摘? 要： 提出一種用RS-485總線構成視頻監控系統的方法。系統用便攜式視頻壓縮終端對視頻圖像進行實時壓縮，通過RS-485總線將壓縮圖像數據傳送給主機。
關鍵詞： 視頻監控? RS-485總線??圖像壓縮? DSP芯片
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RS-485總線抗干擾能力強，能實現多站遠距離通信，組網方便，成本低廉，因而在工業控制領域得到廣泛應用。隨著串行通信接口芯片和RS-485接口芯片傳輸速度的大幅度提高，使得利用RS-485總線傳輸圖像數據成為可能，但是未壓縮視頻圖像的數據量極大，即使總線傳輸速度高達1Mbps，傳輸一幅512×512×8的灰度圖像就要耗時2.1s，因此必須將視頻圖像數據進行壓縮編碼，再通過總線傳輸。本文介紹的視頻監控系統使用便攜式圖像壓縮終端，在攝象機的視頻輸出端對圖像信號進行采集、變換和編碼，用一對雙絞線按RS-485總線標準將壓縮后的圖像數據傳送給上位機。這樣只要使用一根電纜就能構成一個64～128點的局域網，不但布線簡單，而且傳輸速率高達1Mbps，遠遠超過電話網的傳輸速率。
1 視頻監控系統的組成
本監控系統由一臺主機和多臺從機組成，如圖1所示。主機為工控機，內含高速RS-485通信卡，主要完成監控系統的控制、管理和圖像數據的后期處理等任務。從機為便攜式圖像壓縮終端，該終端以TI公司的TMS320VC5402數字信號處理器為核心，擴展一些外圍器件組成一個獨立的視頻圖像壓縮和傳輸設備，主要完成視頻圖像的實時采集、變換編碼和傳輸控制。主機與從機之間通過RS-485總線進行通信。主機啟動并控制網上的每一次通信，每個從機有一個唯一的地址，只有被尋址的從機響應主機的命令并向主機發回信息幀。當從機數量超過64個或與主機距離超過120m時，應在網絡上加裝中繼器以保證通信速率達到1Mbps。
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2 便攜式圖像壓縮終端簡介
壓縮終端是本系統的關鍵部件，組成框圖如圖2所示。它以TMS320VC5402 DSP為處理器，擴展了視頻器、行場分離電路、幀緩沖器、程序存儲器、串行通信接口芯片和RS-485總線接口芯片。
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2.1 TMS320VC5402 DSP簡介
TMS320VC5402 DSP(以下簡稱C5402)是TI公司生產的新一代定點DSP芯片，時鐘頻率100MHz，性價比極高，是目前定點DSP的主流產品。C5402片內有8條數據或地址總線，構成增強型哈佛結構的總線系統，指令按流水線方式執行，大部分指令能在單周期內完成。此外還有一套并行操作指令，能在單周期內執行一次存儲/加載操作和一次算術運算，大大提高了數字信號處理的速度。C5402片內有16KW DARAM，可以作為程序存儲器或數據存儲器，另外還有兩個多通道緩沖串行口(McBSP) 、一個8位HPI接口、兩個16位定時器、一個六通道DMA控制器和一個PLL時鐘發生器。
2.2 視頻采集電路
視頻圖像信號采集由視頻緩沖器、高速A/D轉換器和行、場同步分離電路組成。A/D轉換器采用TI公司的TLV5510芯片，TLV5510為8bit、10Msps的高速并行A/D轉換器，本電路中將TLV5510作為C5402的一個擴展的并行輸入口，C5402的R/W信號作為轉換時鐘信號，讀該端口時啟動A/D轉換。行、場同步分離電路輸出行同步信號、垂直同步信號和奇、偶場信號作為C5402的外部中斷輸入信號。C5402采用中斷響應方式采集一幀圖像的奇場數據和偶場數據。
2.3 存儲器配置
? 480KB的幀緩沖器用來存放原始圖像數據和壓縮后的圖像數據，32KB的FlashROM用來存放應用程序，二者都映射到C5402的外部數據空間。由于C5402的數據空間僅為64KW，因此采用內存頁擴展技術，將外部數據空間擴展為16頁，每頁32KB。使用C5402的一個擴展輸出口作為擴展內存的頁選擇信號，分別選擇0～16頁，并且將C5402的A15腳與擴展靜態RAM的使能端相連，當A15=0時選擇片內RAM，當A15=1時選擇片外RAM。因此本系統的數據存儲器配置如下:
片內:16KW??DARAM???????? 地址為??? 0000h～3FFFh
片外:32KB??FlashROM????? 地址為??? 8000h～FFFFh
片外:480KB SRAM? ?? ? 地址為??? n8000h～nFFFFh
??????????????????????????????????????? (n=1～15)
系統硬件復位時，頁選擇信號被自動清零，FlashROM映射到數據空間，C5402將FlashROM中的應用程序加載到片內DARAM中。
