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摘 要：随着社会的发展，监控系统愈加重要，在公路、铁路以及其他公共场合安防产品都是不可或缺的重要组成部分。本设计的嵌入式视频监控系统使用ARM11的UP-CUP6410-II开发平台采集和显示图像，实现多路视频之间的动态切换，并把采集的模拟摄像头数据压缩为H264格式进行网络传输。
关键词：ARM；嵌入式；监控系统；硬件设计
中图分类号：TP316 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）05-00-03
0 引 言
随着社会的快速发展，监控系统已遍布市区各个角落，不仅可为市民的安全出行保架护航，还能在出现纠纷时提供有力证据，极大地避免了因遇“碰瓷”而出现有理说不清等状况发生。文中设计了一款基于ARM的嵌入式视频监控系统，可有效免除大家做好事的后顾之忧。
1 视频采集电路的总体结构
该嵌入式视频监控系统使用了ARM11平台UP-CUP6410-II采集和显示图像，可实现多路视频之间的动态切换，并能采集模拟摄像头数据显示在LCD屏幕上，将采集的数据保存为H264文件，备份到外部存储设备进行视频回放。使用Qt4开发图形界面，支持用户操作，可实现视频切换和云台控制功能，使用 TV-OUT接口将数据实时显示在外置LCD上，支持多屏显示。具有视频切换和云台控制功能的系统框图如图1所示。
采集的模拟摄像头数据压缩为H264格式还能进行网络传输，实现局域网内H264视频服务，支持多客户端点播功能。视频图像的网络传输系统框图如图2所示。
由于MFC编码只能从YUV数据转换为H264，而实际摄像头采集的数据就是YUV 数据，所以为避免对采集的摄像头进行二次转换，此处只使用MFC编码，不使用PP编码，采集的数据格式为YUV数据，经MFC转换后为H264格式的视频流。
2 监控系统的硬件结构
系统包括ARM11平台UP-CUP6410-II型系统平台和视频采集单元。文中采用模块化设计方案，主要包括主控制器模块、存储电路模块、外围接口电路模块、电源和复位电路，视频采集单元。系统硬件结构如图3所示。
基于S3C6410X处理器构建系统时，硬件设计中需要注意处理器的特点，下面列出UP-TECH 6410DVK硬件架构中考虑的问题和采用的方式：
（1） S3C6410X的存储器有两个外部接口。DRAM接口用于连接动态存储器，本设计采用MobileDDR存储芯片，在PCB设计中要注意DDR布线规则。DRAM接口的电压为1.8 V，可以和存储芯片一起供电。
（2） 其他Flash芯片和外设均在SROM端口上，此端口供电电压为1.8 V，连接3.3 V Flash等芯片，电路中设有电平转换芯片，可增强总线的驱动能力。
（3） S3C6410X的CF控制器可通过两种方式连接CF卡，利用SROM端口总线间接连接或利用独立的CF总线直接连接。间接方式支持PC卡的IO和Memory模式及ATA的IO模式，但直接方式只支持ATA的UDMA模式。本设计采用直接模式，故只支持IDE UDMA模式的CF卡和IDE硬盘。
（4） S3C6410X支持多种SROM类的存储芯片，包括SRAM/SROM、NorFlash、OneNandFlash、NandFlash和CF等。每種存储器都有对应的控制器，多种控制器共享SROM端口。每种控制器可占用指定的存储Bank和外部片选信号。此外，XSELNAND引脚用于选择OneNandFlash或NandFlash，尽管二者控制器占用不同的Bank和片选，却不能同时存在于系统之中（部分信号线复用）。本设计将XSELNAND引脚接高电平，只使用NandFlash芯片。
（5） 影响每个片选和控制器关系的因素除XSELNAND引脚、MP0_CS_CFG寄存器设置外还有启动方式。S3C6410X有多种启动方式，本设计采用从NorFlash启动和从NandFlash启动方式，同时也支持从IROM（内部ROM代码）启动下各子模式。MP0_CS_CFG寄存器设置及启动方式见表1所列。
