基于数据监控的展示系统设计与实现.docx

1、分类号学校代码 1 0 4 8 7学号 2005611810065密级硕士学位论文基于数据监控的展示系统设计与实现学位申请人：周 鹏学 科 专 业：通信与信息系统指 导 教 师：黄瑞光答 辩 日 期： 2007.6.10教授A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringThe Design and Implementation of Display SystemBased on Monitoring Data TechnologyCandid

2、ate : Zhou PengMajor : Communication and Information SystemsSupervisor : Prof. Huang RuiguangHuazhong University of Science the upperapplication software is the focus here. The display system of the upper applicationsoftware includes data processing and video calling. In this paper, data processing

3、usesthreshold while video call uses the DirectShow technology. These will be introduce inrelevant chapters.Key words：Display System Monitoring Technology Data Acquisition CardDirectShowII华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文目 录摘 要. IAbstract. II1 绪论1.1 课题的应用背景 (1)1.2 监控系统概述 (1)1.3 研究任务和目标 (4)1.4 论文的组织结构 (4)2 展示系统

4、总体设计2.1 监控系统的基本组成和结构 (5)2.2 系统的功能分析 (7)2.3 系统的方案设计 (8)2.4 本章小结. (9)3 系统的硬件结构设计3.1 典型监控系统的硬件系统构成 (10)3.2 总线介绍及选择 (10)3.3 基于 PCI 总线技术的硬件系统结构框图 (16)3.4 本章小结. (17)4 系统的软件设计4.1 DirectShow 简介 (18)4.2 组件对象模型 (23)4.3 DirectShow 多媒体软件设计 (25)4.4 本章小结. (27)III华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文5 展示系统的实现与工程应用5.1 系统的硬件结构 (2

5、8)5.2 系统软件模块划分 (33)5.3 软件流程设计 (33)5.4 技术要点. (38)5.5 展示系统的运行结果展示 (39)5.6 本章小结. (41)致 谢 (42)参考文献 (43)IV华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文1 绪论1.1 课题的应用背景文盲本意指不识字的人，而现代社会中文盲也泛指不懂电脑的人。随着电脑的普及，电脑已经成为我们日常生活中很重要的一个工具。认识电脑、使用电脑和了解电脑已经成为了时代的对当代人的基本要求。本课题就是要设计并实现一个交互式的展示系统来介绍电脑的硬件。本课题来自广东科学中心的一个子项目个人电脑，业主力主将监控这一技术应用到科技馆的

6、展示系统中。本展示系统的设计目的是通过该展示系统让参与者学习和了解电脑部件的基本知识。系统通过监控参与者的动作，获取输入信息，并对该信息进行处理，最后根据用户的输入调用相应的视频文件供参与者学习。为了更好的在本展示系统中应用监控技术，下面我们将对监控系统的基本概念作一些介绍。1.2 监控系统概述监控系统大致经历了三个发展阶段。第一阶段，是模拟阶段。它是在上世纪50年代，随着电视技术的发展而逐步发展起来的。经历了几十年的发展，它随着电视技术的成熟而不断完善，在实际生活中得到了广泛的应用。第二阶段，是模拟、数字混合阶段。在80年代中后期，出现了数字录像机，它应用于监控系统取代了传统的模拟录像机，使

7、得数据的存储和检索更加方便。随着计算机得到广泛的应用，它也开始出现在监控系统中。但是，由于当时计算机的处理能力有限，并且网络、多媒体等相关技术还不成熟，所以，它在监控系统中只是部分取代了一些模拟部件。因此，该阶段属于模拟技术向数字技术转变的过渡阶段。第三阶段，是采用纯数字技术阶段。在上个世纪末，计算机技术得到了充分的发展，在监控领域，它已具备全面取代模拟技术的能力。采用多媒体计算机进行信号处理的数字监控系统，使得监控系统发展到一个崭新的阶段1 2。下边就对CCTV电视监控系统和数字监控系统分别介绍。1华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文1.2.1 传统监控系统CCTV监控系统一般由四

8、部分组成:摄像、控制、传输、显示与记录。摄像部分包括摄像机或摄像头、防护罩、安装支架和云台等。它负责摄取现场景物并将其转换为电信号。CCTV监控系统的控制部分主要包括输入、输出信号的切换和报警处理等。它的作用是负责对突发事件的报警并启动监控系统(或24小时监控)，对视频信号进行分配和切换，以及进行多画面分割等处理。传输部分包括视频放大器和传输电缆等。它的作用是负责将视频信号进行放大并经视频电缆安全地传输到控制中心，然后通过解调、放大处理后，将电信号转换为图像信号，最后送到监视器上显示出来或同时把信息记录下来。显示部分通常采用多画面、大屏幕投影或电视墙显示方式。记录设备通常采用的是时滞录像机，以

