FIC8120和PoE的IP-Camera設計

　　在今天這個數(shù)字化互聯(lián)網的時代，任何一個電子設備都努力向數(shù)字化和網絡化的方向發(fā)展。網絡正在拉近我們的距離，網絡正在改變我們的生活。監(jiān)控領域也毫不猶豫地朝著網絡化迅猛發(fā)展，其中攝像機的網絡化發(fā)展也勢不可擋。[6]IP攝像機將使遠距視頻監(jiān)控成為可能，它將改變原先分布式模擬攝像機無法實現(xiàn)低成本遠距傳輸?shù)木骄?

　　為滿足分布式單攝像機遠距傳輸?shù)男枨螅F(xiàn)代IP攝像機必須具備小帶寬、高畫質、低成本、低功耗等特性。本系統(tǒng)采用數(shù)字CMOS數(shù)字影像傳感器，MPEG-4高壓縮比VGA/CIF的ARM-SoC和Si3401以太網供電和以太網設備控制器等提出了全數(shù)字實時網絡攝像機解決方案，以滿足現(xiàn)在和將來的監(jiān)控需求。

整體硬件架構

　　整個系統(tǒng)由CMOS視頻采集、壓縮編碼、視頻處理、以太網供電和以太網數(shù)據通信等幾部分組成。從前端到后端依次經過“鏡頭OV7660 → FIC8120-SoC → PoE/Network”等幾個處理過程。

　　根據用戶的不同需求，我們可以選用相應的鏡頭組，從鏡頭獲取的模擬信息就通過OV7660進行數(shù)字化采集，再由這顆CMOS傳感器傳送至后續(xù)處理組件。

1. FIC8120-SoC相關設計

　　FIC8120是著名的UMC旗下FARADAY智源科技設計的一顆高集成度、具MPEG4/JPEG視頻圖像加速、低成本低功耗、ARM922內核的SoC。[1]

　　FIC8120作為系統(tǒng)的CPU，捕獲OV7660[5]輸出的ITU 656 YUV 4:2:2的VGA格式數(shù)字圖像信號，并通過AHB總線DMA至外部SDRAM。同時，傳送至內部MPEG-4 Codec進行編碼。完成編碼后，經過用戶選定的相關處理，送至Ethernet MAC從網口輸出。

　　本設計支持業(yè)界常用的VGA(640×480)@30fps及CIF(352×240)@30fps的分辨率和幀率進行壓縮編碼、實時錄像，且具有高效的移動偵測技術。采用移動偵測技術使得只有捕獲到運動畫面的情況下才觸發(fā)錄像，以此大大減少不必要的磁盤占用空間。該Codec還支持硬件DCT/IDCT、量化/反量化、變長編碼等多項先進技術，使得編碼效率顯著提高、功耗明顯降低。系統(tǒng)還充分利用FIC8120內置100K門MPCA(類似于FPGA)，實現(xiàn)了實用的OSD(字符疊加)等多項功能。

　　此外，F(xiàn)IC8120具有豐富的外設及IO，這對將來的系統(tǒng)升級也提供了很大的便利。這里主要預留了音頻壓縮口(I2S/AC’97)和CCIR601/YCbCr/RGB視頻輸入等。

2. Si3401 PoE電源設計

　　出于低功耗及易用性的考慮，并經過供電電壓及功率的驗證，本系統(tǒng)采用了Silicon Labs的Si3401以太網供電芯片。[3]以太網供電(PoE)是通過以太網電纜傳送電能的IEEE 802.3af標準。802.3af支持兩種供電方式，分別是空余線對供電和信號線對供電。為了不改變現(xiàn)成的網絡設備和適應將來的網絡設備，本系統(tǒng)采用空余線對供電方式。[4]以太網通過網絡變壓器將信號線對接至物理層(PHY)傳到FIC8120，另一路空余線對則接至Si3401進行供電調整。由于IP-Camera為獨立的受電設備，因此本設計將Si3401配置成非隔離的DC-DC調整模式，并使之輸出5VDC初電源。由于CMOS圖像傳感器、CPU、外設的電壓需要，本設計又用LM1117將5V降壓為3.3V-1A。考慮到FIC8120需要低噪聲高精度的1.8V核心電壓，我采用了TPS71229超低噪聲250mA雙通道LDO，不僅可以提供可靠穩(wěn)定的1.8V-250mA，同時還可以通過外圍電路的配置提供CMOS圖像傳感器所需的2.5V電壓。

