基于PCI总线的视频监控系统设计.pdf

V I D E OE N GI N E E R I N GN o.2 V o l.3 1 2 0 0 7(S u mN o.2 9 8)文章编号:1 0 0 2-8 6 9 2(2 0 0 7)0 2-0 0 8 1-0 4基于 P C I 总线的视频监控系统设计廖军,周鄂林,管庆(电子科技大学-美国德州仪器D S P s技术中心,四川 成都6 1 0 0 5 4)【摘要】介绍了一种基于T IT M S 3 2 0 D M 6 4 2的P C I总线的视频监控系统的设计和实现,它可实时处理两路模拟摄像机数据或两路I P摄像机数据,对系统软硬件构成进行了分析,在T I的I O M硬件驱动模型上用R F 5架构进行了系统任务调度,试验结果表明该系统能实时对多路图像数据运行监控算法,并将监控结果通过P C I总线传送给主机,可方便完成本地存储和远程监控,为各种视频监控算法提供了有效的软硬件平台。【关键词】T M S 3 2 0 D M 6 4 2芯片;P C I总线;C I F图像;I P摄像机;远程监控;I O M驱动模型【中图分类号】T P 2 7 7【文献标识码】BD e s i g no fP C IV i d e oMo n i t o r i n gS y s t e m B a s e do nT MS 3 2 0 D M6 4 2L I A OJ u n,Z H O UE-l i n,G U A NQ i n g(U E S T C-T e x a sI n s t r u m e n t sD S P sT e c h n o l o g yC e n t e r,S i c h u a nC h e n g d u6 1 0 0 5 4,C h i n a)【A b s t r a c t】T h ed e s i g na n di m p l e m e n t o f P C Iv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do nT I sT M S 3 2 0 D M 6 4 2i si n t r o d u c e d,w h i c hc a np r o-c e s st w o-c h a n n e la n a l o gc a m e r ao rt w o-c h a n n e lI Pc a m e r av i d e os t r e a m.T h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ec o r es y s t e m m o d u l e si sd i s-c u s s e d,i n c l u d i n gt a s ks c h e d u l eb a s e do nT I sR F 5f r a m e w o r ka n dI O M m i n i-d r i v e r.T h ee x p e r i m e n t r e s u l t si n d i c a t et h a t t h i ss y s-t e m c a np r o c e s sm o n i t o r i n ga l g o r i t h m f o rm u l t i p l e xv i d e os t r e a m a n dt r a n s f e rm o n i t o r i n gr e s u l t st ot h eh o s t t h r o u g hP C Ib u si nr e a lt i m e.I ti sc o n v e n i e n tf o ru s e rt oc o m p l e t et h ef u n c t i o n so fl o c a l-s t o r a g ea n dr e m o t em o n i t o r i n g,a n dp r o v i d e su s e ra ne f f e c t i v es o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r m f o rv i d e om o n i t o r i n ga l g o r i t h m.