基于ARM的嵌入式监控终端的设计与实现毕业设计论文

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1、 基于ARM的嵌入式监控终端的设计与实现 毕业论文（设计）题目：基于ARM的嵌入式监控终端的设计与实现 2014年 5月基于ARM的嵌入式监控终端的设计与实现摘要 在微电子技术、计算机技术、多媒体技术和网络技术的巨大推动和整个社会信息化程度提升的特殊背景下，视频监控获得了极大地关注和迅猛的发展。视频监控的应用范围不再局限在一般的公共场所安全防范，企业生产经营监控、道路交通智能化管理、家庭安全监控等新的领域也受到了广泛的应用。无线通信技术特别是第三代移动通信技术的发展更是为视频监控提供了更加灵活方便的组网方式。同时在现代数字信号处理技术和人工智能技术的巨大推动下，目前的监控系统己经发展到了智能化

2、的阶段。本文正是基于这种应用背景，设计了一款基于ARM的嵌入式监控终端。本文所设计的监控终端主要有以下部分组成:视频采集模块，视频处理模块，中心控制模块，无线传输模块组成。系统整体设计方案采用ARM与专用视频处理芯片相结合，ARM完成网络管理和进程管理等任务，而视频芯片完成原始数据的H.264压缩。监控终端通过3G网络与后台控制中心完成数据交互，基本适应了现代社会对视频监控的基本要求。本论文主要完成的工作和创新点如下:1.通过对系统功能的分析，介绍了嵌入式视频监控终端整体方案的选择，在系统硬件架构选择上采用ARM与视频处理芯片相结合的方式，改变了传统的单芯片处理数据的模式，大大提高了系统的性能

3、。在编码方式上，采用了压缩比率更高的H.264压缩方案，传输的图像相比较以前的MPEG方案质量更加的好，并且数据量很小，在以流量计费的3G时代，更加凸显了本终端的优势。在组网方式上，采用3G方式进行组网，相比较以前的监控终端，在组网方式上更加的灵活方便，更加容易扩展和升级。2.针对本文选择的芯片，完成了采集模块，视频处理模块，中央控制模块和无线传输模块以及PCI通信接口的电路设计，给出了本文所设计的监控终端的原理图和实物图。并且根据以往经验和本终端设计遇到的实际问题，对PCB设计中可能遇到的技术难点进行了总结和归纳。3.构建了基于SL3512的软件开发平台，对主要的步骤和流程进行了全面的阐述，

4、在引导程序boot loader的选择上，创新性的采用了依赖于SL3512设计的SLboot，并且对它的启动和运行过程进行了细致的说明。4.对嵌入式终端驱动程序的开发流程和基本原理进行了全面的阐述，在一定程度上弥补了以前嵌入式终端设计的不足，针对本终端完成了ARM处理器与视频视频处理模块通信的PCI驱动程序的开发和加载。5.完成了基于FH8735软件工具开发包SDK实时视频点播和动态监测等定制化模块的开发，在一定程度上弥补了国内视频监控终端对动态监测和遮挡报警等重要功能的空白，基本满足了当代社会对嵌入式系统智能化的要求。对无线传输模块的数据链路层，网络层所需要的协议和基本原理进行了深入的研究，

5、并且给出了具体的实现方案，对于嵌入式系统的开发具有一定的指导意义。 6.最后对本文监控终端所涉及的主要应用领域和未来的研究方向进行总结和展望，对进一步需要补充和完善的地方进行了说明。 关键词：监控终端、第三代移动通信、ARM;Linux、PCI、套接字     分类号：TN911Design and implement of the embedded monitoring terminal based on  ARM 

6、; AbstractThe video monitoring are greatly concerned about and rapidly developed in the particular context of the huge promotion of micro-electronics technology, computer technology, mu

7、ltimedia technology and network technology, and the promotion of information technology of the whole society. The applications of video monitoring are no longer confined to th

8、e general security of public places. Production and operation monitoring, intelligent road traffic management and home security monitoring have been widely used. The development of

9、 wireless communication technology, especially the third generation mobile communication technology, is more flexible and convenient for video monitoring. Meanwhile, the current monitoring&#

10、160;system has been developed to the stage of intelligence under the boost of the modern digital signal processing technology and artificial intelligence technology. An ARM-based&#

11、160;embedded control terminal is designed based on this application background. Monitoring Terminal designed mainly contains four components, they are video capture module, the video

12、60;processing module, the central control module and the wireless transmission modules, respectively. The overall system designed uses the ARM combined with the special video proce

13、ssing chip. The task of network and process management can be achieved by ARM. The H.264 compression of the raw data can be completed by the video chip. Data

14、60;exchanges can be completed by monitoring terminal through the 3G network and backstage control center, which basically adapted to the basic requirements of modern society o

