基于雙核的視頻偵測與跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

摘 要：設(shè)計(jì)了一種基于DSP和ARM單片機(jī)雙核的視頻移動偵測與快速跟蹤系統(tǒng)， DSP負(fù)責(zé)視頻圖像的采集、數(shù)據(jù)提取與分析處理；ARM負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)歷史記錄的存儲，以及對云臺和鏡頭的實(shí)時(shí)控制，并且通過觸摸屏、LCD及網(wǎng)絡(luò)接口的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互與網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控的管理。DSP和ARM的并行工作解決了視頻移動偵測的實(shí)時(shí)性與跟蹤系統(tǒng)的及時(shí)性之間的矛盾。

關(guān)鍵詞：DSP；ARM；視頻偵測；跟蹤控制

Hardware Design of Video Tracking System Based on DSP and ARM

LI Guangcai，NIE Dong

(Zhaoqing University，Zhaoqing，526061，China)

Abstract：A video motion detection and fast tracking system based on DSP and ARM dual core is designed.DSP responses for the video acquisition，data retriever and analysis processing，ARM responses for the storage of the history video data and the real-time control of the pan and lens.The management of human-machine intercommunication and network monitoring is achieved by touch screen，LCD and extending of network interface.The parallel working solves the contradiction between the real-time of video motion detection and in-time of tracking system.

Keywords：DSP;ARM;video detection;tracking control

隨著安全防衛(wèi)需求的增長，以數(shù)字信號處理、嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信、自動化控制等相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控系統(tǒng)正在迅速發(fā)展。系統(tǒng)功能的要求不斷提高，不但能夠?qū)Χc(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)偵測、圖像數(shù)據(jù)處理與存儲，而且還要進(jìn)行移動目標(biāo)的高速跟蹤、廣泛區(qū)域的多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化集中管理，并且應(yīng)具有人機(jī)交互的友好界面，滿足本地與遠(yuǎn)地兩種工作模式的需要。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP和ARM單片機(jī)雙核的視頻移動偵測與快速跟蹤系統(tǒng)，雙核并行工作，實(shí)現(xiàn)了視頻實(shí)時(shí)偵測與高速跟蹤的并發(fā)執(zhí)行。

1 系統(tǒng)組成

基于雙核的視頻移動偵測與高速跟蹤系統(tǒng)組成原理如圖1所示，其中DSP負(fù)責(zé)視頻信號實(shí)時(shí)采集與數(shù)據(jù)處理；ARM通過并口與DSP的HPI接口相連，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸，主要負(fù)責(zé)云臺及鏡頭控制、網(wǎng)絡(luò)通信，以及視頻數(shù)據(jù)存儲、液晶顯示、觸摸屏輸入信號處理。

2 視頻輸入[WT][ST]^［1］

攝像頭采集的模擬信號由TVP5150轉(zhuǎn)化為ITU-RBT.656格式，并將內(nèi)嵌行同步、列同步、場同步信號的視頻數(shù)據(jù)流信號發(fā)送到DM642的VP口。DM642的3個(gè)VP口中有2個(gè)用作視頻輸入口，每個(gè)連接2路視頻輸入。

圖1 系統(tǒng)組成原理圖

TVP5150和DM642采用最為簡化的連接線路，將雙方的I2C總線接口SCL和SDA 互連，TVP5150的視頻輸出口D[0-7]和DM642的VP口相連，TVP5150的點(diǎn)陣時(shí)鐘線和DM642上VP口的VP-CLK相接。

DM642對TVP5150內(nèi)部寄存器的訪問通過I2C總線實(shí)現(xiàn)，DM642和TVP5150應(yīng)答過程中需要從片TVP5150的地址，TVP5150作為從片的地址只有兩個(gè):10111001和10111011，它由TVP5150上電時(shí)YOUT7上的電位高低來決定。

3 DSP與ARM接口[ST]^［2］

DM642的主機(jī)接口HPI是一個(gè)16/32位并行接口，通過該接口，S3C44B0X可以直接訪問DSP的內(nèi)部存儲器空間或地址映射到存儲器空間的外圍設(shè)備，為發(fā)揮S3C44B0X和DSP的32位機(jī)優(yōu)勢，提高存取數(shù)據(jù)的速度，DM642的HPI設(shè)為HPI32模式，DM642與S3C44B0X的接口如圖2所示。

圖2 DSP與ARM接口

DM642的HPI口的兩條地址線HCNTRL ［1:0］ 負(fù)責(zé)對HPI口的內(nèi)部寄存器進(jìn)行尋址，HPI口只有3個(gè)32位內(nèi)部寄存器，分別是控制寄存器HPIC、地址寄存器HPIA和數(shù)據(jù)寄存器HPID。HPI口內(nèi)部有1個(gè)用戶不可見的EMDA地址產(chǎn)生器和一個(gè)緩沖區(qū)，負(fù)責(zé)產(chǎn)生地址和數(shù)據(jù)調(diào)度，用戶只需對上述3個(gè)HPI口寄存器進(jìn)行相應(yīng)的讀寫操作，就可完成對DSP內(nèi)存