【K e yw o r d s】T M S 3 2 0 D M 6 4 2;P C Ib u s;C I Fi m a g e;I PC a m e r a;r e m o t em o n i t o r i n g;I O M 实用设计 1引言近几年来,视频监控系统的发展出现了以下趋势:从模拟监控转向数字监控;从落后的现场监控转向先进的远程监控;从有人值守监控转向无人值守监控。本文介绍的基于T I T M S 3 2 0 D M 6 4 2(以下简称D M 6 4 2)P C I总线的视频监控系统可同时满足数字监控、远程监控和无人值守监控的要求,并能在该平台上灵活移植各种视频监控算法。2系统结构设计2.1系统设计目标以T I高性能图像处理芯片T M S 3 2 0 D M 6 4 2为核心,搭建了视频监控硬件平台并完成驱动开发,还搭建了基于T IR F 5参考框架的D S P软件平台。系统能同时采集两路分辨率为P A LD 1 7 2 0 5 7 6/2 5f/s的视频流(模拟或网络摄像头均可),并能对采集的图像数据运用监控算法进行实时处理。视频监控板卡作为计算机的P C I设备,通过P C I接口同计算机完成控制、数据等信息交换。2.2系统设计特点系统结构框图如图1所示。整个监控系统分为D M 6 4 2模块、监控算法控制台模块、模拟摄像机模块和I P摄像机模块。1)D M 6 4 2模块运行视频监控算法,与外围设备通信。2)监控算法控制台模块位于P C机端,包括规则管理工具和警报控制台两个子模块。规则管理工具设定安全规则,并将用户设定的安全规则作为参数由P C I总线传递给D M 6 4 2中的监控算法;警报控制台显示从D M 6 4 2中传过来的违背安全规则的图像警报并存储。图1系统结构框图模拟摄像机网络摄像机P C端软件P C机网卡P a n a s o n i cS D K解码A X I SS D KP C I图像传输网络摄像机管理A P I规则管理工具警报控制台监控算法软件开发套件监控服务器传感器P C I传输队列P C I监控卡R T C/Wa t c hD o gF L A S HS D R A NM C UE M I FP C ID M 6 4 2I2CV P 1V P 0视频解码器1视频解码器0P C I总线T C P/I P网络Ap p l i c a t i o n&p r o j e c to fv i d e ot e c h n o l o g i e s8 12 0 0 7年第3 1卷第2期(总第2 9 8期)3)模拟摄像机模块实时拍摄图像,通过视频解码器转换为数字图像,再通过D M 6 4 2的V P O R T(V i d e oP o r t)传给D S P,在D S P中运行视频监控算法,可智能地实时监视安全事件并对违背安全规则的产生图像警报,通过P C I总线传到P C机的警报控制台。4)I P摄像机实验表明,输入一路帧率为1 0f/s的C I F(3 5 2 2 8 8)格式图像到D M 6 4 2,并运行视频监控算法时,D S P占用率为3 0%左右,如果在D M 6 4 2端进行图像解码会导致D S P端算法负载过重。因此,I P摄像机的设计方案是由计算机接收M o t i o nJ P E G,M P E G-4或H.2 6 4等格式视频数据流,并完成至Y U V或R G B格式的图像解码,再通过P C I总线与视频监控卡交换数据。本系统的硬件设计把本地监控和远程监控有效地融合在一起,避免了大规模长距离布线带来的不便;以D M 6 4 2为核心,使系统具有57 6 0M i n s t r u c t i o n/s计算能力,且实时;采用P C I板卡设计和计算机互连,增加了该系统的可移植性,若一台计算机同时在5个P C I插槽上插上该板卡,最多可同时监控1 0路视频流,由计算机进行数据存储也很方便。系统软件框架基于T IR F 5之上,各种监控算法可灵活地兼容,可移植性强,如果在D S P端运行智能监控算法模拟人工视觉,可有效地实现无人值守,弥补模拟监控需要人工职守的先天性不足。3系统的硬件实现系统硬件功能模块包括核心模块D M 6 4 2D S P、视频输入采集模块、外部存储模块、P C I接口模块、算法加密模块以及电源管理模块等。即由1片T I T M S 3 2 0 D M 6 4 2(D S P)、2片T IT V P 5 1 5 0 A(视频A/D芯片)、2片M i c r o nM T 4 8 L C 8 M 3 2 B 2 T G-7 F(S D R A M)、1片S P A N S I O N S 2 9 GL 0 6 4 M 9 0 T A I R 4(F L A S H)、1片M i c r o c h i p P I C 1 8 F 2 6 2 0(M C U)和2片T IT P S 5 4 3 1 0 P WP(电源管理芯片)组成。