基于ARM920T處理器核的圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

　　隨著微電子技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。因此，基于嵌入式技術(shù)的圖像數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于許多場(chǎng)合。

　　處理器性能的提高，接口傳輸數(shù)據(jù)能力的增強(qiáng)，特別是未來(lái)高容量存儲(chǔ)器的出現(xiàn)，圖像監(jiān)控系統(tǒng)的小型化、多功能化是易于實(shí)現(xiàn)的，嵌入式技術(shù)引入圖像監(jiān)控系統(tǒng)后，兩個(gè)問(wèn)題需要解決，一是靈活的圖像監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)調(diào)整，二是適合監(jiān)控規(guī)范、集圖像和信號(hào)檢測(cè)與控制一體的交互式軟件的設(shè)計(jì)。
 

　　1 系統(tǒng)平臺(tái)的搭建

　　1.1 硬件平臺(tái)的搭建

　　ARM(AdvancedRISCMachines)，既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類(lèi)微處理器的統(tǒng)稱(chēng)，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。

　　S3C2410處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核，采用0.18um制造工藝的32位微控制器。該處理器擁有：獨(dú)立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND閃存控制器，3路UART，4路DMA，4路帶PWM的Timer，I/O口，RTC，8路10位ADC，TouchScreen接口，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，2個(gè)USB主機(jī)，1個(gè)USB設(shè)備，SD主機(jī)和MMC接口，2路SPI。S3C2410處理器最高可運(yùn)行在203MHz。

　　由S3C2410為核心的圖像采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。因?yàn)镾3C2410內(nèi)部只有很小的存儲(chǔ)空間，所以我必須外擴(kuò)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器，作為32位的微處理器，S3C2410支持8位，16位和32位尋址方式，有16M×32位的尋址能力，可方便地構(gòu)建較大地存儲(chǔ)空間，系統(tǒng)的存儲(chǔ)器由FLASH和SDRAM構(gòu)成。數(shù)碼攝像頭通過(guò)USB接口與S3C2410芯片連接，通過(guò)S3C2410芯片來(lái)控制數(shù)碼攝像頭對(duì)圖像進(jìn)行采集，并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。

　　

 

　　1.2 軟件平臺(tái)的搭建

　　嵌入式Linux(EmbeddedLinux)是指對(duì)Linux經(jīng)過(guò)裁剪小型化后，可固化在存儲(chǔ)器或單片機(jī)中，應(yīng)用于特定嵌入式場(chǎng)合的專(zhuān)用Linux操作系統(tǒng)。具體的搭建流程如圖2所示。

　　

 

　　2 USB攝像頭設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)

　　在Linuxkernel源碼目錄中driver/usb/usb_skeleton.c提供了一個(gè)最基礎(chǔ)的USB驅(qū)動(dòng)程序，我們稱(chēng)為USB骨架。通過(guò)他僅需要修改極少的部分，就可以完成一個(gè)USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。我們的USB驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)也是從它開(kāi)始的。USB驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)如下：

　　

 

　　該結(jié)構(gòu)指明了USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)所要做的工作，具體內(nèi)容如下：

　　(1)在驅(qū)動(dòng)模塊加載的時(shí)候，向USB核心子系統(tǒng)注冊(cè)，并告訴子系統(tǒng)需要支持的設(shè)備。

　　(2)在卸載USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向USB核心子系統(tǒng)注銷(xiāo)。

　　(3)當(dāng)獲支持的設(shè)備插入或者拔出的時(shí)候，調(diào)用哪些功能。

　　在初始化函數(shù)中，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)調(diào)用usb_register函數(shù)進(jìn)行注冊(cè)。

　　

 

　　以上介紹了簡(jiǎn)單USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的框架。但是我們要進(jìn)行的攝像頭驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)比上述驅(qū)動(dòng)稍微復(fù)雜些。除了之前講到的USB驅(qū)動(dòng)還包括圖像采集部分的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

　　首先，我們需要定義一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)包括圖片信息、采集模式、解碼方式。具體定義如下。

　　

 

　　

 

　　LinuxUSB驅(qū)動(dòng)程序需要做的第一件事情就是在LinuxUSB子系統(tǒng)里注冊(cè)，并提供一些相關(guān)信息，例如這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序支持哪種設(shè)備，當(dāng)被支持的設(shè)備從系統(tǒng)插入或拔出時(shí)，會(huì)有哪些動(dòng)作。所有這些信息都將傳送到USB子系統(tǒng)中。以下代碼完成USB攝像頭的注冊(cè)功能：

　　

 

