基于DSP的远程监控系统的设计方案

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实现任意远距离场景的实时监控，主要解决远程场景图像的获取和回传问题。利用计算机作为远程场景图像获取、利用Internet网络实现图像信息的回传是一种有效的选择，但必须在控制方和被控制方各设置一台计算机及Modem，费用较高，当远程场景无人值守时，远程场景中计算机系统的维护以及计算机的开关机等问题非常复杂，而且远程场景中计算机与Internet网络专线连接，在目前情况下不一定都能得到满足。另外，也可以采用电话线作控制线路，微波信道作图像回传通路，实现远程场景中实时图像的监测控制1，但远程场景与控制中心必须在视距范围之内。如果远程场景离监控中心很远，采用基于DSP的系统作图像获取、图像压缩和图像回传，利用电话线作传送通路，不但费用低廉，而且方便可靠，不管被监控场景在任何地方，只要电话线能到达，就可以对其实行图像监测和控制。

1 系统的构成与功能
基于DSP的远程监控系统主要由两个部分组成，即远程无人值守监控系统和监控中心，它们通过电话线相连，如图1所示。


1.1 远程无人值守监控系统
主要功能是实现远程场景图像的采集、图像的数字化(A/D)、图像的压缩(JPEG格式)和回传、摄像系统云台方位及摄像镜头的控制、自动开机和关机等功能。其中图像的压缩和回传、摄像系统云台方位及摄像镜头的控制等功能由DSP(TMS320-C30)子系统实现。远程场景的压缩图像信息通过Modem，从电话线路传回控制中心。
1.2 监控中心
监控中心通过Modem从电话线路上接收远程场景的压缩图像(JPEG格式)信息，并通过熵译码、解量化、反DCT变换和Y U V到RGB变换，将图像从计算机的显示器上输出。
监控中心根据需要可以将远程监控图像(JPEG格式)存储起来，自动生成监控图像数据库，以备查询。
监控中心还负责生成控制命令，实现对远程监控系统的开机、关机、摄像系统云台方位及摄像镜头调节等控制。控制命令(除开机命令用电话振铃信号外)通过Modem，以数字命令代码形式传送到远程监控系统的Modem中，再由DSP进行相应处理，实现相应动作。

2 DSP图像压缩及控制系统
远程无人值守监控系统的关键是实现摄像系统的控制及图像数字化和图像压缩功能。
摄像系统的控制包括云台的上、下、左、右移动，摄像镜头的聚焦(远/近)、场景拉远(近)、光圈大(小)的调节等功能。摄像系统的控制命令由监控中心生成，DSP系统将其译码后，分两个部分，分别送入云台和镜头驱动控制电路。由于云台一般采用24V直流(交流)、镜头采用9～12V直流控制，因此，云台和镜头电力的供给直接通过继电器由电源部分提供，驱动控制电路通过控制相应的继电器开关动作，实现控制云台和镜头作相应的动作，如图2所示。



远程无人值守监控系统最重要的功能是及时将被监测场景中的图像信息回传至监测中心。为了使系统灵活地安装在需要的地方，本系统采用电话线路作被监测场景中图像的回传通路，而电话线只能传送64Kbps以下速率的数据。实时图像每秒的数据率在200Mbit以上(640宽×480高×24每象素×30帧频)，即使一帧静态图像需要的数据也能达到7Mbit以上。因此，不能利用电话线传实时图像，而传送被监测场景的静态图像，也必须先进行数字图像的压缩处理，将数据率压缩到较低的水平上(一般为几十Kb)，再经Modem，送到电话线路上传输。
被监控场景静态图像的压缩主要由TMS320-C30实现。TMS320-C30是32位浮点运算DSP芯片，每秒可以执行3300万次全浮点运算，允许在不考虑溢出的情况下处理很宽的数据动态范围，特别适合快速的DCT运算。它具有大的寻址空间、多处理器接口、片内与片外可设置等待状态、两个外部接口、两个计时器、两个串口及多中断结构，具有多样化的寻址方式、灵活的指令集，非常利于实现JPEG快速压缩处理。TMS320-C30芯片功能及外部接口如图3所示。



