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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。5 W3 p+ n  v1 ~( X) q' ^
  1 系统组成
# S: H( U; r$ n2 C- _; w5 M. L  1.1 统的硬件构成# P$ R: C4 r2 ]: i# W
  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. L4 Q* \" k/ h# K5 b

9 \* y. M; n0 i/ {; @* |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、I2C5 m0 B7 ~% i% C' X2 C

; n0 H7 E' z) Q( C/ i& h3 N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。
: J# d6 N. L2 \9 V. Z  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
& |8 B' q+ A& s0 \) K1 k5 T' g
. D* H0 M2 A) C0 i. 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
+ |( ]7 h; f) s* w6 b, \' @
+ k( Y& h3 H* z3 G" G4 ?, X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
. Y# i& J  d* [
9 E& s. U1 X& ^( i! ]  d数据,LCD显示器主要用来显示视频图像。: ?" G) y. b; }( ?+ {
  1.2 系统软件设计
# N, C* p! c3 N! F+ E: \' r+ |  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- D# P) q, `2 s0 \2 x/ O* M
% G- N, C  u  `. _, {
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。
4 S# S; H! h: c8 A2 |1 r  @  2 视频采集的具体实现/ {4 M+ U( p1 `! }5 \/ j2 V
  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: j3 W9 _/ u
. y2 Y6 e3 p- U% R
、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
5 h) j& I0 p. a+ i4 O( P$ {
: Q) Q. K: z3 G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:
1 M* l' d+ N5 f  2.2 利用Vide041inux实现图像采集
  ?$ A* g) i4 g- |6 @+ S7 y4 D  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/
+ v: Q. G9 D, a, v& d4 J  \* j. k: o7 g2 O' \; [
dev/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:! D7 p2 O( B- C' i: Q# G
  V4L下视频采集编程首先要打开视频设备:
% h* h0 t  p" G$ _% y9 L! \1 w  Int fd="open"(“/dev/v4l/video”,O_RDONLY);" m3 s1 u2 j* |! m; y/ x
  If(fd<O)return-l;
- ]! ?4 N  x( S- P" T4 e  w( w7 V- E  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。8 X0 t" \7 \7 j7 Q7 c3 B$ m
  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: O( m/ R; x0 l- V
2 _& J* J4 @9 j
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:
; _) P+ W0 L) k) b! }+ 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。
) q6 N6 Y% H' w$ c, x" E3 R. \0 p; N  (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
, f4 ~5 t! I6 }7 t) d5 P
+ D* R. x  L3 L$ u! N如下语句:
" t4 U) H) _: D" R& @; o. {  grab_buf.height=240;
9 W' ]& `5 ]/ |: x6 J  grab_buf.width=320;
( G' C) K& F, i3 Q+ J: t  grab—buf.format=VIDEO_PALETTE_RGB24;1 h6 y' ?& z; ]: c+ l! ^
  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% P% r/ u+ j) h& e. p9 }4 Y+ e
1 I8 s# B9 |- \! h
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。6 ^% r  t7 X) r3 B* _# O
  2.1 摄像头驱动的实现
5 E$ m. g+ b9 t( F  1)配置Vide04linux内核4 h, M1 U% _- B
  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:
( x4 K! m) I2 _- J3 C/ L  Device driver--->
2 [' \; Y: g& u. p8 e- A# o5 e; d; f7 V  Multimedia devices--->
8 G/ @' t4 P* V9 b- ^1 P  <*>Video for linux/ t6 {, d! Y, x6 q6 j1 j# S+ M
  2)配置OV511驱动$ I( g+ v; O6 n5 e  K
  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:$ u9 S! P/ \# F2 J0 t: a
  SUB suppor--->
' d# C  @6 W$ H  R3 O' c8 H  <*>USB OV5llcamera support(NEW)
+ e, ^! O! Z: y$ f9 T0 [5 `  3)模块安装5 M. V5 y, a" ]  v* l
  执行以下命令安装视频输入模块:
4 D$ |/ v: p8 A5 T! H' n9 `/ C) A6 `  insmod videodev.o# j1 o2 o. l+ R- p1 _9 i
  执行以下命令安装视频输入设备驱动模块:
0 R. c& e( _- k, [/ A( }, A. i  insmod usbcore.o1 ]$ D) ~) z$ \. f5 l. ^
  insmod usb-ohci-s3c2410.ko
% H4 @6 C; |+ {5 U; ~1 k2 c  insmod ov511.o
, d: Z8 p. y, h& {0 }  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。+ A1 j  q- t5 a/ I4 |' K
  3 无线传输模块
: g5 ^' C" Z0 ^+ u0 F# [  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。
, x& b! ?# ]* `9 P转自:http://www.3gtarena.com/
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