　　以上定義的數(shù)據(jù)含義如下ZC301是客戶(hù)端驅(qū)動(dòng)程序的名稱(chēng)，用于避免驅(qū)動(dòng)程序的重復(fù)安裝和卸載。

　　zc301_probe則指向USB驅(qū)動(dòng)程序的探測(cè)函數(shù)指針，提供給USB內(nèi)核的函數(shù)，用于判斷驅(qū)動(dòng)程序是否能對(duì)設(shè)備的某個(gè)接口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

　　zc301_disconnect指向USB驅(qū)動(dòng)程序中的斷開(kāi)函數(shù)的指針，當(dāng)從系統(tǒng)中被移除或者驅(qū)動(dòng)程序正在從USB核心中卸載時(shí)，USB核心將調(diào)用該函數(shù)。

　　zc301_table列表包含了一系列該驅(qū)動(dòng)程序可以支持的所有不同類(lèi)型的USB設(shè)備，如沒(méi)有設(shè)置該列表，則該驅(qū)動(dòng)程序中的探測(cè)回調(diào)函數(shù)不會(huì)被調(diào)用。

　　系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先需要加載各種驅(qū)動(dòng)模塊，然后向系統(tǒng)注冊(cè)了生產(chǎn)廠商號(hào)碼(VendorID)和產(chǎn)品號(hào)(Pro-ductID)。當(dāng)USB設(shè)備連接到主機(jī)上，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)它的VendorID和ProductID，如果與驅(qū)動(dòng)模塊的注冊(cè)內(nèi)容匹配，則將該驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備掛接起來(lái)[5]。當(dāng)插入攝像頭時(shí)，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用zc301_probe函數(shù)。參數(shù)dev指定了設(shè)備信息，probe函數(shù)驗(yàn)證所有可選配置的有效性，并調(diào)用usbvideo模塊的sbvideo_Regis-terVideoDevice()函數(shù)向videodev系統(tǒng)注冊(cè)。

　　當(dāng)系統(tǒng)完成驅(qū)動(dòng)注冊(cè)后，調(diào)用staticintzc301_init(structusb_zc301*zc301)和staticvoidzc301_start(structusb_301*zc301)函數(shù)完成對(duì)設(shè)備的初始化過(guò)程：填寫(xiě)各個(gè)寄存器值、啟動(dòng)攝像頭。系統(tǒng)運(yùn)行到這一步，基本完成了對(duì)攝像頭驅(qū)動(dòng)加載及設(shè)備初始化。接下來(lái)需要通過(guò)讀取用戶(hù)設(shè)定的圖像規(guī)格，其中包括：圖像格式、分辨率、顏色深度、對(duì)比度和亮度等參數(shù)。這些數(shù)值的讀取都是通過(guò)以下函數(shù)實(shí)現(xiàn)的：

　　

 

　　在得到這些參數(shù)值后，再調(diào)用一套函數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置。每個(gè)參數(shù)設(shè)置函數(shù)和之前的參數(shù)取值函數(shù)是一一對(duì)應(yīng)的。具體函數(shù)如下：

　　

 

　　通過(guò)調(diào)用上面的函數(shù)，我們基本得到了所需的參數(shù)值，這樣我們就可以啟動(dòng)攝像頭了。[!--empirenews.page--]當(dāng)然我們還需要staticvoidzc301_shutdown(structusb_zc301*zc301)來(lái)關(guān)閉攝像頭。

 

　　至此，攝像頭驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)基本完成。通過(guò)這些函數(shù)的設(shè)置我們可以把具體的硬件電路抽象化為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的參數(shù)值。接下來(lái)我們可以通過(guò)V4L驅(qū)動(dòng)來(lái)調(diào)用這些函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的賦值、打開(kāi)設(shè)備、采集圖像和關(guān)閉設(shè)備等一系列的過(guò)程。

　　重新編譯、運(yùn)行內(nèi)核時(shí)，在串口反饋信息中會(huì)顯示USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序成功加載。如圖3所示。

　　

 

　　圖3串口反饋信息3Video4Linux下的圖像采集編程：

　　Video4Linux,簡(jiǎn)稱(chēng)V4L,是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，它為針對(duì)視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供一系列半標(biāo)準(zhǔn)的接口。V4L利用這個(gè)接口，增加一些額外的功能，同時(shí)向外提供了一個(gè)屬于自己的API。我們可以通過(guò)調(diào)用V4L的API來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能。在Linux下，視頻采集設(shè)備的正常使用依賴(lài)于對(duì)Video4Linux標(biāo)準(zhǔn)的支持。目前的V4L涵蓋了視、音頻流捕捉及處理等內(nèi)容，USB攝像頭也屬于它支持的范疇。

　　V4L中定義的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

　　

 

　　這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是由Video4Linux支持的，它們的用途如下：

　　(1)video_capability包含攝像頭的基本信息，例如設(shè)備名稱(chēng)、支持的最大最小分辨率、信號(hào)源信息等，分別對(duì)應(yīng)著結(jié)構(gòu)體中成員變量name、maxwidth、maxheight、minwidth、minheight、channels(信號(hào)源個(gè)數(shù))、type等;

