thiết kế hệ thống ip camera hỗ trợ chuẩn mjpeg trên nền fpga ứng dụng trong giám sát và điều khiển từ xa

Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 i LỜI NI ĐU Ngày nay, các camera giám sát có kèm theo chu khin có mt  khp mi c s dm nóng giao thông hay các v t chân ti. Ngoài các chng, các camera loi này còn có kh u khin các thit b n ti  th này hoc nhp khu toàn b t c ngoài, có chi phí cao và kh u hình li thp. Ngoài ra, t truyn hình ng là mt trong nhm ca các h thng này. K thut nén d li c khi truy     ct lõi ca các sn phm IP ng, có hai cách nén d liu: mt là nén bng phn mm, hai là nén bng IC chuyên dng. Vi gii pháp th nht, giá thành ca sn phm có th c gim b truyn hình nh s rt thp hoc chng hình nh m bo. Vi gii pháp th hai, ngoài vic có giá thành cao thì vic cu hình li s r T ng mun xây dng mt h thng Camera có kh n hình nh ti nhii dùng có th u khin các thit b n t xa và có th i chc nâng cp h thng, kt hp vi các kin thc trong sut thi gian hi hc, chúng em nhn thy rng công ngh FPGA có th ng c các yêu cu trên. Cng vi vic mt h th  c thc hin và có các kt qu kh quan trên phòng Nghiên cu H thng nhúng và Tính toán kh cu hình (ESRC Lab) ca Vin T Vin Thông, chúng em quynh ch tài Thiết kế hệ thống IP camera hỗ trợ chuẩn MJPEG trên nền FPGA ứng dụng trong giám sát và điều khiển từ xa  án tt nghip i hc ca mình. Sau ba tháng phân tích và thit kc các kt qu : lõi nén c thc hin thành công, phn mc xây dng hoàn chnh, vic giao tip vi các thit b bên ngoài qua mt mch m rng n cu c các kt qu này, nhóm tác gi c Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 ii gi li ci Tin s Phm Ngng dn trc tip và cung cp trang thit b cho nhóm. Nhóm tác gi  chc, các cá nhân:  Phòng Nghiên cu H thng nhúng và Tính toán kh cu hình.  Tp th lp KSTN   i hc Bách Khoa Hà Ni.  Thc s Nguyn Minh Tin  K   K n Chu Tin Mnh  K   Hãng cung cp Xilinx ã   án Tt nghip ca mình. Hà Nội, tháng 6 năm 2012 Nhóm sinh viên thực hiện u Tip  Tin Thành Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 iii TM TẮT ĐỒ N Mc tiêu chính ca h thng là thit k c mi dùng theo dõi u khin các thit b n tng Internet da trên nn tng FPGA ca Xilinx. Hình c t mt Camera truyn hình  chun PAL s t IC gi - sc nén li theo chun MJPEG. D lim thc c gi dùng mi khi có yêu ci dùng mi khi mun xem thông tin v n quan sát, h cc admin phân quyn và có th s dng các trình duyc mt phn mm chuyên bit. Tt camera, mt mch ngoài có các cm bin v nhi m, t hp vi chu khin các thit b c ni vi mch chính IP camera qua chun giao tip RS485. Các thit b n này có th  u khin t ng hoc thc hin các chi dùng yêu cu. Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 iv ABSTRACT The main purpose of this project is to design and implement a Xilinx FPGA platform based IP camera which has ability to capture images from the supervising place by an analog camera and control some electrical devices in the field. Images captured from a camera go through an ADC integrated circuit before being compressed by hardware (based on JPEG baseline standard) and transmitted to DDR SDRAM. Users, who have been decentralized by admin, can monitor by accessing to IP address of system through web-browsers such as Firefox, Chrome or a specialized software. Additionally, a external board which has ability to mesure environment parameters              connected to the IP Camera board through RS485 protocol. Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 v MC LC  i  iii ABSTRACT iv  v  ix  xi DANH SÁCH CÁC T VIT TT xiii PHN M U 1  GII THIU CHUNG 3 1.1 Gii thiu 3 1.2 Tính kh thi c tài 4 1.2.1 Tính kh thi v mt k thut 4 1.2.2 Kh thi v mt kinh t 4 1.2.3 Kh thi v mt vn hành 5 1.2.4 Kh thi v mt thi gian 5 1.3 Phân tích yêu cu 5 1.3.1 Phân tích yêu cu cha h thng 5 1.3.2 Phân tích yêu cu phi cha h thng 8 1.4 Gii thiu v công ngh s dng 9 1.4.1 Công ngh FPGA [6] 9 1.5 Các phn mm s d tài 9 1.6 Kt lu 10  H THNG NHÚNG VI MICROBLAZE VÀ H U HÀNH XILKERNEL 11 Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 vi 2.1 Vi x lý Microblaze [9] 11 2.1.1 Kin trúc 11 2.1.2 Giao din tín hiu 20 2.1.3 Giao din ng dng 24 2.1.4 Kin trúc tp lnh 27 2.2 Kin trúc h thng nhúng vi Microblaze 29 2.3 H u hành Xilkernel [10] 30 2.3.1 Tng quan 30 2.3.2 T chc ca h u hành Xilkernel 31 2.3.3 Xây dng ng dng cho Xilkernel 31 2.4 Kt lu 32  THIT K H THNG 33 3.1  khi nn tng cng cho h thng 33 3.2 Cu hình nn tng phn cng 35 3.3 Khi nén nh MJPEG 36 3.4 Thit k phn mm cho h thng 38 3.4.1 Cn phn mm cho h thng 38 3.4.2 Thit k phn mm cho h thng 43 3.5 Kt lu 48  THIT K LÕI M-JPEG 49 4.1 Khi Ly mu d liu 50 4.1.1 Phân tích ch 50 4.1.2 Thit k chi tit 54 4.1.3 Kt qu tng hp khi 57 4.2 Khi Bii Cosin ri rc (DCT) 58 Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 vii 4.2.1 Phân tích ch 58 4.2.2 Thit k chi tit 59 4.2.3 Kt qu tng hp khi 60 4.3 Khng t hóa 61 4.3.1 Phân tích ch 61 4.3.2 Thit k chi tit 62 4.3.3 Kt qu tng hp khi 63 4.4 Khi Quét zigzag 63 4.4.1 Phân tích ch 63 4.4.2 Thit k chi tit 64 4.4.3 Kt qu tng hp khi 65 4.5 Khi RLE và Delta DC 65 4.5.1 Phân tích ch 65 4.5.2 Thit k chi tit 67 4.5.3 Kt qu tng hp khi 68 4.6 Khi Mã hóa Huffman 69 4.6.1 Phân tích ch 69 4.6.2 Thit k 71 4.6.3 Kt qu tng hp khi 73 4.7 Khi AddHeader 74 4.7.1 Phân tích ch 74 4.7.2 Thit k 75 4.7.3 Kt qu tng hp khi 75 4.8 Khi FIFO2750 75 4.8.1 Phân tích ch 75 Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 viii 4.8.2 Thit k 76 4.8.3 Kt qu tng hp khi 76 4.9 Kt qu tng hp khi nén nh JPEG 77 4.10 Kt lu 77  THIT K PHN MI S DNG 78 5.1 Thit k  d liu 78 5.1.1 Chun hóa 78 5.1.2 Chun hóa các bng d liu 79 5.2 Phn mi s dng 89 5.2.1 Ch thng 89 5.2.2 Chn tr h thng 95 5.3 Kt lu 98 KT LUN 99 TÀI LIU THAM KHO 100 BI CHIU THUT NG ANH VIT 102 PH LC 1 Ph lc 1: Code VHDL cho khi Quét zigzag 1 Ph lc 2: H  5 Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 ix DANH MC CC HNH V ng quan v h tht k 3  hoch thc hi tài 5  khi cha MicroBlaze [9] 12 ng thái ca MicroBlaze 13 ng thái ca MicroBlaze 14 n lí b nh o [9] 15  lí cache lnh 17  lí cache d liu 19 n tín hiu ca MicroBlaze 20  chân ca mt liên kt FSL 22 i IDCT liên kt vi MicroBlaze qua FSL 23 nh loi A 29 1 Lnh loi B 29 n trúc h nhúng vi MicroBlaze [9] 30 a Xilkernel 31  khi ca H thng IP Camera 33  giao tip khi MJPEG core vi các khi khác 37  38 a s chn H u hành Xilkernel 39 h 3.5 Ca s cu hình cho Xilkernel 40 n s dng giao thc Lwip 41  44 i thut truyn d liu lên Internet 47 nh JPEG 49 u vào/ra khi Ly mu d liu 51 u trúc d liu ca mt dòng theo chun ITU-601 52 nh tín hiu SAV và EAV mành 0 55  trí d liu trong mi thanh RAM 56 u vào/ra khi Bii DCT 58 Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 x n A T 59 n A T sau khi nhân các h s vi 2 16 60 u vào/ra khng t hóa 62  quét zigzag 8*8 64 h 4.11 Tín hiu vào/ra khi Quét zigzag 64 u vào/ra khi RLE và Delta DC 67 t toán tìm phn t cui cùng khác không trong mt block 68 u vào/ra khi Mã hóa Huffman 71 a các s  72 a các s âm 73 u vào/ra khi AddHeader 74 u vào ra khi FIFO2750 76  thc th liên kt 89 nh 5.2 S dng thread trong C# [19] 90  thut toán vic nhn và hin th d liu 92 n chính theo dõi các camera 94 n chnh sa các thông s ca camera 95 t h thng IP Camera 95 p ci qun tr h thng 96 n phát li Video 97 n tìm kim các h thng IP Camera 97 n king c d liu 98 [...]... nêu ở phần “Tóm tắt Đồ án”, hệ thống IP Camera đã được ESRC Lab thiết kế trước đây có sơ đồ như trên Hình 1.1 dưới đây: Mạch điều khiển mở rộng text H nh 1.1 Tổng quan về hệ thống IP Camera đã thiết kế Trong đồ án này, nhóm tác giả sử dụng lại các mạch của hệ thống trên và thiết kế lại lõi nén ảnh MJPEG [1], thiết kế phần mềm cho người dùng và cách giao tiếp giữa phần cứng và phần mềm Nhóm SV thực hiện:... theo chuẩn MJPEG với tốc độ ảnh truyền đi từ 1 đến 15 frame/s  Có khả năng gửi và nhận thông tin tới/ từ người dùng qua cồng Ethernet  Có khả năng nhận thông tin từ mạch mở rộng và gửi các tín hiệu điều khiển xuống mạch đó 1.3.1.2 Phần mềm cho hệ thống giám sát và điều kiển từ xa Đi kèm theo hệ thống là một phần mềm được thiết kế giành riêng cho ứng dụng của hệ thống Trên màn hình người quan sát có... 3 khối chức năng chính như sau:  Mạch điều khiển chính cho IP camera  Phần mềm cho hệ thống giám sát và điều khiển từ xa, hoạt động trên hệ điều hành Windows XP, Windows Vista, Windows 7  Mạch điều khiển các thiết bị ngoài Nhóm SV thực hiện: Vũ Hữu Tiệp, Đỗ Tiến Thành Trang 5 Đồ án Tốt nghiệp Đại học 2012 1.3.1.1 Mạch điều khiển chính cho IP Camera Mạch IP Camera hoàn chỉnh cuối cùng có các yêu... Tiệp Giới thiệu các hệ thống IP camera hiện thời, báo cáo khả thi, công nghệ và các phần mềm được sử dụng  Chương 2 Hệ thống nhúng với MicroBlaze và Hệ điều hành Xilkernel – Đỗ Tiến Thành Trình bày kiến trúc của vi xử lý MicroBlaze và Hệ điều hành Xilkernel  Chương 3 Thiết kế hệ thống – Vũ Hữu Tiệp, Đỗ Tiến Thành Trình bày các khối chức năng chính của hệ thống  Chương 4 Thiết kế lõi MJPEG – Vũ Hữu Tiệp... các camera  Cung cấp giao diện điều khiển: khi người