3.1 D M6 4 2D S P模块本模块采用T I推出的7 2 0 M H zT M S 3 2 0 D M 6 4 2D S P芯片,主要功能是对采集到的数字视频流运行监控算法并实现与P C机的交互。其主要外围设备包括:3个V P O R T;1个V I C;1个1 0/1 0 0 M b i t/sE M A C;1个M D I O;1个M c A S P;1个I2C总线模块;2个M c B S P;3个3 2位T i m e r;1个用户可配置的1 6/3 2位H P I接口;1个3 2位主/从P C I接口;1个1 6针G P I O;1个6 4位E M I F;1个具有6 4路独立通道的E D M A等 1。3.2视频输入解码模块本模块由2片T V P 5 1 5 0 A视频解码芯片组成,其主要功能是将模拟摄像机输入的模拟数据进行视频解码,转换成B T.6 5 6流格式。该模块视频采集的数据格式为Y U V 4 2 2,采集的数字视频数据通过D M 6 4 2V P O R T端口送入缓冲区(51 2 0B y t e),由自己的时钟控制,当采集完一场数据时产生D M A中断,并在D M A中断服务程序里根据实际情况完成相应的视频处理,将处理后的数据输出到外部S D R A M 2。3.3外部存储模块本 模 块 主 要 包 括2片M i c r o n公 司 的S D R A M(M T 4 8 L C 8 M 3 2 B 2 T G-7 F)、1片S P A N S I O N公 司 的F L A S H(S 2 9 G L 0 6 4 M 9 0 T A I R 4)。板卡上D M 6 4 2处理器连接了两片3 2位的S D R A M,用来存储程序、数据和视频信息。连接一片F L A S H用于存储D S P自启动代码,其容量为8M b y t e,配合C P L D逻辑完成并行8位模式的系统自举过程。E M I F总线时钟由外部P L L设备控制输入,能在1 3 3M H z稳定运行。3.4 P C I模块D M 6 4 2片内集成了一个主/从模式的P C I接口,支持P C I2.2规范,通过P C I总线能够实现D S P与计算机的数据交互。计算机可通过D M 6 4 2的P C I接口访问整个片内R A M以及外部存储器。3.5算法加密及电源模块系统采用一片M C U芯片配合C P L D逻辑完成对F L A S H自启动数据的加密。D S P的电源模块主要给D M 6 4 2及外围芯片提供所需的1.4V,3.3V,5V,1.8V,4.1V电源。4系统的软件实现4.1 P C端软件设计4.1.1 P C I数据传输结构框图在本设计的目标平台中,P C I读写模式采用从模式,即计算机是主设备,D M 6 4 2是从设备。数据传输采用D M A方式。为实现P C与D S P的数据交互同步,需在P C与D S P端开辟一系列缓冲区,具体方式如下:1)在D M 6 4 2端的S D R A M中开辟2个2 0 0 K b y t e的用于P C读数据的读缓冲区(R B 0和R B 1),2个2 0 0K b y t e的用于P C写数据的写缓冲区(WB 0和WB 1),实现乒乓缓冲机制。同时开辟一个用于存放数据起始地址、数据长度、数据类型等信息的2 4b y t e的P C读数据消息队列(R Q),一个2 4b y t e的P C写数据消息队列(WQ),用于P C和D S P之间的数据传输同步 3。2)在P C机端用内存分配函数开辟一个2 0 0 K b y t e的主机读/写缓冲区(H B)。P C和D S P在约定的缓冲区里进行数据交互,其P C I数据传输结构框图如图2所示。视频技术应用与工程8 2V I D E OE N GI N E E R I N GN o.2 V o l.3 1 2 0 0 7(S u mN o.2 9 8)4.1.2 P C与D S P交互数据流程在P C端软件中通过调用Wi n d o w s的S e t T i m e rA P I定时函数来控制P C读写图像数据的帧率。P C机作为主设备读写D S P的数据,其读写流程如图3所示。4.2 D S P端软件设计D S P端的软件设计基于T ID S P实时操作系统D S P/B I O S,完成系统资源管理和任务调度,包括I O M硬件驱动和R F 5架构。