空間的訪問。

4 觸摸屏及液晶顯示電路

4.1 觸摸屏電路^［3］

本設(shè)計(jì)選用TI公司新一代四線電阻式觸摸屏控制器ADS7846，為了實(shí)現(xiàn)LCD液晶屏320*240點(diǎn)陣的相應(yīng)的分辨率，ADS7846通過軟件配置為12位采樣模式。

觸摸屏與ARM的接口電路如圖3所示，其中2個(gè)輔助輸人端接地不用，ADS7846的片選信號和忙信號腳都接到ARM的通用引腳，其他接到SIO的相應(yīng)的控制腳上，筆中斷信號(PENIRQ)接到外中斷3上。為了降低功耗，配合軟件設(shè)計(jì)，硬件電路設(shè)計(jì)成只有在用戶按下觸摸屏?xí)r，PENIKQ引腳電位變低并向S3C44B0X發(fā)出中斷，才進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并查詢BUSY引腳直到轉(zhuǎn)換完成取出坐標(biāo)。啟動轉(zhuǎn)換分兩次進(jìn)行，分別獲得X和Y方向的坐標(biāo)。如圖3所示，ADS7846接到S3C44B0X的SIO控制單元。經(jīng)測試，時(shí)鐘信號在50 kHz時(shí)抗干擾效果較好，再升高頻率有可能導(dǎo)致觸摸屏控制器同S3C44B0X之間的通信出錯(cuò)。

圖3 液晶顯示及觸摸屏與ARM接口

4.2 液晶顯示接口電路^［4］

本設(shè)計(jì)選用南亞公司的液晶模塊LTB-GA492，這是一款320×240的點(diǎn)陣液晶模塊，其與 S3C44B0X 的接口如圖3所示。S3C44B0X 內(nèi)置 LCD 控制器功能，通過編程支持 LTB-GA492。在圖中 VDD 接3.3 V電源電壓，VEE 接20 V左右的液晶偏置電壓，液晶模塊的S腳連到 S3C44B0X 的 VFRAME，實(shí)現(xiàn) LCD 控制器和液晶屏之間的幀同步，CP1腳連到 S3C44B0X 的 VLINE，實(shí)現(xiàn) LCD 控制器和液晶屏之間的行同步，CP2腳連到 S3C44B0X 的 VCLK，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號同步，DISPOFF 腳連到 S3C44B0X 的 VM，控制像素點(diǎn)的顯示或熄滅，液晶模塊的 D［3…0］ 腳連到 S3C44B0 的 VD［3…0］，傳輸像素顯示數(shù)據(jù)。

5 數(shù)據(jù)存儲電路^［5］

存儲芯片 KM29U128與S3C44B0X的接口電路如圖4所示，F(xiàn)LASH的數(shù)據(jù)輸入輸出口與CPU的數(shù)據(jù)總線相連，CPU的Bank1的連接線nGCS1分別與nOE，nWE相與后接到FLASH的RE和WE上，起著片選的作用。只要對Bankl的任一地址(Ox02000000-Ox03FFFFFF)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)的讀寫就既可以完成對FLASH的數(shù)據(jù)口的讀寫。本設(shè)計(jì)不使用寫保護(hù)功能，所以WP接高電平，而SE接低電平，使用芯片的備用空間。

圖4 Nand FLASH接口電路

S3C44B0X 操作控制KM29U128芯片是通過往KM29U128芯片的數(shù)據(jù)口(I/0)寫不同的數(shù)據(jù)流來加以區(qū)分的。數(shù)據(jù)流由命令字、地址和數(shù)據(jù)三大部分組成。當(dāng)引腳WE和WR均置低時(shí)，命令字、地址和數(shù)據(jù)就按照內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)序，通過I/0引腳寫入。由于命令字、地址和數(shù)據(jù)均通過I/O引腳寫入，故芯片必須有鎖存器，以便I/O口分時(shí)復(fù)用。在引腳WE的上升沿，數(shù)據(jù)被鎖存。而命令鎖存引腳CLE和地址鎖存引腳ALE分別表示對I/O數(shù)據(jù)口上的命令字和地址數(shù)據(jù)加以鎖存。 

