提供缺省路由，這樣就完成了設(shè)備的PPP數(shù)據(jù)鏈路設(shè)置過程，可以通過Internet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
　　
　　結(jié)束語
　　
　　該設(shè)計(jì)方法已成功應(yīng)用于智能交換系統(tǒng)的交通參數(shù)檢測系統(tǒng)中。在該系統(tǒng)中，采用4塊DSP視頻檢測卡實(shí)現(xiàn)4個不同路面區(qū)域的交通參數(shù)檢測，同時采用Linux作為通信平臺的操作系統(tǒng)；通過PPP協(xié)議建立與監(jiān)控中心的連接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對各個視頻檢測卡的遠(yuǎn)程控制。
　　
　　本文提出的視頻檢測和遠(yuǎn)程控制的嵌入式系統(tǒng)；通過PPP協(xié)議建立與監(jiān)測中心的連接，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對各個視頻檢測卡的遠(yuǎn)程控制。
　　
　　本文提出的視頻檢測和遠(yuǎn)程控制的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，充分利用了DSP的高性能的數(shù)據(jù)處理功能和嵌入系統(tǒng)操作系統(tǒng)的實(shí)時穩(wěn)定的特點(diǎn)，采用PPP協(xié)議建立與Internet的連接，實(shí)現(xiàn)視頻檢測的遠(yuǎn)程控制。這種DSP信號處理與嵌入式操作系統(tǒng)相結(jié)合的模式，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、產(chǎn)品制造、智能交通等的視頻檢測領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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