基于嵌入式Linux與S3C2440雙USB接口的視頻存儲

    針對長途客車“三超”(中途超載上人，超時，超速)以及在非正常?？空舅阶酝＼嚿先藢е碌目蛙嚦d，同時目前市面上視頻監(jiān)控設備由于體積大、成本高等，使其難以推廣應用在車輛中等問題，整合USB攝像頭低成本、USB存儲介質較SD(Secure Digital Memory Card)卡存儲速度更快、支持更大容量等優(yōu)點，提出了基于嵌入式。Linux及S3C2440平臺的雙uSB接口車載視頻存儲方案。本方案主要利用單片機判別模塊采集車輛行駛過程中運動狀態(tài)信息(是否超速，存在急剎車、中途停車超時等)，并結合車門在車速為零時的開閉對長途客車在非正常?？奎c超載上人進行主動視頻監(jiān)控，便于以后的責任追究和認定，為監(jiān)控中心的管理提供輔助。

1 系統(tǒng)總體結構設計
    為方便系統(tǒng)擴展，本文將其劃分為單片機判別模塊和視頻采集存儲模塊兩部分。單片機判別模塊采用C8051F040處理器，利用其充足的接口資源，對車輛是否超速、急停、超載等情況做出判斷。本模塊完成將力傳感器信號、車速脈沖信號調理后供單片機處理并與存儲模塊通信。采用測周法測量車輛變速箱輸出脈沖周期，進而可以得到車速、加速度等信息，配合力傳感器測量結果為判定車輛是否超速、急停、超載等提供判斷依據(jù)。單片機對以上情況進行編碼，通過串口將不同信息編碼發(fā)送給ARM視頻存儲模塊，供其作出不同存儲策略。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

    視頻存儲模塊根據(jù)接收到單片機發(fā)出的串口信息，對后續(xù)行為做出判斷，如是否存儲、存儲時間、存儲位置等。模塊硬件平臺設計如圖2所示：中央處理器選用三星公司ARM9架構S3C2440處理器(可以穩(wěn)定工作在400 MHz，保證采集存儲過程流暢)；選用64 MSDRAM內存及64 MBFLASH作為系統(tǒng)程序存儲設備。接口資源包括：2個USB口(均配置為HOST模式)、100 M以太網(wǎng)口、2個串口、音頻口等。

2 S3C2440視頻采集存儲模塊
    整個模塊正常情況下主要由單片機系統(tǒng)提供電源。另外，外接一獨立直流電源裝置，以免在交通事故時汽車熄火斷電，影響系統(tǒng)工作。此模塊主要完成視頻的基于事件的存儲功能，判斷功能由單片機模塊提供，另外依據(jù)串口實時掃描特性可提供時分復用觸發(fā)功能。模塊間獨立性高，適合移植到其他場合推廣使用。
2．1 USB硬件連接及Linux內核配置修改
2．1．1 USB硬件連接
    三星公司S3C2440芯片共有2路HOST USB：DP[1：0]及DN[1：0]口，一路DIVICE PDN0，PDP0 口，其中DP1，DN1分別與PDP0，PDN0接口復用，根據(jù)相關寄存器配置不同而具有不同功能。本課題中，將其配置為2路HOST使用，一路連接USB攝像頭，另一路連接USB接口的存儲設備(可以是優(yōu)盤或者USB移動硬盤)。本文沒有用到芯片自帶的SD卡接口進行存儲主要出于以下考慮：
    a)速度：普通SD卡的數(shù)據(jù)傳輸速度約2 MB／s；高速SD卡數(shù)據(jù)傳輸速度約10 MB／s；極速SD數(shù)據(jù)傳輸速度約20 MB／s。而現(xiàn)在通用的USB2．0的全速傳輸速率是480 Mbps(60 MB／s)，為普通SD卡傳輸速度的30倍。再者，USB3.0標準也已推出，速度可達5 Gbps，并向下兼容。USB已經成了高速、方便的代名詞，本文選用USB也正出于其通用性和方便升級性考慮。
    b)容量瓶頸：現(xiàn)有發(fā)行的嵌入式Linux2．4．X內核對SD卡標準模式容量的支持絕大數(shù)為2 G以下(不包含2 G)，要支持到更大容量需要對SD卡驅動程序進行大量修改，并且協(xié)議標準推出相對較晚，較新的嵌入式Linux 2．6．24內核通過筆者實際驗證可以支持到2 G容量，但要對驅動進行多處修改，后續(xù)升級復雜，穩(wěn)定性也需要進一步驗證。
    鑒于以上兩點，采用USB接口進行視頻數(shù)據(jù)的采集和存儲，兩路USB接口部分硬件連接如圖3所示。

