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嵌入式ARM的图像采集与传输设计

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发表于 2010-5-19 20:02 | 显示全部楼层 |阅读模式
老杨团队,追求完美;客户至上,服务到位!
本文在基于嵌入式Linux系统平台上,采用USB摄像头捕捉视频信号,利用V4L内核应用编程接口函数,实现了视频连续帧图像的采集,并保存成文件的形式利用无线传输方式传输给接收端。这里着重讨论视频采集发送端的实现。6 |, U. _. _% E5 X3 x+ |3 ~
  1 系统组成
7 o/ |$ H: y6 x6 l" F  1.1 统的硬件构成
4 ]) W( Q. N2 r$ u( Q  本系统包括发送端和接收端2部分,两部分均采用Samsung公司生产的S3C2410处理器做硬件开发平台。S3C2410在片上集成了丰富的组件:分开的16 KB指令Cache和16 KB数据Cache、用于虚拟存储器
) c+ G5 U3 \4 E
3 w+ b* ^$ T5 ^; \" p) [管理的MMU、支持STN和TFT的LCD控制器、NAND Flash启动装载器、具有片选逻辑和SDRAM控制器的系统管理器、3通道UART、4通道DMA、4通道PWM定时器、I/O口、RTC、8通道10位ADC和触摸屏接口、I2C# {4 l  C" {. K% j

# F: Y$ h2 e& d# a! c总线接口、I2S总线接口、USB主设备、USB从设备、SD卡和MMC卡接口、2通道的SPI以及PLL时钟发生器,还采用了AMBA(advanced micrcocontroller bus architecture)新型总线结构。
, Y: {: h6 M( c  X) L4 L  应用S3C2410处理器平台搭建的发送端硬件结构如图:包括S3C2410处理器、RS232接口、JTAG接口、RJ-45接口、SDRMA、Flash、电源、通过USB口连接的视频采集模块和通过USB接口连接的视频发射
  H) Z4 i% d: o
6 C- F6 F) ]7 A- n" f' {. u模块。RS232串口用于人机交互及低速数据的收发,应用电平转换芯片MAX-323进行串口电平和TTL/CMOS电平的转换。JTAG接口用于下载Bootloader。RJ-45接口用于和以太网连接,下载操作系统Linux内/ e% l" }- L4 h( o

" t, g; ?$ D9 x% O1 m核、根文件系统和应用软件。SDRMA用于系统的数据存储器、Flash用于系统的程序存储器。应用S3C2410处理器平台搭建的接收端硬件电路:与发送终端相比,多了SD卡和LCD显示器。SD卡主要用来存储$ N2 |! ~2 p% M5 T0 {

