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

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

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

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


 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

u din byte th a SAV và EAV 52
 a SAV và EAV 53
ng mã SAV và EAV 53
t qu tng hp khi ly mu d liu 57
t qu tng hp khi DCT 60
ng t cho tín hiu chói 61
ng t cho tín hiu màu 62
t qu tng hp khng t hóa 63
t qu tng hp khi Quét zigzag 65
t qu tng hp khi RLE và Delta DC 68
ng phân lp các giá tr DC [12] 69
Đồ án Tốt nghiệp Đại học
2012

xii

ng phân lp các giá tr AC [12] 70
u din giá tr ca các s nh phân 11 bit 72
15 Kt qu tng hp khi Mã hóa Huffman 73
t qu tng hp khi AddHeader 75
Kt qu tng hp khi FIFO2750 76
t qu tng hp khi nén nh JPEG 77
 trí h thng ip camera (UNF) 80
 trí (3NF) 80
 trí camera (2NF) 80
ng 5.4 Thông tin v trí camera (3NF) 81
 81
 IP Camera (UNF) 82
 82
n ghi (2NF) 83

Application Specic Integrated Circuit
ASMBL
Advanced Silicon Modular Block
ASSP
Application Specific Standard Product
BTR
Branch Target Register
CLB
Configurable Logic Block
CPLD
Complex Programmable Logic Device
DC
Direct Coefficient
DCM
Digital Clock Manager
DCT
Discrete Cosin Transform
DDR
Double Data Rate
DHCP
Dynamic Host Configuration Protocol
DLL
Delay-Locked Loop
DLMB
Data interface, Local Memory Bus (BRAM only)
DOPB
Data interface, On-chip Peripheral Bus
DPLB
Data interface, Processor LocalBus
DRFSL

FSL
Fast Simplex Link
FSR
Floating Point Status Register
GNU
General Public License
HSTL
High-Speed Transceiver Logic
ICMP
Internet Control Message Protocol
IE
Interrupt Enable
ILMB
Instruction interface, Local Memory Bus
IOB
Input Output Block
IP
Intellectual Property
IPC
Inter-Process Communication
IPLB
Instruction interface, Processor LocalBus
IXCL
Instruction side Xilinx CacheLink interface
JPEG
Joint Photographic Experts Group
LMB
Local Memory Bus
LUT
LookUp Table


PAL
Phase Alternating Lines
PC
Program Counter
PID
Process Identifier Register
PLA
Programmable Logic Array
PLB
Processor Local Bus
PLD
Programmable Logic Device
POSIX
Portable Operating System Interface
PVR
Processor Version Register
RAM
Random Access Memory
RISC
Reduced Instructions Set Computer
RSDS
Reduced Swing Differential Signaling
RTOS
Real-Time Operating Systems
RTP
Real-time Transport Protocol
SAV
Start Active Video
SDRAM

Zone Protection Register

Đồ án Tốt nghiệp Đại học
2012

 Trang 1

PHN MỞ ĐU
H thng Intellectual Protocol    c Phòng nghiên cu H thng
nhúng và Tính toán kh cu hình (Embeded System and Reconfigurable Computing
Labolatory  ESRC Lab) trin khai t c mt vài kt qu kh
quan. C th, h th nén nh theo chun Joint Photographic Experts
Group (JPEG) và ghép li thành lung Motion  JPEG (MJPEG) t s
ng hp, có th gi và nhn tín hiu ti/ t i dùng qua mng Ethernet. Nhóm
tác gi c giao di u khin khá
hoàn chnh. Tuy nhiên, h th thành và còn mt vài hn
ch. M nh  b First In, First Out (FIFO) trung gian gia
phn cng và phn mm dn vic FIFO b tràn, ch hin th c mt vài khung
nh (frame) do viu khic d liu t phn mm mt khá nhiu thi gian. Hai
là, giao din web hin ti ch có th c mt IP camera m có
ch i dùng.
 gii quyt các v trên, nhóm tác gi, gm có hai thành viên: Vũ Hữu Tiệp và
Đỗ Tiến Thànhphân công công vic và gii quyt tng v, c th 
 Vũ Hữu Tiệp:
o Chun hóa và ti nén nh JPEG.
o S dng b nh Double Data Rate (DDR) Synchronous Dynamic
Random Access Memory c ln và t truy
cp d liu nhanh h  gii quyt v tràn b nh và ch
hin th c mt vài frame nh.
 Đỗ Tiến Thành:


Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG
Sinh viên thc hiu Tip
u tiên này, nhóm tác gi gii thiu v h thng IP Camera c
thit k i ESRC Lab, báo cáo kh thi và phm vi c ng thi
i thiu công ngh FPGA (Field-Programmable Gate Array), các
công c s d tài và phân tích các yêu cu cha
h thng.
1.1 Giới thiệu
Vi các ch c nêu  ph  th 
c ESRC Lab thit k  trên 1.1 
text
Mạch điều
khiển mở rộng

