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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。
* a8 T% {8 A) n. ?6 W+ f9 u$ v  1 系统组成
( _  f/ b4 n( G6 i# Y  1.1 统的硬件构成
, U- d1 A9 ~3 Y5 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1 [# V0 y# t! _2 T' {% V

8 @( t* i! P5 V. G. 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
( P- ?- s" A8 I: l; U: p9 X5 `" U$ L. O. \0 I( c
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。8 n% Z" }3 R+ w  e+ h& Y
  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
0 k5 b4 E/ z- N& o/ w5 k
& A6 @" ?* H6 ~$ t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* B5 A) [* W! W) N8 {  I9 u
. D+ `$ l. }7 a4 [: p0 E( d( ^7 |
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
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, }* D& h$ u# @- Y: Q* U8 p' M数据,LCD显示器主要用来显示视频图像。# S% Y* p/ u7 t2 K
  1.2 系统软件设计
. S$ B& ]1 y. @  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  g- d9 Y2 V6 {+ L( _7 C9 s
/ B* i7 C7 K' a3 {- x2 e/ y" n
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+ j0 w$ N6 S; R" G  2 视频采集的具体实现
+ E. G6 I+ n+ {# P  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& S* `  W; }& w: n* m! H
! L  L) Z/ j( y. k* M& w% O7 g6 P* L
、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  F" q6 m8 n: A+ l; z
: g& B% j  f9 E
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 b! E" i1 y: b) U9 Q( j# T  2.2 利用Vide041inux实现图像采集1 z# o* H; u0 I
  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/
8 c3 B2 I0 J, ~7 Z5 n
; y' H$ i5 y! b5 Xdev/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:$ N" @4 K# Q1 C
  V4L下视频采集编程首先要打开视频设备:+ x8 D% i2 Y0 @" y) p
  Int fd="open"(“/dev/v4l/video”,O_RDONLY);! s9 R( h& h  s$ c7 _
  If(fd<O)return-l;5 A" r3 O1 _6 C! t
  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。6 P2 S; t2 Q+ b
  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
5 ]: C) S2 P" a$ \$ ]- \% ]4 W* k7 O; S) ]4 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:
. s$ Q! F, C5 {# [) v* P  (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。
* P6 [/ s1 U3 Z$ D  (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+ S1 i8 S+ q/ I; v/ ~4 F

3 M" Q3 q( L5 N* Q如下语句:
; D! I) c6 U) q0 q  grab_buf.height=240;
0 @: W: s1 e# w9 T2 x  grab_buf.width=320;
9 ?4 |  F5 K' V) K6 M* V  grab—buf.format=VIDEO_PALETTE_RGB24;
; k# |# k! K. r" W+ G& E  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; V# d+ l+ l* b

8 Y+ [/ Z/ T! F- O  J+ t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 W; [+ ~3 V$ O) L
  2.1 摄像头驱动的实现; k1 |# y& u1 S9 b' c
  1)配置Vide04linux内核6 ~. M0 _+ I+ T! f3 _* U; O" U* u/ |
  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:3 @. I. x' _4 T3 f% L% @3 {
  Device driver--->
& k1 m  X6 u" |- U  Multimedia devices--->) ^! f# z- F, C- B+ H1 p- b
  <*>Video for linux1 e  |) }/ b% H7 M' W
  2)配置OV511驱动
$ E4 K2 ~9 q3 V$ L: n- x8 {" ]+ t  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:
: c0 t- c( |$ ]: m) P  SUB suppor--->
3 f5 o( R8 W9 L  <*>USB OV5llcamera support(NEW)6 t+ D% M6 ^) x( T
  3)模块安装2 H- z- n* A2 N( {3 w  D2 l
  执行以下命令安装视频输入模块:
* o9 Y9 H( p8 E* R* A4 x0 d  insmod videodev.o
" \8 j2 r5 n6 a& S/ p' e. m  执行以下命令安装视频输入设备驱动模块:- m/ h1 i* {( V( Q/ }
  insmod usbcore.o
+ \7 ]3 }8 d. F# x1 j) H8 Y  insmod usb-ohci-s3c2410.ko6 z' t$ M, Y% J! x8 T
  insmod ov511.o+ L' S1 E8 D: w4 E$ k! w9 `' n% j
  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。5 E  d$ }" P- K7 N/ p
  3 无线传输模块
0 k# w. O0 G; J  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。
4 o9 M4 I7 c: \& E' h5 k5 z9 ?转自:http://www.3gtarena.com/
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