S3C2440的camera接口特性及WinCE 下的驅(qū)動(dòng)

摘要：分析S3C2440的camera接口特性，介紹當(dāng)攝像設(shè)備為CCD攝像頭時(shí)，在WinCE 5．0／6．O操作系統(tǒng)環(huán)境下開(kāi)發(fā)camera驅(qū)動(dòng)的方法。該方法彌補(bǔ)了目前國(guó)內(nèi)在WinCE 5．0／6．0操作系統(tǒng)環(huán)境下CCD攝像頭無(wú)法連接到S3C2440的camera接口的缺陷。
關(guān)鍵詞：camera接口；WinCE；驅(qū)動(dòng)

    S3C2440是應(yīng)用十分廣泛且適用于嵌入式系統(tǒng)的一款嵌入式處理器。winCE 5．0／6．O是微軟公司開(kāi)發(fā)的一款專用于嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。其模塊化設(shè)計(jì)使開(kāi)發(fā)人員可以根據(jù)需求定制設(shè)備。目前，國(guó)內(nèi)大部分OEM商都提供了對(duì)S3C2440的camera接口在WinCE5．O／6．0下的驅(qū)動(dòng)支持。遺憾的是，目前國(guó)內(nèi)OEM商提供的驅(qū)動(dòng)僅限于對(duì)幾款微型攝像頭(如ov9650等)的驅(qū)動(dòng)支持。當(dāng)用戶采用CCD攝像頭作為圖像采集的前端設(shè)備時(shí)，原來(lái)的驅(qū)動(dòng)已經(jīng)不能使用了，而CCD攝像頭因其優(yōu)越的性能，在監(jiān)控領(lǐng)域扮演著主力軍角色。本文從分析S3C2440的camera接口特性出發(fā)，詳細(xì)介紹當(dāng)攝像設(shè)備為CCD攝像頭時(shí)，在WinCE 5．O／6．0操作系統(tǒng)環(huán)境下開(kāi)發(fā)camera驅(qū)動(dòng)的形式、方法和主要的驅(qū)動(dòng)代碼。

1 camera接口特性
    S3C2440處理器有一個(gè)專用的camera接口(CAMIF)，該接口支持ITU-R BT．601／656 YCbCr 8位數(shù)據(jù)格式視頻數(shù)據(jù)輸入，最大輸入視頻圖像大小為4 096×4 096像素。視頻輸入后分兩個(gè)通道逐幀保存圖像數(shù)據(jù)，一個(gè)為預(yù)覽通道(即P通道)，另一個(gè)為編解碼通道(即C通道)。兩個(gè)通道均通過(guò)DMA方式將一幀圖像保存到系統(tǒng)內(nèi)存SDRAM中，在系統(tǒng)內(nèi)存中共開(kāi)辟了4組幀圖像緩沖，從而保證了用戶應(yīng)用程序在讀取幀圖像數(shù)據(jù)時(shí)不影響另一幀圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)入。其特性如下：
    ◆支持ITU-R BT．601／656 YCbCr 8位數(shù)據(jù)格式視頻數(shù)據(jù)輸入，并可調(diào)整Y、Cb、Cr三個(gè)信號(hào)的順序，以適應(yīng)不同的視頻信號(hào)源；
    ◆具有DZI功能，相當(dāng)于數(shù)碼變焦；
    ◆C通道輸出圖像最大為4 096×4 096像素；
    ◆P通道輸出圖像最大為640×480像素；
    ◆P通道輸出圖像格式可配置為RGBl6或GRB24；
    ◆C通道輸出圖像格式可配置為YCbCr 4：2：2或YCbCr 4：2：0：
    ◆輸出圖像可X方向鏡像翻轉(zhuǎn)、Y方向鏡像翻轉(zhuǎn)，或180°旋轉(zhuǎn)；
    ◆DMA數(shù)據(jù)傳輸，4組幀圖像緩沖，2個(gè)對(duì)應(yīng)的中斷處理，保證視頻實(shí)時(shí)采集；
    ◆2個(gè)通道不同圖像數(shù)據(jù)格式輸出，便于用戶程序開(kāi)發(fā)。
    CAMIF對(duì)外接口信號(hào)定義如下：
    CAMPCLK輸入的視頻像素同步時(shí)鐘。
    CAMVSYNC輸入的視頻幀同步時(shí)鐘。
    CAMHREF輸入的視頻行同步時(shí)鐘。
    CAMDATA[7：0] 輸入的視頻8位數(shù)據(jù)。
    CAMCLKOUT輸出的時(shí)鐘，用于外接的沒(méi)有獨(dú)立時(shí)鐘的camera芯片的主時(shí)鐘。當(dāng)外接的camera芯片有獨(dú)立的時(shí)鐘時(shí)，該信號(hào)可不用。
    CAMRESET輸出的軟件復(fù)位信號(hào)，可對(duì)外接的camera芯片進(jìn)行復(fù)位。
    信號(hào)的時(shí)序圖如圖1所示。

