基于RS-485总线的计算机视频监控系统的研究

    摘要：提出一种用RS-485总线构成视频监控系统的方法。系统用便携式视频压缩终端运载视频图像进行实时压缩，通过RS-485总线将压缩图像数据传送给主机。

    关键词：视频监控 RS-485总线 图像压缩 DSP芯片

RS-485总线抗干扰能力强，能实现多站远距离通信，组网方便，成本低廉，因而在工业控制领域得到广泛应用。随着串行通信接口芯片和RS-485接口芯片传输速度的大幅度提高，使得利用RS-485总线传输图像数据成为可能，但是未压缩视频图像的数据量极大，即使总线传输速度高达1Mbps，传输一幅512×512×8的灰度图像就要耗时2.1s，因此必须视频图像数据进行压缩编码，再通过总线传输。本文介绍的视频监控系统使用便携式图像压缩终端，在摄象机的视频输出端对图像信号进行采集、变换和编码，用一对双绞线按RS-485总线标准将压缩后的图像数传送给上位机。这样只要使用一根电缆就能构成一个64～128点的局域网，不但布线简单，而且传输速率高达1Mbps，远远超过电话网的传输速率。

1 视频监控系统的组成

本监控系统的一台主机和多台从机组成，如图1所示。主机为工控机，内含高速RS-485通信卡，主要完成监控系统的控制、管理和图像数据的后期处理等任务。从机为便携式图像压缩终端，该终端以TI公司的TMS320VC5402数字信号处理器为核心，扩展一些外围器件组成一个独立的视频图像压缩和传输设备，主要完成视频图像的实时采集、变换编码和传输控制。主机与从机之间通过RS-485总线进行通信。主要启动并控制网上每一次通信，每个从机有一个唯一的地址，只有被寻址的从机响应主机的命令并向主机发回信息帧。当从机数量超过64个或与主机距离超过120m时，应在网络上加装中继器以保证通信速率达到1Mbps。

2 便携式图像压缩终端简介

压缩终端是本系统的关键部件，组成框图如图2所示。它以TMS320VC5402 DSP为处理器，扩展了视频器、行场分离电路、帧缓冲器、程序存储器、串行通信接口芯片和RS-485总线接口芯片。

2.1 TMS320VC5402 DSP简介

TMS320VC5402 DSP（以下简称C5402）是TI公司生产的新一代定点DSP芯片，时钟频率100MHz，性价比极高，是目前定点DSP的主流产品。C5402片内有8条数据或地址总线，构成增强型哈佛结构的总线系统，指令按流水线方式执行，大部分指令能在单周期内完成。此外还有一套并行操作指令，能在单周期内执行一次存储/加载操作和一次算术运算，大大提高了数字信号处理的速度。C5402片内有16KW DARAM，可以作为程序存储器或数据存储器，另外还有两个多通道缓冲串行口（McBSP）、一个8位HPI接口、两个16位定时器、一个六通道DMA控制器和一个PLL时钟发生器。

2.2 视频采集电路

视频图像信号采集由视频缓冲器、高速A/D转换器和行、场同步分离电路组成。A/D转换器采用TI公司的TLV5510芯片，TLV5510为8bit、10Msps的高速并行A/D转换器，本电路中将TLV5510作为C5402的一个扩展的并行输入口，C5402的R/W信号作为转换时钟信号，读该端口时启动A/D转换。行、场同步分离电路输出行同步信号、垂直同步信号和奇、偶场信号作为C5402的外部中断输入信号。C5402采用中断响应方式采集一帧图像的奇场数据和偶场数据。

2.3 存储器配置

480KB的帧缓冲器用来存放原始图像数据和压缩后的图像数据，32KB的FlashROM用来存放应用程序，二者都映射到C5402的外部数据空间。由于C5402的数据空间仅为64KW，因此采用内存页扩展技术，将外部数据空间扩展为16页，每页32KB。使用C5402的一个扩展输出口作为扩展内存的页选择信号，分别选择0～16页，并且将C5402的A15脚与扩展静态RAM的使能端相连，当A15=0时选择片内RAM，当A15=1时选择片外RAM。因此本系统的数据存储器配置如下：

片内：16KW DARAM 地址为0000h～3FFFh

片内：32KB FlashROM 地址为8000h～FFFFh

片外：480KB SRAM 地址为 n8000h～nFFFFh (n=1～15)

