基于ARM920T處理器核的圖像采集系統(tǒng)設計

引言

　　隨著微電子技術和軟件技術的發(fā)展，嵌入式技術也有了長足的進步。因此，基于嵌入式技術的圖像數(shù)據(jù)采集與存儲監(jiān)控系統(tǒng)以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富的特點，廣泛應用于許多場合。

　　處理器性能的提高，接口傳輸數(shù)據(jù)能力的增強，特別是未來高容量存儲器的出現(xiàn)，圖像監(jiān)控系統(tǒng)的小型化、多功能化是易于實現(xiàn)的，嵌入式技術引入圖像監(jiān)控系統(tǒng)后，兩個問題需要解決，一是靈活的圖像監(jiān)控系統(tǒng)結構調(diào)整，二是適合監(jiān)控規(guī)范、集圖像和信號檢測與控制一體的交互式軟件的設計。
 

　　1 系統(tǒng)平臺的搭建

　　1.1 硬件平臺的搭建

　　ARM(AdvancedRISCMachines)，既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的統(tǒng)稱，還可以認為是一種技術的名字。

　　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USB主機，1個USB設備，SD主機和MMC接口，2路SPI。S3C2410處理器最高可運行在203MHz。

　　由S3C2410為核心的圖像采集系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。因為S3C2410內(nèi)部只有很小的存儲空間，所以我必須外擴系統(tǒng)的存儲器，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，可方便地構建較大地存儲空間，系統(tǒng)的存儲器由FLASH和SDRAM構成。數(shù)碼攝像頭通過USB接口與S3C2410芯片連接，通過S3C2410芯片來控制數(shù)碼攝像頭對圖像進行采集，并存儲在存儲器中。

　　

 

　　1.2 軟件平臺的搭建

　　嵌入式Linux(EmbeddedLinux)是指對Linux經(jīng)過裁剪小型化后，可固化在存儲器或單片機中，應用于特定嵌入式場合的專用Linux操作系統(tǒng)。具體的搭建流程如圖2所示。

　　

 

　　2 USB攝像頭設備驅(qū)動的開發(fā)

　　在Linuxkernel源碼目錄中driver/usb/usb_skeleton.c提供了一個最基礎的USB驅(qū)動程序，我們稱為USB骨架。通過他僅需要修改極少的部分，就可以完成一個USB設備的驅(qū)動。我們的USB驅(qū)動開發(fā)也是從它開始的。USB驅(qū)動程序結構如下：

　　

 

　　該結構指明了USB設備驅(qū)動所要做的工作，具體內(nèi)容如下：

　　(1)在驅(qū)動模塊加載的時候，向USB核心子系統(tǒng)注冊，并告訴子系統(tǒng)需要支持的設備。

　　(2)在卸載USB設備驅(qū)動程序向USB核心子系統(tǒng)注銷。

　　(3)當獲支持的設備插入或者拔出的時候，調(diào)用哪些功能。

　　在初始化函數(shù)中，USB設備驅(qū)動調(diào)用usb_register函數(shù)進行注冊。

　　

 

　　以上介紹了簡單USB設備驅(qū)動程序的框架。但是我們要進行的攝像頭驅(qū)動開發(fā)比上述驅(qū)動稍微復雜些。除了之前講到的USB驅(qū)動還包括圖像采集部分的設備驅(qū)動。

　　首先，我們需要定義一個數(shù)據(jù)結構，其中一個包括圖片信息、采集模式、解碼方式。具體定義如下。

　　

 

　　

 

　　LinuxUSB驅(qū)動程序需要做的第一件事情就是在LinuxUSB子系統(tǒng)里注冊，并提供一些相關信息，例如這個驅(qū)動程序支持哪種設備，當被支持的設備從系統(tǒng)插入或拔出時，會有哪些動作。所有這些信息都將傳送到USB子系統(tǒng)中。以下代碼完成USB攝像頭的注冊功能：

　　

 

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

　　zc301_probe則指向USB驅(qū)動程序的探測函數(shù)指針，提供給USB內(nèi)核的函數(shù)，用于判斷驅(qū)動程序是否能對設備的某個接口進行驅(qū)動。

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

　　zc301_table列表包含了一系列該驅(qū)動程序可以支持的所有不同類型的USB設備，如沒有設置該列表，則該驅(qū)動程序中的探測回調(diào)函數(shù)不會被調(diào)用。

　　系統(tǒng)啟動時，首先需要加載各種驅(qū)動模塊，然后向系統(tǒng)注冊了生產(chǎn)廠商號碼(VendorID)和產(chǎn)品號(Pro-ductID)。當USB設備連接到主機上，系統(tǒng)會檢測它的VendorID和ProductID，如果與驅(qū)動模塊的注冊內(nèi)容匹配，則將該驅(qū)動程序與設備掛接起來[5]。當插入攝像頭時，系統(tǒng)會調(diào)用zc301_probe函數(shù)。參數(shù)dev指定了設備信息，probe函數(shù)驗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。