15、n the video monitor. The work and innovation of this paper are mainly as follows: (1) By analyzing the system functions, the choice of the overall program for e

16、mbedded video monitoring terminal is described. The choice of system architecture using a combination of ARM and video processing chip, the performance of the system has 

17、greatly improved by changing traditional data processing mode for single-chip. A higher compression ratio of H.264 compression scheme is used to encode, the quality of image&#

18、160;transmitted is much better and smaller amount of data compared to the previous MPEG program. The advantages of the terminal are more prominent in the 3G era of&#

19、160;traffic accounting. In networking, the 3G way network is used, which is more flexible, easier to expand and upgrade compared to the previous monitoring terminals. (2) 

20、;The acquisition module, the video processing module, the central control module andhe wireless transmission modules and PCI communication interface circuit are designed based on t

21、he chip selected. Then the schematic and physical graphs of the monitoring terminal are given. Technical difficulties encountered in the PCB design and inductions are summariz

22、ed according to practical problems encountered in the past experience and the process of terminal design. (3)  A software development platform is built based on the 

23、SL3512, and the detail steps and processes are given. In the choice of boot loader, the SLboot depending on the SL3512 design is used. Its start and running pro

24、cess is described in detail. (4)  The development process and the basic principles of embedded terminal driver are comprehensively proposed, which compensate for the applicati

25、on design deficiencies of the previously embedded terminal to a certain extent. The development and load of the ARM processor and video processing PCI driver module are&#

26、160;achieved. (5)  SDK real-time video demanded and dynamic monitoring module based on the FH8735 software tool are completely developed. To a certain extent, it compensates&#

27、160;for the blank of the domestic Video Monitoring Terminal on the dynamic monitoring and occlusion alarm function, which meet the basic contemporary society of intelligent em

28、bedded systems requirements. The wireless transmission module, the data link layer, network layer protocols and the basic principles are studied in depth, and specific implementati

29、ons are given. It has a guiding significance for the development of embedded systems. (6) Finally, the main application areas are summarized and future research direction 

30、;is outlooked of the monitoring terminal, and supplement and improve is proposed to the further need. Keywords：monitoring terminal、3G、ARM、Linux、PCI、socket Classification、TN911目 录第一章 绪论81.1视频监控系统的发展历程81.2嵌入式监控系统

31、的发展趋势10第二章 系统整体方案设计122.1 系统整体架构122.2 硬件整体架构的选择122.2.1 主流微处理器132.2.2 ARM微处理器的优点142.2.3 本终端中央架构152.3操作系统的选择162.4 传输网络的选择192.5 视频压缩标准的选择21第三章 嵌入式终端硬件模块的设计243.1整体架构243.2 视频采集模块243.3 视频处理模块263.4 中心控制模块283.5 PCI接口电路设计293.6电源模块31第四章 终端软件

32、平台的构建334.1 Linux嵌入式开发简介334.2 SL3512Linux开发环境的搭建334.3 控制台软件的选择344.4 Boot Loader简介344.5根文件系统35第五章   监控终端软件系统开发365.1  软件整体架构概述365.2 终端驱动程序开发375.2.1 Linux下设备驱动程序简介375.2.2 驱动程序开发原理385.2.3 终端PCI接口驱动395.2.4 驱动程序的编译和加载405.3 终端网络

33、层的实现405.4 基于RBAC权限管理的后台监控42第六章  总结和展望436.1本文主要工作436.2 研究展望44参考文献45致 谢47第一章 绪论1.1视频监控系统的发展历程自20世纪80年代以来，视频监控系统在我国各领域蓬勃发展，视频监控已经深入到社会公共安全的每一个角落。伴随着视频监控系统从以矩阵为核心代表的模拟监控系统，跨越终端以硬盘录像机为代表的半数字化监控系统，到目前前端以网络视频为代表的全数字监控系统，各项新技术、新产品从无到有从非主流到主流，引领着视频监控行业不断向前发展。     

34、第一代视频监视系统是指以矩阵为核心的传统模拟监控系统，系统主要由模拟摄像机专用视频电缆、切换矩阵、监视器、模拟录像设备及盒式录像带等构成。系统只是解决小范围，短距离的监控雳求。     其系统特点： 1）视频信号的采集、传输、存储均为模拟形式；质量高；     2）经过几十年的发展，相应技术成熟。     其存在很多明显的缺点： 1）范围有限；距离有限，无法进行远程管理、访问；    &

35、#160;2）系统增扩容难度大，成本高； 3）大量磁带存储、人工手动查询，管理维护复杂；     4）无法与其它安防系统有效集成。 第二代视频监控系统是指以硬盘录像机为代表的半数字化监控系统，系统的显著优势在于充分发挥了计算机技术的功能，为用户提供了更人性化的测览、管理方式。在很多方面解决了模拟矩阵技术无法解决的难题，是第一代技术的延伸。     其系统特点： 1）视频、音频信号的采集、存储为数字形式，质量较高； 2）存储的数字化，大大提高用户对录像信息的

