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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。5 i5 F6 p, t* F# c* g) k6 C
  1 系统组成
& d5 i6 |, [7 M" t) O0 Y' Z! A# J  1.1 统的硬件构成8 v$ c& h* X% V( C3 L( ^$ g
  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) T8 j& s  `0 {6 G6 y

' l1 t2 r) t4 ]" \; T! E2 n7 B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( j' l2 y( U3 I& D7 V

( ]& r" B  E' ?& a+ k5 |) a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 ?/ B; v: i5 U7 C  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2 U$ u) @: k1 V9 T5 j
. x4 R/ ]" k, E7 g6 I* f# v0 a
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
* o# u5 G( e. F& t; Z/ A# ^- ~: H" |
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# S( c3 U; B5 C. P4 O+ n4 }6 z' V; R
  b9 |: M% k3 H* A
数据,LCD显示器主要用来显示视频图像。
9 y- q- J' c& x: ]* c! R& j  1.2 系统软件设计8 R3 @7 `- Y/ a/ n, P! 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
, A# u$ x% |( ^" v+ ]7 s# v' {( S$ s
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。
! T8 M- Q( Z4 Z& h* t2 P9 A  2 视频采集的具体实现. g6 ^# A0 O& u: t5 T0 \, O1 g
  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
, x: J: ]" f/ x# U: _
7 a% J: G8 _% B3 n' U2 V、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3 |( B0 e4 U& \6 o  W* u% K
) ]9 `6 ~0 k/ s7 ]9 R2 F- o9 c
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:
5 n( K$ D! T! j  2.2 利用Vide041inux实现图像采集4 |2 o5 u) z) ?& B. b: S
  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/
2 o2 B. l1 \5 W9 |& V' `: S7 X& n/ Z! x1 ^7 l  }( w
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:* n8 g6 L2 C2 x) s
  V4L下视频采集编程首先要打开视频设备:
' A8 v& ?% g8 q6 t9 ^$ e6 m  Int fd="open"(“/dev/v4l/video”,O_RDONLY);
9 f0 ^& {5 |& b  d5 L: K  If(fd<O)return-l;
+ o' o5 l$ s8 k# u8 t; H  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) P5 ?. w; D6 d* n* ?& K
  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
! W* }. _4 P7 [8 I5 |% [/ ^4 P# y6 S# @) J) v2 C3 Z# \
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:! h* O. [( k) R! q
  (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。
( H0 f2 _; H" o1 |) @: A! `, v  (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
0 }- K7 E7 a$ @* s6 t% N" H
. T% g' p1 E4 q4 @如下语句:( `9 k& |3 I( y9 b
  grab_buf.height=240;
# A1 m3 P! m" v5 a) d- ]- n  grab_buf.width=320;
! _* u5 d/ P0 ]" J5 ^  grab—buf.format=VIDEO_PALETTE_RGB24;
0 o1 b  _0 u& {6 B  d  ~  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% m  I1 B. H4 d% M- {

" ?7 u- p# Z8 F. |( V5 Y4 c/ [2 S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。- p# f% A# A" k
  2.1 摄像头驱动的实现
+ b* ?4 H9 s3 R  1)配置Vide04linux内核
% Z/ Q  v  g  N5 P" 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:) E! q% T; f; f
  Device driver--->+ L. B, t$ X, Y. ^- W
  Multimedia devices--->
( p& ]& B, E1 V- E0 g  <*>Video for linux
- H# {( _8 e3 q  2)配置OV511驱动
( i( T& }4 \/ \5 j! m) e  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:
# I( Y9 X+ O# F3 C2 k5 w5 O# Z8 _) l  SUB suppor--->7 }' s* s7 E8 h' G* v' G- b2 m
  <*>USB OV5llcamera support(NEW)1 i$ c7 ~9 C/ _+ z) z: R' F
  3)模块安装
% ^. Z" g5 h7 }0 w6 @3 U  执行以下命令安装视频输入模块:
( Q! Q6 Y5 B. l% c, d- {% L  v% U0 h  n& e  insmod videodev.o
9 _0 I5 W( ~3 Z  执行以下命令安装视频输入设备驱动模块:
+ A1 B/ e; x  k, ^: @7 J8 j  insmod usbcore.o' \+ f' [! D& [% A/ T; F+ l+ A
  insmod usb-ohci-s3c2410.ko
$ ^0 r+ H" X4 J$ V9 p8 s  `( W* d  insmod ov511.o; a, U$ {! J& S+ K9 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。
/ ^; _: c! O2 d. ~  3 无线传输模块, s5 w" h8 B- G6 W6 X2 u9 F( t0 M
  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。
5 Z" T% r; e4 \7 Y转自:http://www.3gtarena.com/
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