摘要：面对传统固定**的高成本、**盲区和视频采集节点数量过多等问题，本研究提出了一种结合ARM和FPGA架构的移动视频**系统及其软硬件实现方案。该系统在减少视频采集节点的同时，实现了对用户所需信息的全面实时捕捉。系统由电机控制模块、视频采集模块和无线网络控制模块组成，实现了无线视频**，并基于Linux操作系统、Web服务器和视频编码器，允许用户通过互联网远程查看目标现场情况。随着中国视频**市场的快速发展，数字化**逐渐成为主流，网络化、个人化和智能化成为市场的重要发展趋势。然而，现有基于流媒体传输的技术对网络条件要求高，难以大规模推广，而固定**成本过高。如何将视频**与互联网结合，使**人员能随时随地实施**，是现代**技术亟待解决的问题。此外，目前视频**系统多采用ARM9、ARM11等系列微控制器，这些微控制器的硬件外设在出厂时已固定，不利于用户进行硬件扩展和升级，而ARM和FPGA结合的多芯片解决方案又会导致系统成本过高，同时造成资源浪费和功耗过大。针对这些问题，本研究提出了一种新型解决方案，采用Zynq系列处理器，结合高性能Cortex-A9双核和FPGA，ARM部分负责高清视频处理，可编程逻辑FPGA部分负责硬件升级和扩展。
1. 移动视频**系统架构
本设计以Digilent公司的ZedBoard开发板为主控板，搭载Zynq7020芯片，集成了高性能双核ARMCortex-A9MPCore处理系统和可编程逻辑。视频采集端位于移动小车之上，实现移动视频采集。系统设计包括ARM控制部分和FPGA逻辑部分。ARM部分负责运行操作系统和软件应用，如Web服务器Boa和视频编码器mjpg-streamer；FPGA部分负责扩展硬件资源，设计小车电机驱动部分PWMIP核。系统总体结构如图1所示。各模块功能如下：摄像头负责视频图像采集，Zynq主控模块负责ARM操作系统和FPGA逻辑资源，电机控制模安徽皖南电机 块负责智能小车运动，BoaWebserver负责网络交互，无线路由器负责无线网络数据收发。
系统上电后，首先执行芯片内部固化的初始化程序，然后执行第一阶段启动加载器FSBL，使用比特流文件对FPGA部分进行配置。皖南电机待FPGA配置完成后，执行U-boot引导程序，启动Linux操作系统。系统启动完成后，智能小车通过无线路由器产生无线信号，用户在另一端可以通过网络连接智能小车终端，实施视频**。用户与系统的交互如图2所示。
本文主要介绍电机控制部分的设计，包括硬件电路设计、FPGA部分PWMIP核设计、Linux操作系统PWM驱动程序设计。
2. 电机控制部分设计
2.1 电机控制部分硬件电路设计
该模块主要由L298P双H桥直流电机驱动芯片实现。由于一个L298P芯片可以驱动两个直流电机，小车有4个车轮，因此需要两块L298P芯片。同时，为减少FPGA I/O引脚数量，在原理图设计中采用了四二输入或非门芯片SN74HC02D，这样用两个I/O引脚就可以控制L298P的4个输入端。DIR1、DIR2、PWM1、PWM2通过Zedboard的PMOD接口与FPGA相连。原理图如图3所示，图中IN1、IN2、IN3、IN4为输入信号，ENA、ENB为使能信号。ENA控制IN1、IN2的输入使能，ENB控制IN3、IN4的输入使能。当ENA为1，DIR1为1时（即IN1为0，IN2为1时），P1接口上的电动机正转；当ENA为1，DIR1为0时（即IN1为1，IN2为0时），P1接口上的电动机反转；当ENA为0时，P1接口上的电动机停止。与P2口连接的电动机原理同上。
2.2 FPGA部分PWMIP核设计
Xilinx嵌入式系统部分的设计采用其公司推出的EDK（嵌入式开发套件）开发套件实现，EDK包含完成嵌入式系统设计的一整套工具，包括硬件设计工具XPS（Xilinx平台设计）和软件设计工具SDK（Xilinx软件开发套件）。硬件设计步骤如下：（1）设置新工程路径；（2）自定义IP配置外设；（3）建立UCF文件；（4）生成bit流。自定义IP部分主要实现电机的正转、反转和停止控制。关键VerilogHDL代码如下：
case（state）
//电机停止
′NOP：{pwm_left，pwm_right}<={7′d0，7′d0}；
′GOING：//电机正向旋转
begin
if（dis_value>31）
{pwm_left，pwm_right，dir_lself，dir_rself}
<={7′d100，7′d100，1′d0，1′d0}；
else
{pwm_left，pwm_right，dir_lself，dir_rself}<=
{{dis_value[4：0]，2′b0}，{dis_value[4：0]，2′b0}，1′d1，1′d1}；
end
′RETURN：//电机反向旋转
begin
if（dir_value==3′b010）
{pwm_left，pwm_right，dir_lself，dir_rself}<={7′d80，7′d80，1′d1，1′d0}；
else
{pwm_left，pwm_right，dir_lself，dir_rself}<={7′d80，7′d80，1′b0，1′b1}；
