靳小巍

(山西農(nóng)業(yè)大學 軟件學院，山西 晉中 030801)

高速高性能單片機在網(wǎng)絡監(jiān)控中的應用

靳小巍

(山西農(nóng)業(yè)大學 軟件學院，山西 晉中 030801)

當前，網(wǎng)絡通信設備成本居高不下。為降低網(wǎng)絡實時監(jiān)控系統(tǒng)中傳輸設備成本，設計采用高速、高性能單片機作為網(wǎng)絡服務器，完成大數(shù)據(jù)量視頻圖像傳輸以及控制信號傳遞。搭建實驗環(huán)境，編程實現(xiàn)前端視頻采集、圖像數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡服務器中的傳輸以及后端接收、處理和顯示等代碼。為改進和提高網(wǎng)絡圖像傳輸性能，使用單片機嵌入μC/OSII操作系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，接收端視頻圖像顯示清晰，控制信號傳輸時延滿足使用要求。

單片機；視頻采集；實時監(jiān)控；網(wǎng)絡傳輸

0 引言

隨著單片機(MCU)處理速度的不斷提高，單片機在網(wǎng)絡中的應用逐漸趨于復雜化[1]。本文主要研究美國Cygnal公司生產(chǎn)的8位高速、高性能單片機C8051F020在網(wǎng)絡中作為服務器的復雜應用，以降低網(wǎng)絡通信費用，主要包括實時網(wǎng)絡監(jiān)控和動態(tài)圖像傳輸兩大部分。

1 Cygnal單片機C8051F020性能介紹

C8051F020具有與8051兼容的微控制器內(nèi)核CIP-51[2]，與MCS指令集完全兼容。除了具有標準8051的數(shù)字外設外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設及功能部件。與傳統(tǒng)的MCS-51相比，C8051F020采用流水線結(jié)構(gòu)，指令運行速度大幅提高。在25 MHz外頻時，可達最高處理速度25 MIPS。另外，采用3 V低電壓供電，使整個芯片的功耗大幅降低。

2 實驗網(wǎng)絡環(huán)境

圖1為實驗網(wǎng)絡環(huán)境構(gòu)成。

圖1 網(wǎng)絡環(huán)境構(gòu)成

2.1 客戶端

客戶端由預裝了Windows XP操作系統(tǒng)的PC構(gòu)成。PC通過以太網(wǎng)連接線與單片機實驗板相連，兩者構(gòu)成以太局域網(wǎng)絡。利用VC++ 6.0編程，通過WINSOCK網(wǎng)絡編程及圖像處理編程，可以實現(xiàn)客戶/服務器(C/S)模型下、建立在TCP/IP之上的客戶端功能，包括網(wǎng)絡監(jiān)控、請求網(wǎng)絡圖像傳輸及圖像數(shù)據(jù)接收和顯示功能[3]。

2.2 服務器端

服務器端主要由單片機C8051F020、支持以太網(wǎng)絡收發(fā)的芯片RTL8019AS、支持RS232串行通信及外圍測控的芯片組成。RTL8019AS可以獨立完成網(wǎng)絡接發(fā)包工作，實現(xiàn)以太網(wǎng)載波監(jiān)聽、沖突檢測、碰撞重傳等功能，并可以與MCU進行數(shù)據(jù)交換。單片機C8051F020的程序存儲器中固化有按照uIP、用C語言編程實現(xiàn)的TCP/IP及ARP，還有應用程序。它們分別完成建立在TCP/IP之上的網(wǎng)絡圖像數(shù)據(jù)傳輸和通過RS232接口的串行通信、外圍測控信號的采集、監(jiān)控等功能。

采用嵌入式C語言編程實現(xiàn)服務器功能。編譯環(huán)境為Keil μVision 4.0，采用J-Link調(diào)試盒下載程序和在線調(diào)試。