1.1 
 án này, nhóm tác gi s dng li các mch ca h thng trên và thit k li
lõi nén nh MJPEG [1], thit k phn mi dùng và cách giao tip gia
phn cng và phn mm.
Đồ án Tốt nghiệp Đại học
2012

 Trang 4

1.2 Tính khả thi của đề tài
1.2.1 Tính khả thi về mặt kỹ thuật
 thit k h thng, ta cn mt s yêu cn sau:
 Phn cng:
o Camera CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)
o IC (Intergrated Circuit) gii mã ADV7181B: chuyn tín hi

th, bt li bng các công c phn mm mà hãng h tr.
1.3 Phân tích yêu cầu
1.3.1 Phân tích yêu cầu chức năng của hệ thống

u kin kh thi và các cha h thng mt cách chi tit,
nhóm tác gi
 M
 P
Windows XP, Windows Vista, Windows 7.
 M
Đồ án Tốt nghiệp Đại học
2012

 Trang 6

1.3.1.1 
Mch IP Camera hoàn chnh cui cùng có các yêu cu v ch
 Có kh nh theo chun MJPEG vi t nh truy n 15
frame/s.
 Có kh i và nhn thông tin ti/ t i dùng qua cng Ethernet.
 Có kh n thông tin t mch m rng và gi các tín hiu khin
xung m
1.3.1.2 
eo h thng là mt phn mc thit k giành riêng cho ng dng ca
h thi quan sát có th nhìn các hình c t camera,
quan sát nhiu màn hình và các chu khin thông qua các nút bm. Trong
ng hi dùnn mm thì có th s dng thong qua trình duyt
 truy nhp và h thng.
 các yêu cu cha phn mc thit kt
cho h thng:

dc     (c video trên giao
din chính là dng preview, ph thuc vào s camera cn quan sát, không thay
c).
o H thng có phiên bn dành cho bo mt cao, s dng chun mã hóa
bo mt nâng cao [7] (Advance Encription Standard  AES)
trình phi có giao dii khóa mã: khóa mã s
do Admin nhi dng s H o mt, h thng
s t nh báo ni trong ba
tháng t ln gn nhi ca admin. Vic này s c thc hin
bng mt Form cnh báo nh.
 Nh n lý ca Admin, ch duy nht Admin có quyn kim
tra hong ca i user truy cp gt và các tác v h 
Đồ án Tốt nghiệp Đại học
2012

 Trang 8

1.3.1.3 
Mch m rng cn có các ch
 Nhn thông tin t cm bin nhi       n mch IP
Camera.
 u khin các thit b n theo ch  t ng hoc theo lu khin
nhc t mch IP Camera.
1.3.2 Phân tích yêu cầu phi chức năng của hệ thống
Bên cnh các yêu cu cha h thng là các yêu cu phi cha h
thng. Các yêu cu này quynh tính hi a h th  ng hot
ng, các yêu cu v bo mng các yêu c tài này, các yêu
cu phi cha h thng bao gm:
 ng hong:
o S d ng làm vi 

1.5 Các phần mềm sử dụng trong đề tài
 phát trin h th tài là chip ca hãng Xilinx cung
c ng phát trin và công c phát trin h thng logic trên
FPGA là phn mm ca hãng Xilinx, bao gm:
 Xilinx EDK (Embedded Development Kit): Công c phát trin h thng
nhúng trên FPGA. Công c này c coi là công c thit k và phát trin h
thng logic trên FPGA, cho phép công cp mt h vi x lý hoàn chnh trên
FPGA gm các IP logic và vi x lý.
 Xilinx ISE (Integrated Software Environment): công c phn mm môi
ng tích hp. Công c c coi là công c thit k và phát trin các IP
t k h
thng logic vi Xilinx EDK.
 Xilinx ChipScope Pro: công c phn mm tích hp các b phân tích các khi
logic chính, kim tra và tính toán các thành phn phn cng bên trong h
Đồ án Tốt nghiệp Đại học
2012

 Trang 10

thng thit k, là công c c s d giao tip gia các thành phn và
cung cp mt gi phân tích các thành phn  bên trong h thng.
Phn mm chuyên di dùng s dng các công c phát trin sau:
 Visual C# : công c giúp h tr thit k phn mi s dung. Công c
i s dng có th thit k giao din, liên k d liu và
cung ci dùng to h thng phn mm có kh 
truyn nhn d liu qua Ethernet
 SQL server 2008 : công c phát trin ci s dng to và
qu d liu ca cá nhân.
Bên ct k và phát trii công c mô phng
 ki  c tính, dng sóng ca tín hiu vào ra ca kh