end
endcase
在本设计中，电机控制传输的数据量较小，只需添加一个低速的AXI4-Lite总线设备PWM模块来控制PMOD接口，即可实现硬件设备之间通信。其中AXI4-Lite的全局时钟ACLK设置为100MHz，PWM模块分配的起始物理地址为0x6CA00000，空间大小为64KB，PWM配置信息如图4所示。
2.3 Linux下电机驱动部分设计
由于远端传输是在Linux系统下TCP/IP协议实现的，因此，编写Linux下的IP驱动，应用程序就可以通过Linux的标准接口访问FPGA的PMOD接口设备。本设计编写的是字符型设备驱动程序，包含设备加载、设备卸载以及文件操作函数。皖南电机PWM模块加载时系统调用module_init（pwm_init）宏实现模块的初始化操作。在本系统中，pwm_init（）函数主要完成以下工作：（1）内核注册字符型设备驱动；（2）创建PWM设备类；（3）利用PWM设备类创建设备；（4）将PWM模块物理地址映射到虚拟地址上。部分关键代码如下所示：
//XPS分配的物理地址
#definePWM_MOUDLE_PHY_ADDR0x6CA00000
//注册驱动
pwm_driver_major=register_chrdev（0，DEVICE_NAME，&pwm_driver_fops）；
pwm_driver_class=class_create（THIS_MODULE，"pwm_driver"）；//创建设备类
pwm_driver_device=device_create（pwm_driver_class，NULL，MKDEV（pwm_driver_major，0），NULL，"pwm_device"）；//利用设备类创建设备
//利用设备类创建设备
//将PWMIP物理地址映射为虚拟地址
pwm_fre_addr=（unsignedlong）ioremap（PWM_MOUDLE_PHY_ADDR，sizeof（u32））；
初始化工作完成后，但仅有初始化函数，设备仍然无法工作，还需要实现频率和占空比的调节机制。安徽皖南电机控制PWM的频率函数如下所示：
staTIcssize_tsys_pwm_frequency_set（structdevice*dev，structdevice_attribute*attr，constchar*buf，size_tcount）
{
longvalue=0；
inti；
frequency=0；
//修改频率之前，关闭PWM模块
outl（value，pwm_fre_addr）；
//将写入pwm_frequency中的字符串转化为整数
for（i=0；i100000000）value=100000000；
value=100000000/frequency；
//将计数值写入到PWM模块的pwm_fre_addr寄存器中
outl（value，pwm_fre_addr）；
returncount；
}
控制PWM占空比的函数和控制PWM频率的函数类似。皖南电机价格表
3. 实验结果及测试
系统的主控制板为Zedboard开发板，上电启动后，无线路由器会发布一个SSID为Tp_Link_5C90的无线网络，可以通过任何可以上网的设备连接这个网络。在浏览器中输入网址：192.168.1.100，就会登录到移动视频**的网页上，通过界面的按钮控制视频终端的运行。
本文设计采用XilinxAllProgrammable芯片Zynq作为主控CPU，FPGA部分可以实现逻辑扩展和功能补充。例如：自定义通信协议、IP核，同时还可以利用Xilinx的部分可重配置技术升级硬件系统，易于后期扩展和硬件升级；ARM部分采用的是性能较高的Cortex-A9双核，使得对高清晰视频的处理较为流畅，而且系统整体功能也比较稳定。相比于传统的模拟**，数字视频处理技术提高了图像的质量和**效率。
设计中采用软硬件协同设计的方法，即：在整个系统及定义的基础上，同时对软硬件进行设计和协调，其中包括软硬件的划分（哪些功能使用软件完成，哪些功能使用硬件完成）、软硬件系统的开发与联合调试，降低了开发风险，缩短了开发周期。
参考文献
[1]XilinxInc.UG585，Zynq-7000AllProgrammableSoCTechnicalReferenceMannual[Z].2013.
[2]XilinxInc.UG873，Zynq-7000AllProgrammableSoC：Concepts，ToolsandTechniques[Z].2013：12-35，40-53.
[3]王芳芳，张欢.基于Zynq平台的动态智能家居系统的设计[J].软件，2013，34（8）：98-100.
[4]胡典荣，郭春生.基于ZedBoard的SPI和以太网传输设计[J].杭州电子科技大学学报，2013，33（5）：126-129.
[5]陆佳华，江舟，马岷.嵌入式系统软硬件协同设计指南：基于XilinxZynq[M].北京：机械工业出版社，2013.
安徽皖南电机
咨询电话