36、处理及查询能力；     3）向下兼容，可实现对第一代模拟监控产品的升级改造； 4）硬盘录像系统功能的网络化及光端机的出现解决了视频图像远距离传输的问题，使人们对远距离大范围监控以及视频资源共享的迫切需求得到了满足； 5）嵌入式硬盘录像系统的出现为用户提供了更高的可靠性、更简易的安装方便；其优势使其得到广泛应用。 可以说硬盘录像技术的成熟大大加快的视频监控民用化的趋势，并得以大范围的应用，而又正是在大范围应用的大潮中，其不足之处暴露了出来。 1）硬盘录像系统仍未摆脱第一代模拟监控的影响，从监控点到中心为模

37、拟方式传输，需铺设电缆或光缆，系统越大建设成本越高，不易维护且维护费用较大； 2）单机容量有限，在大型系统中，不适用于集中录像，录像文件的统一管理不便；     3）硬盘录像系统网络化功能有限，大范围应用管理、维护复杂。 第三代视频监控系统是指以前端网络视频为代表的全数字视频监控系统，视频从前端图像采集、传输即为数字信号，并以网络为传输媒介，实现视频在网上的传输，并通过设在网上相应的功能控制主机来实现对整个监控系统的浏览、控制与存储。 其系统特点： 1）堆叠式的结构，高度的灵活性、可扩性，支持任意网络拓补

38、结构；     2）更加经济高效的基础架构，简化了管理层次，节省了大量线材；     3）安装维护便捷、解决方案多样； 4）视频的无损交换、复制与存储，无距离限制，网达即达；     5）充分利用已有成熟TCPIP网络技术，接入方式多样；     6）便于和现有应用和新建应用的有效集成；实现多网合一。 正是由于网络视频产品的诸多优势所在，近几年网络视频产品得到了广大用户和工程商

39、的信赖，驶入了应用的快车道，在各领域得到了大范围的推广应用，并在慢慢替代传统视频产品，成为市场的主流。与此间时，传统的模拟产品也开始了网络化之路。一些公司利用其丰富的产品线，扎实的研发功底，在业界率先推出众多网络一体化产品，如：网络摄像机网络一体球网络矩阵网络键盘网络报警主机网络切换器网络门禁等等。1.2嵌入式监控系统的发展趋势信息时代，数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机，为嵌入式市场展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战，从中我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势：    嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要

40、提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。 目前很多厂商已经充分考虑到这一点，在主推系统的同时，将开发环境也作为重点推广。比如三星在推广Arm7，Arm9芯片的同时还提供开发板和板级支持包（BSP），而WindowCE在主推系统时也提供Embedded VC+作为开发工具，还有Vxworks的Tonado开发环境，DeltaOS的Limda编译环境等等都是这一趋势的典型体现。当然，这也是市场竞争的结果。   网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高，使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波

41、炉等功能不再单一，结构更加复杂。   这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如32位、64位RISC芯片或信号处理器DSP增强处理能力，同时增加功能接口，如USB，扩展总线类型，如CAN BUS，加强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片上系统（SOC）的概念。软件方面采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 网络互联成为必然趋势。   未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口。

42、传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支持TCP/IP协议，还有的支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口中的一种或者几种，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。软件方面系统系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入Web浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网。     未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了减低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要求设计者选用最佳的编程模型和

43、不断改进算法，优化编译器性能。  提供友好的多媒体人机界面   嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面。图像界面，灵活的控制方式，这要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面，多媒体技术上花费更多的精力。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使使用者获得自由的感受。第二章 系统整体方案设计2.1 系统整体架构嵌入式系统 (Embedded System)是一个以应用为中心、以计算机，电子半导体，电子技术为基础，软件硬件可定制的，针对应用系统对低功耗，低成本

44、，有苛刻要求的专用计算机系统。 嵌入式视频监控终端是嵌入式系统的典型产品，它所应用的监控领域也是嵌入式系统的主要应用的领域之一。从它的定义我们不难看出：它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视和管理等功能。嵌入式系统具有软件代码少、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务处理的场合 本文所设计的嵌入式视频监控终端主要完成视频数据的采集、频数据的压缩、络接入、协议的封装等功能。它主要由中央微处理器及其外围设备、嵌入式操作系统为核心的软件平台以及相应的应用程序组成。本文所设计的嵌入式视频