    使用CAMIF時(shí)，必須對(duì)CAMIF相關(guān)寄存器進(jìn)行正確配置，下面介紹主要寄存器的配置原理。
    CAMRCFMT 選擇輸入視頻信號(hào)源格式寄存器
    ①選擇輸入視頻信號(hào)源為ITU-R BT．601 YCbCr 8位數(shù)據(jù)格式，或ITU-R BT．656 YCbCr 8位數(shù)據(jù)格式。
    ②選擇輸入視頻信號(hào)源水平像素大小和垂直像素大小，一定要和外接的camera設(shè)備分辨率一致。
    ③選擇輸入視頻信號(hào)Ycbcr信號(hào)順序，一定要和外接camera信號(hào)的實(shí)際順序一致。
    CIWDOFST 從輸入信號(hào)中截取中心部分的圖像寄存器
    原理是：從輸入信號(hào)中截取中心部分的圖像輸出到大小不變的輸出圖像緩沖中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的放大或縮小。
    ①配置該寄存器允許縮放或不允許縮放。
    ②X方向圖像放大或縮小控制，原理是截切掉左部和右部的圖像像素?cái)?shù)。
    ③Y方向圖像放大或縮小控制，原理是截切掉上部和下部的圖像像素?cái)?shù)。
    CIGCTRL 全局控制寄存器
    通過(guò)該寄存器對(duì)外接的camera進(jìn)行復(fù)位，即控制CAMRESET信號(hào)的電平高低。
    CICOTRGFMT C通道輸出圖像格式及大小配置寄存器
    ①可將C通道輸出圖像格式配置為YCbCr 4：2：2或YCbCr 4：2：0格式。
    ②可設(shè)置C通道輸出圖像X方向像素?cái)?shù)。
    ③可設(shè)置C通道輸出圖像Y方向像素?cái)?shù)。
    ④可設(shè)置C通道輸出圖像X方向鏡像。
    ⑤可設(shè)置C通道輸出圖像Y方向鏡像。
    ⑥可設(shè)置C通道輸出圖像180°旋轉(zhuǎn)。
    CIPRTRGFMT P通道輸出圖像大小配置寄存器
    ①可設(shè)置P通道輸出圖像X方向像素?cái)?shù)。
    ②可設(shè)置P通道輸出圖像Y方向像素?cái)?shù)。
    ③可設(shè)置P通道輸出圖像X方向鏡像。
    ④可設(shè)置P通道輸出圖像Y方向鏡像。
    ⑤可設(shè)置P通道輸出圖像180°旋轉(zhuǎn)。
    CICOSTATUS和CIPRSTATUS 狀態(tài)寄存器
    CICOSTATUS反映C通道數(shù)據(jù)的寫(xiě)入狀態(tài)，即4組緩沖的哪一組；CIPRSTATUS反映P通道數(shù)據(jù)的寫(xiě)入狀態(tài)，即4組緩沖的哪一組。用戶程序采集圖像數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)狀態(tài)寄存器當(dāng)前狀態(tài)，決定從哪一組讀出數(shù)據(jù)。
    此外，CICOYSAl～CICOYSA4分別為C通道第1～4幀Y信號(hào)數(shù)據(jù)緩沖起始地址寄存器；CICOCBSAl～CICOCBSA4分別為C通道第1～4幀Cb信號(hào)數(shù)據(jù)緩沖起始地址寄存器；CICOCRSAl～CICOCRSA4分別為C通道第1～4幀Cr信號(hào)數(shù)據(jù)緩沖起始地址寄存器；CIPRCLRSAl～CIPRCLRSA4分別為P通道第1～4幀RGB信號(hào)數(shù)據(jù)緩沖起始地址寄存器。