9、便进行24小时、36小时或72小时的连续报警录像。CCTV监视系统虽然仍在广泛使用，但是它有许多缺陷，已不能满足应用的需求。首先，它采用的记录设备是录像机，无法进行长时间、无间断地连续记录，最多几天就要换录像带。如果在换录像带时发生突发事件，则系统无法记录。录像带体积大，且不宜长期保存。如果时间过长，录像带宜发霉和粘连，导致无法重放。录像检索困难，速度慢。进行异地检索时只能把录像带拿过去，无法借助网络快速传输。CCTV监视系统占地面积大，一般需要专用的监控室，且价格昂贵，动辄几十万、上百万。CCTV监视系统操作复杂，需要专门培训的人员才会操作，且只能在监控室中进行控制，无法实施远程监控。虽然它

10、也可以通过微波、卫星或加长传输电缆等方式来扩大传输范围，但它使用的仍然是电视技术，无法根除电视技术固有的缺陷3 4。1.2.2 数字监控系统随着计算机技术的飞速发展，计算机的处理能力越来越强，应用越来越广泛。多媒体技术是计算机技术的一个重要分支，它使计算机可以非常方便地处理语音、图像、多媒体视频、视频等多媒体信息。把计算机多媒体技术引入到应用广泛的监控系统，不仅可以降低成本，而且可以增强监控系统的安全性，使监控系统使用更加方便，功能更加丰富。在上世纪末，出现了使用多媒体计算机作为主控设备的数字监控系统5。数字监控系统的摄像部分采用数字摄像头，摄取的信号采用工业控制机进行信号处理，最后用显示器进

11、行显示，用大容量硬盘来记录信息。数字监控系统采用数2华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文字技术不仅可以完全实现并增强原有的功能，而且增加了一些传统的CCTV电视监控系统所无法实现的新功能。它一经出现，便以其优异的性能展现出了强大的生命力6 7。总的来说，数字监控系统与传统的CCTV电视监控系统相比具有如下优点7 8 ：（1） 处理速度快、画质好：系统采用高精度、高分辨率的音视频捕获/采集片，使压缩后所产生的录像文件可以高质量地回放，不会出现停顿、延迟现象。（2） 操作简单：使用友好的人机交互界面，只需操作鼠标就能轻松实现各种操作。（3） 存储方便：压缩后所产生的文件可以保存在硬盘或光

12、盘中，通过计算机网络还可以把资料存储在网络上的计算机中。（4） 节约成本：最简单的系统仅需在监控中心办公室放置一台监控电脑主机既可。无需专门的监控室，一般办公室就可使用。（5） 检索速度快：系统由于采用计算机文件格式存储，因此可以快捷地查询任何摄像头在任何时间段内产生的文件。通过计算机网络还可以方便地进行远程播放、检索。（6） 传输方便：信号可以借助已有的计算机网络，快捷、方便地在LAN /Intranet/Internet上远距离传输。（7） 控制方式多样化：不仅可以在监控主机上进行集中控制，还可以通过计算机网络远程控制摄像机的状态和监控效果。综上所述，数字监控系统充分发挥了计算机多媒体技术

13、、网络技术、人工智能技术、控制技术等的优势，它与CCTV电视监控系统相比有不可比拟的优点。因此，它取代传统的CCTV电视监控系统将是大势所趋。1.2.3 国内外动态使用计算机多媒体技术实现的数字监控系统在国外出现较早，现正在逐步取代传统的CCTV电视监控系统，已经成为应用的主流。在国内，从50年代就开始使用电视监控系统，历经几十年的发展，目前广泛应用在各行各业。80年代中期以来，国家相继制定了一些有关CCTV电视监控系统的行业标准和相应的法律、法规。数字监控系统在本世纪初才在我国出现，目前市场上已经出现了几家公司的产品，它们所采用的技术以及所实现的功能基本相似。其特点大致如下：3华 中 科 技