4.2.1 I O M驱动I O M是遵循T I建议的类/微驱动分层的设备驱动模型,采用该模型进行驱动程序开发,应用程序可复用绝大部分相似设备的驱动程序,从而提高驱动程序的开发效率。类/微驱动模型结构如图4所示。该模型在功能上将驱动程序分为依赖硬件层(微驱动)和不依赖硬件层(类驱动)两层,并在两层之间给出通用接口。上层的应用程序不直接控制微驱动,而是通过类驱动对其进行控制。每一个类驱动在应用程序代码中表现为一个A P I函数,并通过标准微驱动的接口I O M与微驱动进行通信。其中G I O模块基于流输入输出模块的同步I/O模式,更适合文件系统I/O,如视频采集和P C I应用。因此,对于D M 6 4 2芯片内部3个可配置的视频端口,使用通用输入输出模块G I O实现驱动。4.2.2基于D S P/B I O S的R F 5架构T I的D S P软件参考架构R F 5面向高密度的多通道、多算法系统应用,总内存消耗要大于R F 1和R F 3,它基于D S P/B I O S构架和T M S 3 2 0 D S P算法标准,在本系统的D S P端完成任务管理和算法集成。操作系统首先完成系统初始化,包括D S P初始化、R F 5模块和通道初始化,然后,使用D S P/B I O S的任务管理器调度3个任务,任务间使用S C O M模块通信 4。1)模拟摄像机输入任务t s k I n p u t该任务调用I O M驱动提供的F V I D _ e x c h a n g eA P I完成采集C I F(3 5 2X2 8 8)图像帧。采集到的数字图像帧为Y U V 4 2 2格式,也可根据实际情况转换为Y U V 4 2 0格式,并将该数字图像帧放入由R F 5指定的存储空间,再将该数字图像帧的起始地址指针通过S C O M消息队列发送给主处理任务t s k P r o c e s s,然后等待从t s k P r o c e s s返回的消息来继续下一次的周期性操作。2)主处理任务t s k P r o c e s s主处理任务完成系统的监控与维护算法以及信号处理算法。主处理任务t s k P r o c e s s使用“c h a n n e l”顺序执行“c e l l”。每一路视频输入(包括A n a l o gC a m e r a输入和I PC a m e r a输入)在t s k P r o c e s s中使用一个c h a n n e l。c e l l使用标准的c e l l接口,任何遵循T I推荐的标准设计T M S 3 2 0D S P算法模块都可集成到这里,使用c e l l接口申请存储器及D M A等系统资源,然后依次运行。主处理任务t s k P r o c e s s使用c e l l接口集成智能监控算法,分析检测安全事件,如果检测到警报,则对该图像帧的违规物体进行跟踪处理,并将该图像帧送入指定的存储空间,同时再修改D S P与主机间通信的读数据消息队列R Q来通知主机接收该图像帧,然后通过S C O M消息队列来进行下一帧的相关操作。3)P C I接收任务t s k P C I r x该任务接收来自主机的I PC a m e r a数字图像帧或规Ap p l i c a t i o n&p r o j e c to fv i d e ot e c h n o l o g i e s8 32 0 0 7年第3 1卷第2期(总第2 9 8期)则管理工具中的相应安全规则,并存储到R F 5指定的存储空间,再将该数据帧的起始地址指针通过S C O M消息队列发送给主处理任务t s k P r o c e s s,同时修改D S P与主机间通信的写数据消息队列WQ,通知主机可继续向D S P发送图像帧或规则,然后等待主机对D S P的硬件中断产生的旗语和从t s k P r o c e s s返回的消息,在这两者的共同作用来继续下一次的周期性操作。5系统运行效果5.1系统硬件运行效果其硬件运行详细指标如表1所示。5.2系统软件运行效果P C配置:赛扬2.4 G H z;2 5 6 M b y t e内存;Wi n d o w s 2 0 0 0操作系统。在P C机上插上P C I视频监控卡作监控测试。图5所示为D S P没有运行监控算法,将模拟摄像机和I P摄像机采集的图像作直通测试所得的截图,截图的左上方是模拟摄像机采集的图像,右上方为I P摄像机采集的图像;图6所示为D S P端对模拟摄像机采集的图像运行动目标检测算法后的截图。