李超雄，杭亦文，万 立

(1.武汉理工大学自动化学院，湖北武汉 430070;武汉大学电气工程学院，湖北武汉 430070)

随着嵌入式技术和网络技术的日益成熟，视频监控正朝高清化、智能化和便捷化的方向发展，在整个视频监控系统中所需处理的数据量也大大增加，这对传统视频监控系统中的视频处理和传输模式提出了新的要求和挑战。

目前电力载波(power line communication，PLC)技术已经发展成熟，多家国际芯片厂商已经推出14 Mb/s、85 Mb/s和200 Mb/s速率的PLC芯片，该技术逐步从以前单一的远程抄表走向多媒体应用等更多的方面。采用电力载波通信技术，以电力线作为视频监控系统的接入和传输介质，具有成本低、不用额外布线和安装方便等优点［1］。

根据传统视频监控和网络分布的不足，以及电力载波技术特有的优势，笔者提出了基于OMAP5912双核处理器和电力载波的视频监控系统。设计中利用双核处理器的ARM端进行系统的调度与控制，DSP端进行视频数据的处理，并采用电力载波模块对采集到的视频数据进行实时传输。

1 系统整体方案设计

图1 系统整体方案框图

系统整体方案框图如图1所示。该系统主要包括3大部分:OSK(OMAP starter kit)控制系统、PLC数据传输模块和上位机监控。OSK控制系统主要负责嵌入式操作系统的运行、视频信号的采集处理、双核之间的数据交换以及与电力载波模块的数据通信等，是整个系统的重要组成部分;电力载波模块主要负责将OSK系统采集的视频数据在电力线上传输，电力载波模块能否实时传输采集到的视频数据将直接影响整个系统的整体性能;上位机监控系统主要负责将电力载波模块传输来的实时数据进行显示及存储等工作。整个系统设计有如下几个关键点:

(1)USB摄像头的驱动及视频信息的采集;

(2)系统双核通信和视频的压缩;

(3)电力载波的实时视频数据传输。

2 系统硬件设计

2.1 OSK控制板设计

电力载波视频监控系统的控制板不仅要负责系统任务的调度、视频数据的采集处理，还需要与PLC模块进行实时通信。该系统采用Montavista Linux操作系统，为了保存操作系统运行所需的各种数据，如U-Boot、系统参数、Linux内核、DSP/BIOS和文件系统等，系统需要有外扩Flash的支持，另外为了提高系统运行的速度，系统外扩的缓冲也是必需的。因此笔者采用了TI公司的OSK控制板作为系统的控制板，以OMAP5912双核控制器作为主控芯片，它是一个高度集成的软硬件的处理器，由一个实现控制功能的ARM92处理器和高性能低功耗的TMS320C55xDSP组成，相对于单核系统OMAP5912的一个显著优势是能够大大提高操作系统的效率［2-3］。OSK控制板不仅有串口、JTAG口、USB口以及网络接口等常用的外扩接口，还外扩了32 M的Flash和32 M的DDR型SDRAM。另外系统中的各种外扩芯片采用的电压各不相同，如主控芯片OMAP5912采用1.6 V低功耗的电压、USB和串口电压为5 V、Flash及以太网口电压为3.3 V，因此一个稳定可靠的电源是整个系统稳定运行的关键。系统采用了TPS65010低压线性稳压器来管理系统的电源，它不仅能满足多种不同电压的输出，同时在静态工作时有最小3.2 μA的静态电流，这符合嵌入式系统低功耗的需求并且能在较宽的温度范围内稳定工作。系统的电源管理电路如图2所示。

图2 TPS65010电源管理电路

2.2 电力载波模块设计

系统采用电力载波为传输介质是由于其具有不需布线、网络覆盖范围广、连接方便、投资少和见效快等优点。系统下位机中电力载波模块主要与主控制板进行数据通信，并将接收到的视频数据封装成电力载波帧在电力线上进行传输;上位机中电力载波模块主要是接收电力线上传播的电力载波帧，并将其还原成压缩的视频数据传输给上位机的监控系统。为保证视频监控系统的实时监控能力，系统选择了基于HomePlug1.0协议INT5500芯片的电力载波模块，该模块的最高传输速度可达到85 Mb/s，具备多点广播的功能［4］。理论上模块最远传输距离为300 m并支持最大128路的扩展，但实际测试中因为使用环境中的各种干扰源等问题，模块间的传输距离在100 m以内能保证理想的速度，当距离超过100 m时，模块的传输速率会随距离的增大而减少。该模块直接通过网络接口与控制板进行连接，其基本连接如图3所示。

图3 电力载波模块连接图

3 系统软件设计

3.1 系统主程序流程

系统软件设计主要包括开发环境的建立、USB摄像头驱动开发、双核之间的通信、视频数据的压缩以及通信模块驱动等。该系统采用用途广泛的开源Linux系统为操作系统，通过USB采集视频数据，利用网络模块与电力载波模块进行通信。双核通信采用TI的DSP/BIOS软件开发包。其主程序流程图如图4所示。

