基于ARM處理器的數字化遠程圖像監控系統＊

孫俊琳，程立倩

（煙臺職業學院，山東 煙臺 264670）

數字化遠程圖像監控是基于現代通訊科技的一種新應用，它正在越來越多地被廣泛應用于交通、能源、公安、電信、軍事等部門。與傳統的模擬監控系統相比，它的組網成本低、系統體積重量小、運行維護更容易。

本文針對低設備成本、低運行成本和超遠距離的圖像監控系統應用提出了一種基于嵌入式應用系統的數字化遠程圖像監控系統方案。該方案使用直接獲得的數字化影像信號；圖像壓縮不使用專用壓縮芯片，而是在高速處理器內部由壓縮軟件實現；最后打包經由公共電話網發送。本方案不僅適合于數字化圖像監控系統的實際應用，而且它高度的靈活性與自主性更加適合于教學與科研部門對嵌入式系統、可編程邏輯系統以及語音、圖像和視頻信號處理的學習與研究。

本文使用ARM處理器與FPGA技術構建了嵌入式遠程圖像監控系統，并在實際應用中實現了低運行成本的圖像遠程監控。

1 ARM平臺及其系統組成

基于ARM體系結構的嵌入式處理器是目前應用最為廣泛的32位處理器，ARM提供了一系列的內核、體系結構、微處理器和系統芯片方案。ARM芯片有多達十幾種的芯核結構，本文系統根據建立低成本的圖像數據采集、實時壓縮與遠程傳送系統，以及擴展性，選擇了Cirrus Logic公司的EP7312。

1.1 EP7312應用

EP7312是基于ARM720T內核的嵌入式微處理器，由ARM720T內核加外圍擴展邏輯構成，運行于74MHz時其性能與100MHz的Intel Pentium芯片基本相當，且功耗很低。之所以選用EP7312處理器，主要是看中它的高速ARM720T核心、豐富的外設接口與啟動ROM的設置。

要正確應用EP7312處理器必須首先對它的系統寄存器進行正確配置，各寄存器的具體定義可以參考“EP73XX用戶手冊”，這里就不再贅述。除此以外，還要對EP7312的中斷控制器和堆棧設置有深入了解。在系統初始化階段必須對將要使用到的各種處理模式的堆棧寄存器進行設置，才能保證以后系統程序與用戶應用程序的正常運行。

EP7312不但支持JTAG運用于邊界掃描測試，而且由于使用了ARM720T核心，可以通過JTAG接口與EmbeddedICE單元連接實現對ARM內核的調試。

EmbeddedICE接口協議轉換器是ARM開發中的關鍵硬件，它在PC機開發環境與ARM目標板之間建立起連接。EmbeddedICE接口協議轉換器是非常昂貴的開發設備，但是通過對相關資料的檢索，發現可以使用簡單的并口調試電纜，按照JTAG協議就可以連接EmbeddedICE，實現ARM硬件調試，但調試速度較慢。本文給出兩種應用簡單并口調試電纜來進行調試的方法。

（1）使用ALTERA公司ByteBlasterMV電纜

ByteBlasterMV電纜是應用于ALTERA公司可編程邏輯器件下載程序的常用設備，在認真學習了JTAG標準后，參考相關資料對ByteBlasterMV電纜進行改造：并口第12引腳與下載電纜10線出口的第6引腳相連，并在Vcc供電端與下載電纜10線出口的第4引腳之間加上了二極管保護，使目標板電源只可以單向流入下載電纜。

（2）使用Wiggler電纜配合IAR Embedded Workbench集成開發環境可以實現在線調試。

1.2 ARM的系統框圖

針對方案的需要和日后擴展的考慮，設計了ARM開發板，見圖1。

主處理器：EP7312－CV（Cirrus Logic公司）；SDRAM：HY57V281620HCT－H（Hynix公司）；FLASH：SST39LV040－90－3C－NH（SST公司）；串口驅動：MAX3243ECUI、MAX232CSE（Maxim公司）；IrDA接口：TFDS4500（Vishay Telefunken公司）；觸摸屏接口：MXB7846EUE（Maxim公司）電源：LM1085IT－ADJ（National Semiconductor公司）；LCD升壓：MAX5026EUT－T（Maxim公司）；LCD顯示：MTG－F32240HFWNSEB－01（Microtips Technology公司）；板載接口：JTAG調試接口、GPIO接口、音頻接口、觸摸LCD模塊接口、MODEM接口、系統擴展槽和設備擴展槽，用于為ARM系統添加如以太網接口、海量數據存儲接口和PCMCIA等接口或者用于與其他功能開發板DSP、FPGA等連接使用。

