基于嵌入式系統的網絡視頻會議系統設計*

陳張榮，賈俊鋮，嚴建峰

（1.蘇州高等職業技術學校，蘇州大學車聯網研究所，江蘇蘇州215008；2.蘇州大學車聯網研究所，江蘇蘇州215008）

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基于嵌入式系統的網絡視頻會議系統設計*

陳張榮1*，賈俊鋮2，嚴建峰1

（1.蘇州高等職業技術學校，蘇州大學車聯網研究所，江蘇蘇州215008；2.蘇州大學車聯網研究所，江蘇蘇州215008）

摘要：為了解決傳統視頻會議存在的諸多問題，提出了一種基于嵌入式技術的網絡視頻會議系統。本系統以Linux系統和S3C2440控制器為核心，利用WIFI技術進行音頻、視頻數據傳輸，將UVC攝像頭采集到的視頻數據，音頻采集芯片采集到的聲音數據進行壓縮并傳輸。接收端可接受連續幀圖像以及同步的聲音信息，并可以同步地將本地音頻、視頻數據傳輸給發送端。測試結果表明：該網絡視頻會議系統穩定可靠，音頻、視頻數據實時準確。

關鍵詞：嵌入式技術；網絡視頻會議系統；UVC攝像頭；音頻采集芯片；WIFI技術

項目來源：基于時空相關性的無線傳感器網絡節能問題研究項目（6127449）；基于協作的匯合和傳輸技術研究項目（61201212）

隨著近年來科技的發展，視頻會議已經成為一種全新的會議模式，不同于傳統的會議模式，這種全新的會議模式可以使處于不同地理位置的分散成員通過聲音，視頻等多種方式進行交流，以達到參與會議的效果［1］。但在視頻會議為人們帶來便利的同時，也存在著一定的問題。常見的視頻會議系統普遍存在傳輸距離有限，實際布線量大，數據存儲量大且模擬圖象質量不高等缺點。同時，嵌入式處理器的處理能力不斷增強，越來越多的便攜式移動終端開始采用嵌入式技術進行設計，將嵌入式技術引入視頻會議，通過以太網以及其他網絡傳輸視頻音頻數據，是當下視頻會議首選的解決方案。

本文設計了一套基于嵌入式技術的網絡視頻會議系統，該系統將嵌入式Linux技術、多線程通信、WIFI技術等技術結合起來用來保證視頻，音頻數據的實時準確，視頻會議終端的便攜輕巧，從根本上解決了傳統視頻會議系統所存在的問題。

1　系統方案論述

本文要討論設計的是一個以嵌入式技術為基礎的通用性強且高性能嵌入式視頻會議系統［2］，該系統由USB攝像頭采集前端，音頻采集模塊，嵌入式硬件平臺，WIFI模塊4部分組成。USB攝像頭采集前端用來采集圖像視頻數據，然后對采集來的視頻數據采用MJEPG算法進行壓縮處理，同時通過音頻采集模塊對本地的聲音信息進行收集，再通過WIFI模塊將數據信息傳輸出去。本系統總體架構如圖1所示。

圖1　網絡視頻會議系統總體框架圖

2　系統設計

完整的基于嵌入式的的網絡視頻會議系統硬件資源主要由TQ2440開發板，USB攝像頭，WIFI無線網卡，UDA1341音頻處理模塊組成；軟件方面主要是Linux系統設計，USB攝像頭驅動的移植，ALSA聲卡驅動的編寫，LCD顯示程序的設計。

2.1系統硬件設計

本網絡視頻會議系統硬件部分采用核心板加底板的模式進行開發，核心板采用的是S3C2440A核心板，底板設計主要包括LCD接口電路、USB攝像頭接口電路、串口電路、核心板接口電路、復位電路、電源電路等。

S3C2440A核心板采用了ARM920T內核，ARM V7指令集，主頻可達400 MHz，32 bit內部總線結構，可以實現450 MI/S的高性能運算能力。基于ARM920T內核的處理器在進行人機交互設備管理、支持OS等方面擁有比較明顯的優勢。對應的硬件模塊電路如圖2所示。

圖2　硬件模塊電路圖

2.1.1 usb攝像頭電路設計

本系統所采用的攝像頭是UVC（USB video class）攝像頭，只需要標準的USB接口就可以使用，USB電路如圖3所示。

2.1.2 WIFI無線網卡模塊WIFI

無線網卡方面則選擇普聯公司生產的型號為TL-WN321G+WiFi無線網卡，此無線網卡總線接口采用USB方式，內置智能天線，可以提供可靠，快速的無線訪問能力，最大發射功率20 dBm，工作頻率范圍2.4 GHz~2.48 GHz，在環境尚佳的情況下覆蓋范圍室外最遠可達到300 m，室內最遠可達到100 m。

