陳榮濤，葛 芬 發表於 2017-11-17 11:23:01
摘 要： 針對傳統固定監控架設成本高、監控有死角且需要布置的視頻採集端個數太多的情況，提出一種基於ARM和FPGA相結合架構的移動視頻監控系統及其軟硬體實現方法，在減少視頻採集端節點的前提下，能夠全方位實時捕捉用戶所需的信息。該系統由電機控制模塊、視頻採集模塊和無線網絡控制模塊構成，實現了無線視頻監控系統；基於Linux作業系統、Web伺服器和視頻編碼器，實現了用戶可以通過Internet遠程查看目標現場的狀況。
中國視頻監控市場快速發展，數字監控逐步成為主流，網絡化、個人化和智能化將是中國視頻監控市場重要的發展趨勢。但當前基於流媒體傳輸的技術對網絡條件要求較高，不能大面積推廣，固定監控成本太高。如何將視頻監控與Interne相結合，使監控人員可以隨時隨地實施監控，是現代監控技術急需解決的問題。另一方面，目前視頻監控系統採用的微控制器多是ARM9、ARM11等系列微控制器，ARM微控制器硬體外設出廠時已經固定，不利於用戶進行硬體擴展和升級，而ARM和FPGA相結合的多晶片解決方案又會導致系統成本太高，同時還會造成系統資源的浪費，功耗太大。針對以上不足，本文提出了一種新的解決方案，採用Zynq系列處理器，晶片採用的是高性能Cortex-A9雙核和FPGA相結合，ARM部分可以解決高清視頻的處理問題，可編程邏輯FPGA部分可以升級和擴展硬體。
1 移動視頻監控系統架構本設計的主控板為Digilent公司的ZedBoard開發板，主晶片Zynq7020結合高性能雙核ARM Cortex-A9 MPCore處理系統和可編程邏輯於一體[1]。視頻採集端位於移動小車之上，從而達到移動採集視頻的目的。系統的設計主要包括ARM控制部分的設計和FPGA邏輯部分的設計。ARM部分主要用來運行作業系統和系統上的應用軟體，如Web伺服器Boa，視頻編碼器mjpg-streamer；FPGA部分主要用來擴展硬體資源，進行小車電機驅動部分PWM IP核的設計。系統總體結構框圖如圖1所示。各模塊功能為：攝像頭負責視頻圖像採集，Zynq主控模塊負責ARM作業系統部分和FPGA邏輯資源部分，電機控制模塊負責智能小車的運動，Boa Webserver負責網絡的交互，無線路由器負責無線網絡數據的收發。
系統上電之後，首先自動執行晶片內部固化的晶片初始化程序，然後執行第一階段的啟動加載器FSBL，使用比特流文件（PWM IP核設計生成的bit文件）對FPGA部分進行配置，待FPGA配置完成後，開始執行U-boot引導程序，啟動Linux作業系統[2]。系統啟動完成後，智能小車通過無線路由器產生無線信號，用戶在另一端就可以通過網絡來連接智能小車終端，實施視頻監控。用戶和系統的交互實現如圖2所示。
本文主要介紹電機控制部分的設計，具體包括電機控制部分硬體電路的設計，FPGA部分PWM IP核的設計，Linux作業系統PWM驅動程序的設計。
2 電機控制部分的設計2.1 電機控制部分硬體電路的設計
該模塊主要由L298P雙H橋直流電機驅動晶片實現。由於一個L298P晶片可以驅動兩個直流電機，小車有4個車輪，因此需要兩塊L298P晶片[3]。同時，為了減少使用的FPGA I/O引腳數量，在原理圖設計中採用了四二輸入或非門晶片SN74HC02D，這樣用兩個I/O引腳就可以控制L298P的4個輸入端。DIR1、DIR2、PWM1、PWM2通過Zedboard的PMOD接口與FPGA相連。原理圖如圖3所示，圖中IN1、IN2、IN3、IN4為輸入信號，ENA、ENB為使能信號。ENA控制IN1、IN2的輸入使能，ENB控制IN3、IN4的輸入使能。當ENA為1，DIR1為1時（也就是IN1為0，IN2為1時），P1接口上的電動機正轉；當ENA為1，DIR1為0時（也就是IN1為1，IN2為0時），P1接口上的電動機反轉；當ENA為0時，P1接口上的電動機停止。與P2口連接的電動機原理同上。
2.2 FPGA部分PWM IP核的設計
Xilinx嵌入式系統部分的設計由其公司推出的EDK（Embedded Development Kit）開發套件實現，EDK具有完成嵌入式系統設計的一整套工具，即：硬體設計工具XPS（Xilinx Platform Studio）和軟體設計工具SDK（Xilinx Software Development Kit），硬體設計步驟如下：（1）設置新工程路徑；
（2）自定義IP配置外設；
（3）建立UCF文件；
（4）bit流的生成[4]。自定義IP的部分主要實現電機的正轉，反轉和停止控制。關鍵VerilogHDL代碼如下：
case（state）
//電機停止
′NOP：{pwm_left，pwm_right}<={7′d0，7′d0}；
′GOING：//電機正向旋轉
begin
if（dis_value>31）
{pwm_left，pwm_right，dir_lself，dir_rself}
<={7′d100，7′d100，1′d0，1′d0}；
else
{pwm_left，pwm_right，dir_lself，dir_rself}<=
{{dis_value[4：0]，2′b0}，{dis_value[4：0]，2′b0}，1′d1，1′d1}；
end
′RETURN：//電機反向旋轉
begin
if（dir_value==3′b010）