dùng muốn điều khiển các thiết bị thủ công, người sử dụng sẽ tick vào nút bấm thiết bị điều khiển Sau khi chọn xong người dùng ấn Submit để truyền tín hiệu điều khiển tới chip điều khiển trung tâm  Chương trình cho phép cấu hình các thông số của từng camera cần quan sát bao gồm: địa chỉ IP của camera người dùng muốn quan sát, độ lớn buffer sử dụng, ... thống trong đề tài là chip của hãng Xilinx cung cấp, do đó toàn bộ môi trường phát triển và công cụ phát triển hệ thống logic trên FPGA là phần mềm của hãng Xilinx, bao gồm:  Xilinx EDK (Embedded Development Kit): Công cụ phát triển hệ thống nhúng trên FPGA Công cụ này được coi là công cụ thiết kế và phát triển hệ thống logic trên FPGA, cho phép công cấp một hệ vi xử lý hoàn chỉnh trên FPGA gồm các IP. .. năng sau:  Nhận thông tin từ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, khói,… và gửi đến mạch IP Camera  Điều khiển các thiết bị điện theo chế độ tự động hoặc theo lệnh điều khiển nhận được từ mạch IP Camera 1.3.2 Phân tích yêu cầu phi chức năng của hệ thống Bên cạnh các yêu cầu chức năng của hệ thống là các yêu cầu phi chức năng của hệ thống Các yêu cầu này quyết định tính hiệu năng của hệ thống, môi trường hoạt động,... lớn, FPGA được ứng dụng cho những bài toán đòi hỏi khối lượng tính toán lớn và dùng trong các hệ thống làm việc theo thời gian thực Đặc tính nổi trội nhất của FPGA là khả năng tái cấu hình của nó Các hệ thống sử dụng FPGA hoàn toàn có thể cấu hình lại tùy thuộc vào mục đích sử dụng, ngay cả khi sản phẩm đã được giao cho người dùng 1.5 Các phần mềm sử dụng trong đề tài Chip FPGA dùng để phát triển hệ thống. .. được từ camera, quan sát nhiều màn hình và các chức năng điều khiển thông qua các nút bấm Trong trường hợp người dùng chưa cài phần mềm thì có thể sử dụng thong qua trình duyệt web browses để truy nhập và hệ thống Dưới đây nhóm xin trình bày về các yêu cầu chức năng của phần mềm được thiết kết cho hệ thống:  Cung cấp chức năng phân quyền cho người sử dụng: khi truy nhập vào hệ thống, người sử dụng. .. có thể rút ngắn thời gian thiết kế và có thể dễ dàng kiểm thử, bắt lỗi bằng các công cụ phần mềm mà hãng hỗ trợ 1.3 Phân tích yêu cầu 1.3.1 Phân tích yêu cầu chức năng của hệ thống Đề tài của nhóm được thiết kế với hai chức năng chính là giám sát và điều khiển Sau khi phân tích các điều kiện khả thi và các chức năng của hệ thống một cách chi tiết, nhóm tác giả chia hệ thống cần xây dựng thành 3 khối . quan trên phòng Nghiên cu H thng nhúng và Tính toán kh cu hình (ESRC Lab) ca Vin T Vin Thông, chúng em quynh ch tài Thiết kế hệ thống IP camera hỗ trợ chuẩn MJPEG trên. thống IP camera hỗ trợ chuẩn MJPEG trên nền FPGA ứng dụng trong giám sát và điều khiển từ xa  án tt nghip i hc ca mình. Sau ba tháng phân tích và thit kc các kt. Hữu Tiệp. Gii thiu các h thng IP camera hin thi, báo cáo kh thi, công ngh và các phn mc s dng.  Chương 2. Hệ thống nhúng với MicroBlaze và Hệ điều hành Xilkernel  Đỗ Tiến Thành.