基于Hi3512的车载移动终端无线传输设计

2012-03-07文建阔昂志敏李敏杰

合肥工业大学学报（自然科学版） 2012年8期

文建阔，昂志敏，李敏杰，李耀

（合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥 230009）

随着现代通信技术和网络技术的高速发展，车载移动终端无线传输已发展成为集远程数据采集、定位、远程保密操作和监听、车载电话、车辆调度的超级移动终端传输系统［1］，并广泛应用于安防、卫生、气象、军事等领域。本文给出了一种基于Hi3512芯片的车载移动终端无线传输系统的设计方案［2］。

1 系统的总体设计

车载移动终端的无线传输主要由GPS定位、音视频采集、无线通信链路和监控中心组成。GPS定位主要接收卫星定位数据，经过Hi3512芯片中ARM处理器提取其有用信息，包括自身所在的地理位置坐标、速度、时间等；音视频采集主要采集音频、视频、图像数据，通过Hi3512芯片中ARM处理器进行编码，然后一起组成自定义的通信协议格式，进一步打包成IP数据包，并通过3G无线通信模块传送到3G基站，利用VPN网络［3］，将此数据包发送到监控中心；无线通信链路主要完成信息的交互；监控中心完成对车辆的监控、轨迹回放、数据存储等工作。

虚拟专用网络 VPN（Virtual Private Network，简称VPN）是指通常利用因特网构建的虚拟专用或私有网络［3］，既是一种新型的远程网络访问技术，又是一种特殊的通信环境。VPN的安全性是将原始数据加密通过VPN网络传输，并保持加密数据的机密性、完整性、可用性、可控性和可审计性，对任何未授权的第3方完全透明，从而达到与专用网络几乎相同的安全级别。VPN网络主要涉及加解密技术、隧道技术、密钥管理技术及身份认证技术。

2 系统的硬件设计

车载移动终端无线传输的硬件部分主要包括：主控模块（Hi3512）、GPS接收模块、3G模块、电源模块以及外部存储模块6个部分［4］，硬件结构框图如图1所示。

图1 硬件结构框图

Hi3512是一款基于ARM926EJ－S处理器内核以及视频硬件加速引擎的高性能通信媒体处理器，具有高集成、可编程、支持 MPEG－4AVC／H.264和MJPEG等多协议的优点，支持30fps DI的H.264／MJPEG同时编解码或60fps DI和60fps CIF的H.264／MJPEG的双码流编码。其内部硬件集成AES／DES／3DES多种加解密算法和数字水印技术，并提供丰富的外围接口，包括PCI、SDIO、12C、I2S、SPI、GPIO、IR、UART、USBl.0HOST和USB2.0OTG等，可广泛应用于实时视频通信及数字图像监控等领域。

2.1 车载移动终端无线传输的工作原理

摄像头采集的数据通过PAL制的CVBS信号输入到工作在主模式TW2865芯片中，经A／D转换后，由BT.656／601接口或DC接口接收转换成CIF格式的信号，对图像进行水平滤波，并通过AHB内部总线把接收到的原始图像写入到外存（DDR SDRAM）中。视频编解码器读取外存中视频数据，进行H.264编码，包括帧内预测、帧间预测、DCT变换、量化、熵编码、IDCT变换、反量化、运动补偿等操作，将编码后的码流和编码重构帧（作为下一帧的参考帧）通过PCI－SATA电路写入到外存中［4］。音频信号的处理方法亦是如此［5－7］。

GPS模块实时采集定位信息［1－2］，通过 AHB内部总线把接收到的定位信息写入到外存（DDR SDRAM）中，经过ARM处理器读取外存中的定位信息，并解析提取出车辆的时间信息及空间坐标等信息，将提取的定位信息写入到外存中。

通过ARM处理器向无线模块发送AT指令对以上所有采集到的数据进行设置，在监控前端对采集数据进行协议栈封装，打包成IP数据包，通过USB端口发送到CDMA2000无线模块中，把数据发送到CDMA2000无线网络，通过VPN服务器对数据（包括首部）在被封装前进行加密，传输到VPN网络上，然后通过VPN虚拟通道发送IP数据包，到达VPN服务器后对数据进行解密，在监控中心通过对IP数据包解包、播放以及显示采集到的数据［6－9］。