14、 大 学 硕 士 学 位 论 文它们基本上都是在Microsoft Windows98或Windows2000操作系统下，采用C/C+语言开发的图形用户界面。可实现对云台、摄像头的控制，可弹出并记录报警信息，具有语音提示、数据备份、数据检索、图像的放大、缩小等功能。都是采用PIII 600以上的工业控制机作为主控机，内置多块音视频数据采集片，可实现8路或16路数据采集与回放9。数字监控系统是近几年才出现的新生事物，目前还没有制定出行业标准，国内产品大都是参照国外同类产品和我国20世纪80年代制定的一些关于CCTV电视监控系统行业标准来设计的。随着科技口新月异地发展，数字监控系统正朝着网络化、集

15、成化、智能化、信息化等方向飞速发展 3 4 。1.3 研究任务和目标分析基于数据监控的展示系统的特点，设计一个稳定实用的展示系统，达到本展示系统的要求和目的是本文的主要研究任务。除了硬件方便的设计任务外，本文也需要对上层应用软件的实现给出设计方案。本文的目标是：通过业主的验收，并在正常的展示过程中，该展示系统可以保证每天八小时正常稳定安全的工作。1.4 论文的组织结构第二章是本文的切入点，分析了本展示系统的目的和要求，并结合监控系统的基本结构和组织模块提出了本展示系统的设计原型。以第二章提出的总体系统框架为顺序，在第三章针对监控系统中所提到的数据传输和网络的建立，讨论了现代常用的几种计算机总线

16、技术。第四章对实现系统的上层应用软件所需用到的 DirectShow 技术进行了较深入的讨论。其中，第三章对比讨论了现存各种总线技术的优缺点，选择适合本系统开发的总线技术，即 PCI 总线技术。第四章中详细介绍了本文软件采用的技术DirectShow，并编写了介绍了视频播放程序。最后，在第五章详细介绍了整个系统的硬件结构和软件模块及软件流程，并对系统的关键技术及测试与维护进行了说明。4华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文2 展示系统总体设计展示系统的设计与一般的设计不同，其有着交互性、稳定性和安全性的要求，因此展示系统设计不是开发和研究一种新的技术的过程，而是一个用成熟的、具有实用价

17、值的、可保证系统稳定性的技术来实现系统展示的功能的过程。监控技术是本展示系统中所采用的关键技术，对监控系统的基本组成和结构了解可以方便监控技术在本展示系统的应用，同时也为展示系统的模块设计和功能划分提供了一种思路。2.1 监控系统的基本组成和结构2.1.1 监控系统的基本组成要了解监控系统的基本组成，首先必须明白系统实现过程中需要解决什么问题。监控系统首先要解决的问题，就是如何获得设备的实时运行数据。现代传感器技术，采用各种各样的传感器和变送器，利用电磁感应、热电转换、光电效应、红外、微波等技术，解决了数据的采集和转换的问题10 11 12。电子技术和单片机技术的发展，使得系统对设备的远程控制

18、(自动控制技术中称为遥控)成为可能。总线技术、现代通信技术和计算机网络技术，为数据的传输和系统的组网问题提供了满意的解决方案。先进的计算机技术，高速率的 CPU，大容量的存储器、性能优越的操作系统、功能强大的数据库系统，以及“量身定做” 的监控软件，很好地解决了数据的处理、管理和维护问题。此外，如何把计算机处理的内容翻译成人们所习惯的、形象直观的表现方式，如何把鼠标、键盘的简单操作转换成计算机所能识别的命令，是人机界面所必须解决的问题。这在很大程度上依赖于监控软件的设计。当然，CRT, LCD,LED 和投影等显示技术和声像处理技术的成熟，图形化操作系统、高分辨率、真彩色显示器、专用图像监视器

19、和大屏幕投影仪等软、硬件产品的不断拓新为之提供了必要的条件13。5华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文设备与环境数据的采集/转换控制命令的执行数据的传输和系统组网人机交互界面维护人员图 2-1 监控系统的基本组成部分当解决了以上五方面的问题后，监控系统的基本组成就十分明朗了。可以用一个图来表示，如图 2-1 所示。除此之外，一个完善的监控系统还需要承担一些诸如设备管理、人员管理等等的辅助管理工作，还需要解决精度、可靠性、容错能力等等的一系列问题。2.1.2 监控系统的基本结构工业计算机控制系统经历了从集中式控制系统向分布式控制系统的发展过程，如图 2-2 所示。当集中式控制系统面临可

