王紹磊，程永強(qiáng)，王 鵬

（太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

近幾年，嵌入式無線聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)送數(shù)據(jù)大都基于802.x或WI-FI技術(shù)，并用無線網(wǎng)卡或無線路由器實(shí)現(xiàn)。目前也出現(xiàn)了基于手機(jī)無線發(fā)送數(shù)據(jù)的嵌入式相關(guān)設(shè)計(jì)，但大都是基于2.5G技術(shù)的短信方式的監(jiān)控設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)下基于3G無線發(fā)送模塊的視頻圖像傳輸系統(tǒng)[1]。采用SOC高性能視頻編解碼器Hi3510，具備強(qiáng)大的視頻處理功能，實(shí)現(xiàn)D1畫質(zhì)的實(shí)時(shí)編碼及傳輸。因此，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上傳輸視頻。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

選用Hi3510作為對(duì)視頻數(shù)據(jù)的編碼處理，選用DTM6211無線模塊對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送處理。圖1為系統(tǒng)工作原理框圖，其整體工作原理是：攝像頭采集的數(shù)據(jù)通過PAL制的CVBS信號(hào)輸入工作在主模式TW2834芯片中，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，由BT.656接口接收轉(zhuǎn)換為CIF格式的信號(hào)，并通過AHB總線把接收到的圖像數(shù)據(jù)存入到外存SDROM；Hi3510讀取外存中視頻數(shù)據(jù)，進(jìn)行H.264編碼，包括幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè)、DCT變換、量化、熵編碼等，得到編碼后裸碼流存儲(chǔ)到外設(shè)中；將外設(shè)中視頻數(shù)據(jù)通過USB端口經(jīng)測(cè)試板發(fā)送到無線模塊中，其中關(guān)于無線模塊的UDP數(shù)據(jù)傳輸設(shè)置控制工作是通過Hi3510的RS232接口經(jīng)測(cè)試板發(fā)送AT指令控制，而后無線模塊將數(shù)據(jù)封裝成符合UDP格式的IP數(shù)據(jù)包，最后利用PS業(yè)務(wù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。

圖1 系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 視頻處理模塊

視頻處理模塊遠(yuǎn)端攝像頭采集視頻信號(hào)，模擬視頻信號(hào)通過CVBS信號(hào)格式輸入TW2834，TW2834是一個(gè)視頻控制器，內(nèi)嵌PAL/NTSC視頻解碼器，彩色控制器和PAL/NTSC視頻編碼器，主要完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變。解碼后，轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)通過BT656接口輸入到Hi3510處理器進(jìn)行H.264編碼。

視頻處理模塊采用Hi3510，該器件是一款基于H.264 BP算法的視頻壓縮芯片，它采用ARM+DSP+硬件加速引擎的多核高集成度的SoC構(gòu)架，具備強(qiáng)大的視頻處理功能，可實(shí)現(xiàn)DVD畫質(zhì)的實(shí)時(shí)編碼，能自適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，確保畫面的清晰度和實(shí)時(shí)性，低碼率的H.264編碼技術(shù)極大減少了網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)空間，并通過集成DES/3DES加解密硬件引擎確保網(wǎng)絡(luò)安全[2]。圖2為Hi3510邏輯框圖。

圖2 Hi3510邏輯框圖Fig.2 Hi3510 logic diagram

Hi3510內(nèi)部包含一系列提高編解碼速度的視頻編解碼協(xié)處理器，視頻編解碼部分完成圖像的運(yùn)動(dòng)估計(jì)/補(bǔ)償、DCT/IDCT變換、量化/反量化、zigzag掃描和環(huán)路濾波。最后將編碼的視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外存SDROM中。

2.2 視頻發(fā)送模塊

圖3 無線發(fā)送模塊內(nèi)部原理圖Fig.3 Internal schematic diagram of wireless transmission module