2．1．2 Linux內核配置修改
    在Linux下，所有外設都被看成是一種特殊的文件，稱為設備文件。設備驅動程序為內核和外設之間提供接口函數(shù)，完成設備的初始化與釋放、對設備文件的各種操作及中斷處理等。這些接口函數(shù)為應用程序屏蔽了外設硬件的細節(jié)，使程序可以像普通文件一樣對外設進行操作。Linux系統(tǒng)中子模塊Video4Linux向虛擬文件系統(tǒng)注冊視頻設備文件，為視頻應用程序提供了一套統(tǒng)一的API，視頻應用程序通過標準的系統(tǒng)調用即可操縱各種不同的視頻捕獲設備。
    考慮到更好的推廣性，采用市面上常見的中星微301系列zc0301pl芯片攝像頭，此攝像頭支持JPEG格式的圖像采集。模塊中分別對USB OV511 Camera support，Device Drivers等菜單選項進行適當配置。除此之外，還需對USB的配置文件進行修改，本文選用Linux 2．6．24內核，主要修改的文件如下：
    linux-2.6.24／driVers／usb／host／Kconfig，linux-2．6．24／drivers／usb／host／ohci-s3c2440．c和linux-2．6．24／drivers／usb／core／hub.c．其中主要涉及對MISCCR寄存器進行正確設置。以修改ohci-s3c2440．c文件為例，部分需添加代碼：
   
2．2 視頻采集存儲程序設計
    Vide04Linux設備驅動程序只提供了在系統(tǒng)層面上訪問硬件設備的一系列讀、寫等函數(shù)的接口，要實現(xiàn)存儲，還需再編寫一個對視頻流采集的應用程序，總體上創(chuàng)建兩個進程：進程一實時掃描串口接收到的信息，通過讀取命名管道內容將編碼信息發(fā)送給進程二；進程二根據(jù)接收到的編碼做出判斷，區(qū)別各種不規(guī)范駕駛行為，設定定時器不同時長以控制存儲時間，并將視頻分類存儲到不同目錄中。
    Video4Linux設備驅動程序支持兩種捕獲圖像的方式：內存影射mmap方式和直接讀取read方式。mmap方式采用共享內存方式，數(shù)據(jù)采集速度快，但這種采集方式需攝像頭硬件支持。結合本文中使用的攝像頭，在圖像采集過程中，采用read方式直接讀取設備文件，將獲得的一幀數(shù)據(jù)保存到緩沖區(qū)中，通過convertframe()函數(shù)將pFramebuffer中的數(shù)據(jù)轉換成完整的JPEG格式的數(shù)據(jù)存儲到ptframe中，然后調用fWrite()函數(shù)將緩沖區(qū)中的JPEG格式的數(shù)據(jù)寫到指定文件中，從而得到一副JPEG格式原始數(shù)據(jù)塊。部分程序如下：

   
    對于存儲的控制，本文采用“命名管道”方式，這是一種簡單的進程間通信機制，在同一計算機的不同進程之間，支持可靠的，單向或雙向的數(shù)據(jù)通信。
    命名管道由視頻存儲進程利用函數(shù)int mkfifo(constchar*pathname，mode_t mode)創(chuàng)建，負責讀取由串口掃描接收進程接收到的控制信息。部分程序如下：

    程序總體流程圖如圖4所示。

3 試驗結果
    嵌入式內核采用較新的Linux2．6．24版本，配置成功后將編譯生成的鏡像文件下載到目標機。應用程序可執(zhí)行文件通過宿主機上交叉編譯器arm-linux-gcc4．4．1生成，向目標機移植成功后便可以在目標機上運行。本文中攝像頭采用中星微301系列zc0301p1芯片，存貯器選用臺電存儲之星U盤，容量為4 G。
    視頻采集存儲模塊根據(jù)接收到的不同違章信息，在執(zhí)行文件當前所在目錄位置分別建立DOCn(n=1，2，…)文件夾，將視頻信息分類保存在相應目錄下。圖5為駕駛員在岔道轉彎時刻因超速產生觸發(fā)條件，進而觸發(fā)視頻采集存儲視頻中的一副圖片。另外，在系統(tǒng)運行時，還可以根據(jù)需要設置錄制時間的長短，以滿足不同的需求和存貯器容量的限制。

4 結論
    本系統(tǒng)中單片機模塊根據(jù)運算結果產生觸發(fā)條件，通過串口發(fā)送不同編碼信息來區(qū)別超速、緊急剎車、超載等情形。實驗結果表明整個系統(tǒng)安裝簡便，成本低廉，工作穩(wěn)定可靠。另外通過修改單片機模塊觸發(fā)條件，可擴展用于工廠、銀行及小區(qū)等場合下基于事件觸發(fā)的智能監(jiān)控。