2.2 无线传输模块的硬件连接

本系统的3G无线模块采用的是中兴公司的MC8630，它具有语音、短信、数据业务和GPS等功能［5］，支持内嵌 TCP／IP、RevA 数据业务前向峰值数据速率可达3.1Mb／s，反向峰值数据速率1.8Mb／s，可以提供经济型高速互联网接入和无线数据等业务。

Hi3512和MC8630通过USB口连接，并通过Hi3512的RS232接口发送AT指令，控制对采集数据的打包。主芯片Hi3512和MC8630的连接如图2所示。

图3 Hi3512和MC8630连接图

（1）LM317是一个电压转换器，Hi3512的USB口的输出电压是5V，需要用LM317转换器，转换成MC8630的典型电压3.6V。

（2）MC8630模块中的VCHG引脚和VMAIN引脚连接，使模块具有自动开机功能。

（3）Hi3512的 USB－DM、USB－DP引脚分别接MC8630模块的USB－D＋、USB－D－引脚，用来传送差分数据。

（4）Hi3512的GPIO－EN引脚和 MC8630模块的PON－RESET引脚连接，用来控制模块的复位，并且低电平有效。

3 系统的软件设计

车载移动终端无线传输的软件部分主要包括：PS和音视频的数据采集和编码设计、无线传输设计、监控中心控制设计。

3.1 GPS和音视频的数据采集和编码设计

该系统的总体软件设计框图，如图3所示。

图3 系统总体软件设计框图

以视频的采集和编码为例，首先打开采集设备文件，摄像头在系统中对应的设备文件为／dev／camera，通过系统调用open（“／dev／camera”，o－RDWR）函数打开设备，获得一个文件描述符fd，通过iocal（fd，VIDIOCGPICT，＆Capability）函数获取摄像头相关信息，通过调用iocal（fd，VIDIOCGPICT，＆Picture）获得图像的相关信息，在获得这些信息后，再通过系统调用ioctl（fd，VIDIOCSPICT，＆）函数写入设备，通过调用iocal（fd，VIDIOCMCAPTURE，＆grab－buf）启动捕获过程，调用 iocal（fd，VIDIOCSYNC，＆frame）判断是否采集完毕，最后调用close（fd）函数关闭设备［10］。采集到的数据需要通过3G网络传输，首先创建音视频编码通道，并设置相应的编码协议、编码通道属性、编码类型和编码的缓存大小，同时对GPS数据进行处理。再次创建处理后数据的复合编码通道，保证其码流对应同一编码通道，最后启动复合数据编码通道，并获取复合编码通道的编码流［6－8］。

3.2 无线传输设计

无线传输主要由MC8630模块、VPN服务器和VPN虚拟通道组成，完成对数据的打包、加密、传输和解密，然后传送给监控中心。

Internet应用层软件开发主要使用传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP进行数据传输［11－12］。TCP采用丢帧重发的方法提供有可靠保障的数据流服务，UDP提供“尽最大可能地交付”高效小时延但不可靠的数据报传输服务。根据各自的特点，使用TCP传输有质量要求的控制命令（各路状态控制、云台控制、传输文件、远程解密等），用UDP迅速传输大量的音视频和GPS数据，降低了网络时延问题。

监控中心拨打车载移动终端中内置的UIM卡电话号码，呼叫车载移动终端；车载移动终端可以通过主芯片调用MC8630模块的AT指令，也可以完成车载移动终端呼叫监控中心。呼叫成功后，请求给车载移动终端分配IP地址，发出一个收发端口地址连接请求，注册成功后也就建立了车载移动终端和监控中心的IP网络传输环境。接着，监控中心向车载移动终端发送监控命令，通过MC8630无线模块传送执行监控中心命令，然后把压缩的复合编码通道的编码流打包成IP数据包，通过VPN虚拟通道向监控中心发送。

3.3 监控中心模块

监控中心通过VPN网络接收到解密数据，收到IP数据包后，分析IP包头、更新IP包数等信息，并整理IP包的顺序等IP解包动作，对发送来的IP数据包统计出丢包率、接收到的数据包数、乱序等。调整好后再通过解码程序进行解码处理，从IP数据包中拆分出GPS数据和音视频数据，根据需要分别进行存储，也可以分别对GPS数据进行解析和对音视频数据进行解码，并对视频数据进行格式转换，在显示模块中显示车辆定位信息和播放音视频信号。