高清視頻監(jiān)控中的I2C總線云臺(tái)電機(jī)控制設(shè)計(jì)

1 引言

近年來(lái)，隨著視頻技術(shù)發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性能快速提高，視頻監(jiān)控需求越來(lái)越大，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。社會(huì)的發(fā)展，汽車(chē)增量不斷增多，道路上各種違章的車(chē)輛也逐漸增多，為了構(gòu)建一個(gè)平安交通和智能交通，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在交通行業(yè)的應(yīng)用也越來(lái)越多，為了能全方位的對(duì)高速公路進(jìn)行監(jiān)控，視頻監(jiān)控的高速球也應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

本文將研究詳細(xì)分析I2C的工作原理和通信協(xié)議和Linux的I2C總線驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用在高速公路視頻監(jiān)控的基于I2C云臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，為高速公路的全方位視頻監(jiān)控提供一個(gè)設(shè)計(jì)方案。

2 高速公路視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及云臺(tái)電機(jī)整體設(shè)計(jì)

本研究課題的高速公路高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用TI公司的TMS320DM368，DM368 是一款面向多媒體技術(shù)應(yīng)用的高性能芯片，功能強(qiáng)大，集成了ARM926EJ-S內(nèi)核、硬件編碼協(xié)處理引擎( HDVICP)、圖像處理子系統(tǒng)( VPSS)。DM368頻率高達(dá) 432MH，支持多格式解碼、多速率以及高清多通道功能，最高可以支持H.264編碼 1080P格式 30幀/s的速度，而且還可提供多種獨(dú)立式音頻、語(yǔ)音以及高清視頻編解碼器(H.264)。該處理器有I2C總線等外圍接口等，其中ARM9運(yùn)行開(kāi)源、性能穩(wěn)定安全Linux 嵌入式操作系統(tǒng)。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)中云臺(tái)電機(jī)控制的設(shè)計(jì)采用DM368的I2C總線接口，設(shè)計(jì)基于ARM9的I2C云臺(tái)電機(jī)，完成驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，以及應(yīng)用程序控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)用于視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，達(dá)到全方位的高速公路視頻監(jiān)控。

3 I2C硬件構(gòu)成和通信協(xié)議

I2C總線是由雙向數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線構(gòu)成的二線制串行總線，總線采用主從雙向通信，即總線上在某一時(shí)刻只有一個(gè)主設(shè)備總線上的其他設(shè)備都作為從設(shè)備，任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主設(shè)備，但是在同一時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)設(shè)備作為主設(shè)備，通常為處理器，其他器件作為從設(shè)備與主設(shè)備進(jìn)行通信，采用唯一的I2C地址識(shí)別。

如圖1I2C的工作時(shí)序圖所示，I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過(guò)程中使用了三種信號(hào)。(1)開(kāi)始信號(hào)：SCL為高電平時(shí),SDA由高電平向低電平跳變，表示將要開(kāi)始傳送數(shù)據(jù);(2)應(yīng)答信號(hào)：從設(shè)備在接收到1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后向主設(shè)備發(fā)出一個(gè)低電平脈沖應(yīng)答信號(hào),表示已收到數(shù)據(jù),主設(shè)備根據(jù)從設(shè)備的應(yīng)答信號(hào)做出是否繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)的操作(I2C總線每次數(shù)據(jù)傳輸時(shí)字節(jié)數(shù)不限制，但是每發(fā)送都要有一個(gè)應(yīng)答信號(hào));(3)結(jié)束信號(hào)：為低電平時(shí)由低電平向高電平跳變，表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。

總線具體的通信工作原理：主設(shè)備首先發(fā)出開(kāi)始信號(hào)，接著發(fā)送的1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，其由高7位地址碼和最低1位方向位組成(方向位表明主設(shè)備與從設(shè)備間數(shù)據(jù)的傳送方向)。系統(tǒng)中所有從設(shè)備將自己的地址與主設(shè)備發(fā)送到總線上的地址進(jìn)行比較，如果從設(shè)備地址與總線上的地址相同，該設(shè)備就是與主設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備。接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)方向位，主設(shè)備接收從設(shè)備數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)到從設(shè)備。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完成后，主設(shè)備發(fā)出一個(gè)停止信號(hào)，釋放I2C總線，然后所有從設(shè)備等待下一個(gè)開(kāi)始信號(hào)的到來(lái)。

