摘要：借助數(shù)碼相機(jī)攝像原理，融合高速單片機(jī)技術(shù)、fpga技術(shù)、高速cmos圖像傳感器技術(shù)、點(diǎn)陣圖形液晶技術(shù)和高速網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)等，研制了一種智能化、網(wǎng)絡(luò)化、小型化的圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)踐表明，這種系統(tǒng)可以縮短開發(fā)周期，靈活性好、柔性強(qiáng)；由于通過以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)圖像的數(shù)據(jù)傳輸，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度和穩(wěn)定性大大提高；而軟件設(shè)計(jì)的模塊化結(jié)構(gòu)又使系統(tǒng)的通用性和可移植性增強(qiáng)，有利于系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。 關(guān)鍵詞：fpga 以太網(wǎng)控制器 嵌入式系統(tǒng)cmos圖像傳感器 圖像監(jiān)測(cè) 圖像監(jiān)測(cè)在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，目前已經(jīng)安裝上的圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大約60%沿用早期的攝像頭加電視和錄像帶，并采用有線模擬視頻傳輸技術(shù)構(gòu)成。這種方案存在圖像質(zhì)量低、錄像帶不易保管、資源容易刪改、錄像機(jī)磁鼓壽命短、需專人看管換帶、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量大、查詢?nèi)∽C檢索和圖像壓縮后期處理困難等難點(diǎn)。另一方面，有線模擬視頻監(jiān)測(cè)存在無線聯(lián)網(wǎng)、只能以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)、布線工程量極大、對(duì)距離十分敏感、不能為遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和中心聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)提供可擴(kuò)展性等技術(shù)性缺陷。本文提出一種采用fpga和cmos數(shù)字傳感器實(shí)現(xiàn)前端數(shù)據(jù)采集、利用單片機(jī)進(jìn)行圖像鑒別和壓縮、通過以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱D像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了圖像信號(hào)數(shù)據(jù)采集，而且數(shù)據(jù)傳輸速度和穩(wěn)定性高；不僅靈活性好、成本低，而且具有網(wǎng)絡(luò)化、智能化等優(yōu)點(diǎn)。1 系統(tǒng)組成和工作原理 整個(gè)圖象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用c/s架構(gòu)，由本地服務(wù)器和多臺(tái)智能圖像采集前端組成分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本地服務(wù)器和圖像采集前端在實(shí)現(xiàn)時(shí)使用的是自成局域網(wǎng)的方案，采用udp傳輸協(xié)議和分時(shí)輪循管理模式�？蛻舳瞬杉瘮�(shù)據(jù)，本地服務(wù)器處理數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。本地服務(wù)器之間通過廣域網(wǎng)連接，采用ftp傳輸協(xié)議。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接如圖1所示。 嵌入式cpu對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別處理，并將有效的圖像數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)卡控制器發(fā)送到本地服務(wù)器，本地服務(wù)器進(jìn)行圖像處理或顯示，并向各個(gè)終端發(fā)送控制信息。同時(shí)，本地服務(wù)器還決定是否處理過的數(shù)據(jù)發(fā)送到廣域網(wǎng)上。2 圖像采集傳輸系統(tǒng) 圖像采集傳輸系統(tǒng)前端采集圖像信號(hào)，并將它轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，由cpu將這些圖像數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器，以供服務(wù)器進(jìn)行圖像處理或顯示等。同時(shí)，服務(wù)器也通過網(wǎng)絡(luò)同圖像采集前端發(fā)送控制信號(hào)、顯示信息，向終端查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)、設(shè)備信息以及發(fā)布網(wǎng)絡(luò)的輔助協(xié)議數(shù)據(jù)包等。圖像采集傳輸系統(tǒng)包括圖像采集存儲(chǔ)模塊、輸入輸出模塊、電源設(shè)計(jì)模塊、通信模塊、紅外檢測(cè)和有效圖像識(shí)別模塊以及其它的附屬單元。 2．1 圖像采集存儲(chǔ)模塊 系統(tǒng)的圖像傳感器選擇的是cmos型高分辨率、高速率彩色圖像傳感器ov7620。如果用cpu直接從cmos芯片中采集數(shù)據(jù)，cpu的速度跟不上，存在著高速外設(shè)與低速cpu之間不匹配的問題，因此用fpga實(shí)現(xiàn)圖像傳感器和cpu之間的速度匹配，如圖2所示。fpga內(nèi)部可以分為內(nèi)存分配、產(chǎn)生sram的讀寫時(shí)序和地址、為網(wǎng)卡和cmos提供主頻、鍵盤擴(kuò)展、產(chǎn)生lcd的控制時(shí)序等幾部分以及其它附屬模塊。 fpga根據(jù)cpu的讀寫信號(hào)和cmos的輸出信號(hào)產(chǎn)生緩存的讀寫時(shí)序和地址信號(hào)。當(dāng)一幀圖像采集完成時(shí)，fpga向cpu發(fā)出一個(gè)申請(qǐng)信號(hào)，表示緩存里面有一幀數(shù)據(jù)可以進(jìn)行讀取。如果cpu不應(yīng)答，表示這幀數(shù)據(jù)可以丟棄。這時(shí)fpga重新根據(jù)cmos圖像傳感器的輸出信號(hào)向緩存輸送一幀數(shù)據(jù)，如此循環(huán)。如果cpu給出應(yīng)答信號(hào)，fpga停止向緩存輸送數(shù)據(jù)，等待cpu發(fā)送讀信號(hào)。當(dāng)cpu發(fā)出讀信號(hào)時(shí)，fpga把cpu的讀信號(hào)轉(zhuǎn)化為內(nèi)存的讀信號(hào)。即fpga首先根據(jù)cmos的輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為內(nèi)存的讀信號(hào)。2．2 人機(jī)界面設(shè)計(jì) 鍵盤采用4×4矩陣鍵盤，鍵的功能定義分為數(shù)字鍵和功能鍵，數(shù)字鍵為0～9，系統(tǒng)的功能鍵主要有clr（清除鍵）、ok（確認(rèn)鍵）、menu（主菜單鍵）、上翻鍵、下翻鍵、查年系統(tǒng)ip地址鍵。液晶顯示器選用信利公司的產(chǎn)品，其分辨率為128×32點(diǎn)陣。人機(jī)界面接口如圖3所示。圖32．3 紅外檢測(cè)和圖像識(shí)別模塊 紅外檢測(cè)和有效圖像識(shí)別模塊的作用是減輕網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，使在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)娜魏芜B續(xù)兩幀圖像數(shù)據(jù)不會(huì)重復(fù)。采用嵌入式cpu進(jìn)行圖像的模式識(shí)別，判斷連續(xù)兩幀圖像是否有變化。其電路如圖4所示。2．4 rs422通信模塊 為了使圖像采集前端和其它設(shè)備能夠進(jìn)行網(wǎng)際互聯(lián)，系統(tǒng)掛接了一套全雙工總線式rs422串口通訊模式接口電路，滿足了傳輸速率不太高、傳輸距離遠(yuǎn)的要求。在實(shí)際傳輸中系統(tǒng)選用的波特率為19200，多機(jī)通訊模式，一幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為11位。3 嵌入式以太網(wǎng)模塊設(shè)計(jì) 以太網(wǎng)控制器dm9008f的數(shù)據(jù)總線是與系統(tǒng)cpu的數(shù)據(jù)總線直接相連的，通過紅外檢測(cè)的方式判斷圖像是否有效。為了提高圖像數(shù)據(jù)的導(dǎo)入速度，系統(tǒng)使用的圖像數(shù)據(jù)由高速緩存