基于Zynq的移动视频监控系统的电机控制设计
摘 要： 针对传统固定监控架设成本高、监控有死角且需要布置的视频采集端个数太多的情况，提出一种基于arm和fpga相结合架构的移动视频监控系统及其软硬件实现方法，在减少视频采集端节点的前提下，能够全方位实时捕捉用户所需的信息。该系统由电机控制模块、视频采集模块和无线网络控制模块构成，实现了无线视频监控系统；基于linux操作系统、web服务器和视频编码器，实现了用户可以通过internet远程查看目标现场的状况。
中国视频监控市场快速发展，数字监控逐步成为主流，网络化、个人化和智能化将是中国视频监控市场重要的发展趋势。但当前基于流媒体传输的技术对网络条件要求较高，不能大面积推广，固定监控成本太高。如何将视频监控与interne相结合，使监控人员可以随时随地实施监控，是现代监控技术急需解决的问题。另一方面，目前视频监控系统采用的微控制器多是arm9、arm11等系列微控制器，arm微控制器硬件外设出厂时已经固定，不利于用户进行硬件扩展和升级，而arm和fpga相结合的多芯片解决方案又会导致系统成本太高，同时还会造成系统资源的浪费，功耗太大。针对以上不足，本文提出了一种新的解决方案，采用zynq系列处理器，芯片采用的是高性能cortex-a9双核和fpga相结合，arm部分可以解决高清视频的处理问题，可编程逻辑fpga部分可以升级和扩展硬件。
1 移动视频监控系统架构 本设计的主控板为digilent公司的zedboard开发板，主芯片zynq7020结合高性能双核arm cortex-a9 mpcore处理系统和可编程逻辑于一体[1]。视频采集端位于移动小车之上，从而达到移动采集视频的目的。系统的设计主要包括arm控制部分的设计和fpga逻辑部分的设计。arm部分主要用来运行操作系统和系统上的应用软件，如web服务器boa，视频编码器mjpg-streamer；fpga部分主要用来扩展硬件资源，进行小车电机驱动部分pwm ip核的设计。系统总体结构框图如图1所示。各模块功能为：摄像头负责视频图像采集，zynq主控模块负责arm操作系统部分和fpga逻辑资源部分，电机控制模块负责智能小车的运动，boa webserver负责网络的交互，无线路由器负责无线网络数据的收发。
系统上电之后，首先自动执行芯片内部固化的芯片初始化程序，然后执行第一阶段的启动加载器fsbl，使用比特流文件（pwm ip核设计生成的bit文件）对fpga部分进行配置，待fpga配置完成后，开始执行u-boot引导程序，启动linux操作系统[2]。系统启动完成后，智能小车通过无线路由器产生无线信号，用户在另一端就可以通过网络来连接智能小车终端，实施视频监控。用户和系统的交互实现如图2所示。
本文主要介绍电机控制部分的设计，具体包括电机控制部分硬件电路的设计，fpga部分pwm ip核的设计，linux操作系统pwm驱动程序的设计。
2 电机控制部分的设计 2.1 电机控制部分硬件电路的设计
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[3]。同时，为了减少使用的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（也就是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（也就是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pwm ip核的设计
xilinx嵌入式系统部分的设计由其公司推出的edk（embedded development kit）开发套件实现，edk具有完成嵌入式系统设计的一整套工具，即：硬件设计工具xps（xilinx platform studio）和软件设计工具sdk（xilinx software development kit），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）bit流的生成[4]。自定义ip的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}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，对电机的控制，传输的数据量较小，只需要添加一个低速的axi4-lite总线设备pwm模块来控制pmod接口就可以实现硬件设备之间通信，其中axi4-lite的全局时aclk设置为100 mhz，pwm模块分配的起始物理地址为0x6ca00000，空间大小为64 kb，pwm配置信息如图4所示。
2.3 linux下电机驱动部分的设计
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。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[5]。部分关键代码如下所示：
//xps分配的物理地址
#define pwm_moudle_phy_addr 0x6ca00000
//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
//将pwm ip物理地址映射为虚拟地址
pwm_fre_addr=（unsignedlong）ioremap（pwm_moudle_ phy_addr，sizeof（u32））；
初始化工作结束，但是仅有初始化函数，设备仍然无法工作，还需要有实现频率和占空比的调节机制。控制pwm的频率函数如下所示：
static ssize_t sys_pwm_frequency_set（struct device*dev， struct device_attribute*attr，const char*buf，size_t count）
{
long value=0；
int i；
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）；
return count；
}
控制pwm占空比的函数和控制pwm频率的函数一样。
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监控的网页上，通过界面的按钮控制视频终端的运行。
本文设计采用xilinx all programmable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。相比于传统的模拟监控，数字视频处理技术提高了图像的质量和监控效率。
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] xilinx inc. ug585， zynq-7000 all programmable soc technical reference mannual[z]. 2013.
