通信与网络中的基于工业以太网的H.264煤矿视频监控系统
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2020-11-26
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通信与网络中的基于工业以太网的通信与网络中的基于工业以太网的H.264煤矿视频监控系统煤矿视频监控系统
目前，在煤矿使用模拟视频信号的煤矿工业电视监控系统已经不能满足煤矿综合自动化的技术发展，新型的视
频监控系统应在确保视频采集和压缩的实时性的同时，支持视频流在工业以太网上的IP传输，实现全矿信息化
的数字化和网络化。 H.264/AVC作为最新的视频编码标准，定义了视频编码层(VCL)和网络提取层(NAL)。
从框架结构上将NAL与VCL分离，主要实现两个目的：(1)可以定义VCL视频压缩处理与NAL网络传输机制的接
口，这样允许视频编码层VCL的设计可以在不同的处理器平台进行移植，而与NAL层的数据封装格式无关；
(2)VCL和NAL都被设计成工作于不同的传输环境，异构的网络环境并不需要对VCL比
目前，在煤矿使用模拟视频信号的煤矿工业电视监控系统已经不能满足煤矿综合自动化的技术发展，新型的视频监控系统
应在确保视频采集和压缩的实时性的同时，支持视频流在工业以太网上的IP传输，实现全矿信息化的数字化和网络化。
H.264/AVC作为最新的视频编码标准，定义了视频编码层(VCL)和网络提取层(NAL)。从框架结构上将NAL与VCL分离，
主要实现两个目的：(1)可以定义VCL视频压缩处理与NAL网络传输机制的接口，这样允许视频编码层VCL的设计可以在不同
的处理器平台进行移植，而与NAL层的数据封装格式无关；(2)VCL和NAL都被设计成工作于不同的传输环境，异构的网络环
境并不需要对VCL比特流进行重构和重编码。从H.264在VCL和 NAL上优点来说，它对于复杂多样的嵌入式应用环境是非常适
用的，提高了网络适应性，从而保证了视频传输的QoS。
基于以上分析，本文提出了一种综合运用DSP和嵌入式ARM微控制器的嵌入式实时网络化视频方案。该方案采用全嵌入
式设计，具有可靠性高、体积小、环境适应性强的优点，符合IEEE802.3u规范，在保证图像质量的同时支持数字化视频流在
煤矿工业以太网上直接传输。
基于工业以太网的视频监控系统
如图1，使用自行开发的KJJ系列隔爆型工业以太网交换机1、2、3，构成基于光纤传输介质的100Mbps单环冗余工业以
太网，H.264编码器设备使用RJ45双绞线连接到交换机，速率10/100Mbps自适应。环网通过交换机4连接至矿区Intranet或地
面监控主机。因此，嵌入式视频编码器是视频监控系统实现的关键。
H.264编码器系统设计
结合煤矿应用环境的特点，其系统结构设计摒弃了传统的计算机扩展插卡的设计形式，采用全嵌入式网络化设计。如图2
所示，以TI公司的高性能C6416系列定点DSP芯片和Samsung公司的嵌入式ARM-S3C4510B芯片为基础，构建嵌入式视频编
码器系统硬件平台，支持通过嵌入式文件系统实现系统软件的在线升级。
系统主要由视频采集、视频缓冲、视频处理和视频传输4部分组成。CCD摄像头获得的模拟视频信号经A/D转换为数字视
频信号后，视频信号通过高速 DSP压缩成所需的数据码流。视频压缩后的数据流由S3C4510B从DSP的数据接口HPI32读出，
在嵌入式操作系统的UDP/IP协议栈，将数据打包，并运行WebServer服务器，等待客户服务端通过网络访问数据流，从而实
现基于Web的嵌入式视频压缩编码系统。
C6416与S3C4510B接口模块
DSP与微控制器的接口是通过C6416的主机接口HPI32实现的，为了确保数据吞吐量，使用32位总线，C6416的主机接口
和PCI总线引脚共用，设置PCI_EN=0，配置为HPI模式。这样做的优点是充分利用DSP的带宽资源，减少总线上的冲突，减
轻EMIF总线压力。因为DSP为高速器件，S3C4510B为低速器件，接口DSP采用异步从模式，即
DSP(slave)，S3C4510B(master)，这样DSP工作在从模式下，无须加入共享存储器模块，节省了开发的成本，同时也降低了
开发的难度，其他相关控制信号线连接如图3。因为S3C4510B有自己的地址和数据总线，所以地址选通信号/HAS接高电
平，S3C4510B通过内存分区(BANK)RCS5访问C6416来传递数据。S3C4510B配置了64MSDRAM在 RAM分区0，引导
BootROM2MB和文件系统IntelFlashROM8MB分别放在ROM分区0和1。在S3C4510B上运行VxWorks 实时操作系统，包括
TrueFFS文件系统和嵌入式Web服务器。
视频采集
该模块的主要功能是将从CCD摄像头输入的模拟视频信号转换为数字信号。如图4所示，普通CCD摄像头的输出是NTSC
制式(或PAL制式)的复合全电视信号CVBS或是S-Video信号，二者均为模拟信号。通过Philips公司的TV解码芯片SAA7114H将
模拟TV信号解码并且模数转换为符合CCIR.601标准的数字视频信号，并且存储到AVERLOGIC(凌泰)专用的视频帧FIFO芯片
AL4V8M440(8Mb)中，等待DSP处理。帧FIFO配置在C6416的CE2空间，CPLD通过SAA7114H的输出状态信号以及
C6416DSP的相应输出控制信号生成 FIFOAL4V8M440的控制信号。通过检测SAA7114H输出的同步信号来生成DSP中断，
通知DSP读取视频FIFO 中已满的一场图像数据。
由于H.264的视频格式主要为QCIF和CIF，QCIF的Y信号规定为176点/行、144行/帧，其色度信号Cb和Cr的规定为88点/
行、 72行/帧，每个像素用12位表示；CIF的Y信号的规定为352点/行、288行/帧，其色度信号Cb和Cr的规定为176点/行、144
行/帧，每个像素用12位表示。H.264标准中默认的输入位流为4:2:0形式，所以要对采集来的视频数据进行存储格式转换，即
通过存储转换使视频流在FIFO中以 4:2:0的QCIF或者CIF格式进行存放，这里称之为视频格式转换。
主处理器模块
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