TMS320-C30主要负责对数字图像进行JPEG格式压缩处理、对模拟图像A/D转换的控制、对系统关闭电路的控制、对摄像系统(包括云台及镜头)的控制、从Modem接收监控中心的控制命令以及从Modem上将压缩后的图像传送到监控中心。TMS320-C30及其外围功能框图如图4所示。


图像的JPEG格式压缩由TMS320-C30软件实现，主要包括RGB至YUV变换、DCT变换、量化、分组、Zig-Zag行程扫描及熵编码等功能。由于人眼对亮度较为敏感，而对色度敏感性较低，因此，系统中先将RGB图像变换成YUV图像，然后采用Y U V为4 1 的方式进行下一步的编码。由于人眼对图像的低频部分较为敏感，而对图像的高频部分不敏感，因此，先将YUV图像以8×8的块进行DCT变换，然后以小的量化步长对低频分量进行量化，用大的量化步长对高频分量进行量化，使8×8DCT块中出现尽量多的0，同时对图像视觉质量的影响基本保持不变。为了使愈低频的分量，愈先被扫描，而愈高频的分量愈后被扫描，系统采用Zig-Zag行程扫描方式。最后，进行行程编码和Huffman编码，实现对一帧图像的JPEG压缩，其流程如图5所示。


3 远程监控系统的开启和关闭电路
由于远程监测控制系统放置在无人值守的环境下，因此，在不使用时，系统应处于关闭状态；而当需要使用时，必须能自动开机。因此，在系统中设置系统电源开关（开启／关闭）电路。
3.1 系统开启电路
基于DSP的远程监控系统利用电话振铃信号，作为系统开启命令信号，其实现方法如图6(系统开启电路部分)所示。


当电话振铃信号到来时，电话线路上的90V振铃交变信号，经耦合器T1后，再经过一个桥电路B1及滤波电路后，变成一个直流的信号，加在可控硅Q1的G端上，打开可控硅Q1。动力电(220V交流)经变压器T2、桥电路B2和可控硅Q1后，驱动系统上的直流电源，为整个系统提供电源。此时，系统的电源又反过来保持可控硅Q一直处于开启状态，从而保持整个系统处于开启工作状态。
3.2 系统关闭电路
当用户使用完控制系统后，需要关闭远程监控系统时，由监控中心发送一个"关闭远程监控系统"命令，DSP系统收到该关闭命令后，输出一个"用户关机命令"(低电平有效)，送到与非门U1，U1输出高电平，通过R10，使三极管Q2处于饱和导通状态，驱动继电器KR接通，使可控硅Q1的K、A两端直接相连，导致可控硅Q1进入高阻状态，从而切断动力电，将系统电源关闭。另外，在出现误操作，如用户挂机时，未先发"关闭远程监控系统"命令；或一个非法用户无意中打开了远程监控系统，随后挂机；DSP系统都可以侦测到对方挂机信号，输出一个"自动复位关机命令"(低电平有效)，送到U1，U1同样输出一个高电平，通过R10、Q2、Q1，将系统电源自动关闭。关闭远程监控系统电路如图6(系统关闭电路部分)所示。
本文介绍的基于DSP的远程监控系统，其核心主要是TMS320-C30 DSP芯片，该DSP芯片的32位全浮点快速运算及灵活的中断和串口通信，非常有利于DCT的快速运算要求，使数据图像的压缩时间与电话线的数据传送速率相匹配，非常适用于任意距离、无人值守环境并对远程场景图像质量要求不太高的情况下使用，只要被监控场景下有电话线路，即可实现监测控制，是一种廉价且有效的远程无人值守环境下的监控系统。