[2] xilinx inc. ug873， zynq-7000 all programmable soc： concepts， tools and techniques[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xilinx zynq[m].北京：机械工业出版社，2013.
巴西成立了一个称为ABCripto的加密货币联盟
物联网带来的好处多还是威胁多
全球应对COVID-19给以太网交换机和路由器市场结果造成一定影响
直流电机的结构组成
比特币近期走势报告显示，下跌情况严重或将还会继续向下跌
基于Zynq的移动视频监控系统的电机控制设计
关注世界卫生日，三星洗衣机助力全民健康
太赫兹脉冲的“电场”组分在半导体铁磁材料的太赫兹磁化调制中起着关键作用
中国产LED产品召回事件屡屡发生 抽检产品质量良莠不齐
折叠共源共栅运算放大器原理及设计
通过嵌入式AI解决方案来深挖终端计算性能
盘点:2016年VR市场的发展现状
鸿蒙系统内核中哪些地方会用到自旋锁?
为什么虚拟机比容器更安全
传感器加载连接装置是决定电子秤性能的重要环节之一
英特尔卖掉闪存业务是明智的选择
如何使用波形分集雷达抑制风力涡轮机干扰
Automechanika Frankfurt 强势回归：国际汽车售后市场在法兰克福全面复苏
大气网格化联网在线检测解决方案
PCIe链路端到端的数据传递 PCLe总线的层次结构
中国视频监控市场快速发展，数字监控逐步成为主流，网络化、个人化和智能化将是中国视频监控市场重要的发展趋势。但当前基于流媒体传输的技术对网络条件要求较高，不能大面积推广，固定监控成本太高。如何将视频监控与interne相结合，使监控人员可以随时随地实施监控，是现代监控技术急需解决的问题。另一方面，目前视频监控系统采用的微控制器多是arm9、arm11等系列微控制器，arm微控制器硬件外设出厂时已经固定，不利于用户进行硬件扩展和升级，而arm和fpga相结合的多芯片解决方案又会导致系统成本太高，同时还会造成系统资源的浪费，功耗太大。针对以上不足，本文提出了一种新的解决方案，采用zynq系列处理器，芯片采用的是高性能cortex-a9双核和fpga相结合，arm部分可以解决高清视频的处理问题，可编程逻辑fpga部分可以升级和扩展硬件。
1 移动视频监控系统架构 本设计的主控板为digilent公司的zedboard开发板，主芯片zynq7020结合高性能双核arm cortex-a9 mpcore处理系统和可编程逻辑于一体[1]。视频采集端位于移动小车之上，从而达到移动采集视频的目的。系统的设计主要包括arm控制部分的设计和fpga逻辑部分的设计。arm部分主要用来运行操作系统和系统上的应用软件，如web服务器boa，视频编码器mjpg-streamer；fpga部分主要用来扩展硬件资源，进行小车电机驱动部分pwm ip核的设计。系统总体结构框图如图1所示。各模块功能为：摄像头负责视频图像采集，zynq主控模块负责arm操作系统部分和fpga逻辑资源部分，电机控制模块负责智能小车的运动，boa webserver负责网络的交互，无线路由器负责无线网络数据的收发。
系统上电之后，首先自动执行芯片内部固化的芯片初始化程序，然后执行第一阶段的启动加载器fsbl，使用比特流文件（pwm ip核设计生成的bit文件）对fpga部分进行配置，待fpga配置完成后，开始执行u-boot引导程序，启动linux操作系统[2]。系统启动完成后，智能小车通过无线路由器产生无线信号，用户在另一端就可以通过网络来连接智能小车终端，实施视频监控。用户和系统的交互实现如图2所示。
本文主要介绍电机控制部分的设计，具体包括电机控制部分硬件电路的设计，fpga部分pwm ip核的设计，linux操作系统pwm驱动程序的设计。
2 电机控制部分的设计 2.1 电机控制部分硬件电路的设计
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[3]。同时，为了减少使用的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（也就是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（也就是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pwm ip核的设计