圖3　usb電路

2.1.3 UDA1341音頻處理模塊

音頻處理模塊選用的飛利浦公司的UDA1341，它支持I2S總線的音頻系統結構，該芯片集成語音放大，濾波，采樣，A/D，D/A等轉換功能與一體。可以通過編程控制對語音信號的數字化處理［3］。主要使用S3C2440的I2S總線接口和L3接口，I2S總線接口采用DMA的數據傳輸方式，L3接口主要是用來控制UDA1341的。

2.1.4自主底板設計

底板電路設計部分是整個硬件電路設計的關鍵部分，同時具備高頻電路和數字電路的特點。為了將印刷電路板上的噪聲干擾降到最低。在本設計中，采用了以下8個方面的電路板抗干擾設計技術：（1）電源和地線采用粗導線，降低毛刺噪聲影響。（2）地線構成死循環回路，從而減少地線電位差。（3）布局時采用模塊化的方式。

（4）布線時將數字地和模擬地分開走線，最終連接到電源的地端。（5）布線時盡量避免90°折線，減少高頻噪聲發射。（6）濾波電容放置在芯片的背面，盡量靠近芯片電源和地的引腳。

（7）晶振布置時盡量靠近芯片引腳，晶振外殼接地并固定，同時時鐘區用地線隔離起來。

（8）布線結束后，對焊盤做淚滴處理，以增強信號的穩定性。

2.2系統軟件設計

軟件部分，整個軟件系統建立在硬件的平臺基礎上，根據硬件平臺的配置和特性，來對軟件系統進行配置和裁剪，軟件具體結構圖如圖4所示。

圖4　軟件總體結構圖

2.2.1 USB攝像頭驅動

本系統使用的攝像頭驅動是Linux下通用的sp?ca5xx，選用的攝像頭驅動版本為spca5xx-v4l1good?bye.tar.gz。本系統采用了驅動模塊的方式，只需要將攝像頭驅動程序編譯成內核模塊，通過insmod命令加載模塊，即可加載攝像頭驅動。視頻設備在Linux中使用時也可以像訪問普通文件一樣對其進行讀寫等操作，攝像頭設備文件對應/dev/v4l2/video0文件下。V4L2是Linux下可供視頻編程的規范接口。

2.2.2 V4L2信號采集設計

V4L2（Video For Linux two）是Linux系統下視頻設備驅動程序接口規范，為上層應用程序提供了一系列的接口函數，可實現對視頻設備的操作，進而完成視頻圖像的采集。V4L2對設備文件的操作方法比較簡單直觀，表1中的函數可以在應用程序中直接調用，具體功能如下。

表1　V4L2常用函數

V4L2接口提供2種方式進行視頻數據采集。一種是read（）直接讀取方式，不斷的在內核空間和用戶空間拷貝視頻數據，雖然這種方式使用較為方便，但是占用了大量的用戶內存空間，效率不是很高。另一種方法是mmap（）內存映射方式，將申請到的內核緩沖區地址通過mmap函數映射到用戶空間，這樣就可以直接對內核緩沖區的數據進行處理了，這是一種相當有效的方式［4］。

本文在采用的設計方案為第2種內存映射方式。首先定義兩個傳輸隊列，分別為輸入隊列和輸出隊列。輸入隊列主要負責視頻數據的接收存放，輸出隊列則負責將存放入緩沖區的視頻數據驅動出去。

當在腹板上質心位置上下距離1.1 cm處對稱作用方向相反的兩排共四根均為300 N預應力時，由于軸力相互平衡，在截面只產生純彎荷載，而當預應力加在質心位置時，僅產生軸力。有必要研究在這兩種情況下剪力滯系數沿跨徑方向(縱向)的分布。取跨徑L=2 m，分別畫出兩種荷載下的剪力滯系數縱向分布圖，如圖4所示，橫坐標表示的是跨徑長度范圍，縱坐標表示剪力滯系數λ。

2.2.3圖像壓縮算法

MPEG是壓縮運動圖像及其伴音的視音頻編碼標準，它采用了幀間壓縮，僅存儲連續幀之間有差別的地方，從而達到較大的壓縮比。MPEG現有MPEG-1，MPEG-2和MPEG-4等3個版本，以適應于不同帶寬和圖像質量的要求［5］。MPEG-1是針對1.5 Mbit/s以下數據傳輸率的數字存儲媒體運動圖像及其伴音編碼設計的國際標準，主要用于在CDROM存儲彩色的同步運動視頻圖像，它針對SIF標準分辨率（NTSC制為320像素×240像素；PAL制為352像素×288像素）的圖像進行壓縮，每秒可播放30幀畫面，具備CD（指激光唱盤）音質。MPEG-2是針對3 Mbit/s~10 Mbit/s的數據傳輸率制定的運動圖像及其伴音編碼的國際標準。MPEG-2作為MPEG-1的兼容擴展，它支持隔行掃描的視頻格式和許多高級性能包括支持多層次的可調視頻編碼，適合多種質量如多種速率和多種分辨率的場合。它適用于運動變化較大，要求圖像質量很高的實時圖像。