　　(2)voide_picture包含設(shè)備采集圖像的各種屬性，如brightness(亮度)、hue(色調(diào))、contrast(對(duì)比度)、whiteness(色度)、depth(深度)等;

　　(3)video_mmap用于內(nèi)存映射;

　　(4)voido_mbuf利用mmap進(jìn)行映射的幀信息，實(shí)際上是輸入到攝像頭存儲(chǔ)器緩沖中的幀信息，包括size(幀的大小)、frames(最多支持的幀數(shù))、offsets(每幀相對(duì)基址的偏移)。

　　系統(tǒng)在采集圖像之前，需要初始化這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的參數(shù)值，系統(tǒng)才能夠按照要求采集圖像數(shù)據(jù)。

　　在USB攝像頭被驅(qū)動(dòng)后，只需要再編寫(xiě)一個(gè)對(duì)視頻流采集的應(yīng)用程序就可以了。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)特征，先在宿主機(jī)上編寫(xiě)應(yīng)用程序，再使用交叉編譯器進(jìn)行編譯鏈接，生成在目標(biāo)平臺(tái)的可執(zhí)行文件。宿主機(jī)與目標(biāo)板通信采用打印終端的方式進(jìn)行交叉調(diào)試，成功后移植到目標(biāo)平臺(tái)。

　　V4L圖像采集編程流程：

　　(1)打開(kāi)視頻設(shè)備;

　　(2)讀取設(shè)備信息;

　　(3)更改設(shè)備當(dāng)前設(shè)置;

　　(4)視頻采集得到圖像信息;

　　(5)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理;

　　(6)關(guān)閉視頻設(shè)備。

　　本文編寫(xiě)采集程序是在安裝Linux操作系統(tǒng)的宿主機(jī)PC機(jī)上進(jìn)行的，之后再移植到開(kāi)發(fā)板上。下面是具體論述。

　　之前我們講到了在V4L中定義的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其功能。對(duì)應(yīng)著這些內(nèi)容，我們需要對(duì)這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義，以抽象化一個(gè)視頻設(shè)備。以下是具體的定義內(nèi)容：

　　

 

　　攝像頭、采集圖像和關(guān)閉攝像頭的操作。采集程序中定義了如下的函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)前面講到的功能。

　　intinit_videoIn(structvdIn*vd,char*device,intwidth,intheight,intgrabmethod);初始化攝像頭設(shè)備。*vd包含了之前定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的基本信息。另外還要對(duì)攝像頭采集圖像的大小、采集模式等參數(shù)進(jìn)行賦值。

　　intv4lGrab(structvdIn*vd,char*filename);采集圖像主程序。*filename為圖像的文件名，我們可以通過(guò)對(duì)文件名的設(shè)置來(lái)確定圖像保存的位置。

　　intclose_v4l(structvdIn*vd);關(guān)閉攝像頭intget_jpegsize(unsignedchar*buf,intinsize);采集圖像的大小。

　　因?yàn)槲覀兪峭ㄟ^(guò)調(diào)用采集主函數(shù)intv4lGrab(structvdIn*vd,char*filename)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的采集和保存的，所以需要詳細(xì)的講解一下該函數(shù)的構(gòu)成。以下是該函數(shù)的具體內(nèi)容：

　　

 

　　首先，我們需要定義幾個(gè)參數(shù)，如下：

　　FILE*fp;定義一個(gè)文件類(lèi)型指針，指向我們采集到的圖像文件intlen;

　　定義一個(gè)整型變量，記錄從內(nèi)存中讀取的數(shù)據(jù)量intsize;

　　定義一個(gè)整型變量，指明一幀圖像的數(shù)據(jù)量interreur=0;定義一個(gè)整型變量，指明運(yùn)行時(shí)的錯(cuò)誤返回值intjpegsize;定義一個(gè)整型變量，指明我們需要的圖像大小。

　　接著我們調(diào)用read(vd->fd,vd->pFramebuffer,size)函數(shù)，把存放于圖像緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀入到指定的臨時(shí)文件中。之后根據(jù)我們對(duì)圖像的大小、亮度、對(duì)比度等要求轉(zhuǎn)化之前采集到的圖像數(shù)據(jù)，最后我們打開(kāi)一個(gè)文件，把圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)入到該文件中并保存。

　　4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種嵌入式視頻采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)小巧，并且在保證當(dāng)前信息完整的情況下，盡可能少的占用存儲(chǔ)容量，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的圖像采集、存儲(chǔ)和重現(xiàn)功能。在硬件規(guī)劃上，采用實(shí)用簡(jiǎn)單的USB接口通信。且系統(tǒng)中預(yù)留了豐富的外設(shè)接口，便于今后的擴(kuò)展升級(jí)。