2 WinCE下的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)
    目前，我國(guó)市場(chǎng)上的CCD攝像頭只有模擬視頻輸出接口，顯然它不能和S3C2440的camera接口直接連接，硬件上需要增加一塊解碼芯片。解碼芯片把CCD的模擬信號(hào)解碼為BT．601／656 YUV4：2：2格式信號(hào)，這個(gè)信號(hào)和CAMIF信號(hào)是匹配的，因此解碼芯片輸出就可以直接連接到
S3C2440的camera接口。典型的解碼芯片為SAA7113，接口電路如圖2所示。

    如果想簡(jiǎn)化硬件電路和驅(qū)動(dòng)代碼，也可以根據(jù)需求向生產(chǎn)商定制CCD攝像頭，要求生產(chǎn)商生產(chǎn)的CCD攝像頭直接按照ITU-R BT．601／656格式輸出視頻信號(hào)。具有這種接口的CCD攝像頭就可以直接和S3C2440的camera接口連接，接口電路如圖3所示。

    兩種情況的驅(qū)動(dòng)代碼開(kāi)發(fā)過(guò)程基本上是相同的。區(qū)別是：前者需要S3C2440通過(guò)I2C總線對(duì)解碼芯片SAA7113的相關(guān)寄存器進(jìn)行配置，而后者則不需要。下面以前者為例介紹驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)方法。
2．1 配置解碼芯片SAA7113
    SAA7113是NXP公司推出的視頻解碼系列芯片，在很多視頻產(chǎn)品(如電視卡、MPEG2、MPEG4)中都有應(yīng)用。SAA7113的主要作用是把輸入模擬視頻信號(hào)解碼成標(biāo)準(zhǔn)的BT．656 YUV4：2：2數(shù)字信號(hào)，相當(dāng)于一種A／D器件。它兼容全球各種視頻標(biāo)準(zhǔn)，在我國(guó)應(yīng)用時(shí)必須根據(jù)我國(guó)視頻標(biāo)準(zhǔn)來(lái)配置內(nèi)部寄存器。
    對(duì)SAA7113配置需要通過(guò)I2C總線進(jìn)行，分配S3C2440的GPIO的E15模擬I2C的SDA線，E14模擬I2C的SCL線。OEM商提供的原驅(qū)動(dòng)是針對(duì)手機(jī)攝像頭ov9650開(kāi)發(fā)的，二者的配置原理和過(guò)程是相同的，但配置內(nèi)容不同，輸出圖像的格式也不同。ov9650輸出的圖像是逐行掃描的，SAA7 113輸出的圖像則是隔行掃描的。由圖1可知，CAMIF是逐幀輸入的，所以必須把SAA3117的場(chǎng)同步信號(hào)VS作為CAMIF的幀同步信號(hào)CAMSYNC，輸出圖像是逐場(chǎng)保存的。配置內(nèi)容為：
    ①?gòu)?fù)位SAA3117。
    ②模擬通道選擇。
    ③配置亮度、色度、對(duì)比度、自動(dòng)增益控制量。
    ④將RTSl引腳配置為場(chǎng)同步信號(hào)VS，將RTSO信號(hào)配置為行同步信號(hào)HREF，信號(hào)極性應(yīng)分別與圖1中CAMVSYNC和CAMHREF信號(hào)極性一致。
    ⑤配置圖像寬度為720像素。
    ⑥配置幀圖像高度為576像素，一幀圖像分奇偶兩場(chǎng)分時(shí)輸出，每場(chǎng)圖像高度為288像素。
    ⑦配置數(shù)據(jù)格式為BT．656 YCbCr 4：2：2 8位格式輸出。注意，數(shù)據(jù)口的信號(hào)順序?yàn)镃B0 Y0 CR0 Y1 CBlY2…CR359 Y719。
    ⑧時(shí)鐘采用24．576 MHz的獨(dú)立時(shí)鐘，此時(shí)LLC的頻率為27 MHz，場(chǎng)頻為50Hz，幀頻為25 Hz。
2．2 為CAMlF分配DMA內(nèi)存空間
    因?yàn)镾3C2440從camera接口采集到的視頻數(shù)據(jù)是以DMA機(jī)制寫(xiě)到內(nèi)存的，所以必須為C通道和P通道分別分配邏輯內(nèi)存(即DMA緩沖區(qū))。Win CE有兩種分配DMA緩沖區(qū)的方法：使用CEDDK函數(shù)和使用winCE內(nèi)核函數(shù)。建議使用CEDDK函數(shù)：