20、靠性和处理速度两大难题时，分布式控制系统就应运而生了。监控系统的基本结构就采用了分布式结构14。主控计算机集中控制计算机集中监测 集中控制 前端计算机1 前端计算机2 前端计算机n被控设备1 被控设备2 被控设备n 被控设备 被控设备 被控设备（a）集中控制系统 （b）分布式控制系统图 2-2 集中式控制系统和分布式控制系统分布式控制系统的最大特点就是管理的集中和控制的分散，因而又被称为集散控制系统。具体地讲，它把对全局的管理和协调工作集中在主控计算机上，而把具体的对设备的监测和控制、局部的管理、阶段性的数据处理等工作交给分散在不同地点的前端计算机来实现。这样做的结果使得监控过程条理清楚，层次

21、分明，既分散了系6华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文统故障的危险，提高了系统可靠性，又分担了系统负担，使多项工作协调并行处理，提高了系统的实时性。同时这种结构具有一定的灵活性，有利于系统的扩展15。中央处理和管理部分数据传输网络前端采控部分图 2-3前端采控部分监控系统的基本结构前端采控部分前面所讲到的监控系统的五大组成部分中，数据采集和控制命令执行都在前端实现，可以并称为前端采集控制部分；数据管理和人机界面主要在上层计算机实现，可以并称为中央处理和管理部分。这样一来，监控系统的基本结构就勾勒出来了，如图 2-3 所示。这是一个分支树型结构，即多个前端采控部分通过数据传输网络，与中

22、央数据处理和控制部分进行双向的通信。显然，这是一个具有两层结构的分布式计算机控制系统。实际运用的监控系统比这个结构要复杂得多，但都可以看成是由这个基本结构叠加组合而成的。2.2 系统的功能分析展示系统的结构设计取决于其功能要求，本节将重点分析本展示系统的功能要求。本系统的设计目标是：参观者通过搜索选择操作台面的各电脑部件（CPU、内存条、硬盘、显卡、光驱、网卡、鼠标、键盘、电源、U 盘、电源），实现对各电脑部件的形状认识，并通过观看的等离子显示器所播放的教学视频，学习电脑各部件在电脑构成中的意义及功能。按照功能的要求，业主提出了如图 2-4 所示的展示系统的整体效果。从下到上分别是：用于存放仪

23、器设备的设备箱、操作台面、模块放置在操作台面上、显示视频文件的等离子显示器。周围两块是有机玻璃墙，用于隔开周围的展项。7华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文图 2-4 总体系统效果图确定该展示效果后，我们对整个系统的展示流程进行了如下设计：模块内的传感器接收到参观者的选择信息，并将该信息数字化后传给展示系统，展示系统判断该输入是否效性。若为有效输入，则调用相应模块的教学视频文件，同时装在选中模块内部的装饰灯也点亮；若为无效输入，则继续等待。2.3 系统的方案设计从功能分析中可以得出：整个系统的运行是一个采集用户输入、传输数据、判断分析数据，然后进行控制部分运行的过程，因此设立如图 2

24、-5 的系统总体框图：电子屏主机外围电路传感器1传感器2图 2-5 总体系统框图8传感器11华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文分析该系统，可以得知该系统应该具有以下几个特点：（1） 多输入端。本展示系统所需展示的模块有十一个，每个模块相对独立。（2） 模块状态较为简单。对于系统而言，每个模块有“选中” 和“未被选中”两种状态，因此本展示系统在设计时就考虑用“0” 和“1”两个数字量来描述模块的状态。（3） 实时性。本展项的设计理念是按照用户意向进行视频选择，因此本展示系统需要达到实时的获取用户的输入信息并跟随该信息进行实时视频调用的效果，才能让体验其互动性的设计理念；（4） 稳定性

25、。对于展览设计，稳定性是一个相当重要的因素。相对普通的使用来说，展馆每天八小时不间断的使用对系统的稳定性是一种测验。系统的稳定性直接影响到该展馆日后的发展，且频繁的系统维护不仅对展馆工作人员会造成过大的负担，也会影响展览的正常进行。（5） 美观性和安全性。这是现代展览的基本要求，也是在整个展示系统设计中时候需要考虑的关键点。从分析可知，本展示系统所关注的问题也包括在监控系统讨论的问题中的，因此本展示系统设计可以转变为一个简易的监控系统的设计。下面本文将以监控系统的基本结构讨论实现本展示系统的硬件选择。2.4 本章小结本节属于确立关键技术的一节，首先介绍了监控系统的基本组成和基本结构，然后分析本

