基于DSP的视频检测和远程控制系统设计

 摘要：提出一种视频测和远程控制的嵌入式设计方法，解决了采用具有高性能的数据处理功能的DSP作为视频检测处理器的设计总是；同时，提出在嵌入式操作系统中通信平台的设计方法，实现了在嵌入式操作系统中PCI总线的设备驱动以及通过PPP协议与Internet建立连接。

    关键词：视频检测 PCI总线 PPP协议

引言

随着计算机视觉技术以及图像处理技术的不断发展，计算机视觉和视频检测技术已经广泛应用于工业控制、智能交通、设备制造等很多领域。传统的视频检测往往采用工控机作为其视频处理器来实现其功能。这种方法往往由于工控机处理速度的问题，无法实现对各个不同方向同时进行视频检测，而且由于视频检测处理过程需要占用大量的处理时间，因而无法实现实时的远程控制功能。

目前在远程控制和通信方面，基于DOS和Windows操作系统的通信平台得到普遍的引用，但是DOS操作系统作为单任务操作系统，无法实现多任务功能和实时处理的要求；而Windows操作系统作为视窗操作系统，其系统的稳定性和实时性也无法与实时多任务嵌入式操作相比拟。

本文提出一种以DSP作为视频检测处理芯片，以Linux为操作系统的嵌入式系统设计方法。

1 系统结构

本系统的开发主要包括视频检测卡和x86通信平台的设计2个部分。视频检测卡主要包括模拟图像采集、转换、DSP视频检测3个部分，每块交换参数检测卡扩充PCI总线接口，插在通信开发平台的PCI总线插口上，通过PCI总线同通信平台交换数据。通信平台处理多块交通参数检测卡的通信问题，将视频检测卡通过PCI总线传送过来的视频检测数据实时通过网络传送给控制中心。系统的功能方框图如图1所示。

根据系统设计要求，视频检测卡功能主要分为：模拟图像采集、模拟图像A/D转换、数据缓存以及DSP视频检测5个部分。视频检测卡流程如图2所示。

本系统采用Philips公司的SAA7111A来实现模拟图像A/D转换。该芯片可实现多路选通、锁相与时序、时钟产生与测试、ADC、亮色分离等功能。其输出可以具有如下格式：YUV 4：1：1（12bit）、YUV 4：2：2（16bit）、YUV 4：2：2(CCIR-656)（8bit）等。由于DSP处理芯片和SA7111A的时序不同，可以通过CPLD进行逻辑控制FIFO来完成数据缓存的功能。

DSP是实时信号处理的核心。本系统采用TI公司DSP芯片——TMS320C6211。该芯片属C6000的定点系列，C6211在这个系列中是性价比最高的一种。C6211处理器由3个主要部分组成：CPU内核、存储器和外设。集成外设包括EDMA控制器、外存储器接口（EMIF）、主机口（HPI）、多通道缓冲接口（McBSP）、定时器、中断选择子、JTAG接口、PowerDown逻辑以及PLL时钟发生器。通过EMIF接口扩充SDRAM，而PCI总线控制芯片的扩展通过HPI接口。

PCI总线的接口芯片PCI9050，主要包括PCI总线信号接口和本地总线（LOCAL BUS）信号。在硬件设计时，只需将本地总线信号的接口通过电平转换连接到DSP的HPI接口，同时扩展PCI接口就可以完成其硬件电路设计。

2 通信开发平台的嵌入式系统设计

通信开发平台以x86为核心器件，扩充PCI总线，通过Modem拨号，实现x86与Internet的连接。

2.1 PCI总线设备驱动

PCI设备有3种物理空间：配置空间、存储器空间和I/O空间。配置空间是长度为256字节的一段连接空间，空间的定义如图3所示。在配置空间中只读空间有设备标识、供应商代码、修改版本、分类代码以及头标类型。其中供应商代码用来标识设备供应商的代码；设备标识用来标识某一特殊的设备；修改版本标识设备的版本号；分类代码用来标识设备的种类；头标类型用来标识头类型以及是否为多功能设备。除供应商代码之外，其它字段的值由供应商分配。

命令字段寄存器用来提供设备响应的控制命令字；状态字段用来记录PCI总线相关事件（详细的命令控制和状态读取方法见参考文献4）。

基地址寄存器最重要的功能是分配PCI设备的系统地址空间。在基地址寄存器中，bit0用来标识是存储器空间还是I/O地址空间。基地址寄存器映射到存储器空间时bit0为“0”，映射到I/O地址空间时bit0为“1”。基地址空间中其它一些内容用来表示PCI设备地址空间映射到系统空间的起始物理地址。地址空间大小通过向基地址寄存器写全“1”，然后读取其基地址的值来得到。

