基于Quick Capture技術(shù)的攝像頭驅(qū)動(dòng)方案

   摘要：介紹一種高速高質(zhì)量的嵌入式攝像頭傳輸技術(shù)——Quick Capture技術(shù)；詳細(xì)敘述其設(shè)計(jì)思想和工作流程，并用可編程邏輯器件Bulverde板卡予以實(shí)現(xiàn)。

    關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)程序 快速捕捉 攝像頭

隨著嵌入式處理器的普及和硬件成本的不斷降低，具有拍照和攝像功能的手機(jī)逐步走進(jìn)了人們的生活。但由于嵌入式處理器的速度有限，在處理圖形和多媒體數(shù)據(jù)方面顯得力不從心，導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)的攝像頭分辨率低、色深低、數(shù)據(jù)傳送速度慢，無法滿足人們即時(shí)捕捉高質(zhì)量圖片和視頻的需求。Quick Capture技術(shù)是一種專為手持設(shè)備設(shè)計(jì)，用來改進(jìn)圖像質(zhì)量和傳輸速度的技術(shù)。本文基于Quick Capture技術(shù)，就攝像頭驅(qū)動(dòng)程序和圖片信息傳輸問題，提供一種解決方案。

1 硬件介紹

本人選擇的嵌入式微處理器是2003年底Intel公司剛剛推出的一款專門面向移動(dòng)電話和掌上電腦的專用處理器，PXA27x系列，代號(hào)為Bulverde。該處理器采用了Quick Capture技術(shù)。Quick Capture為成像設(shè)備與無線設(shè)備提供接口，有助于改進(jìn)圖像質(zhì)量以及降低產(chǎn)品整體成本。該項(xiàng)技術(shù)包括快速瀏覽、快速拍照和快速視頻拍攝三種操作模式。該技術(shù)使得Bulverde可以支持400萬像素?cái)?shù)碼鏡頭，并能提供最大416Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。

    集成在該開發(fā)板上的是Agilent公司的型號(hào)為ADCM-2650-0001的攝像頭感應(yīng)器。在VGA（480×640）分辨率下，每秒傳輸?shù)膱D片能達(dá)到15幀，具備自動(dòng)曝光和白平衡功能，并且針對(duì)嵌入式應(yīng)用做了很多優(yōu)化處理，所以非常適合嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用。ADCM-2650-0001內(nèi)含3個(gè)獨(dú)立的FIFO條目，存儲(chǔ)從感應(yīng)器捕捉到的視頻或者圖片數(shù)據(jù)信息。連接處理器和攝像頭感應(yīng)器的是Quick Capture Interface(快速捕捉接口)，它提供了以下幾種類型的寄存器：

①Q(mào)CI（Quick Capture Interface）控制寄存器0～4；

②QCI時(shí)間間隔寄存器；

③QCI狀態(tài)寄存器；

④QCI FIFO控制寄存器；

⑤QCI接收緩沖區(qū)寄存器。

通過這些寄存器，可以控制整個(gè)處理器與感應(yīng)器之間的工作流程。

攝像頭感應(yīng)器與Intel XScale處理器之間的連接，如圖1所示。

2 接口的實(shí)現(xiàn)

本人采用的是ElaME1.0(“和欣”手機(jī)操作系統(tǒng))作為嵌入式操作系統(tǒng)。這是一款由我國自主開發(fā)的智能手機(jī)操作系統(tǒng)，基于微內(nèi)核，具有多進(jìn)程、多線程、搶占式、基于線程的多優(yōu)先級(jí)任務(wù)調(diào)度等特性。和欣操作系統(tǒng)體積小，速度快，適合網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的絕大部分嵌入式信息設(shè)備；除了支持?jǐn)z像頭感應(yīng)器外，還支持彩色LCD、觸摸屏、USB等多種嵌入式設(shè)備。

2.1 ElaME下的攝像頭驅(qū)動(dòng)模型

ElaME的驅(qū)動(dòng)模塊如圖2所示。

ElaME的驅(qū)動(dòng)模型與Unix、Windows操作系統(tǒng)的不一樣。它把驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)件化了，使得驅(qū)動(dòng)程序具備了構(gòu)件的靈活等多種特性。例如：當(dāng)操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)并不用加載所有的驅(qū)動(dòng)程序，而是當(dāng)用戶需要用到該設(shè)備時(shí)才加載。這樣的設(shè)計(jì)使得在手機(jī)硬件資源比較緊張的環(huán)境中比傳統(tǒng)的嵌入式操作性系統(tǒng)具有更強(qiáng)的競爭力。設(shè)備管理器（device manager）是一個(gè)內(nèi)核對(duì)象，管理系統(tǒng)中所有的設(shè)備與驅(qū)動(dòng)對(duì)象，負(fù)責(zé)設(shè)備信息的搜集、驅(qū)動(dòng)構(gòu)件對(duì)象的創(chuàng)建和刪除、設(shè)備硬件資源的沖突檢測等。

攝像頭感應(yīng)器驅(qū)動(dòng)就是一個(gè)構(gòu)件對(duì)象，它的主要工作有以下幾點(diǎn)：

①負(fù)責(zé)通過I2C總線查詢攝像頭感應(yīng)器信息，調(diào)節(jié)攝像頭感應(yīng)器的設(shè)置；

②建立和控制DMA傳輸通道，通過DMA方式將3個(gè)FIFO里的數(shù)據(jù)信息傳送到的內(nèi)存中；

③提供可以給用戶態(tài)程序使用的接口。

2．2 攝像頭感應(yīng)器驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

下面從驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)上，具體說明如何基于Quick Capture技術(shù)，通過DMA方式在感應(yīng)器的FIFO與內(nèi)存之間建立最快速最高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳送。