表1中虽并未列出直接从NandFlash启动的选项，但前4个标有RESERVED的选项就是NandFlash启动选项，分别针对不同容量或规格的芯片。本设计中的NandFlash芯片为K9F1G08，页大小为2 KB，OM[4：0]设置为0010时可直接从NandFlash启动。
（6） 每个Bank的地址空间如表2所列。在底板设计中，连接到系统总线的DM9000A、16C550和CPLD等芯片，都使用nCS1和若干地址线译码得到各自的片选信号，因此基地址都为0x1800 0000。
3 UP-CUP6410-II型系统平台
3.1 UP-CUP6410-II开发板硬件构成
S3C6410X的DRAM接口可配置为支持mobileDDR、DDR、mobileSDRAM和SDRAM，而Flash/ROM接口支持NOR-Flash、NAND-Flash、OneNAND、CF和ROM类型的外设。S3C6410X包含多种硬件外设，摄像头接口、24位真彩LCD控制器、4路UART、32路DMA、5路32位定时器和PWM、GPIO、AC97、I2S、I2C、USB Host、高速USB OTG、3路SD/MMC控制器等。
S3C6410X基于ARM1176JZF-S核，包括16 KB指令和16 KB数据Caches，16 KB指令和16 KB数据TCM，MMU支持虚拟内存管理。UP-CUP6410-II开发板的系统硬件结构图如图3所示。
框图中央为核心板，XM1总线是DRAM端口，直接连接MobileDDR芯片；XM0总线是SROM端口，经BusBuffer后形成系统总线；NorFlash和NandFlash也连接到此系统总线上。系统总线在底板上连接了两片DM9000A网卡芯片，即16C550和CPLD。CPLD内部逻辑完成各芯片的片选译码，并提供部分资源的控制功能以及系统电源控制。UP-TECH 6410DVK配置了双网卡和GPRS模块。 S3C6410X拥有独立的Camera接口CIF，本设计中的摄像头（目前支持的摄像头模组芯片为MT9D111）和模拟视频输入均通过CIF总线输入到CPU。摄像头信号添加总线缓冲器后接到CIF总线，模拟视频信号（复合视频信号或S-VIDEO）经视频ADC电路接到CIF总线。这两个信号源只能有一个工作，通过CPLD切换。
S3C6410X模拟视频信号（复合视频信号或S-VIDEO）输出经过视频放大器后可接电视机等设备，有一组数字显示输出信号，可直接驱动TFT-LCD。本设计还预留了将此数字信号转换为LVDS总线的电路，可接LVDS接口的TFT-LCD显示器。同时，将此数字信号转换为模拟RGB信号，可接VGA显示器。
S3C6410X的音频总线非常丰富，有两组I2S、两组PCM总线、一组AC97总线和一组可支持5.1声道的I2S总线。本设计板上使用了AC97总线，通过一个CODEC芯片连接MIC输入和耳机输出。同时将一组立体声I2S和5.1声道I2S总线引出到扩展槽，可外扩5.1声道环绕声CODEC芯片，形成更高级的音频系统。
S3C6410X有一个USB HOST，本设计中使用USB HUB芯片将其扩展为4个下行口。用户可以驳接USB键盘等4个设备。
3.2 UP-CUP6410-II开发板硬件资源
S3C6410X具有64/32位内部总线，由AXI/AHB/APB总线构成。S3C6410X含有多个强大的硬件加速器，非常适合音视频、2D图形、显示运算等应用。内部集成的MFC（多格式CODEC）支持MPEG4/H.263/H.264的编解码，该硬件编解码器支持实时视频会议和电视输出（NTSC和PAL制式）。UP-CUP6410-II开发板的主要硬件资源见表3所列。
4 视频采集模块设计
