基于双CPU实时图像监控的嵌入式系统设计方法

    图像监控以其直观、方便、信息内容丰富而被广泛应用于许多场合。在电子技术与通讯技术的发展过程中，图像监控系统的技术水平直接反映了不同阶段电子与通讯的技术状况。上世纪90年代末，随着多媒体技术、视频压缩编码技术和网络通讯技术的发展，数字视频监控系统迅速崛起。在数字图像监控系统中，嵌入式监控系统主要由嵌入式处理器、以太网接口控制器等相关支撑硬件及嵌入式操作系统组成。

    1 设计方案

    采用TI公司的TMS320VC5471为处理器，此芯片是一种双内核器件，内部集成了一个带程序和数据存储器（均为RAM）的 TMS320C54x DSP子系统和一个带仿真工具的ARM7TMRISC微控制器核。在双CPU系统中，ARM7TDMI作为主CPU，负责图像数据的存储、图像数据远程传输、存储容量的扩展等系统的功能；DSP作为从CPU，它是图像采集和数据处理的核心，完成图像采集及处理系统的功能。ARM子系统与DSP子系统数据的传输非常频繁，系统选用共享双口RAM存储器方式来实现DSP与ARM7TDMI之间的通信，图像监控系统框图如图1所示。

    2 硬件系统

    2.1 主机控制单元

    ARM子系统与DSP子系统数据的传输非常频繁，数据传输的可靠性和实时性直接决定系统的性能。所以，本系统选用共享双口RAM存储器方式来实现DSP与ARM7TDMI之间的通信，如采用IDT司生产的双口RAMIDT70V24，其容量为4K×16位。

    在工作时不可避免的要碰到双核内部的通信问题，本设计采用中断的通信方式，任何一方都是先将准备好的数据放入API存储器中，然后发出中断信号，通知对方可以取数，对方接到中断之后，进入中断服务程序从API存储器中取走数据。

    2.2 模拟图像采集及处理单元

    图像信号通过CCD摄像头采集并输出模拟图像信号，模拟图像A／D转换采用Philips公司的SAA7111A来实现。该芯片可实现多路选通、锁相与时序、时钟产生与测试、ADC、亮色分离等功能，其输出可以具有如下格式：YUV4：1：1（12bit）、YUV 4：2：2（16bit）、YUV4：2：2（CCIR-656）（8bit）等，灵活输出不同的数字图像数据格式。由于DSP处理芯片和SA7111A 的时序不同，可以通过CPLD进行逻辑控制FIFO来完成数据缓存的功能。

    2.3 键盘控制单元

    本系统采用TI公司的TMS320VC5471为处理器，连接成一个矩阵式键盘是非常容易的，其ARM侧提供了键盘专用接口KBGPIO。 KBGPIO[15：8]在芯片内部已通过上拉电阻接+3.3V高电平，并且被配置成输入口，可用来作为矩阵键盘的行输入，KBGPIO[7：0]被配置为输入口，可以用来作为矩阵键盘的列输入，该键盘电路输入无需再通过上拉电阻接至高电平，只将行和列线引出接到键的两端即可。键盘总共可以有24个实际的硬键，每个按键的功能可由用户随意定义功能。

    2.4 存储容量扩展单元

    系统中有大量的数据要记录下来，需要大量内存来保存测量的数据，在主CPU上连接SRAM、FLASH、CF卡。CF卡具有存储容量大、读写速度快、灵活性强的特点，是一种理想的存储载体，本系统选用KINGMAX公司生产的ComPACtFlash Card，该卡的存储容量是1G，利用芯片ARM核内置集成电路IIC接口，把CompactFlash卡连接到微控制器的IIC接口。在存储器映像模式中，一条8比特数据总线控制着CompactFlash卡，软件能把数据直接写到CompactFlash卡。CF卡的结构如图2所示。

    2.5 以太网控制单元

    TMS320VC5471的网络模块（EIM）可以实现IEEE802.3协议及全双工／半双工模式的10／100Mbit／s的MAC层的功能。本系统的PHY接口采用ReaLTEk公司生产的RTL8201BL芯片构成，RTL8201BL使用MII接口与TMS320VC5471的MAC控制器直接相连，RTL8201的发送输出引脚TPTX±和接收输入TPRX±通过网络隔离变压器与RJ45双绞线接口连接，实现数据通道的安全隔离。

    2.6 实时图像监控单元

    将本系统连接到Internet网络上，可以通过Internet进行实时图像监控，不必亲临现场。μC／OS-II是一款实时嵌入式操作系统，该操作系统是一个公开源代码占先式多任务微内核的RTOS。本设计选用μC／OS-II，将其移植到TMS320VC5471内嵌的ARM7核上。网络通信协议通过TCP／IP协议栈选用LwIP协议栈，把LwIP协议栈移入来实现。嵌入式网络平台的结构示意图如图3所示。

    3 软件设计

    采用ARM汇编语言，各系统做成子程序功能块，这样不但可以使程序紧凑、便于阅读，而且可以增强程序移植性，调试、更改各功能模块也更方便，程序框图如图4所示。

    本文提出的基于双CPU实时图像监控的嵌入式系统设计方法，充分利用了TMS320VC5471的高性能和嵌入式操作系统的实时稳定的特点，采用 TCP／IP协议建立与Internet的连接，实现了实时图像监控的远程控制。这种双CPU处理器与嵌入式操作系统相结合的模式，可以广泛应用于工业控制、产品制造、智能交通等的视频检测领域， 具有广泛的应用前景。