系統配置指標：EP7312＠74MHz CPU（ARM720T）；32MB內存；512KB程序存儲器；320×240×16級灰度LCD顯示；雙串口、IrDA、JTAG、音頻接口、LCD觸摸屏接口、擴展接口。

針對上面ARM板的程序設計，使用的軟件開發環境是ARM公司的ARM Software Development Toolkit（簡稱SDT）。由于開發板只配備512KB的FLASH ROM用于程序存儲器，所以應用程序與原始數據的總和必須小于512KB。具體的程序在此不再祥述。

圖1 ARM系統框圖

圖2 FPGA系統框圖

2 FPGA平臺及其系統組成

可編程邏輯系統設計是當今電子系統設計的重要組成部分，本文選用ALTERA公司的十萬門可編程邏輯芯片ACEX1K100來構建FPGA開發平臺。

FPGA在本文系統中的作用是：連接CMOS圖像采集模塊，實現高速數據采集和存儲；在以后的進一步開發中還可以把離散余弦變換（DCT）和系數量化等操作放到FPGA中以硬件方式高速實現，從而提高系統整體工作性能。

根據本文系統要求設計FPGA開發板框圖見圖2。

FPGA芯片：ACEX1K100QC208－3（ALTERA 公司）；高速SRAM：IS61LV25616－10T（ISSI公司）；CMOS圖像采集：MB86S02（Fujitsu公司）；DAI音頻接口：CS4333－BS（Crystal公司）；音頻功放：LM4858MM（National Semiconductor公司）；NAND＿FLASH：K9F5608U0A（Samsung公司）。

開發板具備的擴展接口有：

調試板接口連接專用調試板，6位LED顯示加5個按鍵，進行軟硬件調試；PS／2接口，連接PC鍵盤或鼠標；VGA接口，連接PC顯示器，通過電阻網絡實現320×240×12Bits，即4096色彩色顯示；DAI音頻接口連接耳機，進行數字音頻播放；系統擴展槽用于系統功能擴展和互聯。

3 FPGA與ARM平臺的連接

FPGA的硬件可編程性使得FPGA系統的開發具有很強的靈活性，這一點使FPGA系統的硬件設計與基于CPU的系統設計有很多不同，特別體現在FPGA開發板的設計中。同樣的擴展端口經過不同的引腳功能劃分，可以滿足非常多樣的擴展要求。

在FPGA開發板上按照ARM開發板的設備擴展槽定義，設計了FPGA的系統擴展槽，用于其與ARM系統的連接。接口的定義見表1。

表1 ARM開發板設備擴展槽定義

設備擴展槽使用IDC40接插件，為ARM處理器提供了256×2個16位總線地址用于功能擴展，同時擴展接口具備設備就緒信號、中斷信號和通用I／O信號，可以為ARM系統擴展諸如以太網接口、海量數據存儲器等設備。在本文系統應用中，設備擴展接口為ARM系統擴展了基于FPGA的CMOS圖像獲取功能和VGA顯示功能。

4 遠程圖像監控系統

ARM開發系統與FPGA開發系統相結合，再加上JPEG壓縮算法在ARM處理器上的實現，就構成了本文提出的遠程圖像監控系統雛形。系統框圖見圖3。

圖3 遠程圖像監控系統框圖

系統的應用中使用調制解調器通過公共電話網來建立遠程數據連接，在遠程圖像監控終端處的調制解調器處于待命狀態，它被設置為自動應答方式，在3次振鈴后自動摘機，經歷“數據風暴”以后與主叫方建立連接。監控中心的調制解調器由監控軟件控制撥號建立連接或者掛斷連接。

5 結束語

本文著重從嵌入式系統硬件平臺的建立給出了解決方案，建立了低開發成本與方便易使用的嵌入式系統開發平臺，實現了基于ARM處理器的低成本數字化遠程圖像監控系統。

［1］EP7312數據手冊［K］.凌云邏輯，200.

［2］EP73XX用戶指導［K］.凌云邏輯，2002.

［3］ARM720T技術參考手冊［K］.ARM 公司，2000.

［4］大衛·希爾.ARM構架參考手冊［K］.愛迪生韋斯利出版社，2000.

［5］ARM 開發板［K］.ARM 公司，1998.

［6］ByteBlasterMV并行端口下載線［K］.阿爾特拉公司，2001.

［7］ACEX 1K可編程邏輯器件系列［K］.3.1版.阿爾特拉公司，2001.

［8］基于SRAM LUT的器件配置設備［K］.12版.阿爾特拉公司，2001.