2.3 外圍電路

單片機外圍電路主要分成兩部分，分別完成圖像采集和測控功能。圖像采集部分由PC及攝像頭構(gòu)成，PC預裝Windows XP操作系統(tǒng)。利用VC++ 6.0編程，通過Microsoft提供的VFW(Video For Windows)視頻編程和串行通信編程，可以將采集到的圖像數(shù)據(jù)利用PC的RS232串行通信接口傳輸給單片機。單片機以中斷方式通過其RS232接口逐字節(jié)接收圖像數(shù)據(jù)并存儲在其內(nèi)存xdata段。測控部分主要完成對外圍監(jiān)測信號的采集和上層控制命令的處理，如溫度測量、控制步進電機轉(zhuǎn)動和開關閉合等。

3 網(wǎng)絡監(jiān)控的實現(xiàn)

上層監(jiān)控命令被封裝在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包中，按照以太網(wǎng)規(guī)范要求[4]，從客戶端經(jīng)由局域網(wǎng)連接線送至服務器端的網(wǎng)絡芯片RTL8019AS，網(wǎng)絡芯片將數(shù)據(jù)接收并存儲在其內(nèi)部存儲器中。MCU以查詢(本實驗采用)或中斷方式實現(xiàn)與網(wǎng)絡芯片的數(shù)據(jù)交換。這樣網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包將被單片機接收并存放在后者內(nèi)存xdata段。按照TCP/IP逐層傳遞要求，單片機將數(shù)據(jù)包從下向上逐層上交，直到應用層。應用層識別監(jiān)控數(shù)據(jù)類型，并通過單片機外圍電路，實現(xiàn)監(jiān)控功能。當需要向客戶端回傳測控信號時，單片機將按照TCP/IP要求，對測控信號數(shù)據(jù)逐層向下打包傳遞。最后，按照以太網(wǎng)規(guī)范，通過網(wǎng)絡芯片RTL8019AS，傳送至客戶端。

4 圖像采集與傳輸

4.1 傳輸過程

與網(wǎng)絡監(jiān)控類似，客戶端通過網(wǎng)絡發(fā)送圖像傳輸?shù)恼埱蟆７掌鞫私邮照埱蠛?，通知外圍電路開始采集圖像。單片機通過其RS232串行通信接口接收外圍PC采集到的圖像數(shù)據(jù)，并按照TCP/IP要求打包回傳給客戶端。

4.2 圖像采集

單片機外圍電路中的攝像頭和PC配合完成圖像采集工作。在PC正確安裝攝像頭驅(qū)動程序后，利用VFW視頻編程，可以建立視頻捕獲窗口。攝像頭驅(qū)動程序把每一幀圖像以位圖BMP格式寫入視頻捕獲窗口提供的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。每當寫完一幀圖像數(shù)據(jù)時，視頻捕獲窗口自動調(diào)用回調(diào)函數(shù)。在回調(diào)函數(shù)中，通過串行通信，可以把一幅圖像數(shù)據(jù)傳輸給單片機。由于單片機內(nèi)存容量的限制，傳輸可能是分批和分期進行的。如果采用圖像壓縮，其壓縮工作也可以放在回調(diào)函數(shù)中完成，當然，要先壓縮后傳輸。本實驗未采用圖像壓縮技術。實際應用中，圖像采集電路中的PC及攝像頭將被圖像傳感芯片和數(shù)字圖像處理芯片(DSP)代替。

4.3 圖像傳輸

每當單片機接收到一定數(shù)量的圖像數(shù)據(jù)后，就開始按照TCP/IP要求打包傳輸。一幅圖像可能要經(jīng)過多次打包和傳輸才能全部發(fā)送到網(wǎng)絡客戶端。采用TCP傳輸控制協(xié)議，保證了一幅圖像的每一個數(shù)據(jù)包均可以按序發(fā)送和接收。而且，當發(fā)生網(wǎng)絡丟包時，服務器端還可以重傳已丟失的數(shù)據(jù)包。

4.4 圖像接收與回放

客戶端通過網(wǎng)絡向服務器端發(fā)送圖像傳輸?shù)恼埱?，來啟動圖像傳輸?shù)娜^程。當圖像數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的形式順序逐幀(以太幀)由服務器端發(fā)送過來時，客戶端僅需要把它們按照接收到的順序放在一個緩沖區(qū)中，并為此幅圖像配置BMP格式的圖像數(shù)據(jù)頭結(jié)構(gòu)。然后，利用Microsoft提供的圖像顯示函數(shù)，就可以在客戶端顯示接收到的一幅圖像了。