算法截取白色的背景为背景帧,当有物体进入此背景,算法即能检测并捕获到此物体,并由用户自定义的颜色显示出来。由此可见,本系统软硬件工作正常,能完全满足数字化、远程化和无人值守的监控要求,并且用户在此平台上可灵活地进行算法移植以满足各种场合的监控需要。6总结此项研究主要基于D M 6 4 2设计与实现了P C I视频监控系统。本系统结构设计简单,开发成本低,能灵活与各种视频监控算法、图像处理算法对接,可方便地完成本地存储和远程监控,同时本系统软硬件可扩展性强,升级空间大,升级后能广泛应用在以下场合:1)无须改动硬件,只需修改D S P软件,调用M P E G-4,H.2 6 4等图像编码库,可成为一个视频编码器,编码图像存储于计算机中,可作为一个D V R。2)如果使用P C I卡型D V R厂商提供的S D K,无需改动硬件,在计算机端开发客户端软件,通过P C I总线读取D V R的图像流,送至D M 6 4 2P C I卡进行处理即可成为智能D V R。3)紧缩芯片布局,使用较小的封装,按照网络摄像机提供的接口协议修改,将该P C I卡接口和将整个P C I卡作为网络摄像机的插卡,即可成为智能网络摄像机。可见,本系统是基于数字监控、远程监控、无人值守监控的新一代视频监控平台,十分适用于银行、交通、机场、小区等场合的智能视频监控。参考文献 1 李方慧,王飞,何佩琨.T M S 3 2 0 C 6 0 0 0系列D S P s原理与应用 M .北京:电子工业出版社,2 0 0 4.2 何泉,熊炜.基于D M 6 4 2的视频压缩板卡的设计与实现 J .计算机测量与控制,2 0 0 6,1 4(2):2 5 0-2 5 2.3 何慧颖,胡越明,蒋嫣枫.基于D S P的P C I总线数据传输的实现 J .计算机工程,2 0 0 4,3 0(1 2):4 9 7-4 9 9.4 彭启琮,管庆.D S P集成开发环境-C C S及D S P/B I O S的原理与应用 M .北京:电子工业出版社,2 0 0 5.!作者简介:廖军(1 9 8 2-),硕士生,主研数字信号处理;周鄂林(1 9 8 1-),硕士生,主研高速实时信号处理;管庆(1 9 6 8-),副教授,使用T I的C 2 5,C 3 0,C 3 2等器件完成了几十项D S P应用,曾参加“D S P技术”课程的设计、建设与实践,获该年四川省优秀教学成果一等奖,荣获2 0 0 1年国家级教学成果二等奖。责任编辑:刘伯义收稿日期:2 0 0 6-1 2-2 1表1 P C I视频监控系统硬件指标硬件性能指标视频输入复合视频图像分辨率:P A LD 1 7 2 0 5 7 6/2 5f/sN T S CD 1 7 2 0 4 8 0/3 0f/s输入接口:B N C连接器I P摄像头图像分辨率:P A LD 1 7 2 0 5 7 6/2 5f/sN T S CD 1 7 2 0 4 8 0/3 0f/s视频压缩:M o t i o nJ P E G/M P E G-4有效输入组合P C I最大带宽消耗2路A n a l o g C a m e r a输入4.5M b y t e/s2路I PC a m e r a输入9M b y t e/s1路A n a l o g C a m e r a+1路I PC a m e r a输入6.7 5M b y t e/s存储器处理器P C I接口 3 2b i t/3 3M H z,理论带宽1 3 2M b y t e/s通过P C I访问S D R A M,最大读速度9 2M b y t e/s,最大写速度5 0M b y t e/s功耗/W1 0P C机最低配置P I I I C P U1G H z,2 5 6M内存操作系统支持Wi n d o w s 2 0 0 0(S P 2)或Wi n d o w s X P动态存储器S D R A M/b i t8M 6 4F L A S H存储器/b i t8M 8D S P芯片T M S 3 2 0 D M 6 4 2,B G A 5 4 8封装D S P工作电压/VI/O电压3.3,核电压1.4D S P内部工作时钟/M H z7 2 0(1.6 7n s)D S P计算能力/(M I n s t r u c t i o n/s)57 6 0D S P外部总线时钟/M H z1 3 3D S P引导方式从F L A S H引导或从P C I接口引导图5视频图像直通测试图图6动目标检测算法测试图视频技术应用与工程8 4