26、展示系统的功能特性和系统要求，并通过发现本展示系统的设计可以转变为一个简易的监控系统的设计。9华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文3 系统的硬件结构设计本章将以监控系统的一般结构为设计原型，根据展示系统的功能要求，对系统各功能模块进行分析并选型。3.1 典型监控系统的硬件系统构成典型的监控系统基本结构如图 3-1 所示，主要由主机、数据传输和前端采控部分组成。其中一台主机可以控制多个前端采控部分，数量由实际应用需要决定，例如，本项目需要对十一个模块的选择状态进行监控，则在本项目中至少需要十一个前端采控部分。主机和前端采控部分的交互是以据传输部分为依托的，良好的数据传输是保证系统稳定运

27、行的基础条件。一般地，普通监控系统数据传输网络的建立都应用到了总线技术、现代通信技术和计算机网络技术。结合本展示系统的应用的场合，这里只需要考虑总线技术的选择就能完成整个数据传输的过程。主机数据传输前端采控部分图 3-1前端采控部分监控系统的基本结构前端采控部分3.2 总线介绍及选择总线 ( Bus)是指连接计算机各部件或计算机之间的一束公共信息线，它是计算机中传送信息代码的公共途径。微型计算机的系统总线主要用于主机与磁盘驱动器、显示器、打印机等众多外设之间传送数据。最流行的微机系统总线是 IBM 的 16 位10华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文工业标准总线 ISA，其成熟及支持

28、度是别的总线所不及的。但由于 ISA 总线制定时间已较久，不可避免地带有一些局限性：其数据宽度是 16 位，总线同步时钟也只有8MHz。随着半导体技术的发展，ISA 总线显然已满足不了 CPU 的要求，造成了 CPU与外设之间的数据传送瓶颈问题。为解决这个问题，出现了 EISA, VESA, PC 工等典型的微机总线16 17 18 19。3.2.1 几种常用的总线介绍（1）PC/XT 总线PC/XT 总线是早期 PC/XT 微机所配备的系统总线，是 8 位总线标准。PC/XT 总线共有 62 个信号，是目前各类总线中最为精简的。 PC/XT 主板时钟的基频为14.3128MHz，而微处理器所

29、用的时钟为基频的 1/3(4.77MHz)，由于扩展总线与慢速外设的逻辑接口相连，因此只是基频的 1/12(1.193MHz)。（2）ISA 总线ISA 总线又称 AT 总线，是在 PC/AT 微机上所配备的扩展系统总线。PC/AT 的扩展总线系统设计的最大速度为 8MHz，比 PC/XT 总线几乎快了近一倍，而最佳的数据传输率达 20MB /s。由于 IBM-PC/ XT/AT 系统总线的开放性，全世界的 PC 机制造商纷纷向IBM-PC 靠拢，从而使 IBM-PC 系列风靡全球。为了满足众多 PC 兼容机厂商的要求，美国电气和电子工程师学会(IEEE)成立了一个委员会，并确定以 PC/AT

30、 总线为标准，称之为工业标准体系结构 ISA(Industry Standard Architecture)，即 ISA 总线标准。为了充分地发挥 80286 的优良性能，同时又要最大限度地与 PC/XT 总线兼容，ISA 总线在原 XT 总线的基础上，又增加了一个 36 脚的扩展槽，将数据总线扩展为16 位，地址总线扩展到 24 位，将中断的数目从 8 个扩充到 15 个，而 DMA 通道也由 4 个扩充到 8 个。从此，这种 16 位的扩展总线一直是各制造厂商严格遵守的标准。（3）MCA 总线长期以来，16 位的 ISA 总线一直处于统治地位，但随着 80386、80486 等 32 位C

31、PU 的问世，日益显露出 ISA 总线的一些弱点，如 24 位地址线和 16 位数据线与 32位 CPU 不匹配，传输速率低，不支持自动配置，不支持总线主控技术及缺乏对多处理器支持等.为了解决上述问题，同时也为保护自己的利益，IBM 公司于 1987 年推出了 32 位微通道结构 MCA 以（Micro-Channel Architecture)总线，并在 PS/2 机上使11华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文用。MCA 总线的特点是：将数据线和地址线都扩展到 32 位，成为标准的 32 位扩展总线系统，同时系统的寻址范围增加到 4GB。它的传输速率为 40MB/s，且具有多总线功