45、监控终端以及所涉及的视频监控系统的整体架构如图2-1所示：嵌入式视频监控终端传输网络后台控制中心图2-1视频监控系统基本框架2.2 硬件整体架构的选择嵌入式微处理器是嵌入式视频监控终端的CPU，它的性能的好坏直接关系到本系统整体的性能，是硬件选择中最重要的一部分。选择一款合适的处理器，不但能起到事半功倍的作用，甚至有可能发挥的效用都是自己意想不到的。在现在的微处理器领域，有很多的嵌入式处理器能够供我们选择，现在我们就对这些常用的处理器做一下简单的介绍。2.2.1 主流微处理器 （1）ARM微处理器   ARM微处理器是基于英国全球领先

46、32位RISC(精简指令集计算机)微处理器知识产权设计供应商的ARM公司内核所生产的一类微处理器的统称，对高性能、低成本、低功耗有着苛刻要求的嵌入式产品提供了完成的芯片级解决方案。这类处理器的应用领域十分的广泛，并且获得了巨大的成功，已经逐渐成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的RISC标准。 （2）MIPS处理器 MIPS处理器是由MIPS公司自主研发的针对高性能，高档次的嵌入式应用而开发的一类处理器的统称18。MIPS公司自成立之日起，就相继开发出了一系列优秀的芯片，并开发了与之配套的软件技术，在很多领域获得了巨大的成功，特别是在工业控制领域比如说智能机

47、器人方面发挥出了自己独特的优势。但是在针对手持终端设备这一块，它的价位比较高，并且与之相关的软件支撑也略显不足，因此在本设计中，虽然这个处理器也是很好的选择，但是考虑到成本和二次开发的可操作性上，暂时没有用MIPS处理器。    （3）Power PC处理器 由IBM、Apple和Motorola公司开发的Power Pc处理器也是位处理器领域极具代表性的芯片之一，并且其架构具有可伸缩性好，方便灵活的优势，在许多对性能要求很高的场合发挥了其独特的优势。但是这款处理器功耗比较大，一般不适合于对低功耗要求的比较高的移动设备的应用

48、上，因此本设计暂时不考虑这款处理器。   （4）x86处理器 X86处理器是基于CISC(复杂指令集计算机)架构的处理器，曾经在通用电脑的应用方面获得了巨大的成功，至今为止仍然是计算机领域最具优势的处理器。但是其成本较高，并且指令反复复杂，另外芯片的体积比较大，因此不符合本设计终端对体积轻便的要求，暂时不考虑X86处理器作为本终端的中央CPU。表2-2中列出了主要的嵌入式微处理器的特性。处理器类型处理器价格处理器性能应用场合ARM低功耗低 性能较高应用范围广MPIS较低功耗低 性能较高便携通信设备，工业控制Power PC高功耗较高 性能高通信，网络设备

49、X.86高功耗高 性能高个人电脑表2-2 主要的嵌入式微处理器特性比较2.2.2 ARM微处理器的优点面对如此众多的处理器，考虑到本设计终端对低功耗，低成本，低体积方面的严格要求，因此最终决定选择ARM处理器作为本终端的中央CPU，下面简单介绍一下ARM微处理器相比其他很多的处理器无可比拟的巨大有点。 (1)高性能、低功耗、低价格 在嵌入式终端产品的开发过程中，对于低功耗的理念必须一直贯彻在没一个环节上。ARM公司提供的芯片解决方案在保证性能的情况下能够将功耗降到最低，在性能功耗比方面远远领先于其他的芯片。同时ARM芯片的价格也是非常的低，甚至有的也就十几元，这在

50、嵌入式开发领域无疑能够极大地降低成本，因此成就了很多的低中端用户。 (2)丰富的可选择芯片    ARM公司并不生产自己的芯片，只是开发有知识产权的内核，并且与全球几乎所有的半导体厂家都有业务往来，许许多多的半导体公司比如说ST、TI、NXP、Samsung、OKI、Sharp、Crystal等厂家都基于ARM内核开发出了自己的具有专业特色的芯片，在业界形成了具有不同品牌但是内核相同的ARM芯片。因为不同的ARM芯片都有自己专一的特定特色，或是针对具体应用，或是针对降低功耗，或是针对某一性能，用户可以根据自己的实际需求，选出性价比最高的ARM芯片来设计自

51、己的产品。 (3)广泛的第三方支持 ARM公司从成立之初就非常注重第三方的合作，在二十多年的发展中，已经获得了全球约有50家以上的实时操作系统（RTOS）软件厂商和30家以上的EDA工具制造商的支持，他们设计的产品如编译器，调试环境，嵌入式操作系统等都对ARM提供了完整的技术支持。采用基于ARM内核的处理器开发自己的产品，不但能够运用成熟的软硬件支持来缩短开发周期，并且在业内有许许多多的专业人士供我们沟通交流，来进一步提高我们的水平。 (4)完整的产品线和发展规划 ARM公司设计的内核能够根据不同应用需求对处理器性能的不同要求，设计了一个从ARM7、AR