使用S3C6410处理器作为摄像头数据的接收与处理芯片，由于该芯片不能直接接收模拟数据，因此需要进行视频信号的编解码，在本设计中采用SAA7113H作为视频解码芯片。这是一款功能非常强大的9位视频输入处理芯片，采用CMOS工艺，通过I2C总线与处理器或DSP芯片直接连接就可方便地构成应用系统，操作简单。设置SAA7113H芯片的工作时钟为24.576 MHz，数据输出格式为4∶2∶2，帧频为25 f/s。视频采集芯片SAA7113H上电后，首先对内部寄存器进行初始化才能正常工作。它必须由多媒体处理芯片如Hi3510通过I2C总线对其内部寄存器进行初始化设置后，才能采集模拟视频信号进行A/D转换。视频采集芯片SAA7113H的接口连接框图如图4所示。
除了上述操作外还可控制云台进行360°全方位的监视扫描。系统还具有本地存储、视频录像、停止录像、视频播放等功能，可以进行视频录制，视频保存的路径在外界U盘上，为H264格式，所以用户还可以把录制的H264文件在PC上查看，在8英寸或15英寸显示屏幕上显示。
通过SPI总线设置一路CAN总线。S3C6410X有4路UART接口，其中UART0直接经过RS 232电平转换接到DB9插座，用于调试控制台。另外3路则连接到CPLD，由内部路由逻辑连接到RS 485、IrDA、扩展槽等。
5 结 语
将UP-CUP6410-II開发板作为平台，使用S3C6410芯片作为主控芯片，采集目标数据，并对目标数据进行压缩、传输。在设计中，采用CPLD芯片对模拟数据和摄像头输入数据进行切换。该系统装置可作为高速公路、城市交通道路智能化的设备，实现视频信息采集、录制等功能。
参考文献
[1]吴平.基于ARM的图像采集与处理系统 [D].无锡：江南大学，2011.
[2]黄辉，张伯虎.基于Hi3510的网络视频监控系统的硬件设计[J].安防科技，2009（1）：28-31.
[3]杨庆国.基于ARM和WinCE的手指静脉识别系统设计[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2011.
[4]周慧芳.基于HMM的嵌入式语音识别系统的研究[D].广州：广东工业大学，2011.
[5]李倩.一种嵌入式网络视频监控系统的硬件设计[J].信息化研究，2010，36（3）：22-25.
[6]周新山，杨彬彬，张毅.基于ARM嵌入式设计的天然气压缩机状态监测仪[J].物联网技术，2016，6（2）：17-18.
[7]胡东，黄辰，朱文杰，等.基于H264的智能家居视频监控系统的设计与实现[J].物联网技术，2016，6（2）：25-26.
[8]彭铁钢，刘国繁，曹少坤，等.基于ARM的嵌入式视频监控系统设计[J].计算机工程与技术，2010，31（6）：1191-1194.
关键词：ARM；嵌入式；监控系统；硬件设计
中图分类号：TP316 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）05-00-03
0 引 言
随着社会的快速发展，监控系统已遍布市区各个角落，不仅可为市民的安全出行保架护航，还能在出现纠纷时提供有力证据，极大地避免了因遇“碰瓷”而出现有理说不清等状况发生。文中设计了一款基于ARM的嵌入式视频监控系统，可有效免除大家做好事的后顾之忧。
1 视频采集电路的总体结构
该嵌入式视频监控系统使用了ARM11平台UP-CUP6410-II采集和显示图像，可实现多路视频之间的动态切换，并能采集模拟摄像头数据显示在LCD屏幕上，将采集的数据保存为H264文件，备份到外部存储设备进行视频回放。使用Qt4开发图形界面，支持用户操作，可实现视频切换和云台控制功能，使用 TV-OUT接口将数据实时显示在外置LCD上，支持多屏显示。具有视频切换和云台控制功能的系统框图如图1所示。
采集的模拟摄像头数据压缩为H264格式还能进行网络传输，实现局域网内H264视频服务，支持多客户端点播功能。视频图像的网络传输系统框图如图2所示。
由于MFC编码只能从YUV数据转换为H264，而实际摄像头采集的数据就是YUV 数据，所以为避免对采集的摄像头进行二次转换，此处只使用MFC编码，不使用PP编码，采集的数据格式为YUV数据，经MFC转换后为H264格式的视频流。