32、能；有总线仲裁机构，可支持多任务处理；支持多处理器，具有并行处理能力；具有附加卡定义档案，易于机器识别和系统诊断；可自动进行系统配置和安装。然而，MCA 总线也有令人不满意的地方，首先是它与目前已广泛使用的 ISA 总线不兼容，失去了一大批 PC 机市场。其次 IBM 公司注册了 MCA 的版权，可观的版权费使得许多厂家望而却步，从而影响了 MCA 总线的推广。虽然 MCA 总线有许多优于传统的设计，增加了许多新的特殊的功能，甚至连现在最新的 PCI 总线都不具有，但是 MCA 总线的市场占有率并不高。（4）EISA 总线由于上述的一些原因，1988 年 9 月，由 Compaq、AST 等九

33、家 PC 机生产厂家联合推出了一种与 ISA 兼容的总线标准，称为增强的工业标准体系结构 EISA(ExtendedIndustry Standard Architecture)。由于 EISA 是从 ISA 发展起来的，而且又与 ISA 兼容，并在许多方面参考 MCA 的设计，受到 PC 机众多厂家及用户的欢迎，成为一种与MCA 相抗衡的总线标准。（5）VL 总线(VESA 局部总线)随着软件技术上的不断提高，尤其是随着图形处理技术、Windows 操作系统和多媒体技术的广泛应用，局部总线开始引起人们的注意。所谓局部总线就是 CPU 总线，它将 CPU 芯片、存储器、外围接口器件等连接在一起

34、，构成系统主板或某种 CPU插件板，为主系统的各器件之间提供标准的信息接口及高速信息传输通道，并为高速缓存、高速控制卡等服务。1992 年 5 月，视频电子标准委员会 VESA(Video Electronic Standard Association)制定了 VL 总线(VESA Local 总线)规范。VL 总线的数据宽度为 32 位，其操作频率最高可达 60MHZ，VL 总线的优点是：协议简单，传输速率高，能够支持多种硬件，如图形加速器、网络适配器及多媒体控制卡的工作。但是，它的规范性、兼容性和扩展性均较差。（6）PCI 局部总线1991 年下半年，Intel 公司首先提出了 PCI(

35、Peripheral Component Interconnection)总线的概念，并与 IBM, Compaq, AST, DEC 等公司联合，于 1993 年推出 PCI 局部总12华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文线标准。PCI 是外部设备互连总线，是目前局部总线的最新技术。PCI 总线目前有 4 个主要的标准规格，分别支持 32 位和 64 位，其下又细分为 3.3V 和 5V 两种信号。PCI总线和 VL 总线一样都是局部总线的设计。运行在 33MHz 下的 PCI 其数据传输率可达到 132MB / s，而 64 位的 PCI 最大数据传输率可达 267MB/s。PC

36、I 的设计与 VL 总线有较大的区别。PCI 并没有与微处理器直接相连，而是使用桥路(Bridge)把 PCI 与局部总线连接起来。因此，PCI 是位于微处理器的局部总线与标准扩展总线之间的一种总线结构。由于 PCI 是从局部总线中隔离出来的，局部总线信号经过桥路及控制器后，己将PCI 与局部总线隔开，因而不会出现类似 VL 总线造成微处理器过热的问题。同样，由于 PCI 没有局部总线的负载问题，它允许主板有 10 个芯片组负载。总之，PCI 局部总线具有高性能、兼容性好、不受微处理器品种限制、适合各式机种、低成本和高效益及预留发展空间等优点。3.2.2 总线选择作为目前最新的局部总线技术，P

37、CI 局部总线因其高性能、兼容性好、不受微处理器品种限制、适合各式机种、低成本和高效益及预留发展空间等优点而受到 PC 生产商的青睐。同时，基于 PCI 总线技术的仪器和设备也如雨后春笋般上市，且广泛应用于各种工业场合。出于稳定性和控制器件选取方便性的考虑，本展示系统的数据传输部分采用 PCI 总线技术或选取 PCI 器件。对于 PCI 总线技术，下面将给出详细的介绍。3.2.3 PCI 总线的特点PCI 是先进的高性能的局部总线，可同时支持多组外围设备。PCI 局部总线不受制于处理器，为中央处理器及高速外围设备提供一座桥梁，更可控制总线之间的数据传输，提高数据吞吐量。PCI 采用高度综合化的

