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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。7 {' X6 ?; d( c2 n/ b
  1 系统组成* u$ S  N$ t# \" Z) Z5 Y4 S% k
  1.1 统的硬件构成
8 k- J3 q( m* `% a0 d  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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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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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。5 ~7 |. E6 H3 m/ D1 S
  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
) l: J; |; |! Y. `! c0 w. s; k. ^
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5 H* x2 i" V7 X5 J* G
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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
8 d2 L" ?7 }0 I9 o9 n( v; _
' K+ r% N+ L: A2 |) w数据,LCD显示器主要用来显示视频图像。
* x; z7 }, m7 [1 E( Z! Y  1.2 系统软件设计" J# Q3 h8 N+ I: 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
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9 _6 s! P4 \4 `( n0 T/ P3 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。
' ~& ~. X4 S9 `7 V9 s, j  2 视频采集的具体实现
# S& j3 E% s# Y  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9 B: C% e! z% C- O$ y
  v7 I- C: x/ \
、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  k& B# w% ^  h3 L* J/ J$ `3 v

) P! G$ ~+ o* h6 F" Q  W: }" }/ 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:
( @% p3 x7 L3 b5 I  2.2 利用Vide041inux实现图像采集/ k& ?6 [$ t* \2 z8 f8 z; |
  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/# C# ^7 I3 C6 K6 A

- B% C. d  s4 v" J. K3 N" zdev/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:
3 y8 }( [0 U" O: K  V4L下视频采集编程首先要打开视频设备:
! H) _9 G0 n' o- S( P0 U  Int fd="open"(“/dev/v4l/video”,O_RDONLY);
7 j  w) Y- v' @9 y5 u# ~  U  If(fd<O)return-l;6 ?  g/ x+ M: D, A" Q9 y
  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。
. |! l5 ^* ^+ r" z+ I/ ~% e  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
; G% ~! d3 Q/ l) G8 R! k4 h) B- \5 K& y0 S( |
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:
' Y/ p$ C' |8 @# c7 W0 x- C4 ?  (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。
& m- t7 s0 F+ R  (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
+ P6 L; B! j$ d. K. v8 m0 y
& v+ h# W. ?5 q如下语句:
6 o4 X" t5 M8 u  grab_buf.height=240;. {$ O+ {. {! ^0 ?8 v
  grab_buf.width=320;
$ u" W1 D" I- w( Q  grab—buf.format=VIDEO_PALETTE_RGB24;! }; y' G, ?$ }7 r% T
  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7 r  C7 M/ h6 ]  F5 T( O7 P
5 h/ i  e5 o# J5 p* ^
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。
2 s% R& F9 x2 l( `' _  2.1 摄像头驱动的实现. Y# g6 `" V- v
  1)配置Vide04linux内核
7 H, u5 q" b6 b" C  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:4 ?+ P5 h1 H. d7 u
  Device driver--->
( W# A5 j8 n% J6 j. ^# ]0 v  Multimedia devices--->* l" j: c, A. o# K" B7 b/ [8 ~
  <*>Video for linux8 p* {1 y% Z- }2 D
  2)配置OV511驱动
+ K( K- g/ q: r, l5 k! w  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:. n; G$ r* `; ^
  SUB suppor--->
# X% _. s; J; l5 @: r  ]  <*>USB OV5llcamera support(NEW)
. p/ Z6 f' c" X: s. F8 C  3)模块安装
! R3 {; z" m% S" u0 z  执行以下命令安装视频输入模块:
6 A4 g* x) P, L0 D3 n$ o8 t5 {( K  insmod videodev.o
1 f7 h. \4 N0 {" n2 y0 B* H  执行以下命令安装视频输入设备驱动模块:( y& I  C: l! k* B
  insmod usbcore.o
" q/ f# f& k9 D2 A; C  insmod usb-ohci-s3c2410.ko1 ~; w$ v/ D/ o# O, I' Q1 M: L
  insmod ov511.o
; g  Z7 w! e7 Z( l. L  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。" {6 w, j1 ]4 `5 e# o
  3 无线传输模块
; B+ ^, C/ K- Y8 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。
+ C7 B! K/ i" j转自:http://www.3gtarena.com/
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