2.4 數據傳輸電路
數據傳輸使用了TI公司的異步串行收發器TL16C550和MAXIM公司的MAX3485E。TL16C550內含16bit的FIFO，通信速率達1Mbps。MAX3485E是半雙工RS-485總線接口芯片，傳輸速率達12Mbps，傳輸距離達4000英尺。
2.5 軟件實現
C54x DSP集成開發工具支持C語言和匯編語言編程，為了提高代碼執行效率，滿足圖像實時壓縮和傳輸的需要，采用匯編語言編程。主程序可分成以下幾個部分:
(1)初始化C5402，接受上位機的命令幀，做好采集圖像的準備工作;
(2)開放奇場中斷(INT1)，關閉偶場中斷(INT2)和行中斷(INT3);
(3)當奇場同步信號到來時，C5402進入奇場中斷服務子程序，開放行中斷做好采集奇場數據的準備。當行同步信號到來時，C5402進入行中斷服務子程序，連續采集一行圖像數據。當各行圖像數據采集完畢后，關閉行中斷;
(4)當偶場同步信號到來時，C5402進入偶場中斷服務子程序，開放行中斷做好采集偶場數據的準備。當行同步信號到來時，C5402進入行中斷服務子程序，連續采集一行圖像數據。當各行圖像數據采集完畢后，關閉行中斷和奇、偶場中斷;
(5)將圖像數據分成一系列的8×8塊，先對第一個數據塊進行DCT變換、量化、Huffman編碼，然后開放串行口中斷(INT0)，將壓縮后的圖像數據發送給上位機。重復執行這個編碼和傳輸過程，直到全部圖像數據處理結束。最后關閉串行發送中斷，開始下一幀圖像的處理。
3 通信軟件設計
本系統為主從式監控系統，由主機啟動并控制網上的每一次通信。主機先向從機下達采集圖像的命令，然后接收從機傳來的壓縮圖像數據。從機接受主機的命令，按命令要求調整攝象機的焦距和鏡頭方向、修改圖像大小和采樣速率，最后進行圖像采集、壓縮和傳輸。要完成這些功能就必須定義嚴格的網絡通信協議。
3.1 網絡通信協議
本網絡為專用系統，要求通信速率達到1Mbps，故采用電路交換方式。網上傳輸的信息僅為兩種形式之一:命令幀或信息幀。
主機發往從機的命令幀由八個字節組成，如表1所示。地址為要訪問的從機地址，有效地址為0～255;焦距為攝象機的焦距編碼;方向為攝象機鏡頭的方向編碼;大小為圖像的大小編碼;速率為圖像采樣率編碼;控制為現場控制設備或報警器控制命令編碼;校驗—命令幀結束和校驗標志。
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從機發往主機的信息幀如表2所示。地址為從機地址;狀態—攝象機焦距和鏡頭方向調整機構及其它控制設備的狀態編碼;數據為圖像壓縮碼流;校驗為信息幀校驗和結束標志。地址、狀態、校驗均為一個字節，數據長度可變。
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3.2?從機通信程序設計
從機通信流程如圖3所示。壓縮終端上電復位后打開串行口中斷，RS-485接口芯片處于接收狀態。一旦接到主機的命令幀，壓縮終端便按命令幀的要求調整焦距、鏡頭方向和其他控制設備的狀態，然后進行圖像的采集和壓縮編碼，同時檢測總線的狀態。若總線上沒有講者則將壓縮碼流發往主機，總線被占用直到一幀信息幀全部發送完畢。為了提高圖像的處理效率，壓縮和傳輸并行進行。
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3.3?主機通信程序設計
主機通信流程控制如圖4所示。正常情況下，主機對全部或部分現場進行輪流監控，各壓縮終端送來的壓縮數據被分別保存起來，同時經解壓縮后顯示在計算機屏幕上。一旦發生異常情況，主機自動對異常現場進行單獨監控。主機在向壓縮終端發命令幀之前檢測總線的狀態，若總線上沒有講者則將命令幀發往壓縮終端，然后將RS-485接口置于接收狀態，等待壓縮終端發送信息幀。為了保證命令幀的可靠性，命令幀被連續發送三次。
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本系統使用TMS320VC5402 DSP和RS-485總線實現了靜止圖象的實時壓縮和高速傳輸。采用標準JPEG壓縮算法，每秒鐘可壓縮并傳輸5幀512×512×8的灰度圖像，性價比極高，適用于無人倉庫、超級市場、交通道口、井下工程、列車車箱等的監控管理。
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參考文獻
1 郝杰.實用多媒體技術及其C語言實現.北京:電子工業出版社， 1995
2 蔡士杰.連續色調靜止圖象的壓縮與編碼-JPEG.南京:南京大學出版社， 1995
3 余濟臨.用RS-485構成遠程分布式數據采集與控制網絡.電子技術應用，1999;25(4)
4 TMS320C54x DSP CPU and Peripherals，1999