摘? 要: 一種基于DSP實現遠程無人值守" title="無人值守">無人值守的監控系統" title="監控系統">監控系統，該系統采用TMS320-C30 DSP實現遠程監控系統" title="遠程監控系統">遠程監控系統的圖像獲取?圖像壓縮" title="圖像壓縮">圖像壓縮?圖像回傳等功能，利用電話線路作傳輸通路?電話振鈴信號作遠程系統的自動開機信號?PC作監控中心，實現任意遠距離場景的監測控制功能。
關鍵詞: 數字信號處理? 圖像壓縮? 遠程控制
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實現任意遠距離場景的實時監控，主要解決遠程場景圖像的獲取和回傳問題。利用計算機作為遠程場景圖像獲取?利用Internet網絡實現圖像信息的回傳是一種有效的選擇，但必須在控制方和被控制方各設置一臺計算機及Modem，費用較高，當遠程場景無人值守時，遠程場景中計算機系統的維護以及計算機的開關機等問題非常復雜，而且遠程場景中計算機與Internet網絡專線連接，在目前情況下不一定都能得到滿足。另外，也可以采用電話線作控制線路，微波信道作圖像回傳通路，實現遠程場景中實時圖像的監測控制[1]，但遠程場景與控制中心必須在視距范圍之內。如果遠程場景離監控中心很遠，采用基于DSP的系統作圖像獲取?圖像壓縮和圖像回傳，利用電話線作傳送通路，不但費用低廉，而且方便可靠，不管被監控場景在任何地方，只要電話線能到達，就可以對其實行圖像監測和控制。
1 系統的構成與功能
基于DSP的遠程監控系統主要由兩個部分組成，即遠程無人值守監控系統和監控中心，它們通過電話線相連，如圖1所示。
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1.1 遠程無人值守監控系統
主要功能是實現遠程場景圖像的采集?圖像的數字化(A/D)?圖像的壓縮(JPEG格式)和回傳?攝像系統云臺" title="云臺">云臺方位及攝像鏡頭的控制?自動開機和關機等功能。其中圖像的壓縮和回傳?攝像系統云臺方位及攝像鏡頭的控制等功能由DSP(TMS320-C30)子系統實現。遠程場景的壓縮圖像信息通過Modem，從電話線路傳回控制中心。
1.2 監控中心
監控中心通過Modem從電話線路上接收遠程場景的壓縮圖像(JPEG格式)信息，并通過熵譯碼?解量化?反DCT變換和Y：U：V到R：G：B變換，將圖像從計算機的顯示器上輸出。
監控中心根據需要可以將遠程監控圖像(JPEG格式)存儲起來，自動生成監控圖像數據庫，以備查詢。
監控中心還負責生成控制命令，實現對遠程監控系統的開機?關機?攝像系統云臺方位及攝像鏡頭調節等控制。控制命令(除開機命令用電話振鈴信號外)通過Modem，以數字命令代碼形式傳送到遠程監控系統的Modem中，再由DSP進行相應處理，實現相應動作。
2 DSP圖像壓縮及控制系統
遠程無人值守監控系統的關鍵是實現攝像系統的控制及圖像數字化和圖像壓縮功能。
攝像系統的控制包括云臺的上?下?左?右移動，攝像鏡頭的聚焦(遠/近)?場景拉遠(近)?光圈大(小)的調節等功能。攝像系統的控制命令由監控中心生成，DSP系統將其譯碼后，分兩個部分，分別送入云臺和鏡頭驅動控制電路。由于云臺一般采用24V直流(交流)?鏡頭采用9～12V直流控制，因此，云臺和鏡頭電力的供給直接通過繼電器由電源部分提供，驅動控制電路通過控制相應的繼電器開關動作，實現控制云臺和鏡頭作相應的動作，如圖2所示。
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遠程無人值守監控系統最重要的功能是及時將被監測場景中的圖像信息回傳至監測中心。為了使系統靈活地安裝在需要的地方，本系統采用電話線路作被監測場景中圖像的回傳通路，而電話線只能傳送64Kbps以下速率的數據。實時圖像每秒的數據率在200Mbit以上(640(寬)×480(高)×24(每象素)×30(幀頻))，即使一幀靜態圖像需要的數據也能達到7Mbit以上。因此，不能利用電話線傳實時圖像，而傳送被監測場景的靜態圖像，也必須先進行數字圖像的壓縮處理，將數據率壓縮到較低的水平上(一般為幾十Kb)，再經Modem，送到電話線路上傳輸。
被監控場景靜態圖像的壓縮主要由TMS320-C30實現。TMS320-C30是32位浮點運算DSP芯片，每秒可以執行3300萬次全浮點運算，允許在不考慮溢出的情況下處理很寬的數據動態范圍，特別適合快速的DCT運算。它具有大的尋址空間?多處理器接口?片內與片外可設置等待狀態?兩個外部接口?兩個計時器?兩個串口及多中斷結構，具有多樣化的尋址方式?靈活的指令集，非常利于實現JPEG快速壓縮處理。TMS320-C30芯片功能及外部接口如圖3所示。