xilinx嵌入式系统部分的设计由其公司推出的edk（embedded development kit）开发套件实现，edk具有完成嵌入式系统设计的一整套工具，即：硬件设计工具xps（xilinx platform studio）和软件设计工具sdk（xilinx software development kit），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）bit流的生成[4]。自定义ip的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}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，对电机的控制，传输的数据量较小，只需要添加一个低速的axi4-lite总线设备pwm模块来控制pmod接口就可以实现硬件设备之间通信，其中axi4-lite的全局时aclk设置为100 mhz，pwm模块分配的起始物理地址为0x6ca00000，空间大小为64 kb，pwm配置信息如图4所示。
2.3 linux下电机驱动部分的设计
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。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[5]。部分关键代码如下所示：
//xps分配的物理地址
#define pwm_moudle_phy_addr 0x6ca00000
//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
//将pwm ip物理地址映射为虚拟地址
pwm_fre_addr=（unsignedlong）ioremap（pwm_moudle_ phy_addr，sizeof（u32））；
初始化工作结束，但是仅有初始化函数，设备仍然无法工作，还需要有实现频率和占空比的调节机制。控制pwm的频率函数如下所示：
static ssize_t sys_pwm_frequency_set（struct device*dev， struct device_attribute*attr，const char*buf，size_t count）
{
long value=0；
int i；
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）；
return count；
}
控制pwm占空比的函数和控制pwm频率的函数一样。
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监控的网页上，通过界面的按钮控制视频终端的运行。
本文设计采用xilinx all programmable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。相比于传统的模拟监控，数字视频处理技术提高了图像的质量和监控效率。
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] xilinx inc. ug585， zynq-7000 all programmable soc technical reference mannual[z]. 2013.
[2] xilinx inc. ug873， zynq-7000 all programmable soc： concepts， tools and techniques[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xilinx zynq[m].北京：机械工业出版社，2013.
巴西成立了一个称为ABCripto的加密货币联盟
物联网带来的好处多还是威胁多
全球应对COVID-19给以太网交换机和路由器市场结果造成一定影响
直流电机的结构组成
比特币近期走势报告显示，下跌情况严重或将还会继续向下跌
基于Zynq的移动视频监控系统的电机控制设计
关注世界卫生日，三星洗衣机助力全民健康
太赫兹脉冲的“电场”组分在半导体铁磁材料的太赫兹磁化调制中起着关键作用
中国产LED产品召回事件屡屡发生 抽检产品质量良莠不齐
折叠共源共栅运算放大器原理及设计
通过嵌入式AI解决方案来深挖终端计算性能
盘点:2016年VR市场的发展现状
鸿蒙系统内核中哪些地方会用到自旋锁?
为什么虚拟机比容器更安全
传感器加载连接装置是决定电子秤性能的重要环节之一
英特尔卖掉闪存业务是明智的选择
如何使用波形分集雷达抑制风力涡轮机干扰
Automechanika Frankfurt 强势回归：国际汽车售后市场在法兰克福全面复苏
大气网格化联网在线检测解决方案
PCIe链路端到端的数据传递 PCLe总线的层次结构