    注意：C通道和P通道應(yīng)分別分配。分配成功后，應(yīng)將4組YCbCr信號(hào)的起始地址與分配給C通道的DMA緩沖區(qū)地址關(guān)聯(lián)起來(lái)，將4組RGB信號(hào)的起始地址與分配給P通道的DMA緩沖區(qū)地址關(guān)聯(lián)起來(lái)。格式不同時(shí)，關(guān)聯(lián)的空間大小是不同的。如果C通道格式為YCbCr4：2：2，圖像寬度為CoDstWidtlh，圖像高度為CoDstHeight，分配的DMA地址為CoFrameBuffer，則二者的關(guān)聯(lián)關(guān)系為：

    這樣分配的目的是，保證每一組YCbCr信號(hào)的地址空間是連續(xù)的，便于用戶程序開(kāi)發(fā)。
    如果P通道格式為RGBl6，圖像寬度為PrDstWidth，圖像高度為PrDstHeight，分配的DMA地址為PrFrame Buffer，則二者的關(guān)聯(lián)關(guān)系為：

    如果P通道格式為RGB24，圖像寬度為PrDstWidth，圖像高度為PrDstHeight，分配的DMA地址為PrFrame Buffer，則二者的關(guān)聯(lián)關(guān)系為：

2．3 配置CAMIF相關(guān)寄存器
    ①把輸入視頻信號(hào)寬度配置為720像素，高度配置為288像素；
    ②把輸入視頻信號(hào)格式配置為BT．656 YCbcr 4：2：2格式；
    ③把輸入視頻信號(hào)順序配置為CbYCr；
    ④根據(jù)用戶的LCD顯示終端的分辨率配置P通道的圖像寬度、高度像素和格式；
    ⑤根據(jù)用戶對(duì)圖像的處理需求來(lái)配置C通道的圖像寬度、高度像素和格式；
    ⑥配置C通道的縮放系數(shù)；
    ⑦配置P通道的縮放系數(shù)；
    ⑧把C通道的DMA地址配置給4組起始地址寄存器；
    ⑨把P通道的DMA地址配置給4組起始地址寄存器。
2．4 創(chuàng)建camera流式驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)
    WinCE下的硬件驅(qū)動(dòng)程序大多采用流式驅(qū)動(dòng)來(lái)開(kāi)發(fā)，因?yàn)樗幸粋€(gè)一致的接口函數(shù)供用戶調(diào)用。此處，把接口函數(shù)命名為：CAM_Close()、CAM_Deinit()、CAM_Init()、CAM IOControl()、CAM()pen()、CAM PowerDown()、CAM_PowerUp()、CAM_Read()、CAM_Seek()和CAM-_Write()。
    (1)CAM_Init()函數(shù)
    該函數(shù)在驅(qū)動(dòng)程序每次被設(shè)備管理器加載時(shí)調(diào)用。其實(shí)現(xiàn)的功能如下：
    配置SAA7113，分配C通道、P通道的DMA內(nèi)存空間，根據(jù)輸入信號(hào)源屬性和輸出圖像、預(yù)覽圖像屬性配置CAMIF寄存器。
    創(chuàng)建一個(gè)事件CameraEvent，使用WinCE內(nèi)核函數(shù)InterruptInitialize(SYSINIR_CAM，CameraEvent，NULL，O)把該事件與camera的邏輯中斷號(hào)SYSINIR_CAM關(guān)聯(lián)起來(lái)，即當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)激活該事件。
