基于STM32的岩土工程无线采集系统

基于无线的数字式船舶视频监控系统于謇（中国舰船研究设计中心武汉430064）摘要：根据船舶视频监控系统对系统结构和功能的新需求，采用TI公司的TMS320DM6446作为系统的主控部分，提出了基于EVDO的无线数据传输方案，设计了摄像机前端采集输出和主控模块等硬件电路，给出了通信控制等软件流程，并成功实现云台调节控制等功能。实际分析测试表明，该系统操作简便，创新性较高，可广泛应用于民用船舶的视频监控需求。关键词：船舶系统视频监控EVDOTMS320DM6446中图分类号：TP274文献标识：A文章编号：AdigitalshipvideomonitoringsystembasedonwirelessYuJian(ChinaShipDevelopmentandDesignCenter,Wuhan430064,China)Abstract：ThissystemisusedTMS320DM6446ascontrollingmoduleduetotherequirementofshipvideomonitoringsystem’spatternandfunction.ThetransmissionframeworkbasedonEVDOisintroduced,andthehardwarestructureofvidicon’sacquisitionandtransmission,controllingmodulearedesigned.Moreover,thesoftwareprocessesofcontrolandcommunicationarepresented.Atlast,ithelpstoachievethePanregulationsuccessful,whichisbycontrolled.It’svalidatedbyrigoroustestingthatthesystemiseasyforoperation,hashighlyinnovation.Therefore,thesystemcanbewidelyutilizedforcurrentcivil-shipvideomonitoringprojects.Keywords：shipsystemvideomonitoringEVDOTMS320DM64460.引言视频监控系统是船舶系统中不可或缺的子系统，是直接获取船舶甲板面视觉信息和处理突发事件的重要手段。随着电子技术的不断发展，数字化、集成化、无线化【1】是今后民用船舶视频监控系统的发展趋势。当下市场上的民用船舶视频监控系统是基于图像系统的应用，即前端摄像头采集的模拟信号，通过同轴电缆传输至网络视频编码器，由网络视频编码器对视频图像进行数字化编码及存储，通过网络视频编码器的VGA接口将视频图像在显示器上进行显示。或者由控制解码终端通过网络访问网络视频解码器，获取数字视频流，通过内部解码芯片将数字化的视频信号进行解码输出显示。然而，传统的视频监控系统是基于有线方式传输的，系统集成度不高，设备拉线繁杂影响美观。基于无线的数字式船舶视频监控系统可有效避免复杂布线的问题，实现摄像前端编码，数据传输无绳化，便于网络内监控节点的作者简介：于謇（1984—），男，硕士研究生，工程师，主要从事舰船通信电子方法与技术的研究。作者E-mail:[e-mail]。增减和维护，适应现代电子技术的发展，也适用于民船应用。TMS320DM6446是TI公司推出的，基于第三代VLIW的面向数字多媒体应用且支持Davinci技术的双核SOC。本文围绕这款包含一个ARM926EJ-S核和一个TMS320C64x+核的高性能片上系统设计了一个无线数字式船舶视频监控系统。1.系统组成与设计原理整个系统分为摄像机前端模块和监控中心视频服务器两部分。摄像机前端模块具有智能化的摄像头，并将采集到的视频信号进行编码压缩【2】，转换为视频流后，通过无线的方式发送到监控中心接收端。监控中心视频服务器可通过无线网络对授权的摄像前端进行开关、录像、云台姿态和镜头的变焦等控制，并可选择需要采集的图像进行显示。摄像机前端由电源模块、视频采集转换模块、主控模块、无线传输模块组成。监控中心由视频服务器、无线传输模块、控制键盘和轨迹球组成，并通过解码软件来实现对视频流的还原和在显示器上显示【3】。系统整体设计方案如图1所示：摄像机前端1CCD摄像头DM6446视频采集模块EVDO......监控中心视频服务器键盘轨迹球摄像机前端nCCD摄像头DM6446视频采集模块显示设备无线模块图1视频监控系统框图2.系统硬件设计2.1TMS320DM6446片上系统TMS320DM6446是一种高性能双核芯片，外部供电电压为5V，并可分压至1.2V、1.8V、3.3V等工作电压。其内含ARM926EJ-S核的ARM处理器、TMS320C64x+核的DSP子系统、视频处理子系统VPSS和图像协处理器VICP。其中，DSP子系统工作最高频率为594MHZ，最大处理能力可达4800MIPS，并包含了64个32位通用寄存器、2个乘法器、6个算术逻辑单元，此外，还集成了32KB的L1P编程RAM、80KB的L1D数据RAM和64KB的L2统一映射RAM。ARM子系统为32位RISC处理器，包含32位和16位ARM指令集，并集成了16KB指令缓存、8KB缓存。ARM子系统主要负责系统的整体配置、模块功能控制和调用视频算法。而DSP子系统负责视频算法的执行。片上系统TMS320DM6446为361脚BGA封装，其外设十分丰富，包含全速USB2.0端口、71个通用I/O输入输出端口、64通道DMA控制器、3个UARTS、SPI、音频串口和3个64位通用定时器。另TMS320DM6446片上系统还集成了可接256MB32位DDR2型SDRAM的DDR2控制器和可扩展128MB16位Flash的异步外部存储器接口EMIF。