3G車載視頻傳輸模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

蔣伊樂，張江鑫，顏曉永

（浙江工業(yè)大學(xué) 省通信網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究重點實驗室，浙江 杭州 310023）

由于3G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，推動了視頻監(jiān)控領(lǐng)域的迅速發(fā)展，尤其是在汽車監(jiān)控領(lǐng)域。3G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積廣，可靈活接入，相比之前車載視頻監(jiān)控終端所采用GPRS，CDMA等無線通信技術(shù)[1]，傳輸速度快了很多，但是3G技術(shù)在汽車監(jiān)控領(lǐng)域的實際應(yīng)用不夠完善。DM365支持H.264視頻編碼技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)帶寬有限的條件下，保證了視頻數(shù)據(jù)的高質(zhì)量傳輸。上海龍尚公司的U6100模塊可以集成到任何3G移動設(shè)備，并且可以接入到HSDPA、HSUPA、UMTS等高速網(wǎng)絡(luò)。所以我們設(shè)計了以TI的DM365為核心，以上海龍尚公司的U6100為傳輸模塊的車載視頻傳輸模塊。

1 3G車載視頻傳輸模塊的硬件設(shè)計

本文設(shè)計的視頻傳輸模塊是應(yīng)用在于車載監(jiān)控設(shè)備中，所以我們在進(jìn)行方案設(shè)計和硬件的選擇時，視頻的傳輸要求是首當(dāng)其沖的。鑒于DM36X系列軟硬件兼容性好，Davinci平臺方便算法擴(kuò)展[2]，故采用TMS320DM365芯片來搭建3G車載視頻傳輸系統(tǒng)。

本模塊的硬件平臺主要由以下幾部分組成，分別是視頻采集和處理部分，本地存儲與顯示部分，3G視頻傳輸部分，電源部分。車載終端視頻傳輸模塊硬件框架圖如圖1所示。

1.1 視頻采集和處理部分

視頻采集部分由一個PAL/NTSC制式的云臺攝像頭和一個視頻編解碼芯片TVP5151組成。云臺攝像頭需要用RS485來控制，由于DM365上的只有兩個串行接口 （UART），且都已經(jīng)被

占用（一個用來連接串口調(diào)試，一個連接GPS模塊）。所以我們利用USB HUB里多余的一個

USB口，進(jìn)行二級轉(zhuǎn)換，先用 LP2303轉(zhuǎn)換成232，在用MAX485轉(zhuǎn)換成485用于云臺的控制。

TVP5151和處理器是用I2C總線進(jìn)行對接的，將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

視頻處理部分則采用TI的DM365高清視頻處理器。DM365支持H.264視頻編碼技術(shù)[3]，在用3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臈l件下，保證可以進(jìn)行高質(zhì)量視頻數(shù)據(jù)的傳輸。

1.2 本地存儲和顯示部分

DM365提供了專門的外部存儲器接口，包括一個Flash接口和一個SDRAM接口，可以連接外部存儲器。在這個車載終端的設(shè)計中我們選用三星公司的1GB容量 、8位數(shù)據(jù)線的K9F8G08U0B的NAND Flash芯片和128MB容量、16位數(shù)據(jù)線的K4T1G164QE的DDR SDRAM芯片。

圖1 車載終端視頻傳輸模塊硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure diagram of the vehicle terminal video transmission module

為了車載終端的操作的更加人性化，顯示部分我們選用的是臺灣晶采光電公司的一款5.7英寸的TFT-LCD觸摸屏面板。該面板具有640X480的高分辨率。它支持I2C總線或SPI總線，考慮到上層驅(qū)動的實際情況，使用的是I2C總線和主芯片進(jìn)行連接。

1.3 3G 視頻傳輸部分

3G傳輸部分選用的是U6100模塊。他在3G網(wǎng)絡(luò)平臺下上行和下行的最傳輸速率均能達(dá)到384Kbps，符合車載傳輸模塊的設(shè)計要求。3G傳輸部分的電路設(shè)計如圖2所示。U6100的