52、M9到ARM10、ARM11，以及新定义的Cortex M/R/A系列完整的产品线。用户在选择ARM处理器时，可以针对应用需求，从大量的ARM芯片中选用满足自己设计性能、功能要求的产品，以获得较好的性价比。 综合考虑成本，功耗以及需要的第三方技术支持等多方面的考虑，中央微处理器采用基于ARM9内核的芯片。同时由于本系统是专门针对视频监控而设计，视频图像处理需要很大的计算量，因此对处理器的计算性能提出了更高的要求，用单纯的ARM处理器进行视频数据的处理显然不能满足本方案的设计要求。 2.2.3 本终端中央架构 为了节约开发时间和最大可能的保障系统

53、对于速度和稳定性的要求，本文采用专用的视频处理芯片来完成视频数据的压缩和原始数据的行为分析。考虑到监控终端对于视频高清和智能化的要求，系统采用富瀚公司推出的专门针对高清智能监控的专用H.264压缩芯片FH8735。 相比主流的DSP 方案和ASIC方案，运用专用压缩芯片有以下的优点： （1）性价比高 FH8735单芯片即可完成8路D1,16路CIF全实时和16路D1等功能，相比其他的DSP和ASIC方案，具有明显的性价比优势。 （2）方案开发周期短 该方案的软硬件设计简单，软件方面由于复杂的视音频编码完全由硬件完成，并已经有稳定的驱动

54、和SDK，我们在开发时候只要基于驱动和SDK 就能够完成定制化的应用程序。因此能够缩短开发周期，可以使我们开发出的产品快速推向市场。 综上所述，本文采用ARM中央控制器加专用视频压缩芯片双处理器方案进行嵌入式终端的设计。2.3操作系统的选择(1) VxWorks VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种实时操作系统。VxWorks拥有良好的持续发展能力、高性能的内核以及良好的用户开发环境，在实时操作系统领域内占据一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的

55、领域中，如卫星通信、军事演习、导弹制导、飞机导航等。 在美国的F-16、FA-18战斗机，B-2隐形轰炸机和爱国者导弹上，甚至连1997年4月在火星表面登陆的火星探测器上也使用了VxWorks。它是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。它支持多种处理器，如x86，i960，Sun Sparc，Moto-rola MC68xxx，MIPS RX000，Power PC， ARM ， StrongARM等。大多数的VxW-orksAPI是专有的。 (2) QNX QNX是一

56、个实时的、可扩充的操作系统；它部分遵循POSIX相关标准，如POSIX.1b 实时扩展；它提供了一个很小的微内核以及一些可选的配合进程。 其内核仅提供4种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间中运行。所有其他操作系统服务都实现为协作的用户进程，因此QNX内核非常小巧(QNX4x大约为12KB)，而且运行速度极快。这个灵活的结构可以使用户根据实际的需求，将系统配置成微小的嵌入式操作系统或包括几百个处理器的超级虚拟机操作系统。  POSIX 表示可移植操作系统接口(Portable Operating&

57、#160;SystemInterface,缩写为POSIX 是为了读音更像UNIX) 电气和电子工程师协会(IEEE）最初开发POSIX 标准,是为了提高UNIX 环境下应用程序的可移植性。 然而,POSIX 并不局限于UNIX.许多其它的操作系统,例如DEC OpenVMS 和Windows NT ,都支持POSIX标准,尤其是IEEE Std.1003.1-1990(1995 年修订)或POSIX.1, POSIX.1 提供了源代码级别的C 

58、语言应用编程接口（API）给操作系统的服务程序,例如读写文件.POSIX.1 已经被国际标准化组织(ISO)所接受,被命名为ISO/IEC 9945-1:1990 标准。 POSIX 现在已经发展成为一个非常庞大的标准族，某些部分正处在开发过程中。POSIX 与IEEE 1003 和2003 家族的标准是可互换的。(3) Palm OS 3Com公司的Palm OS在掌上电脑和PDA市场上占有很大的市场份额。它有开放的操作系统应用程序接口(API)，开发商可以根据需

59、要自行开发所需的应用程序。 目前共有3500多个应用程序可以运行在Palm Pilot上。其中大部分应用程序均为其他厂商和个人所开发，使Palm Pilot的功能得以不断增多。这些软件包括计算器、各种游戏、电子宠物、地理信息等。在开发环境方面，可以在Windows 95/98/NT以及Macintosh下安装Palm Pilot Desktop。 Palm Pilot可以与流行的PC平台上的应用程序(如Word，Excel等)进行数据交换。(4) Windows CE Microsof

60、t Windows CE是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。操作系统的基本内核至少需要200KB的ROM。 (5) LynxOS Lynx Real-time Systems的LynxOS是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的实时操作系统,它遵循POSIX.1a，POSIX.1b和POSIX.1c标准。    LynxOS支持线程概念，提供256个全局用户线程优先级；提供一些传统的、非实时系统

