基于H.264 和DM6437 的煤矿井下视频监控系统.doc

基于H.264 和DM6437 的煤矿井下视频监控系统 摘 要为了有效的提高煤矿井下安全监控水平，提出了一种煤矿安全生产视频监控系统的 设计与实现方法。该系统基于DM6437 核心处理芯片和H.264 编解码算法进行设计。首先, 给出了系统的硬件组成结构;然后,介绍了H.264 压缩算法;最后,结合H.264 压缩算法,给出了 系统软件实现方法。该系统有很强的扩展性, 具有良好的推广应用价值。 关键词煤矿监控；DM6437；H.264 1 引言 煤炭是我国重要的能源资源，但我国的煤炭工业普遍生产效率低，安全隐患多，如瓦斯 爆炸、地下渗水等事故经常发生。采用井下视频监控系统，地面或中心监控人员可以直接对 井下情况进行实时监控，能及时发现事故苗子，防患于未然，也能为事后分析事故提供有关 的第一手图像资料，为将来的安全生产提供可靠的保证。一些煤矿在早期使用的视频监控系 统都是早期的模拟监控，扩展性能和稳定性不高，管理也不方便。现在随着网络技术和计算 机技术的发展，基于TCP/IP 协议的IP 网的应用得到广泛普及。在煤矿安全监控系统中引入 现代网络视频监控系统将是一种趋势。本文基于TI 公司的推出的一款专用视频处理芯片 DM6437，构建了视频监控系统，该系统体积小，成本低，可靠性高，安装方便。 2 视频监控系统结构 系统设计的监控系统处理流程如下CCD 镜头采集的模拟信号经视频编码器采样，把 模拟信号转换为数字信号，并通过接口送入视频处理芯片DM6437，DM6437 对接收的数字 信号进行识别，压缩和编码等操作，最后由RJ45 双绞线连接到工业以太网交换机经井下光 纤传入监控中心。前端音频传感器信号经模数转换后同样送入DM64347 进行处理，压缩编 码后送入监控中心。同时该装置具有报警功能，一旦监控中心发现险情发出报警信号使报警 灯闪烁，警笛长鸣。前端还设有扬声器，用于语音调度和事故出现时的现场指挥。系统结构 见图1。 -2- 图1 系统结构框图 图1 中，针对井下的复杂环境，视频采集设备选用具有超低照度的星光级CCD 图像传 感器，它可以在仅有一点星光的环境中,就可以达到白天的效果，免于安装红外灯，其最低 照度仅为0.0003Lux，但可以达到570 线高清晰画面效果。利用TI 公司的超低功耗TVP5150 芯片对视频信号A／D 解码，TI 推出的一款高性能的立体声音频Codec 芯片TLV320AIC23B 对声音信号编解码。以太网控制器采用DAVICOM 公司的DM9161A 作为10/100Base-TX 以 太网收发器，RJ45 连接器选用AMP 公司的406549-1。核心处理芯片是TI 公司的 TMS320DM6437，专用于数字媒体应用的高性能定点32 位处理器，工作主频最高达700MHz， 处理性能可达5600MIPS。其强大的功能，可支持D1 解析度的H.264 视频编码，或根据目 标应用（如IP 网络监控摄像头）的要求运行完整的音视频与联网功能，而成本则比TI 前 代 DSP 数字媒体处理器下降了50。 根据功能要求，整个视频采集处理系统可分为以下几个模块分别进行设计DM6437 核 心处理模块，视频编码模块，音频编码模块，电源模块和以太网通信模块。 2.1 视频采集接口 视频输入接口选用了解码芯片TVP5150PBS。它是一款高性能的视频解码器，可将 NTSC、PAL 视频信号转换成数字色差信号YUV422，支持两个复合视频或一个S 端子输 入。输出格式为ITU-R BT.656，并支持高级的VBI 功能。不仅如此，TVP5150PBS 还具备 了封装小32 脚的TQFP、功耗小150mV的特点，因此，非常适用于便携、批量大、高 质量和高性能的视频产品。视频解码器 TVP5150PBS 可以接受2 路复合视频信号（CVBS） 和1 路超级视频信号（S-Video，Y/C）输入。本装置使用了一片TVP5150PBS，并且只使 用了1 路的复合信号。TMS320DM6437 与TVP5150 的连接框图如图2 所示。 -3- 图2 TMS320DM6437 与TVP5150 的连接框图 2.2 音频采集接口 本装置采用TLV320AIC23B 实现单路立体声音频的输入／输出，TLV320AIC23B（以 下简称AIC23B）是TI 推出的一款高性能的立体声音频Codec 芯片，它的基本功能为48KHz 带宽、96KHz 采样率，双声道立体声A/D、D/A，音频输入包括麦克风输入（提供麦克 风偏置输出和前置放大器）和立体声输入（提供可编程放大器），音频输出包括立体声输 出（提供耳机功率放大器，能提供30mW 输出功率，驱动32Ω 负载）。同时，AIC23B 还 具有很低的能耗，回放模式下功率仅为23mW，省电模式下更是小于15uW。AIC23B 与 DM6437 接口原理图见图3. TLV320AIC23B DM6437 BCLK LRCIN DIN DOUT LRCOUT SDIN SCLK ACLKX AFSX ACLKR SDA SCL AXR0 AXR1 AFSR 图 3 AIC23B与DM6437接口原理图 2.3 电源模块 系统中的外部输入电源是5V 的直流电压,利用电源管理芯片进行电压变换得到系统所 需的各种电压,包括数字和模拟的3.3V、1.8V 及1.4V,在该模块中还包括了看门狗电路、系 统复位电路以及AD、DA 复位电路的设计。 