供電要求是3.6~4.2 V，我們用3.8 V給其供電。U6100提供6條SIM卡接口連接SIM卡，兼容現(xiàn)在各種3G格式。U6100提供標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口USB_DM和USB_DP，可以直接和用戶的CPU相連。由于本設(shè)計需要4個USB口，我們用一款USB擴(kuò)展芯片把DM365僅有一個USB口擴(kuò)展成4個，并用其中的DP1和DM1來連接U6100。電源USB_VBUS由5 V電源經(jīng)過濾波后供給。KPD_PWR_N是U6100的供電開關(guān)，其拉低時有效，我們直接通過一個0歐姆電阻接地，這樣U6100開啟時默認(rèn)處在工作模式。EXT_RET_IN是U6100的復(fù)位信號，其拉低時進(jìn)行復(fù)位，我們這里通過DM365的GPIO口來進(jìn)行控制。

2 車載視頻傳輸模塊的軟件設(shè)計

視頻傳輸模塊的軟件設(shè)計部分主要分為驅(qū)動的設(shè)計和應(yīng)用程序的設(shè)計。我這里主要講了包括U6100模塊的驅(qū)動設(shè)計，3G網(wǎng)絡(luò)接入程序設(shè)計和視頻傳輸程序設(shè)計。由于Linux 2.6.18的系統(tǒng)相比于其他版本具有更好的開放性、安全性和可移植性，所以本系統(tǒng)的全部軟件開發(fā)是在該平臺進(jìn)行的。

2.1 U6100模塊的驅(qū)動設(shè)計

驅(qū)動模塊的加載分靜態(tài)和動態(tài)兩種。本系統(tǒng)采用的是動態(tài)加載方式。U6100模塊的加載過程如下：1）首先要確認(rèn)編譯驅(qū)動和編譯內(nèi)核的交叉編譯工具是同一個（本系統(tǒng)用的是arm_v5t_le_gcc）；2）對驅(qū)動的 Makefile文件進(jìn)行修改，添加內(nèi)核源碼目錄和編譯工具，進(jìn)行make編譯后，生成.ko文件；3）將生成的.ko文件拷到車載終端的/module/下面；4）用insmod命令進(jìn)行模塊的加載，在目錄／dev/tts下會生成3個設(shè)備節(jié)點USB1-USB3；至此，3G無線模塊加載成功。

2.2 3G網(wǎng)絡(luò)接入程序設(shè)計

3G無線模塊加載成功后，就要接入網(wǎng)絡(luò)，車載設(shè)備通過撥號的方式連接至網(wǎng)絡(luò)，最常用的是使用PPP（點對點協(xié)議）協(xié)議。PPP協(xié)議的撥號主要分為3個階段，完成以后，一條完整的PPP鏈路就建立起來了。經(jīng)過如圖3所示。

圖3 PPP協(xié)議撥號流程圖Fig.3 Flow chart of PPPprotocol dial-up

雖然U6100模塊對電信的CDMA2000和聯(lián)通的WCDMA都支持，相對來說，聯(lián)通的WCDMA網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定和快速，所以我們選用聯(lián)通的WCDMA網(wǎng)絡(luò)。在LINUX中，與WCDMA入網(wǎng)有關(guān)的程序為pppd和chat。pppd程序負(fù)責(zé)3G模塊的初始化和入網(wǎng)撥號。在初始化部分調(diào)用chat程序進(jìn)行AT指令的發(fā)送，主要交互撥號參數(shù)和撥號的用戶信息的設(shè)置，然后pppd程序進(jìn)行入網(wǎng)撥號[4]。U6100撥號接入網(wǎng)絡(luò)的具體流程如下：1）編寫pppd撥號腳本wcdma3、會話建立和斷開的調(diào)用腳本chat-wcdma-connect和chat-wcdmadisconnect文件；2）添加內(nèi)核選項，編譯支持PPP協(xié)議的內(nèi)核；3）把編譯好的進(jìn)行pppd文件和chat文件的移植到車載終端的文件系統(tǒng)的/etc/ppp/peers下；4）在終端輸入撥號命令pppd call wcdma3進(jìn)行連接；5）用ifconfig查詢，出現(xiàn)出現(xiàn)一個網(wǎng)絡(luò)接口ppp0的打印消息，表明已經(jīng)成功連接到WCDMA 3G網(wǎng)絡(luò)。

2.3 視頻傳輸程序設(shè)計

車載視頻傳輸系統(tǒng)對視頻傳輸?shù)臅r延和丟包率要求比較高，RTP/RTCP是實時視頻傳輸過程中一種比較好的解決方案，它具有開源代碼的RTP庫，因此本系統(tǒng)采用實時傳輸協(xié)議RTP和實時傳輸控制協(xié)議RTCP[5]配合使用來進(jìn)行3G傳輸。