6 時(shí)鐘電路^［6］

由于監(jiān)控圖像及存儲圖像數(shù)據(jù)的歷史記錄皆需要時(shí)鐘基準(zhǔn)，故本系統(tǒng)利用時(shí)鐘芯片PCF8583設(shè)計(jì)了一個(gè)時(shí)基電路。 PCF8583是一種串行日歷芯片，具有256×8 b的靜態(tài)RAM和秒、分、時(shí)、日、星期、月和年等計(jì)時(shí)功能。其與DSP及ARM的接口電路如圖5所示。

圖5 時(shí)鐘電路及其接口

圖5中G為時(shí)鐘晶振，它與電容C1，C2為電路提供基準(zhǔn)頻率信號，兩個(gè)二極管D1和D2起隔離內(nèi)部電池和VDD的作用，在通常情況下該電路由VDD供電進(jìn)行工作，在整個(gè)儀表停電不工作時(shí)就由BT電池供電來保證時(shí)鐘持續(xù)運(yùn)行從而不間斷計(jì)時(shí)。 

7 網(wǎng)絡(luò)接口

網(wǎng)絡(luò)控制器選用Realtek公司生產(chǎn)的高集成以太網(wǎng)控制器芯片RTL8019AS，它具有與NE2000兼容、適應(yīng)于EthernetII協(xié)議等特性。其與S3C44B0X接口電路如圖6所示。

圖6中數(shù)據(jù)線和控制信號線需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，地址線上接限流電阻。IOCS16電平一直為高，RTL8019AS采用16位數(shù)據(jù)傳輸。為了減少硬件資源，將RTL8019AS的JP腳接高電平，以跳線方式與系統(tǒng)主CPU接口。S3C44B0X對RTL8019AS 的驅(qū)動主要是通過操縱其內(nèi)部寄存器來完成的，這些寄存器映射在S3C44B0X的I/O端口上，對RTL8019AS的操作也既是對S3C44B0X的I/O端口操作。設(shè)計(jì)時(shí)可以把IOS3～I(xiàn)OS0懸空，將這些I/O地址定位到300H～31FH。其中偏移量為00H～OFH具有16位寄存器的地址。寄存器分為page0，page1，page2，page3，由RTL8019AS中命令寄存器CR中的PS1和PS0位來決定要訪問的頁。10F～17F為遠(yuǎn)程DMA端口，用于獲得遠(yuǎn)程DMA地址。復(fù)位端口包括18H～1FH，用于RTL8019AS的復(fù)位。利用S3C44B0X的地址線的A19～A17通過74LS138來進(jìn)行片選：當(dāng)A19 A18 A17=001時(shí)，選中RTL8019AS。

圖6 網(wǎng)絡(luò)接口電路

8 云臺與鏡頭控制電路

電動云臺有旋轉(zhuǎn)和俯仰2種運(yùn)動狀態(tài)，分別由2臺交流伺服電機(jī)驅(qū)動；而攝像機(jī)有光圈、焦距和變倍3個(gè)狀態(tài)參數(shù)，分別由3臺無刷直流電機(jī)驅(qū)動調(diào)節(jié)。利用S3C44B0X的PWM 生成器功能，產(chǎn)生5路脈寬調(diào)制信號，分別通過相應(yīng)接口輸出，再經(jīng)過隔離驅(qū)動變換，分別驅(qū)動鏡頭的光圈、焦距、變倍電機(jī)及云臺的旋轉(zhuǎn)和俯仰電機(jī)。其控制電路如圖7所示。

圖7 云臺與鏡頭控制電路

9 結(jié) 語

本文采用DSP和ARM單片機(jī)并行工作方式，設(shè)計(jì)了一種基于雙核的視頻移動偵測與快速跟蹤系統(tǒng)，解決了視頻移動偵測的實(shí)時(shí)性與跟蹤系統(tǒng)的及時(shí)性之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)了視頻圖像的采集、數(shù)據(jù)提取與分析處理、視頻數(shù)據(jù)歷史記錄的存儲，以及對云臺和鏡頭的本地和網(wǎng)絡(luò)兩種模式的實(shí)時(shí)控制，并且通過觸摸屏及LCD的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互。該系統(tǒng)在金融、廠礦及社區(qū)的安全防衛(wèi)上有廣泛的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

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［2］王健，陳啟美，章德.基于DSP和ARM的嵌入式多媒體通信終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子測量技術(shù)，2006，29(2):56-80.

［3］譚愛國，琚長江.基于ARM單片機(jī)的觸摸屏嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電腦開發(fā)與應(yīng)用，2005，18(10):46-50.

［4］徐強(qiáng)，宋依青.GUI在嵌入式產(chǎn)品中的實(shí)現(xiàn)［J］.常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，20(1):16-19.

［5］蔡錦達(dá)，王德福，黃小松.大容量Nand FLASH 在ARM 嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2004，17(5):43-66.

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作者簡介

李廣才 男，1962年出生，碩士。主要研究方向?yàn)闄z測技術(shù)與自動化儀表。