PCI设备的驱动过程主要包括下面几个步骤。

首先，PCI设备的查找。在嵌入式操作系统中一般提供相应的API函数，在Linux操作系统中通过函数pcibios_find_device(PCI_VENDOR_ID,PCI_DEVICE,index,&bus,&devfn)可以找到供应商代码为PCI-ID，设备标识为PCI-DEVICE的第n(index+1)个设备，并且返回总线号和功能号，分别保存于bus和devfn中。

第2步，PCI设备的配置。通过操作系统提供的API函数访问PCI设备的配置空间，配置PCI设备基址寄存器的配置、中断配置、ROM基地址寄存器的配置等，这样可以得到PCI的存储器空间和I/O地址空闲映射，设备的中断号等。在Linux操作系统中，访问PCI设备配置空间的API函数有pcibios_write_config_byte、pcibios_read_config_byte等，它们分别完成对PCI设备配置空间的读写操作。

第3步，根据PCI设备的配置参数，对不同的设备编写初始化程序、中断服务程序以及对PCI设备存储空间的访问程序。

    2.2 远程控制与通信链路的建立

与Internet连接的数据链路方式主要有Ethernet方式和串行通信方式。Ethernet连接方式是一种局域网的连接方式，广泛应用于本地计算机的连接。通过Modem进行拨号连接的串行通信方式，可以实现远距离的数据通信，下面详细介绍串行通信接口协议方式。

串行通信协议有SLIP、CSLIP以及PPP通信协议。SLIP和CSLIP提供一种简单的通过串行通信实现IP数据报封装方式，通过RS232串行接口和调试解调器接入Internet。但是这种简单的连接方式有很多缺陷，如每一端无法知道对方IP地址；数据帧中没有类型字段，也就是1条串行线路用于SLIP就不能同时使用其它协议；SLIP没有在数据帧中加上检验和，当SLIP传输的报文被线路噪声影响发生错误时，无法在数据链路层检测出来，只能通过上层协议发现。

PPP（Point to Point Protocal，点对点协议）修改了SLIP协议中的缺陷。PPP中包含3个部分：在串行链路上封装IP数据报的方法；建立、配置及测试数据链路的链路控制协议（LCP）；不同网络层协议的网络控制协议（NCP）。PPP相对于SLIP来说具有很多优势；支持循环冗余检测、支持通信双方进行IP地址动态协商、对TCP和IP报文进行压缩、认证协议支持（CHAP和PAP）等。图4为PPP数据帧的格式。

PPP的实现可以通过2个后台任务来完成。协议控制任务和写任务。协议控制任务控制各种PPP的控制协议，包括LCP、NCP、CHAP和PAP。它用来处理连接的建立、连接方式的协商、连接用户的认证以及连接中止。写任务用来控制PPP设备的数据发送。数据报的发送过程，就是通过写任务往串行接口设备写数据的过程，当有数据报准备就绪，PPP驱动通过信号灯激活写任务，使之完成对串行接口设备的数据发送过程。PPP接收端程序通过在串行通信设备驱动中加入“hook”程序来实现。在串行通信设备接收到1个数据之后，中行设备的中断服务程序（ISR）调用PPP的ISR。当1个正确的PPP数据帧接收之后，PPP的ISR通过调度程序调用PPP输入程序，然后PPP输入程序从串行设备的数据缓存中将整个PPP数据帧读出，根据PPP的数据帧规则进行处理，也就是分别放入IP输入队列或者协议控制任务的输入队列。

PPP现在已经广泛为各种ISP（Internet Sever Provider）接受，而Linux操作系统下完全支持PPP协议。在Linux下网络配置过程中，通过1个Modem建立与ISP的物理上的连接，然后在控制面板（Control Panel）里面选择Netowrks Configuration。在接口（Interface）里面加入PPP设备，填入ISP电话号码、用户以及密码，同时将本地IP和远端IP设置为0.0.0.0，修改/ETC/PPP/OPTION，加上DEFAULTROUE，由ISP提供缺省路由，这样就完成了设备的PPP数据链路设置过程，可以通过Internet实现远程控制。

结束语

该设计方法已成功应用于智能交换系统的交通参数检测系统中。在该系统中，采用4块DSP视频检测卡实现4个不同路面区域的交通参数检测，同时采用Linux作为通信平台的操作系统；通过PPP协议建立与监控中心的连接，实现监控中心对各个视频检测卡的远程控制。

本文提出的视频检测和远程控制的嵌入式系统；通过PPP协议建立与监测中心的连接，实现监控中心对各个视频检测卡的远程控制。

本文提出的视频检测和远程控制的嵌入式系统设计方案，充分利用了DSP的高性能的数据处理功能和嵌入系统操作系统的实时稳定的特点，采用PPP协议建立与Internet的连接，实现视频检测的远程控制。这种DSP信号处理与嵌入式操作系统相结合的模式，可以广泛应用于工业控制、产品制造、智能交通等的视频检测领域，具有广泛的应用前景。