一种节能型视频监控终端的设计

　　视频监控系统越来越多地走进人们的生活， 系统节能也是电子系统必须考虑的一个重要参数。对一个少有人出入的场合， 采用不间断的实时监控不仅没有必要，也会浪费很多的电能。针对这种情况， 本文设计了一个无人值守的智能监控终端。在没有人进入监控区域时，监控终端处于低能耗的休眠状态； 当红外传感器检测到有人进入监控区域时， 终端被唤醒并开始摄像， 同时将处理后的视频信号经过网络传输到监控中心， 为中心值班人员提供判断依据。对于出入人员较少的场合， 利用该监控终端可以有效减少系统能耗， 减少传输、保存的数据量， 而且不会错过监控对象。

1 终端工作原理及总体框图

　　终端的总体框图如图1 所示， 在没有人员进入监控区时， 系统处于休眠、节能状态， 当红外传感器检测到有人员进入监控区域时， 产生外部中断， 中央处理器TMS320DM642 在接收到外部中断时立即启动各模块进行图像的采集、处理、传输等。

图1 终端原理框图

2 终端系统设计

　　2.1 中央处理器的选择

　　由于终端要处理的数据量大， 实时性强， 所以采用多媒体处理芯片TMS320DM642( 以下简称为DM642) 。该芯片是TI 公司C6000 系列DSP 中较新的32 位定点DSP ， 工作频率由内部倍频器设置， 可以达500 MHz 、600 MHz 或720 MHz ， 每秒可执行指令数4 000 、4 800 、5 760 MIPS 。DM642 采用TI 公司第2 代增强型超长指令集， 它的EMIFA 接口数据总线宽度为64 位， 最高存取频率133 MHz ， 可直接与大容量、低成本的SDRAM 芯片无缝连接。DM642 带有3 个双通道(A，B 两通道)数字视频口， 可同时处理多路数字视频流。DM642 拥有I²C 接口， 可以与外部I²C 设备通信， 用来配置外部I²C 设备的寄存器，DM642 的网口(EMAC 接口) 、PCI 口和HPI 口共享引脚。因其处理性能强， 外围接口多而灵活， 在机器视觉、医学成像、网络视频监控、数字广播等领域得到了广泛的应用。

　　2.2 红外传感信号处理模块的设计

　　为了节约电能， 本终端采用红外传感器来检测监控区域有无人员进入， 只在有人员进入监控区域时， 终端才进入图像采集、处理、传输状态。本设计采用BISS0001芯片为热释电红外传感信号处理核心元件， 其应用电路如图2 所示。

图2 红外信号处理电路

　　图2 中，7805 为三端稳压集成电路， 为信号处理电路提供电源。BISS0001 芯片的第9 引脚为触发控制信号Vc的输入脚， 工作中应当保证输入电压Vc>VR ( 通常：

　　VR=0.2VCC)， 可以通过调节电阻R3来达到目的。当有行人进入监控区域时， 热释电红外传感器PIR 将检测到的人体发出的红外线转化为电信号， 并将其送到BISS0001内部， 信号经BISS0001 处理后由2 脚输出， 输出Vo为低电平到高电平的跳变。如果BISS0001 工作在有效状态不可重复触发的情况下(即图2 中S1 接低电平)， 高电平的持续时间为Ts (Ts=49 152 R1C1)， 在Ts时间段结束时，输出Vo即刻由高电平进入低电平并被封锁Ti (Ti =24R2C2 ) 时长； 对于有效状态可重复触发的情况来讲( 即图2 中S1 接高电平)， 如果在前一Ts时间段内， 输入的变化使得输出有效状态再次触发， 则Vo高电平信号将从此刻算起再持续一个Tx时长， 之后才转换为低电平并进入封锁时间Ti。在封锁时间内， 即使由于负载的切换而引入的干扰也不会改变输出Vo的状态。本设计中让S1 接高电平， 红外传感信号处理电路的输出信号Vo作为DM642 的外部中断信号， 将Vo与DM642 的GP[5:4]

　　连接， 同时也作为TVP5150 芯片的节电模式输入控制信号， 如图2 所示。

　　2.3 图像采集模块的设计

　　对于图像采集模块， 本设计采用TI 公司的TVP5150作为解码芯片。TVP5150 是一款超低功耗的解码芯片，正常操作时的功耗只有113 mW， 节电模式下功耗为1 mW， 并支持PAL/NTSC/SECAM 等格式， 它能将摄像头所采集到的模拟图像信号转换为YUV4:2:2 格式的ITU-R BT.656 数字信号， 它可以接收2 路复合视频信号(CVBS) 或1 路S -Video 信号， 通过I²C 总线设置内部寄存器， 可以选择输出8 位4:2:2 的ITU-R BT.656 数字信号( 同步信号内嵌)， 以及8 位4:2:2 的ITU-R BT.601 信号(同步信号分离， 单独引脚输出)。TVP5150 与DM642 的硬件连接如图3 所示。

图3 TVP5150 与DM642 硬件连接图

　　TVP5150 芯片的AIP1A 和AIP1B 为模拟信号的输入端， 该引脚需接0.1～1 μF 的滤波电容，HSYNC 为行同步信号的输出引脚。由于本设计采用了同步信号内嵌的ITU-R BT.656 格式， 所以该引脚未与DM642 相关引脚相连接。PND 引脚为省电模式的控制信号输入端， 低电平有效， 与红外传感信号处理电路的输出信号Vo连接，当监控区域无行人走动时，Vo为低电平， 这将使TVP5150 芯片进入省电模式。YOUT[6:0] 为BT.656/YUV数据输出引脚，YOUT [7]/I²CSEL 是BT.656/YUV 数据的第7 位， 也是I²C 接口设备地址设置位，TVP5150 设备地址由I²CSEL 引脚所接的上拉电阻或下拉电阻确定，I²CSEL 引脚的状态与设备地址映射关系如表1 所示，DM642 和TVP5150 应答过程中需要从片TVP5150 的地址。SCL、SDA 分别为I²C 接口的串行时钟和数据引脚，DM642 对TVP5150 内部寄存器的访问通过I²C 总线实现。