MPEG-4是針對一定比特率下的視頻、音頻編碼，而且更加注重多媒體系統的交互性和靈活性。它有效的解決了圖像和容量的問題，是目前視頻監控領域一個較好的選擇［6］。其遠程傳輸的參數為：圖像標準358x288；幀容量0.8 kbit/s~2.5 kbit/s；實時性20 kbit/s~62.5 kbit/s［7］。

本系統由于硬件條件的限制，為了達到視頻會議的效果采用基于MJPEG算法進行視頻壓縮。它的主要特點是動態地使用JPEG算法，基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化，只單獨對某一幀進行JPEG壓縮，畫質比較好，能產生高質量、全屏、全運動的視頻、每幀可以任意存取，可以動態調整幀率、分辨率，而且其編碼相對比較容易實現。

2.2.4 ALSA聲卡驅動的設計

ALSA表示高級Linux聲音體系結構（Advanced Linux Sound Architecture）。它由一系列內核驅動，應用程序編譯接口（API）以及支持Linux下聲音的實用程序組成［8］。Linux內部聲卡驅動并沒有得到積極維護，導致其落后于新的聲卡技術，而ALSA驅動很好地解決了這一問題。在linux2.60.30.4內核中已經為提供了UDA134X的ALSA驅動，只需在此基礎上進行修改。

（1）配置內核支持UDA1341

（2）修改代碼

（3）修改bug修改soundsocsamsungdma.c文件

pos += prtd->dma_period改為

pos += prtd->dma_period*limit。

（4）編譯alsa-lib，alsa-util以使用聲卡：

首先是alsa-lib：

sudo mv /usr /usr_bak

./configure --host=arm-linux

make install

sudo cp -rf /usr /work/projects/alsa/

sudo rm -rf /usr

sudo mv /usr_bak /usr

把頭文件和庫復制進交叉工具鏈里

其次是alsa-util：

先編譯依賴：ncurses-5.9.tar.gz

./configure-- host=arm- linux-- prefix=$PWD/tmp-- withshared

make && make install

把頭文件和庫復制進交叉工具鏈里，把庫復制到根文件系統的lib目錄下。

2.2.5 LCD顯示程序的實現

本網絡視頻會議系統需要將會議信息顯示在LCD屏幕上，因此需要編寫應用程序來進行，因為USB攝像頭采集到的視頻數據格式通常為MJPEG以及YUV格式，而LCD上的顯示數據格式為RGB格式，因此需要對視頻數據進行轉化，使之能存入LCD顯存framebuffer中，圖6為最終顯示效果圖。

圖6　LCD顯示效果圖

3　結論

本系統利用嵌入式系統的獨特性，設計了一種基于嵌入式的網絡視屏會議系統。本系統在S3C2440

核心板的板基礎上，利用WIFI技術進行數據傳輸，通過USB攝像頭進行視頻數據采集，UDA1341進行聲音數據采集，準確率較高，方便易用。

參考文獻：

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［8］姜博.基于PDA的嵌入式無線通信系統設計與實現［D］.國防科技大學，2007：16.

陳張榮（1982-），男，漢族，碩士，蘇州高等職業技術學校講師，蘇州大學車聯網研究所研究員，獲評“江蘇省五一創新能手”、2013年度“姑蘇高技能重點人才”，在省級刊物公開發表專業論文7篇，參編教材一本（已出版）。主要研究方向為非線性系統控制、自動檢測技術、智能終端與物聯網應用等。

Design of Penetration Process Data Acquisition System Based on FPGA*

HAO Tianqi2，CUI Jianli1，LI Ce1，ZHANG Binzhen1*

（1.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Abstract：In view of troublesome data processing and low efficiency of data collection in the traditional penetration process，a automatic data acquisition system with three axis high-g sensor based on FPGA has been designed，which can complete the data calculation. The main control unit is composed of XC3S400，MATLAB GUI as PC software development platform for completing data acquisition and calculating. First，voltage signals produced by sensor had been enlarged through the main amplifier chip of INA827. The signals was then sampled by A/D converter of AD7934，storing in Flash. Then，the signals were returned to the computer through the chip of FT2232C with USB to calculating the data. Experiments show that the system not only can meet real-time collecting and storage of data in the process of penetration，but complete data calculation at the same time. It improves the efficiency of calcula?tion in the process of penetration as integrating the collecting of data with the data calculation.

Key words：FPGA；Penetration；INA827；MATLAB

doi：EEACC：722010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.033

收稿日期：2015-04-13修改日期：2015-06-01

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1005-9490（2016）01-0156-04