RTP數(shù)據(jù)包的發(fā)送流程如圖4（a）所示。先把從緩存中讀取的H.264視頻流打包成一個一個RTP數(shù)據(jù)包，依次發(fā)送給服務(wù)器。RIP荷載的單元類型結(jié)構(gòu)有單NAL單元包、聚合包和分片單元3種。在這里為了避免視頻數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)層被分割，我們采用的是單NAL包和分片包模式，將1個NAL單元設(shè)為1K字節(jié)。如果小于1K字節(jié)，直接封裝成一個RTP包發(fā)送。如果數(shù)據(jù)單元的長度較長超過1K字節(jié)，則作為FU-A包發(fā)送，需要分割成若干個小于1K字節(jié)的NAL包，包

括首片包、中間包和尾片包三類。然后按照RTP數(shù)據(jù)包的格式封裝上RTP報頭[6]，再通過U6100模塊發(fā)送至3G網(wǎng)絡(luò)。對應(yīng)的RTP包接收流程如圖4（b）所示。

3 測試效果

在搭建好的車載終端環(huán)境下進(jìn)行3G視頻傳輸，并用Wireshake軟件進(jìn)行RTP數(shù)據(jù)包分析實驗。如圖5所示，其中黑色陰影的是抓到的第847個RTP包，它從3G網(wǎng)絡(luò)的地址10.13.14.77傳送到我們的設(shè)備服務(wù)器101.69.255.130。看到全部RTP包的大小都不超過設(shè)置的包的最大值1040。經(jīng)過多次測試，丟包率在4%以內(nèi)，符合的要求。在客戶端看到的視頻也非常的清晰，視頻流暢度也很好，無線傳輸速率能達(dá)到25幀/s，如圖6所示。

圖5 RTP數(shù)據(jù)包解析圖Fig.5 RTPpacket data analysis chart

4 結(jié) 論

圖6 客戶端接收到的視頻效果圖Fig.6 The chart of the client receives the video effect

文中設(shè)計的3G車載視頻傳輸模塊是車載監(jiān)控系統(tǒng)的重要部分，通過3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊曨l畫面清晰，有利于遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對車輛進(jìn)行實時的監(jiān)控和調(diào)度，符合目前車載傳輸?shù)囊蟆?/p>

[1]陳威兵，劉光燦，馮璐.基于3G網(wǎng)絡(luò)的車輛定位與視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2011，19（12）:600-602.CHEN Wei-bing，LIU Guang-can，F(xiàn)ENG Lu.Design of positioning and video surveillance system for vehicles based on 3G[J].Computer Measurement&Control，2011，19（12）:600-602.

[2]徐海潮，張江鑫，蔣伊樂.基于DM365的IP語音終端設(shè)計[J].杭州電子科技大學(xué)，2013，33（5）:146-149.XU Hai-chao，ZHANG Jiang-xin，JIANG Yi-le.The design of VoIP terminal device based on DM365 [J].Journal of Hangzhou Dianzi University，2013，33（5）:146-149.

[3]戴鵬軍，應(yīng)時彥.基于DM365的網(wǎng)絡(luò)視頻前端的設(shè)計與實現(xiàn)[J].杭州電子科技大學(xué)，2012，32（5）：199-202.DAI Peng-jun，YING Shi-yan.Design and implementation of network video front-end based on DM365 [J].Journal of Hangzhou Dianzi University，2012，32（5）:199-202.

[4]王剛.基于3G的多路視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué)，2013.

[5]張多英，申晨，劉偉平.嵌入式視頻監(jiān)控傳輸系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與科學(xué)，2009，31（4）:95-97.ZHANG Duo-ying，SHEN Chen，LIU Wei-ping.Design and implementation of embedded video monitoring transmission system[J].Computer Engineering and Design，2009，31（4）:95-97.

[6]張志魯，張翼翼，朱秀昌.基于i.MX27的3G無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2011，35（9）:118-121.ZHANG Zhi-lu，ZHANG Yi-yi，ZHU Xiu-chang.Design and implementation of 3G wireless video surveillance system based on i.MX27[J].Video Engineering，2011，35（9）:118-121.