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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。
" ^9 f0 ?5 q* l  1 系统组成
7 M# Y$ ]2 d3 |! W7 I7 @9 C  1.1 统的硬件构成
' f# Y; D; C; ?! P  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
4 C% N# I  w4 Q4 C, n8 ?* P3 m/ n% Q6 ]* S% h6 k
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
" x% M5 n" v! B  t, g* B
2 [5 V+ i( q! w, ~; z) O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。; ^- N4 X% }- A+ d8 q, d8 i: Q
  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
/ v) A" o' l0 K2 }3 S0 l4 u5 s- _; X# P) W* L7 _
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
4 E0 W$ l# _# a7 Y5 u
) Z& W" H' M8 v8 C+ e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
9 C4 W: s( F" O4 d7 X3 [1 u/ Y$ p( L7 N+ H$ W$ C
数据,LCD显示器主要用来显示视频图像。
. c7 T; a% q: U1 f8 o7 T9 [! m* i  1.2 系统软件设计
( d; E- [1 L( v% o4 \  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
/ |9 n+ \1 U& o3 c5 j1 P! R/ N6 ^7 h& r* z4 y8 I' g) h8 F9 X6 K
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。0 u! `" x; ?" f- x1 W
  2 视频采集的具体实现
8 S: O. }! h8 @- q7 [9 P% f  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
( Y, ~1 @. Q- a1 ]3 o1 K- v4 A* a" I" O7 M
、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$ x: b. x! F  [+ J
& G& z: x  W4 Z3 ~$ `4 {
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 k: W( h) a: h
  2.2 利用Vide041inux实现图像采集7 }8 {% d% ]- ]( |- P) y8 D- U
  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/7 }$ n8 b: ?' [+ Y. c

- m! l9 ?# a" {$ _dev/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:# M& U5 n, Q/ V, y
  V4L下视频采集编程首先要打开视频设备:
4 X7 C$ [$ z% E  Int fd="open"(“/dev/v4l/video”,O_RDONLY);
/ j& v; u( H/ C) U% J, N  f  If(fd<O)return-l;$ C. W8 q) z/ J
  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。
3 A+ b: X; L  e2 D  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 r0 R7 z8 [  c$ r: }6 N* Y8 c7 b4 `% r2 C% c* o" ?0 A& [
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:
* ]$ B6 B. k: y9 P) o6 W, X4 ^  (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。
* H3 ~& H, }, B+ x. f  (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
7 H  A* o# ^' D% F6 ~5 R* [1 @8 m: Y# u8 g; z
如下语句:
% q0 u2 e% T" t  grab_buf.height=240;
7 Q  t' X/ w1 a6 g  H  f9 ~  grab_buf.width=320;
& c8 Q( [* \4 a- w; K( r; t# D( x8 H  grab—buf.format=VIDEO_PALETTE_RGB24;
: w7 h, E* y# i2 ^" m  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
) Y: _, R+ v4 {+ ^% X: k/ e9 E7 U! f% I9 x  P; d
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。; z: G% D; Y' p7 f" A
  2.1 摄像头驱动的实现* m5 L1 x/ r1 d4 f/ H; \
  1)配置Vide04linux内核! t+ o& z" t# p; H' 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:8 I8 x- L8 b3 b: \$ N
  Device driver--->
; f8 i$ B8 b$ M6 o  Multimedia devices--->9 \, w9 P$ j0 y' @% ^( P3 @
  <*>Video for linux
$ N0 e% m9 b7 Z1 T9 |2 _  2)配置OV511驱动
3 T4 e- R; [* H5 h( U  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:
% O' m; ]: K' d9 {' y8 L  SUB suppor--->
' j5 R- ?& ?# e( r  e$ S  T1 ^" |  <*>USB OV5llcamera support(NEW)
) b5 [% x3 A' R7 f& A  3)模块安装9 b4 a4 d0 N& k% F2 y7 H9 d
  执行以下命令安装视频输入模块:
0 R! a  x2 [1 R& d4 J" E& j: r  insmod videodev.o' M. \! W2 U8 J9 }8 @2 r. a0 c1 j
  执行以下命令安装视频输入设备驱动模块:
3 a* T. I8 i4 l6 f: m! `: z6 k. J$ D  insmod usbcore.o& L: l1 |( H' q$ D& U
  insmod usb-ohci-s3c2410.ko* R# D5 g- G0 U; p3 @5 f+ |
  insmod ov511.o
) f! [: P; v$ v/ h  X  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。
& H+ A- F6 \0 w  3 无线传输模块
9 s4 y' }6 A7 K1 o* d- G( K7 e  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。6 f7 M% t7 W2 ]3 I6 O. I( ]% N) l0 p
转自:http://www.3gtarena.com/
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