38、局部总线结构，其优化的设计可充分利用今日最先进的微处理器及个人电脑科技，它可确保电脑部件、附加卡及系统间的运作可靠，并能完全兼容现有的 ISA/EISA / Micro Channel 扩充总线。总之，PCI局部总线具有如下特点20 21 22 23：（1）高性能13华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文PCI 局部总线以 33MHz 的时钟频率操作，采用 32 位数据总线，可支持多组外围部件及附加卡。数据传输速率可高达 132MB/S，远远超过标准 ISA 总线 5MB/S 的速率。即使在 32 位的情况下也能支持奔腾(Pentium)电脑的图形数据传送速率。（2）线性突发传输PCI

39、 支持线性突发的数据传输模式，可确保总线不断满载数据。外围设备一般会使内存某个地址顺序接收数据，这种线性或顺序的寻址方式，意味着可以由某一个地址起读写大量数据，然后每次只需将地址自动加 1，便可接收数据流内下一个字节的数据。线性突发传输能够更有效地运用总线的带宽去传送数据，以减少无谓的地址操作。PCI 总线的全部读写传送都可以用突发传送。突发传送的长度由总线主设备决定，在数据传送开始时，目标得到起始地址和交易类型，但没有传送长度。当主设备准备传送每一个数据项时，主设备通知目标是否为最后一个数据项。当最后一个数据项传送后本次数据传送即告结束。（3）极小的存取延误支持 PCI 的设备，存取延误很小

40、，能够大幅度减少外围设备取得总线控制权所需的时问。（4）不受处理器限制PCI 独立于处理器的结构，形成一种独特的中间缓冲器设计方式，将中央处理器子系统与外围设备分开。用户可随意增添外围设各，以扩充电脑系统而不必担心在不同时钟频率下会导致性能的下降。（5）适合于各种机型PCI 局部总线不只是为标准的桌面(台式)电脑提供合理的局部总线设计，同时也适用于便携式电脑和服务器。在服务器环境下，PCI 支持分级式外围设备的特性，可使一个 PCI 界面支持一组级连 PCI 局部总线；也可以使设置为多组 PCI 总线的服务器增添额外的扩展插槽，提供更多 I/O，并将高带宽与低带宽的数据分隔开来。（6）兼容性强

41、由于 PCI 的设计是要辅助现有的扩展总线标准，困此它与 ISA、EISA 及 MCA总线完全兼容。虽然现有电脑系统的插槽数目有限，但 PCI 局部总线可提供“共用插14华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文槽”，以便接插一个 PCI、ISA、EISA 及 MCA 插头。（7）预留了发展空间PCI 总线在开发时预留了充足的发展空间，例如，它支持 64 位地址/ 数据多路复用。PCI 的 64 位延伸设计，可将系统的数据传输速率提高到 264MB/S。PCI 还提供了自动配置功能，从而保证了用户在安装外围卡时，不需要手工调整跨接线。（8）低成本、高效益PCI 芯片将大量系统功能高度集中，

42、节省了逻辑电路，耗用较小的电路板，成本降低。PCI 部件采用地址/数据线复用，从而使 PCI 部件用以连接其它部件的引脚数减至 50 以下。3.2.43.2.4.1PCI 总线协议基础PCI 数据传输机制PCI 基本总线协议传输机制是碎发成组传输。一个碎发分组由一个地址节拍和多个数据节拍组成。PCI 支持存储器空间和 I/0 空间的碎发。这里的碎发传输是指主桥(位于主处理机和 PCI 总线间)可以将多个存储器写访问，在不产生副作用的前提下合并为一次传输。一个设备通过将基址寄存器的预取位置 1，来表示允许预读数据和合并写数据。一个桥可利用初始化时配置软件所提供的地址范围，来区分哪些地址空间可以合

43、并，哪些不能合并。当遇到要写的后续数据不可预取或者一个对任何范围的读操作时，在缓冲器的数据合并操作必须停止并将以前的合并结果清洗。但其后的写操作，如果在预取范围内，便可与更后面的写操作合并，但无论如何不能与前面合并过的数据合并。只要处理机发出的一系列写数据(双字)所隐含的地址顺序相同，主桥路总是可以将它们组合成突发数据24 25。PCI 总线上的所有数据传输基本上都是由以下三条信号线控制的：FRAME # ：由主设备驱动，指明一个数据传输的起始和结束。IRDY # ：由主设备驱动，允许插入等待周期。TRDY #：:由从设备驱动，允许插入等待周期。当数据有效时，数据资源需要无条件设置 XRDY#