2.2无线传输模块无线传输模块采用EVDO数传模块，完成拨号即可通过3G组建工作网络。EVDO数传模块收到发送指令，则检测主控模块的数据发送区，得到确认后将采集得到的视频信号用3G网络发送出去。EVDO是美国主导的基于码分多址的，针对分组数据业务进行优化的、高频谱利用率的CDMA无线通信技术。其频谱利用率高，保密性好，容量大，覆盖范围广。EVDORev.A是单载波系统，上行速率为1.8Mbps，下行速率为3.1Mbps。可在1.25MHz带宽内提供峰值速率达2.4Mbps的高速数据传输服务，这一速率甚至高于WCDMA5MHz带宽内所能提供的数据速率。其支持带宽可达20MHZ，能保证至少5个用户终端同时进行视频传输的信号质量QoS。EVDORev.A对接入信道和控制信道均进行了优化：在接入信道上可以支持更高的传输速率和更短的接入前缀，使用户可以在发起服务请求时更快地接入网络；在控制信道上可以支持更短的寻呼周期，使用户可以较快地响应来自网络的服务请求。EVDORev.A高层协议中引入了三级寻呼周期机制，使终端可以适配网络服务情况的同时降低功耗，提高待机时间。此外，CDMA20001xEV-DO采用增强的无线链路协议RLP，与TCP协议共同减少误帧率，其强大的空中链路鉴权与加密算法保证了数据传输的安全性。无线传输模块接口电路如图2所示：图2无线传输模块接口电路2.3视频采集转换模块视频采集转换芯片采用TI公司推出的可实现优异图像质量的新型TVP5158多通道NTSC/PAL视频解码器。该芯片内核电压为1.8V，输入输出电压为3.3V，采用外部独立的14.318HZ的晶振为其提供时钟频率。TVP5158可同时解码4个通道的视频输入，输入的模拟视频信号通过TVP5158视频解码芯片转换成10位YUV4:2:2的格式，经过YUV分离电路，在YUV到YCrCb的转换电路中转换成8位的ITU-RBT.656格式的视频数据【4】。图3视频采集转换接口电路由于TVP5158的视频输出与基于达芬奇技术的TI数字媒体处理器具有无缝接口，其连接可不借助于FPGA，从而降低系统成本。TVP5158的输出连接至DM6446的视频输入接口，TMS320DM6446通过I2C总线对TVP5158的模拟信号输入口选择、视频流输出格式选择等工作状态和参数进行确定。然后，TMS320DM6446通过EDMA通道将存入FIFO的视频流数据分配至存储器进行数据处理，视频采集转换模块接口电路如图3所示。2.4总体硬件电路整个摄像前端电路由摄像头、云台控制器、数据转换模块、处理模块、无线数传模块和外围电路组成。摄像头采集的视频数据经过数据转换模块输入到处理模块中，处理模块对数据进行存储。在收到发送指令后，处理模块通过USB接口利用无线数传模块进行数据传输。此外，处理模块除了基本的外围电路外，还专门设计了一个更改节点ID按键电路，它用于在节点出现故障或临时加入时更正或修改节点的ID。总体硬件电路如图4所示：TMS320DM6446EVDO无线模块按键电路供电电路云台控制器USBI/OI/OCCD摄像头采集转换电路图4摄像前端硬件电路3.系统软件设计3.1摄像前端软件设计摄像前端不间断的采集视频信号，当摄像前端收到监控中心的发送读取命令后，将压缩编码后的图像数据写入开始拨号初始化处理器开启采集数据读取数据并处理将数据传输给无线模块判断标志位值更改网络ID读取网络ID并储存=0=1退出输出数据到存储器数据发送储存新ID标志位置0发送指令？NY写完数据？NY图5视频数据采集发送流程存储器中，每次写完便发出中断信号通知处理器。处理器响应中断信号，从存储器中读取数据并做相应处理后通过USB控制器将数据通过EVDO无线传输模块发送，摄像前端视频数据采集发送流程如图5所示。ID更改按键电路的设计是为了方便系统分辨、维修、增加摄像前端，其采取中断的手段实现。即：设置外部中断低电平有效，长按按键后（按住时间大于2秒），进入中断流程，短按一下计数器加一，从而达到网络ID号的修改。更改网络ID流程如图6所示：外部中断/低电平打开计时器高电平结束中断/关闭计时器退出延时大于2S？标志位置1YN图6网络ID修改流程3.2监控中心软件设计监控中心在确认所有接入网络的摄像前端后，开始读取阶段：监控中心向指定前端发送读取命令，如果没有得到回复，则延时70ms再发送一次读取命令，反复三次后仍没有回复，则认定通信失败或没有该前端，转向其他摄像前端；如果得到回复，则记录下所收到的数据进行存储、解码，并传送至显示终端进行图像展示。整个数据处理流程如图7所示：开始复位初始化读取预存数据向摄像前端X发送读取命令回复？储存数据信息延时70ms再次发送YN次数=3?YN解码处理结束发送到显示设备图7数据处理流程4.结束语本系统充分融合高性能双核SOC和EVDO无线传输技术，设计出了基于无线的船舶视频监控系统，为解决工程难题提供了一定的思路。无线的船舶视频监控系统有效的解决了系统布线的难题，便于整个视频监视网络节点的增加、删除、修复。同时，主机硬件采用嵌入式技术路线，可有效实现设备小型化，有利于总体布置。经实际测试，本系统可直接应用于民用船舶视频监视系统应用，实现摄像前端布线难点部位数据传输无绳化，适应现代电子技术的发展，使用效益良好。参考文献[1]卢秋波.视频监控业务及技术发展趋势[J].电信技术.2009.10（23）[2]张溢华，万晓榆，樊自甫.3G视频监控系统传输部分的设计[J].视频应用与工程.2009.33（2）[3]刘富强.数字视频监控系统开发及应用[M].机械工业出版社.2003[4]TexasInstruments.TVP5158Datasheet.（通讯地址：湖北省武汉市武昌区张之洞路268号，邮编：430064，电子邮箱：[e-mail]，联系电话：[phone]）