系統(tǒng)軟件設計

????? 鑒于FIC8120的ARM922架構，系統(tǒng)將FIC8120移植在低成本的Embedded Linux 2.4.19上，并根據FIC8120及IP-Camera進行了一定的裁剪和優(yōu)化。系統(tǒng)使用標準的GNU工具鏈。

　　基于FIC8120，我們首先封裝了一個板級支持包(BSP)，其中包括CPU初始化、存儲器管理、各種外設驅動(Ethernet等)、Linux Kernel初始化、中斷處理、時鐘管理、看門狗、I/O系統(tǒng)和文件系統(tǒng)等。BSP也類似于初始化及硬件抽象層，上層應用程序就是通過BSP提供的API進行相關的調用。系統(tǒng)初始化程序還要完成系統(tǒng)的網絡分配，視頻相關參數(shù)配置(包括錄像分辨率、碼流、幀率、定碼率/變碼率等)，并關閉不用的外設以盡可能的減少功耗。

　　除了BSP之外，軟件系統(tǒng)還包括IP-Camera關鍵的TCP/IP、UDP協(xié)議庫。FARADAY提供的網絡協(xié)議相當完整，并且具有很高的實時性。[2]應用軟件包括完成文件系統(tǒng)管理、網絡服務、郵件發(fā)送、文件傳送、偵測報警等。網絡服務程序完成把視頻發(fā)送到網絡的某個端口，以供其他網絡設備來訪問(如遠程客戶端);郵件發(fā)送和文件傳送程序在偵測到移動目標、需要報警的時候，把該時刻的圖片截取并傳送到郵件服務器或者文件服務器;偵測報警程序根據遠程主機端設定的規(guī)則來判斷視頻中移動的目標是否需要報警。

　　應用程序還包含了一個Web Server，配合專用的Media Player程序，應用軟件可以完成按照HTTP協(xié)議處理來自外部的服務請求，把MPEG4碼流發(fā)送以太網、處理外部控制指令、移動偵測報警等。在通過IE瀏覽器連接到FIC8120之后，可以在頁面上對FIC8120作相關的設定，如網絡配置、多碼流監(jiān)控、SMTP服務、FTP服務器、視頻質量、運動偵測、管理員密碼管理等。

　　本IP-Camera在VGA分辨率、最大碼流2Mbps、幀率30fps、變碼率、移動偵測的配置下，使用局域網遠程訪問Web Server，并進行預覽、錄像、回放、設置等操作，質量優(yōu)異，錄像占用存儲空間平均控制在500MB/Hour以內;系統(tǒng)整體功耗3-7W，電源效率>80%。該系統(tǒng)極其適用于廣為分布的中大型監(jiān)控場所，只需一根網線和少量的Switch/Hub就可以完成布置;它還可推薦用于原有設備改造及擴容等應用領域。毫無疑問，此IP-Camera系統(tǒng)是當今及下一代數(shù)字化和網絡化的監(jiān)控優(yōu)選方案之一。

參考文獻

　　[1] FARADAY. FIC8120 MPEG4 Codec Platform SoC Datasheet. March, 2006

　　[2] FARADAY. Faraday Linux Software Development Kit for FIC8120. October, 2005

　　[3] SILICON LABS. Si3400/Si3401 Datasheet. December, 2006

　　[4] SILICON LABS. Using the Si3400 and Si3401 PoE PD Controllers in Isolated and Non-Isolated Designs. AN296. December, 2006

　　[5] OmniVision. OV7660/OV7661 Datasheet. 2004

　　[6] 侯俊華，胡金演，蘇博仕，陳鋒. 一種新的嵌入式MPEG-4 DVR系統(tǒng)設計. 微計算機信息. 2006，Vol.22-No.14，P187-189

創(chuàng)新觀點：

　　本文以全數(shù)字視頻監(jiān)控與以太網供電為核心，設計了業(yè)界領先的IP-Camera。該系統(tǒng)是一款現(xiàn)代數(shù)字網絡攝像機解決方案，非常適用于分布式的視頻監(jiān)控領域，它的低功耗、低成本、易維護等特性也為下一代視頻監(jiān)控提出了新的發(fā)展方向。