44、信号( 写操作为 IRDY# ,读操作为 TRDY #)。接受方可以在适当的时间发出它的 XRDY#信号。15华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文FRAME#信号有效后的第一个时钟前沿是地址周期的开始，此时传送地址信息和总线命令。下一个时钟前沿开始一个或多个数据周期，每逢 IRDY#和 TRDY#同时有效时，所对应的时钟前沿就使数据在主、从设备之间传送，在此期间，可由主设备或从设备分别利用 IRDY#和 TRDY#的无效而插入等待周期26 27 28。一旦主设备设置了 IRDY#信号，直到当前数据周期结束为止，主设备不能改变IRDY#信号和 FRAME #信号。而一个从设备一旦设置了

45、 TRDY#信号或 STOP#信号，就不能改变 DEVSEL#, TRDY#或 STOP #，直到当前的数据周期完成。当最后一次数据传输时(有时紧接地址周期之后)主设备应撤消 FRAME#信号，而建立 IRDY#信号，表明主设备己做好了最后一次传输数据的准备，待到从设备发出 TRDY#信号后，就说明最后一次数据传输已完成，FRAM E# 和 IRDY#信号均撤消，接口回至了空闲状态。3.2.4.2 PCI 编址PCI 定义了三个物理空间：存储器地址空间，I/O 地址空间和配置空间。这些编址是分布式的，每个设备都对自己的地址空间负责。PCI 总线支持正向编码和反向编码两种类型。存储器和 I/O

46、地址空间为全范围地址。在配置地址空间，由AD7：2 寻址 64 个双字寄存器，当一条配置指令的地址被译码， IDSEL 有效且ADl： 0=00 时，设备判定是否是寻址自己的配置寄存器。如果不是则不理会当前操作。字节允许用来指出哪一个字节是有效数据，在每个新的数据节拍上，可改变字节允许位，使之对数据的有效性和有效部分进行界定。这一功能称为“字节校正” 。3.3 基于 PCI 总线技术的硬件系统结构框图选定以 PCI 总线技术或 PCI 设备作为本展视系统的数据传输机构后，本展示系统的硬件结构框图可以表示如图 3-2 所示。确立如下所述的硬件结构框图后，整个系统的硬件设计已经初具雏形，按照设计的

47、要求对具体的实现器件进行选择即可以实现该系统。具体硬件的实现，将在本文的第五章进行详细介绍。16指 示 灯 一指 示 灯 二指 示 灯 十 一华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文显示屏主 机PCI 总线数据采集控制器件 传感器一传感 器二传感器十一图 3-2 基于 PCI 总线的硬件系统结构框图3.4 本章小结首先介绍了典型监控系统的硬件结构框图，从数据传输网络的建立引出了总线技术的讨论；然后介绍了六种常用的总线，并对比了各种总线技术的优缺点。根据本展示系统的需求选择了一种合适的总线技术，即 PCI 总线技术。最后对 PCI 总线进行了较为详细的介绍，并给出了基于 PCI 总线传输数

48、据的硬件系统结构框图。17华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文4 系统的软件设计以简易的监控系统为原型设计了本展示系统的硬件结构体系后，本文在本章将对监控软件进行设计。在监控系统中，监控软件起着数据的处理、管理和维护的作用。具体在本展示系统中，监控软件起着分析数据和调用视频文件的作用。本文中采用的是 DirectShow 技术来实现视频调用。4.1 DirectShow 简介Microsoft DirectShow 应用程序界面 (API)是 Microsoft Windows 平台一种媒体流体系。DirectShow 提供高品质的多媒体流捕捉和回放。它支持宽松的格式变化，包括高级流

49、格式(Advanced Streaming Format, ASF) ，运动图像专家组(Motion PictureExperts Group, MPEG)，Audio-Video Interleaved (AVI)，MPEG 声音层一 3(MP3)WAV文件。它支持使用 WDM(Windows Driver Model)驱动程序的设备或老的 VFW(VideoFor Windows)设备视频捕捉。DirectShow 同 DirectX 中的其它技术相结合。如果可以利用，它自动检测和使用视频、声音硬件加速，但同样支持没有硬件加速的系统。DirectShow 简化了媒体回放，格式转化和捕捉工作。同时，当要求定制解决方案时，它使应用程序有权使用基本的流控制体系。程序员也可以创建自己的DirectShow 组件来支持新的格式或实现定制的效果29 30。为了达到视频流和声音流需要的吞吐量，只要可能 DirectShow 会调用 DirectDraw和 DirectSound。这些技术将多媒体数据通过用户的声卡和显卡有效的表现出来。DirectShow 将媒体数据封装到带有时间戳的样本中，以实现同步回放。为了适应数据来源、