圖3為無線發(fā)送模塊內(nèi)部原理框圖。DTM6211是60針0.5 mm間距的板對(duì)板連接器和一個(gè)天線連接器，與天線連接器相匹配的線纜可實(shí)現(xiàn)與天線MHF Plug Cable Assembly的連接。串口通信采用RS232，可以與Hi3510串口相連接，模塊采用5線制接法，默認(rèn)開啟硬件流控。USB接口可以作為通訊口和調(diào)試口，作為USB Device設(shè)備，遵循USB2.0協(xié)議規(guī)范，最高速率支持FULL SPEED （12 Mb/s）。發(fā)送部分采用SMA（FEMALE）接口饋入天線，外接天線采用棒狀天線[3]。

DTM6211接口有2個(gè)UART接口，使用UART1作為Hi3510的AT指令接收端口，傳輸速度設(shè)定為115 200 b/s。其UART1信號(hào)定義如表1所示。模塊的USB接口作為通信口，用于視頻數(shù)據(jù)的傳輸，其接口信號(hào)定義如表2所示。

表1 DTM6211 UART1信號(hào)描述Tab.1 DTM6211 UART1 signal description

表2 DTM6211 USB接口信號(hào)描述Tab.2 DTM6211 USB signal description

2.3 模塊硬件連接

Hi3510和DTM6211之間通過測(cè)試板連接，測(cè)試板主要作用是連接Hi3510和DTM6211的USB及UART端口，起到一個(gè)物理接口轉(zhuǎn)換作用，同時(shí)也起到存放USIM卡的作用。USB和UART之間的連接，只需把Hi3510板的USB口和RS232接口連接到測(cè)試板對(duì)應(yīng)接口，DTM6211插針接口直接插到測(cè)試板上。其中測(cè)試板中主要部分USIM卡的硬件電路如圖4所示。

圖4 USIM卡硬件電路圖Fig.4 Hardware circuit diagram of USIM card

DTM6211模塊的射頻接口包括一個(gè)天線連接器，通過線纜實(shí)現(xiàn)與外部天線的連接，天線連接器采用I－PEX公司的20279－001E－01，連接線纜采用蘇州萬旭電子 HM5A－12289－A1DE的50 mm的長(zhǎng)雙端子線纜，天線連接器端Plug Cable Assembly使用MHFⅡ Plug Cable Assembly。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 操作系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

選用Hi3510自帶嵌入式Linux－2.6.14內(nèi)核操作系統(tǒng)，開發(fā)前需要搭建開發(fā)環(huán)境，可以安裝一款Fedoral 9.0服務(wù)器，同時(shí)建立交叉編譯器、安裝SDK包。SDK是基于Hi3510視頻評(píng)估板的軟件開發(fā)工具，包含了在Linux相關(guān)應(yīng)用開發(fā)時(shí)使用的各種工具，是用戶開發(fā)中最基本的平臺(tái)軟件。Bootloader采用 uboot－1.1.4初始化硬件設(shè)備并通過網(wǎng)口下載Linux內(nèi)核。內(nèi)核通過make menuconfig配置可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的量身定做，去除與本系統(tǒng)無關(guān)部分，縮減內(nèi)核，最后將配置后的內(nèi)核使用mkimage工具做成映像文件，通過網(wǎng)口下載到Hi3510中。

無線發(fā)送模塊通過重新配置內(nèi)核Usb Serial Driver選項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)其在內(nèi)核的驅(qū)動(dòng)部分，但需把Usb Driver的PID和VID設(shè)置成本模塊的ID，重新編譯便可支持無線發(fā)送模塊[4]。

ID更改步驟如下：

首先進(jìn)入 linux－2.6.14driversusbserial，打開文件 option.c，在其中定義兩個(gè)宏（DTM6211 的 VID：0x1AB7 PID：0x6000）：

然后將兩個(gè)宏增加到下列結(jié)構(gòu)體中：

3.2 視頻處理軟件設(shè)計(jì)

視頻處理軟件主要是對(duì)采集過來的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行H.264壓縮，編碼中涉及的參數(shù)需調(diào)用SDK提供的API進(jìn)行配置，其中包括圖像組長(zhǎng)度（GOP）、編碼幀率（幀/秒）、量化參數(shù)（maxqp）、比特率（b/s）和用戶數(shù)據(jù)的插入等[5]，然后將壓縮過的裸流，發(fā)送到USB端口。其中為了提高壓縮率將GOP設(shè)置15；為了減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量將編碼速率設(shè)置8幀/秒；量化參數(shù)的數(shù)值選擇在30～40之間，其設(shè)計(jì)總流程如圖5所示。