在PXA27x型號(hào)的處理器中，有兩種內(nèi)部外圍器件：外部總線的外圍器件（PBP）和內(nèi)部總線的外圍器件（IBP）。快速捕捉接口（Quick Capture Interface）屬于IBP。內(nèi)部總線的外圍器件通過外圍總線連接至DMAC，使用流數(shù)據(jù)傳送。DMAC有兩種工作方式：描述器取入方式和非描述器取入方式。因?yàn)楫?dāng)前手機(jī)上捕捉到的圖片大小分別是從QQVGA（160×120）、QCIF（176×144）、QVGA（320×240）、VGA（480×640）不等，最小QQVGA的每張圖片大小也有37.5KB，而每個(gè)描述器一次最大能傳送（8K-1）B，所以選擇多描述器鏈的方式。描述器鏈就是將該描述器的特定寄存器內(nèi)存放的是下一個(gè)描述器的地址，當(dāng)該描述器傳送完自身的數(shù)據(jù)后，能獲得下一描述器的地址，讀取描述器內(nèi)的信息，然后繼續(xù)下一輪的數(shù)據(jù)傳送。每個(gè)FIFO都有自己的一串描述器鏈。如果是捕捉圖片，采用一個(gè)FIFO即可，如果捕捉視頻，要用到三個(gè)FIFO。

    以下是建立多描述器鏈的步驟。

①根據(jù)圖片的格式來確定每幀的大小，如為RGB565格式。

frame_size=camera_info>capture_width*

camera_context->capture_height*2;

camera_info->fifo0_transfer_size=frame_size;

//以下為捕捉視頻

//camera_info->fifo1_transfer_size=0;

//camera_info->fifo2_transfer_size=0;

②根據(jù)每幀的大小和描述器一次能傳送的大小確定描述器的個(gè)數(shù)。

camera_info->fifo0_num_descriptors=

(camera_info->fifo0_transfer_size+SINGLE_DESCRIPTOR_TRANSFER_MAX-1)

/SINGLE_DESCRIPTOR_TRANSFER_MAX;

camera_info->fifo1_num_descriptors=…；

camera_info->fifo1_num_descriptors=…;

③判斷是否超過DMA規(guī)定的描述器的大小限制。

④分配DMA描述器的地址，并賦給FIFO0。

camera_context->fifo0_descriptors_physical=

(unsigned)camera_context->dma_descriptors_physical;

cur_des_physical=(DMAC_DESCRIPTOR_T*)

camera_context->fifo0_descriptors_physical

⑤將每個(gè)描述器與1幀圖片的每個(gè)數(shù)據(jù)塊建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

for(j=0;j<camera_context->fifo0_num_descriptors;j++){

//建立描述符

cur_des_virtual->DDADR=

(unsigned)cur_des_physical+sizeof(DMAC_DESCRIPTOR_T);

//FIFO0物理地址z

cur_des_virtual->DSADR=CI_REGBASE_PHY+CIBR0;

cur_des_virtual->DTADR=darget_physical;

cur_des_virtual->DCMD=des_rtansfer_size

|DMAC_DCMD_FLOW_SRC

|DMAC_DCMD_INC_TRG_ADDR

|(DMAC_BURSTSIZE_16<<16);

//向前移動(dòng)指針

remain_size-=des_transfer_size;

cur_des_virtual++;

cur_des_physical++;

target_physical+=des_transfer_size;

}

//停止DMA傳送捕捉的幀

last_des_virtual=cur_des_virtual-1;

last_des_virtual->DDADR=(unsigned)camera_context->fifo0_descriptors_physical;

    將每個(gè)描述器的DDADR（DMA描述器地址寄存器）指向下一個(gè)描述器的地址，將最后一個(gè)DDADR指向第一個(gè)描述器的地址，這樣形成一個(gè)環(huán)路的描述器鏈。另外，還要設(shè)置DSADR（DMA源地址寄存器）。由于是從攝像頭感應(yīng)器到內(nèi)存，所以FIFO的地址是源地址，DTADR（DMA目標(biāo)地址寄存器）為內(nèi)存，DCMD（DMA命令寄存器）設(shè)置傳輸大小和源流控制。

以上都建立好以后，DMA就可以傳送數(shù)據(jù)了。傳送數(shù)據(jù)的流程如圖3所示。

結(jié)語

目前的嵌入式開發(fā)板對(duì)于攝像頭感應(yīng)器的數(shù)據(jù)傳送方式各不相同。如NeoMagic公司開發(fā)的Mimagic5傳送圖片采用的是獨(dú)立的DMA功能，而傳送視頻采用的是特定的內(nèi)存訪問通道，Video Capture Interface不通過DMA方式；而Intel公司的PXA27x采用Quick Captre技術(shù)，從官方發(fā)布數(shù)據(jù)表明，明顯地提高了視頻信息的傳送速度。

隨著嵌入式設(shè)備不斷的發(fā)展更新，將會(huì)有更多、更先進(jìn)、更高速的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)被應(yīng)用到嵌入式開發(fā)的各個(gè)領(lǐng)域。