基于A R M的嵌入式视频监控系统设计

林国政，沈小林

(中北大学，山西省 太原 030051)

0 引言

视频监控系统是将视频采集、处理、存储、传输以及显示图像结合在一起，并逐渐走向微型化商业产品行列，已经成为安全防护措施中的重要组成部分，防范能力达到了较高的水平。本文采用嵌入式系统代替PC系统，实现智能化控制；通过摄像头CCD采集后输出模拟信号，经过视频放大与带限滤波通过A/D采样量化转换为特定的数字图像信号，由于摄像头搜索视频范围受限，因此借助工程调试器控制摄像头云台的旋转可以随时收集到其它地方的状况，只要将视频输入插头直接与摄像头连接就可以通过控制仪的TFT-LCD显示出来，屏幕显示所有功能只需按屏幕调节菜单的按钮便可轻松实现；使用Flash 作为存储器，在下电的情况下，通过USB接口与PC相连把采集到的图片信息读取出来。此测试仪带有2.5英寸LCD屏幕，图型发生器，发送彩色图案；OSD菜单设置，操作简单易用；支持RS485接口，可以充电并且省电。

1 视频监控测试仪整体方案设计

本系统选用以PHILIPS公司的ARM芯片LPC2210为控制核心，选用T118B作为视频显示控制器及三星公司的闪存芯片K9F1G08U0M作为图像数据存储。CPLD芯片选用Altera公司的EPM240作时序控制电路，如图1所示为系统结构图。

图1 系统结构图

在视频显示控制上的选型中要建立在嵌入式系统的视频显示接口上并将所需的图像信息转换为能通过视频接口传输的信号方式在终端上显示，通过视频A/D将CCD摄像头输入的PAL等制式模拟视频信号转换成标准的数字视频信号接入视频接口输入插头。视频解码调节电路中T118B系统配置的视频输入信号有6xCVBS, 2xSvideo 与2xCVBS或1xCVBS，1xS-Video几 种 配置，TFT-LCD显示器可以直接通过T118B直接驱动，不需要再接驱动电路。T118B的数据传输是通过I2C总线直接传输，因此可选用性价比较高的LPC2210进行控制。128M×8bit 的K9F1G08U0M 是一个1Gbit 并带备用的32Mbit 容量的存储器,在数据页上的数据可在30ns内读出一个字节。I/O 引脚可作为地址和数据输入输出以及命令输入。在线写控制器自动操作所有编程和擦除功能，包括脉冲重复以及内部校验及数据余量。可利用K9F1G08X0M的扩展的可靠性的100k编程/擦除周期。其中CPLD在系统中起到了缓存的作用，RAM通过对I2C 总线进行初始化，初始化完毕后，T118B就开始工作，可直接将输入的配置信号转换为数字信号，接着将信号输入到CPLD中，CPLD可以起到两方面的作用，一方面可以起到格式转换的作用，但主要的一方面是作为地址发生器对SRAM中12bit的数据位可与CPLD对应的数据位相连，作为与SRAM与FLASH传输数据的一条总线。

2 主要硬件系统设计

2.1 电源电路

选用的是TI公司的TPS767D318线性稳定电压且能同时输出3.3V和1.8V的电压提供给T118B，此芯片稳定性好。

2.2 主控制器与存储器

SRAM中12bit的数据通过CPLD的控制后，先输入高8位给Flash，再输入低4位，这样，一个12bit的数据写入Flash连续的两个地址下。同样，CPLD的8条数据线IO0~IO7与ARM的I/O端口以及与Flash的8条数据线相连，作为另一条数据总线。SRAM中3个与存取操作有关的控制信号CE，WE，OE都由CPLD的相应位来控制，CPLD的时序是由ARM控制的用于使能SRAM的读使能信号OE，片选信号CE以及写使能WE，由CPLD输出的数字信号将像素逐个的存入到SRAM中，当一帧图像传输并同时保存后，则对ARM发出读取信号，将一帧图像从SRAM中读出，这样读出的数据就可直接写入Flash中，同时送入液晶显示模块中进行显示。

2.3 屏幕显示电路

ARM通过系统总线把字符及控制信息写入到字库存储器芯片MBM29F040C中在掉电后仍然保持原有程序。先将在视频信号输入过程中要使所采集到的视频信号对行同步、场同步以及奇偶场同步信号分离，在视频信号处理中，同步信号分离电路使发送端的信号能够正常的重现，接收端与发送端的像素在时间准确性上和屏幕上的结合是相当重要的，因此，系统采用LM1881芯片完成同步分离，能够准确的显示接收到的信号并分离出各种同步信号，确保各种信号之间的逻辑关系。信号进行同步分离后需在原有的视频信号上实现同步信号叠加，从字符存储器中提取字符信号转换成视频制式信号与原视频信号结合在一起供给OSD视频叠加模块，选用液晶显示屏MB90092支持的不同颜色字符，显示点阵为24×32；通过LM1881提供同步信号经其视频信号输入脚将原视频信号与字符信号叠加，直接输出复合视频信号至监控仪，直接在监控仪上显示出不同的图形背景颜色和不同字符颜色的文本，受外部信号触发，ARM发出命令，控制MB90092从MBM29F040C字库存储器的相应地址读出标识，完成了叠加字符代码生成字库查询地址提取字符数据的任务。

