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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。
8 [9 c) l  q4 X' o, D$ s  1 系统组成
. v9 {0 i7 Y; R  1.1 统的硬件构成' i2 y: ^$ h% P3 I
  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
4 l4 t/ S' |( X3 W- d
) ]7 A8 `, @: f. D7 B6 |7 t* h: d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
; U5 B( t% x+ H8 u
) r* ?" ~; V3 G8 B5 s7 p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。: U. A4 p; X! i% C* H, r
  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- x9 Z% P5 Z* l' @
/ J6 H' P+ B+ P% d! e5 M
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/ y3 r7 M7 u0 ^

: b9 e( X9 q# T1 m9 B7 G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
! |6 W! ?0 b, {& Q4 I8 C+ r6 H$ S) h0 O  a2 B' j/ T  S
数据,LCD显示器主要用来显示视频图像。+ R3 N' Q4 J4 I/ D3 ?# h* u
  1.2 系统软件设计4 ]" v* U) g3 _
  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
: A: e3 B) |; q, Z+ M, B2 v9 u
# X2 ]$ I8 F6 f  U. @3 j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。
  n$ Y5 N: `" X  2 视频采集的具体实现
& s9 ?/ G6 e- s8 R  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# ~+ H; W$ H* Z

7 o, J! B/ e7 U) 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
8 z& L3 s( Y% e  D/ j3 T# k' E% [3 T9 t/ V# P: H" T# c) m
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:
8 r+ n1 F) [! N4 Z  2.2 利用Vide041inux实现图像采集: A* I' O) T0 A( t5 o! {
  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/; ?$ p8 |1 S/ p" `( h5 G

2 `( g# H  \" q) Ndev/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:$ `" \9 B/ d+ D  J
  V4L下视频采集编程首先要打开视频设备:# G( p! Y. O  Y+ B- u: b
  Int fd="open"(“/dev/v4l/video”,O_RDONLY);
3 ~, J! A- i9 x. n  If(fd<O)return-l;7 r" t9 {. y% p1 r. A4 |
  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。, r8 W+ T" K% X# a8 n( r
  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) ?3 S( f' z7 a; ?3 O/ C" D8 `( M: g
5 r% P5 ]0 \+ n3 @8 d9 ^
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:& n0 a( ?% T$ E. s" a+ W
  (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。6 Y8 y: O) z( k, g* z
  (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
% N& K/ u+ i: G. Y; v/ h, _6 @4 b$ u+ B) f1 l( B; ?: L
如下语句:
& K3 ~, {; I/ f3 |3 d  grab_buf.height=240;7 t8 r% \. R- f' X( A/ m( C
  grab_buf.width=320;
+ P# z9 ?2 f6 `: c( }8 X8 N  grab—buf.format=VIDEO_PALETTE_RGB24;
2 \1 Q; G) x. y1 ?8 y  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2 k( ^: _4 q' l$ h" x+ K
% g( y2 C* ~# R1 M& }
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。
0 i& v& X% p3 K8 s  N% S6 X: v  2.1 摄像头驱动的实现  ^. I& L$ m+ {, A& \% c
  1)配置Vide04linux内核
. d3 S# F( ?, v2 }( ~6 {  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, e5 ?: ^& z4 C  Device driver--->
" F$ j5 W" |8 ^4 D; X2 T$ ?& m: g2 b! k  Multimedia devices--->
1 s6 Q3 j) {1 E' H% G  <*>Video for linux
0 a4 U) }1 B& W) }: f6 Q# b  2)配置OV511驱动( W  T) P' j( b2 F
  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:
9 r: i4 r' {- ?) K0 q/ c  SUB suppor--->
% }" f( w: ?1 p  <*>USB OV5llcamera support(NEW)) z) C8 b/ g) G* i
  3)模块安装2 y* O9 a* U) r0 T9 C' ~
  执行以下命令安装视频输入模块:
( c. ?; L7 t0 h, P$ {0 j" e  insmod videodev.o
4 l* }: V) ]' r/ U' G7 o  执行以下命令安装视频输入设备驱动模块:( D. y1 ^  G. q* O  T8 S( m6 b
  insmod usbcore.o
6 A* X3 G, q6 o5 L  insmod usb-ohci-s3c2410.ko
  m; b, \6 S/ Q5 o* `+ H  insmod ov511.o( `0 x  Z+ j- G1 |( Q( f
  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。
$ Z* o+ l/ s! a+ G" F  3 无线传输模块
# l. v5 ^8 P: ]! V4 z  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。( M/ Q. t) r+ h  u! G
转自:http://www.3gtarena.com/
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