+ c, P! V! t8 z! Q1 n数据,LCD显示器主要用来显示视频图像。4 W3 y( X1 u' v2 S4 A4 ^- n# x( B
  1.2 系统软件设计( t( T$ J4 g, K
  系统的软件构成分为引导驱动程序、操作系统、文件系统和应用程序4部分。引导驱动程序在系统启动时进行内存重映射,将保存在Flash中的操作系统和应用程序重新映射到SDRAM中。Linux的内核
1 k2 R! I3 D$ g8 I5 i$ x2 @+ W
; d, N6 l, H/ y$ I; w# s版本为LinIix2.6。文件系统是Yaffs,它包括模块、配置文件和库等。系统的应用程序建立在嵌入式Linux内核、摄像头驱动和文件系统之上。
/ s/ B3 b$ W* |) u0 w  2 视频采集的具体实现
  X& \4 ?4 M- r% v, ?0 X  USB摄像头连接简单、使用灵活、价格低廉且具有良好的性能,因此,得到了广泛的应用。Linux内核包含了多种USB摄像头驱动,最常用的有基于OV5ll及其兼容芯片。OV511芯片主要包括CAMERA接口! v6 q0 x  d$ w0 e
: \* ~. l' ]7 N2 O; \  ~; `
、DRMA接口、ISO FIFO接口和OmniCE以及USB控制器等部分。本设计使用的是在低端市场占有率较高的中芯微公司生产的ZC030x系列摄像头芯片。Linux系统中的视频子系统’Vide04linux为视频应用程序
3 M( U- C2 Y3 ~' w0 {! T( C
2 Q, b% r- ~' i6 ^提供了一套统一的API,视频应用程序通过调用API即可操作各种不同的视频捕获设备,包括电视卡、视频捕捉卡和USB摄像头等。本设计的具体实现过程如下所述:% M! {, D: ~9 Q0 a( D( r
  2.2 利用Vide041inux实现图像采集0 L! D9 U( ^9 ~& T* v! U
  在安装了图像采集设备驱动后,只需要再编写一个对视频采集的应用程序就可以采集视频图像。在Linux系统中,视频文件是设备文件,可以像访问普通文件一样对其进行读写,摄像头文件一般是/
& O% |) G* v4 T0 S& x
7 H" M7 X3 J5 b+ C3 a! h8 vdev/v4l/video。在进行视频捕捉之前,需要做一些必要的设置工作。这些设置涉及到如下结构:0 B! D- b' |& R* D0 K- C3 b
  V4L下视频采集编程首先要打开视频设备:
  p- x6 e+ ?( s0 B) P, O  Int fd="open"(“/dev/v4l/video”,O_RDONLY);
5 n' h$ r7 h4 [! Z  If(fd<O)return-l;* q! c% Y" S" y3 U7 n! J+ @
  接着对摄像头参数进行设置。一般是先通过I/O控制命令读取设备信息,然后对特定项进行修改,最后通过I/O控制命令保存到内核中。由于篇幅有限源程序不再赘述。
: u0 w; R, R# H8 Z$ n  获取基本信息后,可以输出显示,也可以通过ioctl系统调用对这些值进行修改。然后调用函数Char*Carmera_get_image(video_device*vd)获得图像数据指针。此函数比较重要,关系到图像采集的
% f+ j( d  N/ ^6 r3 ?' k/ C1 q& f9 z, i& z
效率。获取图像数据有2种方法:一是通过映射得到视频驱动的数据缓冲,然后直接对映射后的缓冲进行读操作;二是直接读设备,及调用read函数。下面分别介绍:
5 b! s, M0 n+ F! b" G, e9 K  (1)read系统调用方式比较简单,只需将前面得到摄像头参数传入read函数中,得到图像数据指针picture_p后返回即可:read(vd->fd,picture_p,width*hight);其中vd_>fd为设备文件描述符。
. j. v# M. f' q2 x+ y* H& }  (2)利用mmap方式先使用ioctl(fd,VIDIOCGMBUF,&grab_vm)函数获得摄像头存储缓冲区的帧信息,之后修改voideo_mmap中的设置,例如重新设置图像帧的垂直及水平分辨率、彩色显示格式,使用
6 d" v& w9 d& q# c% p* w# {9 `/ {: F8 L. U  [& ?3 B$ D
如下语句:
- g4 m, |" x! i/ x' k+ q  grab_buf.height=240;1 t+ m& f0 L$ F6 l- J) P5 g3 `
  grab_buf.width=320;2 b8 M$ L! e+ [4 O- {* _8 Y
  grab—buf.format=VIDEO_PALETTE_RGB24;
9 i! r/ l, r- V  接着把摄像头对应的设备文件映射到内存区,具体使用grab_data=(unsigned char*)mmap(O,grab_vm.size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,grab_fd,O)操作。这样设备文件的内容就映射) X- P. J8 c1 j. r; ]1 x0 w7 V( h: ?
0 {$ I, d2 m9 d/ [
到内存区,该映射内容区可读可写并且不同进程间可共享。该函数成功时返回图像数据的指针,失败时返回值为-1。
) [4 {5 z: W: p$ l( A* d, [  2.1 摄像头驱动的实现, D; V7 K& m( z  \6 {
  1)配置Vide04linux内核1 A5 S" {9 K6 R; C0 l( w
  在终端使用make menuconfig命令打开S3C24lOlinux内核编译的main menu窗口,并进入“multimedia device--->”菜单选项,然后将Video for Linux配置为模块,即:" q$ Z5 b$ B' D
  Device driver--->
& i. V" e0 ]  P6 l( a8 H  Multimedia devices--->3 {# O) n- z9 s0 I
  <*>Video for linux
) Q$ h; R) b7 \+ I2 ?: Q  2)配置OV511驱动
2 k/ y4 ]- _( F5 V2 W' b! x( V2 Z  返回主菜单,在进入“USB support--->”菜单选项,然后将USB OV5llcamera support设置为模块,即:
# V6 d( s' H6 G  SUB suppor--->. X% r8 f0 r1 B6 b
  <*>USB OV5llcamera support(NEW)8 _: \/ N. Z: T" ?! @+ B7 Y  L1 V/ Q+ S
  3)模块安装
; g* r' ~( s' B1 p* ?  执行以下命令安装视频输入模块:3 y9 E) q# `3 }" K0 S0 \+ ], U
  insmod videodev.o
( D3 f9 H# l# T  y% E2 }  执行以下命令安装视频输入设备驱动模块:- z8 M* g5 n, z1 K) o( D
  insmod usbcore.o
4 z7 ?8 M3 L. |9 ]( k/ e0 k  insmod usb-ohci-s3c2410.ko
2 C. K6 d. d- j+ S  insmod ov511.o% A) ^: G& B8 _& M
  由于使用的设备是USB接口的摄像头,所以在加载ov511.o模块前,需要加载USB内核驱动和主机控制器驱动。
" s$ F, D# L! e: `6 s  3 无线传输模块
9 b9 \" N0 k! j' d/ \  本系统选用西门子的MC235作为GPRS通信模块,来实现图像的无线传输。该模块结合语音、数据传输、短信服务等功能,最大传输速率可以达到85.6 Kbps,具有丰富的AT指令使模块与微处理器通信,功能强大,操作灵活方便,特别适用于数据的监测和传输。在进行GPRS传输操作之前需对模块进行设置,主要有:(1)设置通信波特率;(2)设置接入网关;(3)设置移动终端类别;(4)测试GPRS服务是否开通,激活GPRS功能。这些设置都在主程序的初始化代码段完成。通过测试,GPRS驱动正常工作,能很好地支持数据/命令复合协议传输,其协议的丢包率、吞吐量等性能指标与无线模块的指标无实质性差别,整个系统工作正常,基本达到设计要求。
  H5 }0 S$ |; z- S3 [转自:http://www.3gtarena.com/
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