61、的服务特征，包括基于调用需求的虚拟内存， 一个基于Motif的用户图形界面，与工业标准兼容的网络系统以及应用开发工具。 Motif 是开放软件基金（OSF）于1989年推出的一个图形用户界面系统。 由于它融合了多种图形用户界面产品中的优点，因此得到了 OSF 的所有成员及广大第三方厂商的广泛支持。 目前 Motif 已作为软件产品在 OS/2、Unix、Sys V、OSF/1、VMS、Macintosh OS、Ultrix 等48中操作系统平台上实现，并可在PC、工

62、作站、小型机和大型机等各种计算机系统上运行。  Motif 由工具箱（Motif Toolkit）、用户界面语言（UI-L）、窗口管理程序（MWM）、风格指南文档（Style Guide）等四部分组成： Motif Toolkit 是一个具体的 X Toolkit 产品，它包括 Xt Intrinsics、Motif 对象元类集合和操纵这个对象元类集合的简便函数等三个部分。 利用 Motif 开发的应用程序通常可分为两个部分：

63、一部分是有关应用程序界面的代码；另一部分是关于应用程序具体功能的代码。一般来说，应用程序中这两个部分是不会相互干扰的。比如说菜单项位置的变动、标图的更换就都不会影响应用程序的功能。基于上述事实，Motif 引入了用户界面语言来解决用户界面的描述问题。 像其他窗口管理程序一样，Motif 的窗口管理程序提供了一个对屏幕上的窗口进行管理的手段，同时它页强化了用户界面视感的一致性.MWM 支持 Motif 风格指南所描述的各种窗口操作及显示窗口时的各种约定。 Motif 的风格指南以文档的形式说明了在 Moti

64、f 环境下开发应用程序时应遵守的规范。 (6) 嵌入式Linux 随着Linux的迅速发展，嵌入式Linux现在已经有许多的版本，包括强实时的嵌入式Linux(如新墨西哥工学院的RT-Linux和堪萨斯大学的KURT-Linux)和一般的嵌入式Linux 版本(如uClinux和Pocket Linux等)。 其中，RT-Linux通过把通常的Linux任务优先级设为最低，而所有的实时任务的优先级都高于它，以达到既兼容通常的Linux任务又保证强实时性能的目的。 另一种常用的嵌入式Linux是uClinux，它是针

65、对没有MMU的处理器而设计的。它不能使用处理器的虚拟内存管理技术，它对内存的访问是直接的，所有程序中访问的地址都是实际的物理地址。它专为嵌入式系统做了许多小型化的工作。由于嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化，因此原来在某些设备或领域中占主导地位的软件系统越来越难以为继，因为要达到上述要求，整个系统必须是开放的、提供标准的API，并且能够方便地与众多第三方的软硬件沟通。（7）AndroidAndroid操作系统是由Google公司开发的一款专门针对移动终端而设计的一款操作系统，它支持众多的品牌手机，并且能够很方便的实现互联和通用移植，因此在智能机的发展过程中显示了其巨大的优势，并且占领了

66、很大一部分市场份额。Android系统开放源代码，并且能够完成很好的定制功能，也是本终端比较适合的操作系统。嵌入式操作系统的选择是前期设计过程的一项重要工作，这将影响到工程后期的发布以及软件的维护。考虑到linux操作系统具有良好的硬件支持特性，丰富的第三方工具支持，开源的丰富的API函数支持，丰富的网络通信处理机制等其他嵌入式操作系统无法比你的巨大优势，因此本文采用嵌入式Linux操作系统作为监控前端的软件系统平台，这样可以最大限度发挥本终端的定制功能，并且能够在很大程度上节省成本，获得最高的性价比。 2.4 传输网络的选择通过前面的叙述我们可以知道，现在的视频监控终端已

67、经发展到无线传输时代，因此跟随时代潮流，本终端在宏观上也采用无线传输组网方案。具体说来无线传输一般具有以下优点： （1）综合成本低，只需一次性投资，比较适合在室外距离很远的地区或者已经装修好的地方。在这些地方采用无线传输方案，不用进行复杂的布线工程，可以摆脱布线等传统有线传输带来的束缚。 （2）采用无线布线组网灵活，可扩展性好，监控负责人可以很轻松的将新的需要监控的无线监控点加入到现有无线网络之中，不需要为新建节点铺设网络、增加设备，能够很方便的实现扩展。 （3）维护费用低，无线监控维护由主要的运营商进行维护和管理，前端监控设备是在需要时可以即插即用，不需要专门的