　　當系統(tǒng)完成驅(qū)動注冊后，調(diào)用staticintzc301_init(structusb_zc301*zc301)和staticvoidzc301_start(structusb_301*zc301)函數(shù)完成對設備的初始化過程：填寫各個寄存器值、啟動攝像頭。系統(tǒng)運行到這一步，基本完成了對攝像頭驅(qū)動加載及設備初始化。接下來需要通過讀取用戶設定的圖像規(guī)格，其中包括：圖像格式、分辨率、顏色深度、對比度和亮度等參數(shù)。這些數(shù)值的讀取都是通過以下函數(shù)實現(xiàn)的：

　　

 

　　在得到這些參數(shù)值后，再調(diào)用一套函數(shù)，實現(xiàn)參數(shù)的設置。每個參數(shù)設置函數(shù)和之前的參數(shù)取值函數(shù)是一一對應的。具體函數(shù)如下：

　　

 

　　通過調(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攝像頭了。[!--empirenews.page--]當然我們還需要staticvoidzc301_shutdown(structusb_zc301*zc301)來關閉攝像頭。

 

　　至此，攝像頭驅(qū)動的驅(qū)動基本完成。通過這些函數(shù)的設置我們可以把具體的硬件電路抽象化為數(shù)據(jù)結構中的參數(shù)值。接下來我們可以通過V4L驅(qū)動來調(diào)用這些函數(shù)，實現(xiàn)對參數(shù)的賦值、打開設備、采集圖像和關閉設備等一系列的過程。

　　重新編譯、運行內(nèi)核時，在串口反饋信息中會顯示USB攝像頭驅(qū)動程序成功加載。如圖3所示。

　　

 

　　圖3串口反饋信息3Video4Linux下的圖像采集編程：

　　Video4Linux,簡稱V4L,是Linux中關于視頻設備的內(nèi)核驅(qū)動，它為針對視頻設備的應用程序編程提供一系列半標準的接口。V4L利用這個接口，增加一些額外的功能，同時向外提供了一個屬于自己的API。我們可以通過調(diào)用V4L的API來實現(xiàn)各種功能。在Linux下，視頻采集設備的正常使用依賴于對Video4Linux標準的支持。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)結構：

　　

 

　　這些數(shù)據(jù)結構都是由Video4Linux支持的，它們的用途如下：

　　(1)video_capability包含攝像頭的基本信息，例如設備名稱、支持的最大最小分辨率、信號源信息等，分別對應著結構體中成員變量name、maxwidth、maxheight、minwidth、minheight、channels(信號源個數(shù))、type等;

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

　　(3)video_mmap用于內(nèi)存映射;

　　(4)voido_mbuf利用mmap進行映射的幀信息，實際上是輸入到攝像頭存儲器緩沖中的幀信息，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)結構中的參數(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)動后，只需要再編寫一個對視頻流采集的應用程序就可以了。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)特征，先在宿主機上編寫應用程序，再使用交叉編譯器進行編譯鏈接，生成在目標平臺的可執(zhí)行文件。宿主機與目標板通信采用打印終端的方式進行交叉調(diào)試，成功后移植到目標平臺。

　　V4L圖像采集編程流程：

　　(1)打開視頻設備;

　　(2)讀取設備信息;

　　(3)更改設備當前設置;

　　(4)視頻采集得到圖像信息;

　　(5)對采集到的圖像進行處理;

　　(6)關閉視頻設備。

　　本文編寫采集程序是在安裝Linux操作系統(tǒng)的宿主機PC機上進行的，之后再移植到開發(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)結構及其功能。對應著這些內(nèi)容，我們需要對這些數(shù)據(jù)結構進行定義，以抽象化一個視頻設備。以下是具體的定義內(nèi)容：

　　

 

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

　　intinit_videoIn(structvdIn*vd,char*device,intwidth,intheight,intgrabmethod);初始化攝像頭設備。*vd包含了之前定義的數(shù)據(jù)結構中的基本信息。另外還要對攝像頭采集圖像的大小、采集模式等參數(shù)進行賦值。

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

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

　　因為我們是通過調(diào)用采集主函數(shù)intv4lGrab(structvdIn*vd,char*filename)來實現(xiàn)圖像的采集和保存的，所以需要詳細的講解一下該函數(shù)的構成。以下是該函數(shù)的具體內(nèi)容：

　　

 

　　首先，我們需要定義幾個參數(shù)，如下：

　　FILE*fp;定義一個文件類型指針，指向我們采集到的圖像文件intlen;

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

　　定義一個整型變量，指明一幀圖像的數(shù)據(jù)量interreur=0;定義一個整型變量，指明運行時的錯誤返回值intjpegsize;定義一個整型變量，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)讀入到指定的臨時文件中。之后根據(jù)我們對圖像的大小、亮度、對比度等要求轉(zhuǎn)化之前采集到的圖像數(shù)據(jù)，最后我們打開一個文件，把圖像數(shù)據(jù)寫入到該文件中并保存。

　　4 結論

　　本文設計了一種嵌入式視頻采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)小巧，并且在保證當前信息完整的情況下，盡可能少的占用存儲容量，實現(xiàn)了該系統(tǒng)的圖像采集、存儲和重現(xiàn)功能。在硬件規(guī)劃上，采用實用簡單的USB接口通信。且系統(tǒng)中預留了豐富的外設接口，便于今后的擴展升級。