嵌入式ARM的图像采集与传输设计

laner1318

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。
　　1 系统组成
9 U# X! _7 M1 C　　1．1 统的硬件构成
　　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
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4 \: ^9 v0 Z9 b  N7 i. o8 l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
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) `- e1 m+ M' y7 Q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。
　　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 ?: J1 [( z$ z% t# p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
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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
5 ?/ o5 y) W) Y* _" P
& U8 M8 Q; Q, ]- {- d- n数据，LCD显示器主要用来显示视频图像。
　　1．2 系统软件设计
9 ^5 u% D8 g1 C3 \1 A% a, J  l　　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

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。
5 _% \3 Z6 y+ M2 q5 D# k2 f　　2 视频采集的具体实现
: }1 N, h, E& m- {3 Q+ T　　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
" [, `# P. Q. k* g) D* O- {) d. r
5 v' p" c5 q" [0 `/ _7 {、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

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：
　　2．2 利用Vide041inux实现图像采集
$ l% e" K% ~0 L& M: }! O8 ~! v　　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／
: S6 K& c* M* w1 s; m# d
$ o, E* b2 V$ A; Q( ^& W" hdev／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：
) D# h/ ?6 Q8 X) z6 J　　V4L下视频采集编程首先要打开视频设备：
; Y. ~! j' j1 N$ @, u4 d; s6 G! ^　　Int fd="open"(“／dev／v4l／video”，O_RDONLY)；
( f/ D3 c4 {/ [4 O4 E4 K+ L9 {　　If(fd<O)return-l；
　　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。
- v) n6 |# W; f3 \! @　　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

2 u) {" o) v7 T6 q- f# K  u  `2 e5 x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：
1 f0 N+ H! g3 E　　(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。
! @% R% Y; Q7 L% h0 t6 g! \+ J　　(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

3 M! @: \! `$ @& J9 R% U如下语句：
　　grab_buf．height=240；
　　grab_buf．width=320；
　　grab—buf．format=VIDEO_PALETTE_RGB24；
　　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
: F7 L' O- V* T& q, p' L+ P& h3 F
. @9 X$ I- r2 _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。
9 z1 J, z) [# i　　2．1 摄像头驱动的实现
7 l9 W. B: f- d8 s) F" V　　1)配置Vide04linux内核
　　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：
　　Device driver--->
　　Multimedia devices--->
　　<*>Video for linux
  k( V7 M8 H& Q4 \6 N# h+ t" X　　2)配置OV511驱动
7 \" j+ [' ~' B0 u5 s　　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：
　　SUB suppor--->
8 S" t% B2 z' E0 M( s4 n　　<*>USB OV5llcamera support(NEW)
) J% a  r0 V7 Q- U. [3 D　　3)模块安装
　　执行以下命令安装视频输入模块：
　　insmod videodev．o
　　执行以下命令安装视频输入设备驱动模块：
　　insmod usbcore．o
2 g! T! n8 F# n! Y　　insmod usb-ohci-s3c2410．ko
; r! k. @* {: p' }3 J0 o* @　　insmod ov511．o
: L/ W. X5 V1 q% G+ H9 Y　　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。
　　3 无线传输模块
) \& ~6 K: ?- N$ g+ 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。
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