68、对系统进行升级，需要维护的费用非常的低廉。 综上所示：本终端系统网络传输采用无线传输设计方案，下面对具体的无线组网方案进行全面的分析和介绍。 目前，大多数无线视频监控系统采用的无线传输网络组网方案是基于GSM/GPRS模块进行无线传输的，但是在理想状态下二代通信网络理只能以100k左右的速率进行传输，在实际应用中加上客观条件的限制，一般在传输中只能达到几十K的实际传输速率。对于这么低的传输速率，仅能够对分辨率较小和帧率较低的视频进行传输，并且得到的画面的质量非常的不理想，甚至无法做到连续，因此在本设计中不采用GPRS模块，最近几年3G技术的发展为无线监控系统提供了新的选择，

69、最新的3G网络能够传输高清的视频图像，并且效果非常的优良，因此无线传输采用3G模块就行传输。 随着3G网络在中国的基础设施逐渐建设完成，基于3G网络的无线视频监控逐渐凸显了其明显的优势。3G技术在接口上采用更先进的空中接口技术，可以对频谱实现更高效率的利用；在核心网方面，主要采用IP包交换及控制技术，能极大的增加系统容量、提高端到端通信质量，提供更高的数据传输速率，实现实时语音视频、高速多媒体和移动因特网访问及相关业务。 目前主流的3G国际标准主有四个，它们分别是WCDMA，CDMA2000，TDSCDMA和WIMAX。中国国内支持国际电信联盟确定的三个无线接口标准，分别是

70、中国电信的CDMA20OO，中国联通的WCDMA和中国移动的TD-SCDMA。前两个标准已经非常的成熟，在国外已经得到大规模的应用，最后一个标准是中国具有自主知识产权的，最近几年刚刚商用，并且体现了巨大的优势。 相比较于WCDMA和CDMA2000，TD-SCDMA融合了国际最领先的技术，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面有独特优势。同时在传输方案上，融合了传统的TDMA与CDMA等基本传输方法，传输的容量相比较其他的两个3G网络显示了其不凡的实力。同时TDSCDMA移动无线系统是针对几乎所有的无线环境下对称和非对称的3G业务所设计的，相较于其他两个非常先进。

71、TDSCDMA的移动系统运行在不成对的射频频谱上，在对称业务负载关系上可以获得频谱分配的最佳利用率，这些都是其他两个3G网络所无法做到的。 综上所述，由于TDSCDMA在传输速率，整体性能和支持业务的广泛性方面综合考虑，在网络传输部分采用本文利用3G标准中的TDSCDMA通信网络进行视频数据的无线传输。2.5 视频压缩标准的选择 本文所设计的视频监控终端主要针对于视频监控，而原始视频数据的数据量是非常大的。假设一路采用8比特量化的15帧每秒的CIF(352X288)图像，在4:2:2的彩色空间比下，其数据量R=SX15X(352X288)(4+2+2)/4=243

72、30240bit/s。由此可知其若不压缩原始数据量为243Mbit/s，存在着很大的冗余度，占用的存储空间很大，可见，若不对原始数据进行压缩，无线传输信道是难以传输这一路视频信号的。因此视频数据传输和存储的第一步就是进行视频压缩。目前，在众多视频压缩算法中，影响最大并被广泛应用的标准是MPEG系列编码标准和H系列编码标准。 （1）MPEG系列编码标准    MPEG即活动图像专家组是由音视频以及系统领域内的专家组成的39，专门为开发运动图像及其声音的数字编码标准的技术团队。自从其成立以来，相继开发出了MPEG1、MPEG2、MPEG4等数个极具

73、代表性的编码标准。 MPEG1标准被广泛运用在VCD等数码产品上47，编码速率最高为1.5Mbps,压缩比为30-50:1。MPEG1视频部分是其编码标准的核心，在理论上非常的成熟，但是在实际应用过程中会出现诸如噪声等难以客服的问题，很难应用在本为所涉及的网络视频的运用上，因此在本文设计中最先淘汰的是这个标准。 MPEG2标准是被欧洲的DVB、日本的ISDB、美国的ASTC等有线电视领域广泛采纳的压缩编码标准，编码传输速率为3-100Mbps可变。MPEG2相对于MPEG1在很多技术上有了突破性的进展，但是由于其压缩比率和传输速率的问题，一般很少用在网络视频监控领域，因此在

74、本文的设计中也没有用到此标准。 MPEG4是本系列中发展潜力最大的一个48，与前两个标准相比较，此标准具有相当大的优势：它是被当做一个国际化的标准来研究的，能够与视频的原格式反向兼容，同时能够支持交互式的应用；经过它压缩出的视频数据量仅为MPEG2的1/11，相对于其他的编码技术具有更高的压缩比率；在提高压缩比率的同时，MPEG4的数据损失量非常的小。MPEG4在高清数字电影领域获得了广泛的应用，同时由于其在压缩比率和图像质量方面所存在的巨大的优势，在网络视频领域更是掀起了很大的狂澜，深受网络用户的喜爱，此标准也比较符合本终端的设计应用，因此是本终端在考虑视频压缩标准时候的主要选择之