4 I2C的Linux和ARM驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

(1)Linux2.6.32的I2C驅(qū)動(dòng)分析。

I2C由主設(shè)備和從設(shè)備構(gòu)成，通信上通過(guò)識(shí)別I2C地址進(jìn)行通信，即可以存在多個(gè)i2c adapter適配器和多個(gè)外設(shè)i2c device，Linux的I2C驅(qū)動(dòng)采用分層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的思想，層與層之間不存在耦合，增加adapter和增加device不會(huì)影響其他驅(qū)動(dòng)，具體分層如下。

第一層：提供i2c adapter的硬件驅(qū)動(dòng)，探測(cè)、初始化i2c adapter(如申請(qǐng)i2c地址和中斷號(hào))，驅(qū)動(dòng)處理器控制的i2c adapter在硬件上產(chǎn)生信號(hào)(start、stop、ack)以及處理i2c中斷，涉及圖2中的硬件實(shí)現(xiàn)層。

第二層：提供i2c adapter的algorithm，用具體適配器的xxx_xfer()函數(shù)來(lái)填充i2c_algorithm的master_xfer函數(shù)指針，并把賦值后的i2c_algorithm，再賦值給i2c_adapter的成員指針，主要涉及圖2中訪問(wèn)抽象層、i2c核心層。

第三層：實(shí)現(xiàn)i2c設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的i2c_driver接口，用具體的i2c device設(shè)備的i2c_add_driver ()、i2c_del_driver ()方法賦值給i2c_driver的成員函數(shù)指針，采用Probe探尋方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備device與總線的掛接，涉及圖2中的driver驅(qū)動(dòng)層，此層是本文實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)部分。

第四層：實(shí)現(xiàn)i2c設(shè)備所對(duì)應(yīng)的具體device的驅(qū)動(dòng)，i2c_driver只是實(shí)現(xiàn)設(shè)備與總線的掛接，掛接在總線上的設(shè)備千差萬(wàn)別的，所以要實(shí)現(xiàn)具體設(shè)備device的write()、 read()、ioctl()等方法，賦值給file_operations，然后注冊(cè)字符設(shè)備，涉及圖2中的driver驅(qū)動(dòng)層，此層是本文實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)部分。

第一層和第二層又叫i2c總線驅(qū)動(dòng)(bus driver)，第三層和第四層屬于i2c設(shè)備驅(qū)動(dòng)(device driver)。在Linux驅(qū)動(dòng)架構(gòu)中，不需要再開(kāi)發(fā)總線驅(qū)動(dòng)，因?yàn)長(zhǎng)inux內(nèi)核幾乎集成所有總線驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)第三層和第四層的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

(2)云臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

根據(jù)Linux2.6.32的驅(qū)動(dòng)分層設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)的第一層和第二層在Linux-2.6.32中以及集成了成熟驅(qū)動(dòng)，分別位于Linux源代碼目錄下的\drivers\i2c\i2c-core.c 和\drivers\i2c\busses\davinci.c中，本文重點(diǎn)講述第三層和第四層驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。

驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)采用字符設(shè)備方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，motor_I2C_devInit()和motor_I2C_devExit()實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的初始化以及退出，初始化最后調(diào)用cdev_add()實(shí)現(xiàn)字符設(shè)備的添加，添加過(guò)程中通過(guò)完善file_operations的結(jié)構(gòu)體，填充了 .open = I2C_devOpen, .release = I2C_devRelease,.ioctl = I2C_devIoctl三個(gè)結(jié)構(gòu)體變量，這三個(gè)用戶空間接口驅(qū)動(dòng)函數(shù)，完成注冊(cè)后，用戶空間可以采用文件讀寫(xiě)的方式來(lái)操作I2C設(shè)備了，I2C_devOpen函數(shù)實(shí)現(xiàn)打開(kāi)字符設(shè)備，I2C_devRelease函數(shù)實(shí)現(xiàn)關(guān)閉字符設(shè)備，I2C_devIoctl是實(shí)現(xiàn)和硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钪匾瘮?shù)，主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備加載、數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)寫(xiě)入，從而完成用戶空間和驅(qū)動(dòng)程序以及硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，具體實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