图4 系统主程序流程图

3.2 视频图像采集

3.2.1 USB摄像头驱动

为了使该系统能支持不同的USB摄像头，笔者采用了一个开源的USB摄像头驱动包SPCA5XX。它包括了现在市场上多数摄像头的驱动程序，其源码包由4个部分组成:设备模块的初始化模块、卸载模块、上层软件接口模块和数据传输模块［5］。整个代码从设备模块初始化模块module_init(usb_spca5xx_init)开始执行，以设备模块的卸载模块module_exit(usb_spca5xx_exit)结束。移植SPCA5XX到OSK5912控制平台还需对内核中的Kconfig、Makefile等文件进行修改，并将USB Multimedia devices下的SPCA5XX编译进内核。另外，USB摄像头驱动要正常工作，需要将Multimedia devices-＞Video For Linux和USB support-＞Support for Host-side USB-＞USB Host Controller Drivers- ＞OHCI HCD support编译进内核。

3.2.2 视频图像采集

视频设备在Linux中属于设备文件，在完成USB摄像头驱动后，在Linux中就可以找到与摄像头相对应的设备文件:/dev/video0，然后就可以像访问普通文件一样对其进行读写操作［6-7］。视频图像采集测试代码如下:

3.2.3 双核数据处理

系统双核通信软件采用了TI公司专门为双核处理器开发的DSP实时操作系统DSP/BIOS II，它能通过DSP/BIOS Link特有的API函数实现与ARM 端的GPP链接［8］。通过对API函数的操作即可实现对DSP信号的初始化处理、任务交换、数据流信息交换、管理DSP的任务以及资源状况的查询。配置完DSP/BIOS Link后对GPP的编译步骤如下:

当编译成功后在内核模块和用户函数库中将创建以下路径的函数:

完成以上步骤即可实现双核之间的数据通信，双核间数据处理流程图如图5所示。

图5 双核通信流程图

3.3 通信模块设计

为保证视频监控的实时性和可靠性，在通信模块中采用了实时的传输协议RTP/RTCP，该协议建立在传统的TCP/IP协议之上，能够支持高效的数据传输［9］。考虑到网络拓展和维护等各方面的性能，设计中将采用C/S(cilent/server客户机/服务器)的网络传输模型［10］，在控制模块与电力传输模块之间以及电力传输模块与上位机之间将通过网络建立相应的TCP/IP链接，依据实时的数据传输协议进行数据通信和系统控制。服务器通过SendPacket()发送RTP数据，通过Poll()函数处理接收到的RTCP SR包。客户端与服务器的链接通过Scoket建立，检测客户端访问的服务器地址和端口正确后，客户端便向服务器发送请求数据，服务器接收到请求后将接收数据，同时解压图像数据并在屏幕上显示。

4 结论

系统实现了以电力载波为传输方式的视频监控的设计，并且较好地将OMAP5912双核技术与电力载波技术结合，为视频监控提供了新的传输方式。电力网的广泛覆盖和电力载波视频监控即插即用的便捷方式，使得该系统具有广泛的应用前景。目前的载波芯片的传输距离和扩展能力还有局限，特别是无法穿越不同变压器的电力网络，如何在提高电力载波芯片的传输速率和传输距离的同时提高双核系统的利用率将是系统设计下一步需要解决的问题。

［1］王国栋.基于电力线通信平台的下一代互联网技术架构:PLC、IPv6和 QoS系统集成［J］.电力系统通信，2005(10):9-13.

［2］彭启琮，杨錬，潘晔.开放式多媒体应用平台:OMAP处理器的原理及应用［M］.北京:电子工业出版社，2005:54-87.

［3］李利飞，李娟，朱善安.基于OMAP5912双核架构的嵌入式系统及其应用［J］.电工技术，2006(6):11-13.

［4］柴守亮，侯思祖，程雪.基于INT5500的宽带电力线通信 Modem的设计和实现［J］.低压电器，2007(3):41-44.

［5］王滔，季骁勇.在嵌入式Linux平台上使用 USB摄像头［J］.微计算机应用，2006(1):52-54.

［6］佚名.基于 Video4Linux的摄像头驱动设计［EB/OL］.［2011-08-17］.http://www.dzsc.com/data/html/2009-9-15/78721.html.

［7］戴小鼠，戴丽.基于Video4Linux的USB摄像头图像采集实现［EB/OL］.［2011-08-17］.http://www.hhcn.org/maindoc/USB_Camera_base_on_Video4Linux.pdf.

［8］Texas Instruments.TI DSP/BIOS real-time operating system v6.x user's guide［EB/OL］.［2011-08-17］.http://focus.ti.com.cn/cn/dsp/docs/litabsmultiplefilelist.tsp?sectionId=3＆tabId=409＆literature Number=spruex3d＆docCategoryId=6＆familyId=477.

［9］操龙敏，蒋建国，齐美彬.RTP协议在嵌入式网络摄像机中的设计及实现［J］.计算机技术与发展，2008(18):214-216.

［10］LI J，HAO W D.Research and design of embedded net work video monitoring system based on linux［J］.Computer Science and Software Engineering，2008(9):1310-1313.