1 简介

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随着数字技术和网络技术的飞速发展，嵌入式系统进入了一个新的发展时期。 32位高性能专用微处理器的出现，使嵌入式系统能够适应非常复杂的控制要求，进行多任务处理，尤其是嵌入式视频的处理，极大地扩展了嵌入式系统的应用范围，正在成为一种教育技术在我的国家。现代化是数字化、网络化教学设备进入新发展时期的有力技术支撑。 32位高性能专用微处理器需要嵌入式操作系统，μ操作系统是为32位微处理器设计的嵌入式Linux操作系统。

μ是控制领域的嵌入式操作系统。其内核功能结构与Linux基本相同，可移植剪裁；用户可以通过重新配置和编译内核轻松移植到各种处理器平台。

本文主要介绍了基于嵌入式视频的多媒体集中控制系统的基本技术框架和相关关键技术，即嵌入式μ操作系统的剪裁与移植，μ基嵌入式系统的实时解决方案以及集中控制系统安全设计等关键技术。

通过关键技术的设计和部署，对适用于局域网和广域网的远程多媒体教学设备和环境设备如屏幕、窗帘、灯光、空调、门禁等进行集中控制和管理环境，实现。不仅适用于多媒体教室的上级远程集中控制、管理、监控和维护，也适用于无人值守、危险环境的远程控制和管理。

2 基于嵌入式视频的多媒体集控系统实现架构

基于嵌入式视频的多媒体集中控制系统以高性能32位微处理器为硬件核心，嵌入式软件运行于μ操作系统。系统主要分为控制台软硬件系统和多媒体教室终端设备2部分，组成远程交互平台。

两部分之间的控制信号、状态信息、数据等交互信息通过嵌入式控制器硬件提供的各种网络接口和TCP/IP协议连接到局域网或广域网，使控制台软硬件系统和多媒体教室终端设备通过网络实现远程控制和管理。基于嵌入式视频的多媒体集中控制系统架构如图1所示。

3 基于嵌入式视频的多媒体集中控制系统实现关键技术

3.1 选择32位嵌入式微处理器模块单元作为硬件平台

通过8/16/32位单片机性能对比测试，只有32位高性能单片机具有更高的响应速度、更强的数据处理、逻辑运算和数据存储能力；不仅可用于工业数据采集、过程控制、远程监控等应用领域，尤其适用于嵌入式视频处理及大数据量控制的数字多媒体教学设备的开发与应用。

选用本公司32位嵌入式微处理器模块单元作为多媒体集中控制系统终端数据处理和功能控制的硬件平台。

模块单元主要由32位处理器及外围设备闪存、串行通信电路、网络接口芯片、音视频矩阵电路等硬件组成。其主要性能见下表1。

3.2 嵌入式μ操作系统的切割与移植

μ 是为没有 MMU 内存管理单元的微处理器芯片量身定制的小型化操作系统。 μ 对没有 MMU 的处理器采用了真正的内存管理策略。因此，嵌入式μ操作系统既保持了传统Linux的稳定性和强大的网络和文件系统支持等主要性能，又具有自己的特点，使μ成为真正的嵌入式操作系统。

根据32位微处理器的性能特点，结合嵌入式视频多媒体集中控制系统对操作系统功能、微内核、内存管理、进程管理、事务管理、初始化、对驱动、文件系统、TCP/IP协议栈等硬件模块进行裁剪和移植。

在编译μ微内核之前，首先需要通过创建菜单配置来配置微内核。从条件编译的角度来看，就是在内核上选择需要的模块，去掉不必要的模块，不参与编译，这样内核大小可以控制在一定范围内，以适应嵌入式μ应用的需要，并利用Linux开放性等特性降低系统硬件成本和资源需求；那么内核中的代码需要进一步缩减，修改源代码以满足缩减要求。

使用μ的内核有两种可选的运行模式：可以直接在FLASH上运行，也可以加载到内存中运行。 FLASH运行方式是将内核的可执行映像烧写到FLASH中，系统启动时从FLASH的某个地址逐句执行；内核加载方式是将内核的压缩文件存储在FLASH上，系统启动时读取。取压缩文件并在内存中解压，然后开始执行。选择后一种方式相对复杂，但压缩后的程序文件较小，对FLASH的空间要求较低，程序运行速度较快，可以很好地满足高实时性的要求。一般来说，RAM的访问速率要高于FLASH。

系统启动后，首先调用的是32位微处理器的特定arch文件夹中的.S文件。最后跳转到main.c中的()。 μ/Linux-2.4.X/init/main.c 包含初始化 Linux 系统的代码。其中 ( ) 包含主要的初始化代码。