2 监控系统的硬件结构
系统包括ARM11平台UP-CUP6410-II型系统平台和视频采集单元。文中采用模块化设计方案，主要包括主控制器模块、存储电路模块、外围接口电路模块、电源和复位电路，视频采集单元。系统硬件结构如图3所示。
基于S3C6410X处理器构建系统时，硬件设计中需要注意处理器的特点，下面列出UP-TECH 6410DVK硬件架构中考虑的问题和采用的方式：
（1） S3C6410X的存储器有两个外部接口。DRAM接口用于连接动态存储器，本设计采用MobileDDR存储芯片，在PCB设计中要注意DDR布线规则。DRAM接口的电压为1.8 V，可以和存储芯片一起供电。
（2） 其他Flash芯片和外设均在SROM端口上，此端口供电电压为1.8 V，连接3.3 V Flash等芯片，电路中设有电平转换芯片，可增强总线的驱动能力。
（3） S3C6410X的CF控制器可通过两种方式连接CF卡，利用SROM端口总线间接连接或利用独立的CF总线直接连接。间接方式支持PC卡的IO和Memory模式及ATA的IO模式，但直接方式只支持ATA的UDMA模式。本设计采用直接模式，故只支持IDE UDMA模式的CF卡和IDE硬盘。
（4） S3C6410X支持多种SROM类的存储芯片，包括SRAM/SROM、NorFlash、OneNandFlash、NandFlash和CF等。每種存储器都有对应的控制器，多种控制器共享SROM端口。每种控制器可占用指定的存储Bank和外部片选信号。此外，XSELNAND引脚用于选择OneNandFlash或NandFlash，尽管二者控制器占用不同的Bank和片选，却不能同时存在于系统之中（部分信号线复用）。本设计将XSELNAND引脚接高电平，只使用NandFlash芯片。
（5） 影响每个片选和控制器关系的因素除XSELNAND引脚、MP0_CS_CFG寄存器设置外还有启动方式。S3C6410X有多种启动方式，本设计采用从NorFlash启动和从NandFlash启动方式，同时也支持从IROM（内部ROM代码）启动下各子模式。MP0_CS_CFG寄存器设置及启动方式见表1所列。
表1中虽并未列出直接从NandFlash启动的选项，但前4个标有RESERVED的选项就是NandFlash启动选项，分别针对不同容量或规格的芯片。本设计中的NandFlash芯片为K9F1G08，页大小为2 KB，OM[4：0]设置为0010时可直接从NandFlash启动。
（6） 每个Bank的地址空间如表2所列。在底板设计中，连接到系统总线的DM9000A、16C550和CPLD等芯片，都使用nCS1和若干地址线译码得到各自的片选信号，因此基地址都为0x1800 0000。
3 UP-CUP6410-II型系统平台
3.1 UP-CUP6410-II开发板硬件构成
S3C6410X的DRAM接口可配置为支持mobileDDR、DDR、mobileSDRAM和SDRAM，而Flash/ROM接口支持NOR-Flash、NAND-Flash、OneNAND、CF和ROM类型的外设。S3C6410X包含多种硬件外设，摄像头接口、24位真彩LCD控制器、4路UART、32路DMA、5路32位定时器和PWM、GPIO、AC97、I2S、I2C、USB Host、高速USB OTG、3路SD/MMC控制器等。
S3C6410X基于ARM1176JZF-S核，包括16 KB指令和16 KB数据Caches，16 KB指令和16 KB数据TCM，MMU支持虚拟内存管理。UP-CUP6410-II开发板的系统硬件结构图如图3所示。