{pwm_left，pwm_right，dir_lself，dir_rself}<={7′d80，7′d80，1′d1，1′d0}；
else
{pwm_left，pwm_right，dir_lself，dir_rself}<={7′d80，7′d80，1′b0，1′b1}；
end
endcase
在本設計中，對電機的控制，傳輸的數據量較小，只需要添加一個低速的AXI4-Lite總線設備PWM模塊來控制PMOD接口就可以實現硬體設備之間通信，其中AXI4-Lite的全局時ACLK設置為100 MHz，PWM模塊分配的起始物理地址為0x6CA00000，空間大小為64 KB，PWM配置信息如圖4所示。
2.3 Linux下電機驅動部分的設計
由於遠端傳輸是在Linux系統下TCP/IP協議實現的，因此，編寫Linux下的IP驅動，應用程式就可以通過Linux的標準接口訪問FPGA的PMOD接口設備。本設計編寫的是字符型設備驅動程序，包含設備加載、設備卸載以及文件操作函數。PWM模塊加載時系統調用module_init（pwm_init）宏實現模塊的初始化操作，在本系統中pwm_init（）函數主要完成以下工作：（1）內核註冊字符型設備驅動；（2）創建PWM設備類；（3）利用PWM設備類創建設備；（4）將PWM模塊物理地址映射到虛擬地址上[5]。部分關鍵代碼如下所示：
//XPS分配的物理地址
#define PWM_MOUDLE_PHY_ADDR 0x6CA00000
//註冊驅動
pwm_driver_major=register_chrdev（0，DEVICE_NAME，&pwm_driver_fops）；
pwm_driver_class=class_create（THIS_MODULE，"
pwm_driver"）；//創建設備類
pwm_driver_device=device_create（pwm_driver_class，NULL，MKDEV（pwm_driver_major，0），NULL，"pwm_device"）；
//利用設備類創建設備
//將PWM IP物理地址映射為虛擬地址
pwm_fre_addr=（unsignedlong）ioremap（PWM_MOUDLE_ PHY_ADDR，sizeof（u32））；
初始化工作結束，但是僅有初始化函數，設備仍然無法工作，還需要有實現頻率和佔空比的調節機制。控制PWM的頻率函數如下所示：
static ssize_t sys_pwm_frequency_set（struct device*dev， struct device_attribute*attr，const char*buf，size_t count）
{
long value=0；
int i；
frequency=0；
//修改頻率之前，關閉PWM模塊
outl（value，pwm_fre_addr）；
//將寫入pwm_frequency中的字符串轉化為整數
for（i=0；i100000000）value=100000000；
value=100000000/frequency；
//將計數值寫入到PWM模塊的pwm_fre_addr寄存器中
outl（value，pwm_fre_addr）；
return count；
}
控制PWM佔空比的函數和控制PWM頻率的函數一樣。
3 實驗結果及測試系統的主控制板為Zedboard開發板，上電啟動後，無線路由器會發布一個SSID為Tp_Link_5C90的無線網絡，可以通過任何可以上網的設備連接這個網絡。在瀏覽器中輸入網址：192.168.1.100，就會登錄到移動視頻監控的網頁上，通過界面的按鈕控制視頻終端的運行。
本文設計採用Xilinx All Programmable晶片Zynq作為主控CPU，FPGA部分可以實現邏輯擴展和功能補充。例如：自定義通信協議、IP核，同時還可以利用Xilinx的部分可重配置技術升級硬體系統，易於後期擴展和硬體升級；ARM部分採用的是性能較高的Cortex-A9雙核，使得對高清晰視頻的處理較為流暢，而且系統整體功能也比較穩定。相比於傳統的模擬監控，數字視頻處理技術提高了圖像的質量和監控效率。
設計中採用軟硬體協同設計的方法，即：在整個系統及定義的基礎上，同時對軟硬體進行設計和協調，其中包括軟硬體的劃分（哪些功能使用軟體完成，哪些功能使用硬體完成）、軟硬體系統的開發與聯合調試，降低了開發風險，縮短了開發周期。
參考文獻
[1] Xilinx Inc. UG585， Zynq-7000 All Programmable SoC Technical Reference Mannual[Z]. 2013.
[2] Xilinx Inc. UG873， Zynq-7000 All Programmable SoC： Concepts， Tools and Techniques[Z]. 2013：12-35，40-53.
[3] 王芳芳，張歡.基於Zynq平臺的動態智能家居系統的設計[J].軟體，2013，34（8）：98-100.
[4] 胡典榮，郭春生.基於ZedBoard的SPI和乙太網傳輸設計[J].杭州電子科技大學學報，2013，33（5）：126-129.
[5] 陸佳華，江舟，馬岷.嵌入式系統軟硬體協同設計指南：基於Xilinx Zynq[M].北京：機械工業出版社，2013.
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