下面通過(guò)I2C_devIoctl介紹這三個(gè)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，命令I(lǐng)2C_CMD_SET_DEV_ADDR實(shí)現(xiàn)地址設(shè)置，I2C_CMD_READ實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取，I2C_CMD_WRITE實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫(xiě)入，最終分別調(diào)用，其中I2C_create實(shí)現(xiàn)I2C設(shè)備加載，I2C_read實(shí)現(xiàn)I2C設(shè)備數(shù)據(jù)讀取，I2C_write實(shí)現(xiàn)I2C設(shè)備數(shù)據(jù)寫(xiě)入，其中I2C_create利用i2c_add_driver調(diào)用i2c_probe，最終調(diào)用i2c_set_clientdata加載I2C從設(shè)備，I2C_read和I2C_write利用i2c_transfer函數(shù)調(diào)用master_xfer實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和寫(xiě)入，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示，其中I2C_devIoctl實(shí)現(xiàn)部分代碼如下：

int I2C_devIoctl(struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg) {

switch(cmd) {

case I2C_CMD_SET_DEV_ADDR://I2C設(shè)置地址設(shè)置

filp->private_data = I2C_create(arg);

……

case I2C_CMD_READ: //數(shù)據(jù)讀取

status = copy_from_user(&transferPrm, (void*)arg, sizeof(transferPrm));

if(status==0) {

status = copy_from_user();//省略參數(shù)

if(status==0) {

status = I2C_read();//省略參數(shù)

if(status==0) {

status = copy_to_user();//省略參數(shù)

}

}

}

break;

case I2C_CMD_WRITE: //數(shù)據(jù)寫(xiě)入

……

}

return status;[!--empirenews.page--]

5 I2C應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

根據(jù)I2C驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，要正確調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序，需要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的用戶空間調(diào)用函數(shù)，主要是實(shí)現(xiàn)open和ioctl等調(diào)用函數(shù)，因此在應(yīng)用層的接口函數(shù)中也需要實(shí)現(xiàn)此函數(shù)。

i2c_Init()函數(shù)實(shí)現(xiàn)open函數(shù)，調(diào)用驅(qū)動(dòng)函數(shù)打開(kāi)該設(shè)備驅(qū)動(dòng)，定義一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體為：

typedef struct {

unsigned char dataSize;

unsigned char count;

unsigned char *reg;

void *value;

} I2C_Data;

該結(jié)構(gòu)體主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶空間和內(nèi)核空間的調(diào)用的數(shù)據(jù)交換，dataSize代表數(shù)據(jù)的大小，value是傳輸?shù)臄?shù)值，reg是傳輸命令參數(shù)，函數(shù)有I2c_Read8()是向內(nèi)核讀入一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，I2c_Write8()是向內(nèi)核寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，I2c_Read16()是向內(nèi)核寫(xiě)入2個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，I2c_Write16 ()是向內(nèi)核寫(xiě)入2個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，下面列舉一個(gè)函數(shù)說(shuō)明具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，

I2c_Write8(int fd unsigned char *reg, unsigned char *value, unsigned char count){

I2C_Data ptr; unsigned int cmd; int status;

ptr.dataSize = 1;ptr.reg = reg; ptr.count = count; ptr.value = value;

cmd = CMD_WRITE;

status = ioctl(fd, cmd, & ptr);

if (status != 0)

printf("ioctl I2C_CMD_WRITE error!");

return status;

}

如圖4所示，函數(shù)最終通過(guò)條用ioctl這個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)的調(diào)用，其中參數(shù)fd是設(shè)備句柄，cmd讀寫(xiě)控制是命令， 其中宏定義I2C_CMD_SET_DEV_ADDR為地址設(shè)置命令，I2C_CMD_READ向內(nèi)核讀取數(shù)據(jù)命令， I2C_CMD_WRITE向內(nèi)核寫(xiě)入數(shù)據(jù)命令。

其他3個(gè)讀寫(xiě)函數(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程類(lèi)似，這幾個(gè)函數(shù)是數(shù)據(jù)寫(xiě)入讀出的函數(shù)接口，方便應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)調(diào)用。