框图中央为核心板，XM1总线是DRAM端口，直接连接MobileDDR芯片；XM0总线是SROM端口，经BusBuffer后形成系统总线；NorFlash和NandFlash也连接到此系统总线上。系统总线在底板上连接了两片DM9000A网卡芯片，即16C550和CPLD。CPLD内部逻辑完成各芯片的片选译码，并提供部分资源的控制功能以及系统电源控制。UP-TECH 6410DVK配置了双网卡和GPRS模块。 S3C6410X拥有独立的Camera接口CIF，本设计中的摄像头（目前支持的摄像头模组芯片为MT9D111）和模拟视频输入均通过CIF总线输入到CPU。摄像头信号添加总线缓冲器后接到CIF总线，模拟视频信号（复合视频信号或S-VIDEO）经视频ADC电路接到CIF总线。这两个信号源只能有一个工作，通过CPLD切换。
S3C6410X模拟视频信号（复合视频信号或S-VIDEO）输出经过视频放大器后可接电视机等设备，有一组数字显示输出信号，可直接驱动TFT-LCD。本设计还预留了将此数字信号转换为LVDS总线的电路，可接LVDS接口的TFT-LCD显示器。同时，将此数字信号转换为模拟RGB信号，可接VGA显示器。
S3C6410X的音频总线非常丰富，有两组I2S、两组PCM总线、一组AC97总线和一组可支持5.1声道的I2S总线。本设计板上使用了AC97总线，通过一个CODEC芯片连接MIC输入和耳机输出。同时将一组立体声I2S和5.1声道I2S总线引出到扩展槽，可外扩5.1声道环绕声CODEC芯片，形成更高级的音频系统。
S3C6410X有一个USB HOST，本设计中使用USB HUB芯片将其扩展为4个下行口。用户可以驳接USB键盘等4个设备。
3.2 UP-CUP6410-II开发板硬件资源
S3C6410X具有64/32位内部总线，由AXI/AHB/APB总线构成。S3C6410X含有多个强大的硬件加速器，非常适合音视频、2D图形、显示运算等应用。内部集成的MFC（多格式CODEC）支持MPEG4/H.263/H.264的编解码，该硬件编解码器支持实时视频会议和电视输出（NTSC和PAL制式）。UP-CUP6410-II开发板的主要硬件资源见表3所列。
4 视频采集模块设计
使用S3C6410处理器作为摄像头数据的接收与处理芯片，由于该芯片不能直接接收模拟数据，因此需要进行视频信号的编解码，在本设计中采用SAA7113H作为视频解码芯片。这是一款功能非常强大的9位视频输入处理芯片，采用CMOS工艺，通过I2C总线与处理器或DSP芯片直接连接就可方便地构成应用系统，操作简单。设置SAA7113H芯片的工作时钟为24.576 MHz，数据输出格式为4∶2∶2，帧频为25 f/s。视频采集芯片SAA7113H上电后，首先对内部寄存器进行初始化才能正常工作。它必须由多媒体处理芯片如Hi3510通过I2C总线对其内部寄存器进行初始化设置后，才能采集模拟视频信号进行A/D转换。视频采集芯片SAA7113H的接口连接框图如图4所示。
除了上述操作外还可控制云台进行360°全方位的监视扫描。系统还具有本地存储、视频录像、停止录像、视频播放等功能，可以进行视频录制，视频保存的路径在外界U盘上，为H264格式，所以用户还可以把录制的H264文件在PC上查看，在8英寸或15英寸显示屏幕上显示。
通过SPI总线设置一路CAN总线。S3C6410X有4路UART接口，其中UART0直接经过RS 232电平转换接到DB9插座，用于调试控制台。另外3路则连接到CPLD，由内部路由逻辑连接到RS 485、IrDA、扩展槽等。
5 结 语
将UP-CUP6410-II開发板作为平台，使用S3C6410芯片作为主控芯片，采集目标数据，并对目标数据进行压缩、传输。在设计中，采用CPLD芯片对模拟数据和摄像头输入数据进行切换。该系统装置可作为高速公路、城市交通道路智能化的设备，实现视频信息采集、录制等功能。
参考文献
[1]吴平.基于ARM的图像采集与处理系统 [D].无锡：江南大学，2011.
[2]黄辉，张伯虎.基于Hi3510的网络视频监控系统的硬件设计[J].安防科技，2009（1）：28-31.
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