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TMS320-C30主要負責對數字圖像進行JPEG格式壓縮處理?對模擬圖像A/D轉換的控制?對系統關閉電路的控制?對攝像系統(包括云臺及鏡頭)的控制?從Modem接收監控中心的控制命令以及從Modem上將壓縮后的圖像傳送到監控中心。TMS320-C30及其外圍功能框圖如圖4所示。
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圖像的JPEG格式壓縮由TMS320-C30軟件實現，主要包括RGB至YUV變換?DCT變換?量化?分組?Zig-Zag行程掃描及熵編碼等功能。由于人眼對亮度較為敏感，而對色度敏感性較低，因此，系統中先將RGB圖像變換成YUV圖像，然后采用Y：U：V為4：1：1的方式進行下一步的編碼。由于人眼對圖像的低頻部分較為敏感，而對圖像的高頻部分不敏感，因此，先將YUV圖像以8×8的塊進行DCT變換，然后以小的量化步長對低頻分量進行量化，用大的量化步長對高頻分量進行量化，使8×8DCT塊中出現盡量多的0，同時對圖像視覺質量的影響基本保持不變。為了使愈低頻的分量，愈先被掃描，而愈高頻的分量愈后被掃描，系統采用Zig-Zag行程掃描方式。最后，進行行程編碼和Huffman編碼，實現對一幀圖像的JPEG壓縮，其流程如圖5所示。
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3 遠程監控系統的開啟和關閉電路[1]
由于遠程監測控制系統放置在無人值守的環境下，因此，在不使用時，系統應處于關閉狀態;而當需要使用時，必須能自動開機。因此，在系統中設置系統電源開關(開啟/關閉)電路。
3.1 系統開啟電路
基于DSP的遠程監控系統利用電話振鈴信號，作為系統開啟命令信號，其實現方法如圖6(系統開啟電路部分)所示。
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當電話振鈴信號到來時，電話線路上的90V振鈴交變信號，經耦合器T1后，再經過一個橋電路B1及濾波電路后，變成一個直流的信號，加在可控硅Q1的G端上，打開可控硅Q1。動力電(220V交流)經變壓器T2?橋電路B2和可控硅Q1后，驅動系統上的直流電源，為整個系統提供電源。此時，系統的電源又反過來保持可控硅Q一直處于開啟狀態，從而保持整個系統處于開啟工作狀態。
3.2 系統關閉電路
當用戶使用完控制系統后，需要關閉遠程監控系統時，由監控中心發送一個“關閉遠程監控系統”命令，DSP系統收到該關閉命令后，輸出一個“用戶關機命令”(低電平有效)，送到與非門U1，U1輸出高電平，通過R10，使三極管Q2處于飽和導通狀態，驅動繼電器KR接通，使可控硅Q1的K?A兩端直接相連，導致可控硅Q1進入高阻狀態，從而切斷動力電，將系統電源關閉。另外，在出現誤操作，如用戶掛機時，未先發“關閉遠程監控系統”命令;或一個非法用戶無意中打開了遠程監控系統，隨后掛機;DSP系統都可以偵測到對方掛機信號，輸出一個“自動復位關機命令”(低電平有效)，送到U1，U1同樣輸出一個高電平，通過R10?Q2?Q1，將系統電源自動關閉。關閉遠程監控系統電路如圖6(系統關閉電路部分)所示。
本文介紹的基于DSP的遠程監控系統，其核心主要是TMS320-C30 DSP芯片，該DSP芯片的32位全浮點快速運算及靈活的中斷和串口通信，非常有利于DCT的快速運算要求，使數據圖像的壓縮時間與電話線的數據傳送速率相匹配，非常適用于任意距離?無人值守環境并對遠程場景圖像質量要求不太高的情況下使用，只要被監控場景下有電話線路，即可實現監測控制，是一種廉價且有效的遠程無人值守環境下的監控系統。
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參考文獻
1 蔡茂國，楊淑雯.公用電話網遠程控制系統的開發與應用.電子技術應用，2000；26(6):41~44
2 蔡茂國，楊淑雯.遠程多場景運動物體捕捉系統的實現.計算機應用研究，2000；14(4):94~96
3 彭啟琮，李玉柏，管慶.DSP與實時數字信號處理.成都:電子科技大學出版社，1995.4
4 馮熙昌.電子電話機集成電路手冊.北京:人民郵電出版社，1996.3
5 劉定建.實用晶閘管電路大全.上海:同濟大學出版社，1996.2