基于ARM9的井下网络摄像机开发

论文摘要

随着矿山信息化建设水平的不断提高,其对井下安全生产监控提出了更高的要求。针对模拟摄像机信号质量差、传输距离短等不足,以及井下监控设备不能将井下图像、声音和环境参数等监控有机结合起来的缺陷,本文设计了符合本质安全要求,具有视频监控、音频监控、环境参数接入、网络远程传输等功能的井下网络摄像机,以使其在矿山安全生产监控领域发挥更大的作用。本文通过分析系统需求,对比不同解决方案,最终确立了采用Freescale公司的基于ARM9体系架构、集成硬件视频编解码器的i.MX27作为系统主处理器的设计方案,并采用模块化方法分别设计了最小系统、视频模块、音频模块、环境参数接入模块、以太网模块、电源模块的硬件电路。其中,视频模块采用低照度数字CCD摄像头,实现矿井低照度环境下的图像采集,并经处理器内部的H.264硬件视频编解码器压缩编码后,通过以太网传输到监控中心;音频模块通过音频CODEC芯片完成语音数据的编解码处理;井下环境参数接入模块通过RS-485接口或者具有Mini PCI-E接口的无线通信模块实现井下环境参数的接入功能;以太网模块通过接入井下以太网用来完成视频、音频、环境参数信息的远程传输;电源模块采用低电压（≤3.3V）设计方案,满足本质安全型设计要求的同时,实现了设备的低功耗（仅为4.5W）。系统通过六层PCB板设计、电磁兼容性设计,大大增加了设备的可靠性。除完成系统硬件设计外,本文还负责完成了与硬件平台相关的Linux操作系统的移植和配置、网络设备驱动程序设计。在系统测试中,除了各种电气性能满足要求外,可以完成普通环境和模拟井下低照度环境下的图像采集,实现视频、音频数据的压缩编码和网络远程传输。实验表明基于ARM9的井下网络摄像机可以实现井下视频和音频信息的采集、处理、存储和传输,具有较高的应用价值和研究意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 研究现状及发展趋势
• 1.3 课题研究内容及意义
• 1.4 论文组织结构
• 2 系统相关技术
• 2.1 ARM9 微处理器
• 2.2 视频采集及编解码技术
• 2.2.1 视频采集技术
• 2.2.2 视频编解码技术
• 2.3 本质安全技术
• 2.4 本章小结
• 3 系统总体设计
• 3.1 系统需求
• 3.1.1 功能需求
• 3.1.2 主要技术指标
• 3.2 系统方案选择
• 3.3 系统总体方案设计
• 3.3.1 系统硬件总体设计
• 3.3.2 系统软件总体设计
• 3.4 本章小结
• 4 系统硬件设计
• 4.1 最小系统设计
• 4.1.1 主处理器i.MX27
• 4.1.2 Mobile DDR SDRAM 存储器电路
• 4.1.3 NAND Flash 存储器电路
• 4.1.4 TF 卡接口电路
• 4.1.5 系统的时钟、复位电路设计
• 4.2 电源模块设计
• 4.2.1 电源设计
• 4.2.2 上电顺序设计
• 4.3 视频模块设计
• 4.4 音频模块设计
• 4.5 环境参数接入模块设计
• 4.5.1 Mini PCI-E 无线通信接口单元设计
• 4.5.2 RS-485 单元设计
• 4.6 以太网模块设计
• 4.7 系统板级设计
• 4.7.1 PCB 设计
• 4.7.2 电磁兼容性设计
• 4.8 本章小结
• 5 系统部分软件设计与系统测试
• 5.1 嵌入式Linux 操作系统的移植和配置
• 5.1.1 嵌入式Linux 交叉编译环境的建立
• 5.1.2 BootLoader 移植
• 5.1.3 Linux 内核移植
• 5.1.4 根文件系统制作
• 5.2 设备驱动程序设计
• 5.2.1 设备驱动程序简介
• 5.2.2 LAN8710 网络驱动实现
• 5.3 系统测试
• 5.3.1 电气性能测试
• 5.3.2 存储器性能测试
• 5.3.3 功能调试
• 5.4 性能参数测试结果
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录