圖5 視頻處理總流程Fig.5 Total flow chart of video processing

其中關(guān)于配置攝像頭部分，open （）打開/dev/misc/tw2834dev攝像頭設(shè)備文件，完成normal為PAL制式，mode為GIF格式的選擇；配置輸入公共屬性部分，首先打開視頻編碼器，并關(guān)閉視頻輸入通道，然后完成工作模式為從模式，VIU與A/D轉(zhuǎn)換器的接口類型BT656，通道分布模式4路CIF，BT656為場(chǎng)模式，視頻消耗內(nèi)存為 10×1 024×1 024等設(shè)置工作。

VSTART輸入通道號(hào)之后需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)線程，完成后續(xù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，使用pthread_create（）函數(shù)，隨后執(zhí)行線程 venc_start（），其核心程序如下[6]：

3.3 無線模塊控制設(shè)計(jì)

無線模塊DTM6211內(nèi)提供TCP/IP協(xié)議棧，可利用PS業(yè)務(wù)通道發(fā)送IP包，以AT指令配置和控制TCP/IP協(xié)議棧[7]。利用APP處理器配置TCP/IP相關(guān)環(huán)境，注冊(cè)UDP端口，APP處理器將要發(fā)送的數(shù)據(jù)直接發(fā)給模塊，由模塊將數(shù)據(jù)封裝成符合UDP格式的IP包，然后利用PS業(yè)務(wù)通道發(fā)送給3G網(wǎng)絡(luò)。其控制流程如圖6所示。

圖6 無線模塊控制流程Fig.6 Control flow chart of wireless module

開機(jī)初始化部分，主要完成激活SIM卡、TCP/IP協(xié)議棧和注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)工作；激活場(chǎng)景移動(dòng)部分主要完成PDP和context的參數(shù)設(shè)置，包括配置使用IP協(xié)議，申請(qǐng)上行速度1.5 MB/s，建立用戶面的分組傳輸路由。在完成以上初始化工作后，需要建立監(jiān)聽端口號(hào)為13000，指定UDP模式下要發(fā)送數(shù)據(jù)的目的地址218.18.141.79和端口號(hào)3000，最后還需要指定發(fā)送的字節(jié)數(shù)。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，釋放UDP端口號(hào)等相關(guān)資源。

4 結(jié) 論

采用Hi3510+Linux方案，其自帶的SDK開發(fā)包使得應(yīng)用程序開發(fā)的難度降低，同時(shí)Hi3510本身采用了ARM+DSP+硬件加速引擎的技術(shù)，具備強(qiáng)大的視頻處理功能，具有低成本，低開發(fā)難度優(yōu)點(diǎn)。配合DTM6211無線發(fā)送模塊，通過AT指令對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行UDP打包，最終將視頻數(shù)據(jù)包發(fā)送到3G網(wǎng)絡(luò)上。測(cè)試結(jié)果表明，受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響數(shù)據(jù)的上行傳輸速率為150～200 KB/s。該系統(tǒng)可用于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的應(yīng)用，相對(duì)于2.5G技術(shù)的短信監(jiān)控方式，使用者可以獲得更多有效的信息。

[1]李文仲.ARM9微控器與嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[2]海思Hi3510處理器 用戶手冊(cè)[M].Revision1.3.2.深 圳：海思公司，2006.

[3]DTM6211模塊開發(fā)板使用手冊(cè)[M].上海：聯(lián)芯科技有限公司，2009.

[4]宋寶華.設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[5]畢厚杰，王健.新一代視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)——H.264/AVC[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[6]Richard S W，Rago S A.Advanced programming in the UNIX enviroment[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[7]王迎孟，衛(wèi)國(guó).LC6311 at command set user manual[Z].上海：聯(lián)芯科技有限公司，2009.