3.3 嵌入式μ操作系统实时解决方案

由于 μ 主要是为其他没有内存管理单元（MMU）的微处理器设计的，所以没有针对 Linux 的实时性提出，所以 μ 本身并不能解决嵌入式基于视频的多媒体集中控制系统的问题。实时性要求。为此，μ需要使用Rt-Linux补丁来增强μ的实时性要求，从而解决μ在一些实时性要求较高的应用领域的需求，如工业控制、过程控制等。

Rt-Linux 是另一个不同于 μ 的嵌入式 Linux 版本。它的突出特点是内核的处理增强了对实时问题的关注。 Rt-Linux 执行管理器将普通的 Linux 内核作为任务运行，并且还管理实时进程。非实时进程交给普通的 Linux 内核处理。这种方法已经应用到很多操作系统中，以增强操作系统的实时性，包括一些商业的Unix系统、NT等。该方法的优点是实现简单集中控制系统，易于验证实时性能；其次，非实时进程运行在标准 Linux 系统上，并与其他 Linux 版本保持良好的兼容性；第三，可以支持硬实时时钟的应用程序。

嵌入式视频多媒体集控系统对红外接收等功能的实时性要求较高，否则会直接影响多媒体设备的使用效果。选用Rt-Linux的patch增强μ的实时性要求，红外接收中断处理调度策略作为后台任务运行，从而增强μ的实时性，满足严格的实时性要求红外接收和其他系统任务。

3.4 OCX控制标准控制封装技术

OCX是基于嵌入式视频的多媒体集中控制系统的网络控制软件；其视频显示模块采用特殊的控制封装技术，解决了嵌入式数字视频数据跨网段、跨平台的数据流传输，实现了全数字网络图像的无缝跨平台集成。

为保证配置的灵活性，嵌入式视频技术对各厂商网络数码相机的接口属性采用开放式设计风格，无论各厂商算法接口采用何种开发平台集中控制系统，即VB、VC等.，平台下均采用OCX控制标准控制封装技术。特殊的控制封装技术使多媒体集中控制系统的网络控制软件的视频显示模块整体去除了不必要的冗余程序，结构简单紧凑；嵌入式视频采集硬件提供多种网络接口，采用TCP/IP协议，可实现与局域网和广域网的连接，让用户无论身在何处都可以通过网络进行连接，实现对监控区域的监控。实验结果表明，这种特殊的控制封装技术有效地解决了全数字嵌入式视频图像跨网段、跨网络平台的传输和管理问题。需要说明的是，嵌入式视频的图像采集硬件采用数字数码网络摄像机，通过图像采集卡进行A/D转换。不同的图像分辨率可以满足不同网络环境下网络传输的实际需要。

3.5 系统链路可靠性和数据传输安全技术方案

由于嵌入式视频多媒体集控系统的应用范围具有相当程度的封闭性，系统平台中下层采用开放的TCP/IP协议，应用层采用私有协议进行适度传输数据。加密处理。

在系统传输链路的可靠性设计中，考虑到多媒体集控系统对通信数据和嵌入式视频的处理能力以及TCP连接建立的额外开销，网络传输层采用UDP协议对应用进行封装上层数据。 UDP协议的不连接和不可靠由应用层协议保证，保证数据传输的正确性和可靠性。在应用协议设计中，用于在3s内发送请求帧和接收响应帧，判断传输是否超时或有误。如果超过3个请求都没有收到响应，则判断系统故障，终止请求操作。此外，嵌入式视频多媒体集控系统还每隔10s进行一次主动在线检测，并将检测数据发送到终端面板和控制台进行显示。

在传输数据的安全设计方面，加强网络访问控制，使用可靠的协议进行加密。针对协议数据被窃听和分析的风险，定义私有应用层交互协议，对数据包进行加密传输。在应用层交互协议的设计中，定义了数据包类型、控制码、数据码、数据定义等数据结构。通过网络传输的数据使用移位加密算法进行加密。

数据包重放攻击是一种基于数据窃听的攻击。为了防止数据包重放攻击，设计中在嵌入式视频多媒体集控系统的端口上设置了三个可信IP地址，只接收可信IP地址的命令操作。对于其他IP，只能查询集中控制器的运行状态，而不能对其运行进行控制，有效防止非法用户模仿获取的数据包控制集中控制系统的运行。

4 结论

嵌入式视频多媒体集中控制系统采用32位嵌入式微处理器模块单元作为硬件平台，嵌入式μ操作系统的切割移植，嵌入式μ操作系统的实时解决方案和OCX控制标准控制封装技术以及系统链路可靠性、数据传输安全设计方法等一系列关键技术，是32位微处理器+μ在嵌入式系统中的典型应用。

毫无疑问，+μ系统平台以其良好的便携性和高性价比将进一步应用于数字多媒体教学设备的研发。

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