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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。: ~/ K% k$ ]9 p6 ?& C3 u
  1 系统组成1 k  o3 q3 J$ X0 r$ ?% R
  1.1 统的硬件构成! ^4 |& C: j1 J6 M3 ^
  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% D; @& O0 ?, c5 ]  w# J! u' A
" w6 Y. T7 |" p- l6 L; ^$ 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
, T  t% _# A3 M9 j- w0 w: o/ ], u0 V; N" C+ D2 g+ k6 R3 k2 ]
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。
; A% z6 s, z! @  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/ ?* _  m9 y% K7 T3 G" R

- i0 |' }, ]- `" `7 R6 I. o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  m% T- u1 p2 H' \! L

2 p) ~* _' K" J$ D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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0 W4 t, B7 E$ Y* N4 u数据,LCD显示器主要用来显示视频图像。) W0 p2 Y$ ~! J* s3 X
  1.2 系统软件设计
7 S) M: M( P  A9 G  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0 |* y% S6 T8 Y) M- x8 G( |( K
9 g8 x5 E2 S% R% B4 N! W
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。/ |: i% ~; ?$ s% r" }4 S
  2 视频采集的具体实现
. o1 R9 u, b6 ]# d7 b  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: R  M. u0 n+ i
: l# j( p7 L/ d5 K7 ?( C, P
、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
: `  B, _8 [& Z7 \& w! t# {6 `& {
) J8 v7 V6 J: k" j& t3 l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:4 D0 H8 p% x& v+ O, c' ^
  2.2 利用Vide041inux实现图像采集
# [% u5 S/ d0 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/
! d5 m+ B( O( j$ U- g; j# G  n  H: Q  H8 Z2 M" W- Z" `
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:
. Z0 V) K  ~* r- ^% M  V4L下视频采集编程首先要打开视频设备:' S4 V& v4 N8 r# U4 d( `- _5 t
  Int fd="open"(“/dev/v4l/video”,O_RDONLY);
8 q1 V* Q) s: a7 L( |' o# Q  If(fd<O)return-l;
' M2 z! \7 y$ L/ G' X9 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。
' U: j% V* U# ^* x1 c1 {- ^5 h  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
" p9 ^) o7 E8 M6 j  C0 a" k9 n
8 u9 q- R0 t1 l& e6 G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:
0 y7 x  o$ o% x- b  (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。
2 T$ ~& o8 _# p: Q  (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: a+ R  V# F( J/ b& K* N

0 V  C" F( d0 G7 e5 j6 R+ k5 Z如下语句:4 ~7 ~( c3 W7 @1 r$ W
  grab_buf.height=240;3 L* H! s6 e" |0 S9 \: n1 Q; Q
  grab_buf.width=320;  q% V2 _" M, u7 K0 J2 X
  grab—buf.format=VIDEO_PALETTE_RGB24;
! X' W* m, {* C1 p  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
0 c4 i' r: r' X; A- Z4 r! Q5 P6 Y) a' N4 E! m8 n
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。+ j2 y/ f5 r% }, P0 j0 y
  2.1 摄像头驱动的实现2 y" V, o6 N7 `; b  m$ S6 g
  1)配置Vide04linux内核
5 h( v$ F. K! I  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:
1 n" J! `6 ~$ E; ?6 [4 B  Device driver--->5 F8 F7 R' X. H- ?
  Multimedia devices--->
& H! r- e' Q3 f1 B% @  <*>Video for linux$ k, _& k  T: j5 Z: P6 }; ?
  2)配置OV511驱动' i! F! l3 ~9 Q1 _! a4 ]
  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:
0 I' E6 n/ T' d1 o* l3 ^* i* i7 v  SUB suppor--->
# d4 |8 ^8 C0 c) D( D  <*>USB OV5llcamera support(NEW)
8 B+ n5 N8 P  S' v' \" B/ P  3)模块安装; @# M( V4 U, y* W8 Q* [
  执行以下命令安装视频输入模块:
, E: d/ q6 D' ^: ?' q+ F  insmod videodev.o
7 J  `' w) J9 g6 F! U  执行以下命令安装视频输入设备驱动模块:5 w1 o9 e: E* o/ z
  insmod usbcore.o9 w6 `8 l: B' O; {( J
  insmod usb-ohci-s3c2410.ko
  V; e( @' `$ k1 A# Z8 s( o  insmod ov511.o
, N( W, j5 n$ Q- K8 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。
+ L9 ?2 D+ t7 D1 v  d  3 无线传输模块
( K- K! C6 G9 A3 X& ]" u8 B  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。1 k# O/ @0 }% y
转自:http://www.3gtarena.com/
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