75、一。 （2）H系列编码标准 H系列编码标准主要有H.261、H.262、H.263、H.264等四个主要的压缩标准，它们在数字视频领域获得了巨大的应用，并且产生了巨大的影响。 H.261标准诞生于1998年11月49，主要用于视频会议和可视电话，它的诞生，是视频压缩编码技术的里程碑，以后的很多优秀的编码算法都是基于H.261框架而诞生的。 H.262和H.263都是以H.261为基础发展起来的。H.262标准等同于MPEG2，而H.263被公认为以像素为基础的第一代混合编码技术方案所能达到的作家效果。这两个标准目前普遍认为是两个过渡时期的标准，在应用领域

76、和影响范围上并没有很大的突破，因此本终端设计的时候没有考虑这两个标准。 H.264使视频编码技术发生了革命性的突破，它集中了以往标准的所有优点，并且相较于以前的标准，它更易于推广，具有简单直观的视频编码技术，并且在很多技术领域都有独到的创新，在很多方面显示了其作为新一代视频编码标准新的风貌，其主要的特点可以总结为以下几点：a）分层设计：H.264在概念上分为视频层和网络层两部分，大大提高了编码的效率，并且使编码后的视频更适合在网络上进行传输； b）高精度以及多模式的运动估计：支持1/4或1/8像素精度的运动矢量。     &

77、#160;c）统一的VLC编码标准：这样的好处是在发生比特错误时能够快速地获得重同步，从而使视频数据的损失量能够减少到最低； d）帧内预测：以前的H系列标准和MPEG标准都是采用帧间预测，但是H.264采用的是基于空间域的帧内预测编码，这样做的好处是能够消除相邻视频块之间的空间冗余度，使我们能够得到更为有效地数据压缩； e）面向全IP和无线传输：H.264采用了很多用于差错消除的工具，能够使数据在误码与丢包频发的无线环境中进行传输；标准名称应用领域压缩比JPEG连续色调图像压缩20-100:1MPEG1VCD30-50:1MPEG2数字电视DVD50-200:1MPEG4网

78、络视频传输100-300:1H.261视频压缩ISDN30-100:1H.262视频压缩PSTN300-100:1H.263视频压缩PSTN100-300:1H.264视频压缩 MobilePhone大于200:1表2-3视频压缩标准及其主要的应用领域表2-3列出了主要的视频压缩标准，通过对主要的视频压缩标准的比较，考虑到压缩比率和编码技术两方面的因素，在设计中选择H.264标准作为视频处理部分的压缩标准。H.264标准的高编码效率以及同样画面质量下的低码流使其非常适合3G无线网络的传输，在以数据流量计费的3G无线网络中这一点更加的明显。第三章 嵌入式终端硬件模块的设计3.1整体架构

79、 本文所设计的嵌入式视频监控终端主要由以下模块组成：电源模块、视频采集模块、视频压缩模块、中心控制模块和无线传输模块。视频采集模块主要完成模拟数据的采集，并且把模拟数据转化成数字信号，完成A/D转换；视频处理模块主要完成视频数据的H.264编码和视频数据的预处理；中心控制模块对各个模块进行控制，配置和协调，是整个系统的心脏，同时完成各种协议的封装和预处理；无线传输模块负责无线线路的构建，传输和维护，将视频数据经过无线网络传输到因特网，同时接收监控系统后台传来的控制指令。整个终端硬件整体架构如图3-1所示无线传输模块存储电路及外围设备视频采集模块中央微处理器视频处理模块图3-1硬件整体

80、架构图3.2 视频采集模块视频采集模块主要由视频采集芯片TW2865、云台、云台解码器和摄像头组成。摄像头主要负责采集模拟数据的采集，云台接收中央处理器模块发出的云台控制指令，并由云台解码器依据接收的云台控制指令实现镜头的上下、左右、自动等机械运动。视频采集模块中的核心芯片芯片采用TW2865模数转换芯片，128脚，LQFP封装。该芯片能将NTSC、PAL或SECAM制的模拟视频转换成8位ITU-R BT.656格式的数字视频信号。该模数转换芯片为本终端提供了一个低功耗的解决方案。中心控制芯片可以通过GPIO口对视频采集芯片的工作模式进行调节，当空闲状态时，芯片可以停止模数转换；当系统需要时，可以通过GPIO唤醒TW2865，启动模数转换，通过这样一个机制，可以使系统功耗做到最低。 其主要的技术指标如下所示： （1）最大可支持14路模拟视频信号输入，通过对内部源选择器进行配置，输入可以为4路音频信号或2路视频(Y/C)信号； （2）支持ITU-R BT.60