    創(chuàng)建一個(gè)中斷服務(wù)線程。在該線程內(nèi)用WaitForSintgleObjcet(CameraEvent，INFINITE)函數(shù)阻塞線程，并等待CameraEvent激活。把預(yù)覽視頻圖像的功能放到CameraEyent激活之后完成，即把P通道緩沖區(qū)的內(nèi)容拷貝到顯示終端。最后，用InterruptDone(SYSINIR_CAM)函數(shù)結(jié)束本次中斷處理。
    (2)CAM_IOControl()函數(shù)
    可以說(shuō)，該函數(shù)才真正是用戶程序與驅(qū)動(dòng)程序聯(lián)系的主要通道，用戶程序?qū)amera接口的控制及數(shù)據(jù)采集均是通過(guò)該函數(shù)完成的。其主要功能有：
    ①打開(kāi)／關(guān)閉P通道或C通道輸出。
    ②修改配置參數(shù)。
    ③控制輸出圖像的放大或縮小。
    ④如果需要RGB數(shù)據(jù)，則讀取P通道緩沖區(qū)內(nèi)容；
    如果需要YCbCr數(shù)據(jù)，則讀取C通道緩沖區(qū)內(nèi)容。注意，讀取之前要根據(jù)狀態(tài)寄存器CICOSTATUS或CIPRSTATUS的當(dāng)前狀態(tài)，確定訪問(wèn)哪一組緩沖區(qū)。
    (3)CAM_Deinit()函數(shù)
    當(dāng)卸載本驅(qū)動(dòng)時(shí)，該函數(shù)負(fù)責(zé)釋放分配的內(nèi)存空間和資源。
    (4)CAM_Open()函數(shù)
    該函數(shù)內(nèi)部并沒(méi)有具體的功能代碼，只是當(dāng)用戶程序使用CreateFile(TEXT(“CAMl：”)，GENERIC_READ|GENERIC WRITE，O，NULL，OP-EN_EXISTING，O，O)函數(shù)打開(kāi)camera驅(qū)動(dòng)時(shí)調(diào)用該函數(shù)，并返回一個(gè)文件句柄。基于該句柄用戶才能進(jìn)行后續(xù)操作。
    (5)CAM_Close()函數(shù)
    該函數(shù)內(nèi)部并沒(méi)有具體的功能代碼，只有當(dāng)用戶程序使用CloseFile(hfile)函數(shù)關(guān)閉camera驅(qū)動(dòng)時(shí)才調(diào)用該函數(shù)，并釋放之前返回的文件句柄。其他接口函數(shù)沒(méi)用賦予其具體功能。

結(jié)語(yǔ)
    按照上述方法開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)代碼，連同其他驅(qū)動(dòng)已在PB5．O環(huán)境下編譯通過(guò)，生成的內(nèi)核文件在原硬件平臺(tái)下成功運(yùn)行，P通道視頻圖像流暢，C通道圖像質(zhì)量較高。該方法彌補(bǔ)了目前國(guó)內(nèi)在WinCE 5．O／6．O操作系統(tǒng)環(huán)境下CCD攝像頭無(wú)法連接到S3C2440的camera接口的缺陷，為工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)嵌入式圖像采集系統(tǒng)時(shí)提供了一種有效手段。