　　DM642 芯片的VP0D [19:0] 为视频口VP0 的数据总线引脚， 其中VP0D [8:2] 与多通道串行口McBSP0 引脚复用， 为了将VP0D [8:2] 配置为VP0 的低位数据引脚，需要把PERCFG 寄存器中的VP0EN 位置1。VP0CLK0 为外部像素时钟输入引脚， 与视频解码芯片TVP5150 的像素时钟输出引脚PCLK/SCLK 连接。

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　　2.4 网络模块的设计

　　为了将监控终端所采集到的视频图像传回值班中心， 终端应当支持网络传输功能。DM642 上EMAC 口支持网络通信，EMAC 接口与PCI、HPI 接口共用相同的引脚， 在系统上电时， 通过上/下拉电阻配置系统使用的模式。本设计中令PCI_EN=0 ，MAC_EN=1 ，HD5=0 将复用接口配置为16 位的EMAC 接口和16 位的HPI 接口。

表1 TVP5150 设备地址

　　DM642 的EMAC 接口符合IEEE802.3 协议， 支持传媒无关接口， 具有8 个独立的发送与接收通道， 支持同步10/100 Mbit 的数据操作和广播、多帧传输格式。EMAC 接口需要外扩相关的网络电路才能完成网络与DM642 之间的数据包交换。本终端设计中， 采用INTEL 公司的LXT971ALC 芯片完成网络功能， 最后通过一个网络电平转化芯片PM44-11BG 和外部相连， 其硬件连接如图4所示。

图4 EMAC 与底层网络芯片的连接

3 终端工作流程

　　终端工作流程如图5 所示。上电复位时，DM642 执行复位中断， 完成对自身及周围芯片的初始化。DM642的外部中断EXTIN4~EXTIN7 与GPIO 口的GP[7:4]复用，当这些引脚配置为外部中断输入引脚时， 可通过设置中断寄存器IER[7:4] 相应位来使能中断， 触发方式( 上升沿触发或下降沿触发等) 由中断方式寄存器EXTPOL[3:0] 设置。本设计中对相关寄存器做如下配置： 令寄存器EXTPOL [1:0] =01 ， 将外部中断EXTIN5 (GP [5]) 设置为上升沿触发，EXTIN4 (GP [4]) 设置为下降沿触发。因此与EXTIN5 对应的中断函数执行唤醒芯片， 启动图像采集、处理、传输等功能； 而与EXTIN4 对应的中断函数执行停止图像采集、处理、传输等功能， 并将控制状态寄存器设置为CSR [15:10] =010001 ， 使CPU 的工作模式转变为功率下降模式PD1 。

图5 终端工作流程

　　在中断使能寄存器IER 中，IE[15:4] 位用于使能CPU 中断INT[15:4] 。当IEx=1 时， 使能INTx 中断响应， 此时程序的中断服务函数才起作用； 当IEx=0 时， 禁止INTx 中断响应。使用汇编语言设置IER 寄存器的中断位使能外部中断的程序代码如下：

　　MVK 30H，B1； //B1 寄存器赋初值， 对应INT4 、INT5

　　MVC IER，B0； // 把IER 的当前值赋予寄存器B0

　　OR B1，B0，B0； //两个寄存器中的值按位取“ 或”

　　MVC B0，IER； // 把B0 寄存器的值赋予IER 寄存器，IE4、IE5 被置位， 使能INT4 ，INT5如果禁止中断INT5 ， 可采用如下代码：

　　MVK FFDFH，B1； //B1 寄存器赋初值， 对应INT5

　　MVC IER，B0；// 把IER 寄存器的当前值赋予寄存器B0

　　AND B1 ，B0，B0； //B0 和B1 寄存器中的值按位取“ 与” ，把结果保存在寄存器B0 中

　　MVC B0，IER // 把B0 寄存器的值赋予IER 寄存器中，IE5 被清除

　　当红外传感器检测到监控区域有人员进入时， 红外传感信号处理电路输出端Vo由低电平变为高电平， 并保持一段时间的高电平。DM642 的EXTIN5(GP[5]) 端在检测到上升沿触发信号后， 执行与之对应的中断函数，唤醒芯片， 启动图像采集、处理、传输等功能。由于红外传感信号处理电路设置为可重复触发模式， 则只要监控区有人员走动， 输出端就一直保持高电平， 终端就一直保持采集、处理、传输视频图像。当监控区域无行人走动时，Vo由高电平变为低电平， 并进入低电平的封锁时间段，EXTIN4(GP[4]) 端在检测到下降沿触发信号后， 执行对应的中断函数， 停止图像采集、处理、传输等功能，并使CPU 的工作模式再次转变为功率下降模式PD1 。

　　本文面向实时图像处理， 采用模块化设计思想， 以多媒体专用DSP 处理器TMS32ODM642 为核心， 在红外传感器、图像采集芯片、网络数据处理芯片等的紧密配合下， 终端既能完成图像的采集、处理、传输功能， 又能实时地根据监控区域的人员变化情况调整工作模式，减少了无用数据的处理， 提高了效率， 节约了成本， 满足了社会对电子产品的绿色、低碳的要求。