基于RS-485总线的计算机视频监控系统设计

　　纵观视频监控技术的发展历史，它主要经历了三代：第一代，传统模拟视频监控系统；第二代，基于硬盘录像机的视频监视系统；第三代，基于信源压缩的数字视频监控系统。目前，第一代系统已经占主导地位，第二代系统刚切入市场，而第三代系统还处在刚刚起步的阶段。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。

　　RS-485总线采用平衡发送和差分接收方式实现通信：发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A,B两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。由于传输线通常使用双绞线，又是差分传输，所以又极强的抗共模干扰的能力，总线收发器灵敏度很高，可以检测到低至200mV电压。故传输信号在千米之外都是可以恢复。RS-485总线最大的通信距离约为1219M，最大传输速率为10Mb/S，传输速率与传输距离成反比，在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。RS-485采用半双工工作方式，支持多点数据通信。RS-485总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。即采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络。如果需要使用星型结构，就必须使用485中继器或者485集线器才可以。RS-485总线总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。

　　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，C5402是C5000系列中性价比较高的一颗芯片。独特的6总线哈佛结构，使其能够6条流水线同时工作，工作频率达到100MHz。VC5402除了使用VC54x系列中常用的通用I／O口（GeneralPurposeI／O，简称GPIO）外，还为用户提供了多个可选的GPIO：HPI－8和McBSP。

　　C5402主要特点有 ：

　　（1）操作速率达1 0 0MIPS ;

　　（2）具有先进的多总线结构 （1条程序总线、3条数据总线和 4条地址总线 ） ;

　　（3） 40位算术逻辑运算单元 （ALU） ,包括 1个 40位桶形移位寄存器和 2个独立的 40位累加器 ;

　　（4）17位 17位并行乘法器与 40位专用加法器相连，用于非流水式单周期乘法 /累加 （MAC）运算 ;

　　（5）双地址生成器 ,包括 8个辅助寄存器和 2个辅助寄存器算术运算单元 （ARAU） ;

　　（6）数据 /程序寻址空间 1M 1 6bit,内存 4K 1 6bitROM和 1 6K 1 6bit双存取RAM ;

　　（7）内置可编程等待状态发生器、锁相环 （PLL）时钟发生器、2个多通道缓冲串行口、1个 8位并行与外部处理器通信的HPI口、2个 1 6位定时器以及 6通道DMA控制器 ;

　　（8）低功耗 ,工作电源 3 . 3V和1 .8V（内核 ） 。

　　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：

　　

　　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

地址

焦距

方向

大小

速率

控制

校验

　　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

地址

状态

数据

校验

　　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。