2.4 以太网通信接口 TMS320DM6437 集成了以太网媒质访问控制器（EMAC）和物理层设备的数据输入输 出管理（MDIO）模块。EMAC 为DM6437 和外部网络连接提供了一个有效的网络接口，EMAC 支持10Base-T 和100Base-TX 或者10M/100M 的半双工或双工模式，而且支持硬件流控制 和Qos。其中，EMAC 控制系统到网络物理层的数据包流控制，MDIO 用于控制物理层设 备的配置和状态检测。 -4- 3. H.264 图像压缩算法 为实现视频的高压缩比，高图像质量和良好的网络适应性等目标，视频联合工作组制 定了一个新的视频编码标准即H.264 标准，是MPEG-4 地第10 部分。H.264 和以前的标准 一样，也是DPCM 加变换编码的混合编码模式。但它采用“回归基本“的简洁设计，不用众多 的选项，获得比H.263好得多的压缩性能；加强了对各种信道的适应能力，采用“网络友 好“的结构和语法，有利于对误码和丢包的处理；应用目标范围较宽，以满足不同速率、不 同解析度以及不同传输（存储）场合的需求；它的基本系统是开放的，使用无需版权。 在技术上，H.264 标准中有多个闪光之处，如统一的VLC 符号编码，高精度、多模式 的位移估计，基于44 块的整数变换、分层的编码语法等。这些措施使得H.264 算法具有很 的高编码效率，在相同的重建图像质量下，能够比H.263 节约50％左右的码率。H.264 的码 流结构网络适应性强，增加了差错恢复能力，能够很好地适应IP 和无线网络的应用。 4. 系统的软件设计 系统的软件构架采用了TI 参考架构RF-5，图像压缩采用H.264 标准，音频编解码采用 G711 算法。网络传输采用RTP/RTCP 协议方式，以保证传输的质量。在操作系统方面，采 用DSP 的实时操作系统DSP/BIOS. RF5 是TI 公司新近推出的DSP 软件开发的起步代码参考框架，它以DSP/BIOS 为基 础，利用其中的数据处理元素和数据通信元素方便快捷地完成DSP 软件的设计与开发。RF5 是RF 的最新版本，其区别于RFI 和RF3 的显著特点是其支持动态对象创建和支持线程任 务挂起功能，因此适合系统较复杂的应用场合。 RF5 主要实现三个功能，存储管理，线程模型和通道封装，对于不同的应用，我们只需 在这三个元素上做修改，而对于整个应用程序，不用从头设计，这样大大简化了开发者的开 发难度，缩短了开发时间。适用于包含大量的算法，且要求多线程，多通道的应用，如图像 处理，多媒体应用等。 5. 结论 本文考虑到煤矿井下的复杂环境设计了基于DM6437DSP 芯片和H.264 压缩算法的煤 矿井下视频监控系统。该系统采集图像清晰，传输速率高并兼有报警功能基本满足井下监控 要求.由于DM6437 良好的扩展性，进一步的工作可以在系统上扩展无线收发接口或PCI 插 槽以外接无线收发模块，使其成为无线视频监控系统，发挥更大的监控作用。 参考文献 [1] 刘富强。数字视频监控系统开发及应用[M]。北京机械工业出版社，2003. [2] 李振玉.图像通信与监控系统仁M〕.北京北京邮电大学出版社，1994. [3] 李方慧，王飞，何佩琨.TMS320C6000 系列DSPs 原理与应用（第二版）[M]，电子工业出版社,2003.01 [4] Wiegand T. The emerging H.264/AVC standard[J].EBU Technical Review,20031253-255. [5] Texas Instruments，TMS320DM6437 Digital Media Processor[A],19 Nov 2007. -5- Mine-used Video Monitoring System Design Based on DM6437 and H.264 Ma Ning College of Ination Engineering of TUT, Taiyuan （030024） Abstract In order to effectively improve the enterprises Colliery Security Monitorings standards, it presents an video- monitoring system using in Colliery Security Production. A network visual surveillance system based on DM6437 and H.264 is designed in this paper. Firstly, the hardware structure of the system is given. Secondly, it introduces the condensing algorithm of H.264. At last, the software of the system is presented. The system can implement remote monitoring. There is a powerful demonstruation for its future application. Keywords mine video- monitoring system; DM6437; H.264