系统硬件复位时，页选择信号被自动清零，FlashROM映射到数据空间，C5402将FlashROM中的应用程序加载到片内DARAM中。

2.4 数据传输电路

数据传输使用了TI公司的异步串行收发器TL16C550和MAXIM公司的MAX3485E。TL16C550含16bit的FIFO，通信速率达1Mbps。MAX3485E是半双工RS-485总线接口芯片，传输速率达12Mbps，传输距离达4000英尺。

2.5 软件实现

C54x DSP集成开发工具支持C语言和汇编语言编程，为了提高代码执行效率，满足图像实时压缩和传输的需要，采用汇编语言编程。主程序可分成以下几个部分：

（1）初始化C5402，接受上位机的命令帧，做好采集图像的准备工作；

（2）开放奇场中断（INT1），关闭偶场中断（INT2）和行中断（INT3）；

（3）当奇场同步信号到来时，C5402进入奇场中断服务子程序，开放行中断做好采集奇场数据的准备。当行同步信号以来时，C5402进入行中断服务子程序，连续采集一行图像数据。当各行图像数据采集完毕后，关闭行中断；

（4）当偶场同步信号到来时，C5402进入偶场中断服务子程序，开放行中断做好采集偶场数据的准备。当行同步信号到来时，C5402进入行中断服务子程序，连续采集一行图像数据。当各行图像数据采集完毕后，关闭行中断和奇、偶场中断；

（5）将图像数据分成一系列的8×8块，先对第一个数据块进行DCT变换、量化、Huffman编码，然后开放串行口中断（INT0），将压缩后的图像数据发送给上位机。重复执行这个编码和传输过程，直到全部图像数据处理结束。最后关闭串行发送中断，开始下一帧图像的处理。

3 通信软件设计

本系统为主从式监控系统，由主机启动并控制网上的每一次通信。主机先向从机下达采集图像的命令，然后接收从机传来的压缩图像数据。从机接受主机的命令，按命令要求调整摄象机的焦距和镜头方向、修改图像大小和采样速率，最后进行图像采集、压缩和传输。要完成这些功能就必须定义严格的网络通信协议。

3.1 网络通信协议

本网络为专用系统，要求通信速率达到1Mbps，故采用电路交换方式。网上传输的信息仅为两种形式之一：命令帧或信息帧。

主机发往从机的命令帧由八个字节组成，如表1所示。地址为要访问的从机地址、有效地址为0～255；焦距为摄象机的焦距编码；方向为摄象机镜头的方向编码；大小为图像的大小编码；速度为图像采样率编码；控制为现场控制设备或报警器控制命令编码；校验-命令帧结束和校验标志。

表1 命令帧格式

从机发往主机垢信息帧如表2所示。地址为从机地址；状态-摄象机焦距和镜头方向调整机构及其它控制设备的状态编码；数据为图像压缩码流；校验为信息帧校验和结束标志。地址、状态、校验均为一个字节，数据长度可变。

表2 信息帧格式

3.2 从机通信程序设计

从机通信流程如图3所示。压缩终端上电复位后打开串行口中断，RS-485接口芯片处于接收状态。一旦接到主机的命令帧，压缩终端便按命令帧的要求调整焦距、镜头方向和其他控制设备的状态，然后进行图像的采集和压缩编码，同时检测总线的状态。若总线上没有讲者则将压缩码流发往主机，总线被占用直到一帧信息帧全部发送完毕。为了提高图像的处理效率，压缩和传输并行进行。

3.3 主机通信程序设计

主机通信流程控制如图4所示。正常情况下，主机对全部或部分现场进行轮流监控，各压缩终端送来的压缩数据被分别保存起来，同时经解压缩后显示在计算机屏幕上。一旦发生异常情况，主机自动对异常现场进行单独监控。主机在向压缩终端发命令帧之间检测总线的状态，若总线上没有讲者则将命令帧发往压缩终端，然后将RS-485接口置于接收状态，等待压缩终端发送信息帧。为了保证命令帧的可靠性，命令帧被连续发送三次。

本系统使用TMS320VC5402 DSP和RS-485总线实现了静止图像的实时压缩和高速传输。采用标准JPEG压缩算法，每秒钟可压缩并传输5帧512×512×8的灰度图像，性价比极高，适用于无人仓库、超级市场、交通道口、井下工程、列车车箱等的监控管理。