2.4 TFT-LCD与视频解码T118B的接口电路设计

本系统选用TFT-LCD模块是台湾统宝的TC020THEA6，先将T118B与TC020THEA6通过排线连接起来，其中T118B的管脚CPH1、CPH2、CPH3分别与TC020THEA6的DCLK、DIN0、DIN1连接，提供时钟数据；STH1、HS分别与VSYNC、HSYNC管脚连接，产生的水平同步信号的频率与帧同步信号相同，大概为50Hz，同时垂直同步信号产生15kHz的频率与场同步信号的频率相同； GOE管脚与DIN5管脚连接作为栅极驱动输出的使能端；STV1、STV2管脚分别与DIN6、DIN7管脚连接作为栅极驱动的脉冲源；GCLK管脚与DIN4管脚连接作为栅极电路的输出时钟；LP管脚与DIN3管脚相连作为源级驱动电路的锁存器；Q1H管脚与DIN2管脚相连作为源级驱动，RSTB管脚与GREST管脚连接可以重新驱动芯片。必须准确理解TFT-LCD的参数，结合T118B的相关参数。在使能控制U/D和L/R与高电平或低电平连接时，通过控制STVR/STVL和STHR/STHL只要将控制参数配置为INPUT/OUTPUT时，就可以改变屏幕上下的旋转。

2.5 RS485通信电路

本系统选用由专业的通讯接口器件厂商SIPEX公司设计生产的SP485R作为高性能的RS485收发器，可以代替通用的RS485收发器，主要集成了ESD保护措施，在接收器输入端电缆处有开路故障时，不会使电路失调输出仍然拉高，不影响系统的正常工作。经过ARM串行接口后通过RXD 直接连接SP485R 芯片的RO引脚，TXD直接连接SP485R 芯片的DI 引脚。ARM输出的R/D 信号直接控制SP485R 芯片的发送器/接收器使能端，当R/ D 信号为“1”时，则SP485R 芯片的发送器有效，接收器禁止，控制器向RS485 总线发送8位数据；当R/D 信号为“0”时，则SP485R 芯片的发送器禁止，接收器有效，控制器接收RS485 总线的8位数据。

3 系统主程序软件设计

系统上电后先对ARM初始化以及特殊寄存器赋值，以及采取软件复位方式对视频处理芯片初始化，通过延时打开通道开关对T118B芯片寄存器初始化；键盘初始化提供于对显示模式的控制；总线采取从模式初始化方式，可选取合适的I/O口功能选择；OSD初始化完成后，使用初始化得到的不同结果输入给视频处理芯片并解码后通过键盘程序进行处理。当检测到菜单键按下时，进入OSD操作程序，用户根据自己的选择可以得到不同的OSD信息。当检测到模式键按下的时候，程序开始在配置模式规定的视频输入信号之间切换，一直切换到模式方式结束，又重新跳回第一次的切换方式，另外也可按1：2比例切换方式采取按键操作。制式检测完后返回到键盘扫描处理程序，如果需要存储图像信息就将图像存储在FLASH中通过USB与终端输出连接，如果不需要则开始另一个新的循环操作，如图5所示为系统主程序流程图。

图5 系统主程序软件设计流程

4 屏幕显示与制式方式配置

先存储标志不同的视频信号，禁止OSD的运行，如图6所示系统默认初始化为复合视频信号可通过按下确认键根据不同方式的命令配置选择对应的模式，接着ARM根据制式方式的不同所反馈信息来读取寄存器中的值，如果制式发生改变则调用Scaling函数和显示处理函数将显示模式控制为比例值1：2，如果制式没发生变化，则继续检测制式的变化情况，最后通过CPLD负脉冲递减计数，将字体的个数、色彩表等属性发送到缓冲寄存器，以至于清零至地址为0X0C00退出。

图6 屏幕显示与制式方式配置流程

5 调试结果

要使整个可视化的OSD菜单能够正常显示，关键是要使T118B的寄存器实现寄存器写数与读数的功能，如图7所示是两幅T118B实现的分页地址切换，数据的写入与读出的变化证明了T118B寄存器能够正常的工作，对于页擦除寄存器、背光寄存器、时间输出寄存器都带有镜像功能，通过软件将地址0XE2写入0X11，就可更新T118B寄存器的值，产生下一次的读数。

图7 T118B寄存器调试情况

为了使输入按键值和显示器输出时的亮度之间具有高光到暗调之间色调的分布，可以调节伽玛值的大小，通过图8调整可以通过T118B的值改变图像中间色调灰阶的亮度值，以增加图像的中间层次，而不会对暗部和亮部的层次有太大的影响。输入为1时，曲线的曲率成45°，若输入一个比1大的数，将扩大中间色调的范围，这样便能使中间色调占很大比例的图像产生较小的对比度和较多的细节。例如一种颜色由蓝色和黑色组成，蓝色的亮度为10%，绿色的亮度为30%，未经过伽马矫正的显示器的伽马值是0.8，通过校正后结果的色调灰度将分别为50%和60%，其色调灰度增加了。

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