4.5 傳輸時間控制

由于圖像傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，使單片機在時間安排不合理時，會無法承受重負而宕機。極端的表現(xiàn)是：連續(xù)長時間的圖像數(shù)據(jù)接收和并傳輸，這時單片機無法及時響應和處理實時網(wǎng)絡監(jiān)控信號，使網(wǎng)絡監(jiān)控遲滯。因此，必須人為控制單片機圖像數(shù)據(jù)傳輸時間，以留出足夠時間響應實時網(wǎng)絡監(jiān)控信號。

以實驗實際情況分析，在未嵌入實時操作系統(tǒng)前，這種圖像數(shù)據(jù)傳輸可能要人為控制在50%機時以內(nèi)，甚至更少。實驗中，串行通信速率為115 200 b/s，單片機串行接收1 KB的圖像數(shù)據(jù)用時近100 ms，打包并通過網(wǎng)絡傳輸1 KB的圖像數(shù)據(jù)用時近150 ms。當測定的圖像數(shù)據(jù)傳輸率≤2 KB/s時，機時占用近50%，并可保證實時網(wǎng)絡信號的正常處理。這時，傳輸一幅160×120×12位的I420格式的彩色圖像，用時為15 s。

4.6 嵌入實時操作系統(tǒng)μC/OSII

嵌入μC/OSII時，要按照程序模塊的不同功能，建立不同的任務(TASK)，并根據(jù)模塊功能的輕重緩急為每一任務設置不同的優(yōu)先級[5]。在實時監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控信號的接收和響應比圖像信號的傳輸具有更高的優(yōu)先級。在嵌入實時操作系統(tǒng)之前，必須人為控制單片機圖像傳輸?shù)臋C時，以保證單片機對實時監(jiān)控信號的接收和響應。在嵌入實時操作系統(tǒng)后，由操作系統(tǒng)來控制和分配圖像傳輸?shù)臋C時，并可及時響應實時監(jiān)控信號。經(jīng)實測，在Tick設置為100 ms時，圖像傳輸穩(wěn)定，實時信號延時在300 ms之內(nèi)，滿足實際使用要求。

5 結(jié)論

用單片機作為服務器，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控和大數(shù)據(jù)量圖像傳輸，可以極大地降低遠程含圖像類實時監(jiān)控的成本，同時減小服務器端設備體積，提高服務器端設備可靠性。研究結(jié)果已應用于深圳某公司生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中，并顯著降低了網(wǎng)絡通信成本。

[1] 劉歡,方華.基于指紋識別的實驗室門禁管理系統(tǒng)設計[J].微型機與應用，2016, 35(23)：93-95, 99.

[2] 潘琢金，譯.C8051F020/1/2/3混合信號ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].[2017-03-26]http:∥wenku.baidu.com/view/0cef7393dd88d0d233d46a0e.

[3] 李子昌，李智，管四海.自動裝載與視頻監(jiān)控遠程控制系統(tǒng)[J].微型機與應用,2017,36(1)：1-3.

[4] BERKELEY L. TCP/IP詳解[M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 2000.

[5] LABROSSE J J. 嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OSII[M]. 邵貝貝,譯.北京：北京航空航天大學出版社，2003.

Network application of high speed and high performance MCU

Jin Xiaowei

(School of Software, Shanxi Agriculture University, Jinzhong 030801, China)

In order to cut down the cost of equipments used in the network for real-time monitoring, high speed and high performance MCU is used as a Web server to transmit a large amount of data on image and control signal. Experimental environment is set up. Images are captured by program in the front end and relative data are transferred in the network under control. At the end, data are processed and original images are displayed. To improve transmission performance on images, an embedded operation system μC/OSII is used. Experimental results show that images are transmitted fluently and control signals are transmitted in real time.

MCU; image acquisition; real-time monitoring; network transmission

TP393.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.20.019

靳小巍.高速高性能單片機在網(wǎng)絡監(jiān)控中的應用[J].微型機與應用，2017,36(20)：65-66,70.

2017-03-26)

靳小巍(1995-)，女，本科在讀，主要研究方向：計算機嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡通信等。