6 云臺(tái)電機(jī)控制應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

云臺(tái)很重要部分是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制，本課題研究采用圖像界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，其中界面設(shè)計(jì)采用QT圖形界面軟件來(lái)設(shè)計(jì)，可以在界面操作實(shí)現(xiàn)電機(jī)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)、垂直轉(zhuǎn)動(dòng)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)和順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)視頻監(jiān)控的攝像頭朝不同方位轉(zhuǎn)動(dòng)以及定位，如圖所示。根據(jù)協(xié)議，應(yīng)用程序設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)以下操作：

(1)獲取當(dāng)前的垂直位置，函數(shù)接口為get_motor_curVertical_ptr ()，返回垂直位置值;

(2)獲取當(dāng)前的水平位置，函數(shù)接口為get_motor_curHorizontal_ptr ()，返回水平位置值;

(3)設(shè)置垂直運(yùn)行的停止位置，函數(shù)接口為set_motor_vertical_ptr (unsigned short ptr)，參數(shù)ptr為設(shè)置的垂直停止位置值;

(4)設(shè)置水平運(yùn)行的停止位置，函數(shù)接口為set_motor_horizontal_ptr (unsigned short ptr)參數(shù)ptr為設(shè)置的水平停止位置值;

(5)水平操作和垂直操作的啟動(dòng)操作，接口函數(shù)為set_motor_opt(bool bVertical, bool bHorizontal) ，參數(shù)bVertical表示是否啟動(dòng)垂直操作，bHorizontal表示是否啟動(dòng)水平操作

(6)設(shè)置運(yùn)行速度，函數(shù)接口為set_motor_speed(unsigned char vertical_speed, unsigned char horizontal_speed)，參數(shù)vertical_speed控制垂直方向速度值，horizontal_speed控制水平方向速度值;

(7)設(shè)置電機(jī)運(yùn)行方向，接口函數(shù)set_motor_direction(bool bVertical, bool bHorizontal) ，設(shè)置運(yùn)行方向?yàn)轫槙r(shí)針或者逆時(shí)針，參數(shù)bVertical為真表示垂直方向向上運(yùn)動(dòng)，為假表示向下運(yùn)動(dòng);bHorizontal為真，表示水平方向逆時(shí)針，否則為順時(shí)針。

下面通過(guò)運(yùn)動(dòng)速度的接口函數(shù)set_motor_speed()，詳細(xì)介紹云臺(tái)控制接口函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度設(shè)置函數(shù)設(shè)置set_motor_speed()，其中函數(shù)參數(shù)vertical_speed為垂直方向運(yùn)動(dòng)速度;horizontal_speed為水平方向運(yùn)動(dòng)速度，局部變量reg用于制定控制類(lèi)型，value設(shè)計(jì)為16位，其中高8位存放垂直轉(zhuǎn)動(dòng)速度數(shù)值命令，低8為存放水平轉(zhuǎn)動(dòng)速度數(shù)值，參數(shù)設(shè)置完后調(diào)用I2c_Write16()函數(shù)，從而調(diào)用ioctl實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)的調(diào)用，最終通過(guò)I2C總線控制電機(jī)，達(dá)到電機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)、定位準(zhǔn)確。

set_motor_speed(unsigned char vertical_speed, unsigned char horizontal_speed) {

int ret;

unsigned char reg;

unsigned short value=0;

reg = 3;

value = vertical_speed<<8;

value |= horizontal_speed;

ret = I2c_Write16 (fd, ?, &value);

if (ret != 0)

printf("set_motor_speed error");

return ret;

}

通過(guò)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作程序，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的向上轉(zhuǎn)動(dòng)、向下轉(zhuǎn)動(dòng)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)和順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)用各種操作的接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)I2C應(yīng)用程序的調(diào)用，最用通過(guò)ioctl實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，從而帶動(dòng)視頻監(jiān)控的攝像頭朝不同方位轉(zhuǎn)動(dòng)以及定位，具體實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

7 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款基于TMS320DM368的高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的云臺(tái)電機(jī)控制設(shè)計(jì)，完成了i2c驅(qū)動(dòng)程序的分析以及設(shè)計(jì)，并且完成了i2c應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和云臺(tái)電機(jī)控制應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，達(dá)到了應(yīng)用目的，取得了良好效果。