嵌入式ARM的图像采集与传输设计

laner1318

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。
　　1 系统组成
+ A! A9 p! @5 _( W8 ^) ]1 }　　1．1 统的硬件构成
　　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

0 u, `, p; `0 m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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0 s$ D/ n, Y" X8 S! }. r# ~. M; g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。
　　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

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
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- d9 H. ~6 f9 ?7 p; S$ I( D0 R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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数据，LCD显示器主要用来显示视频图像。
　　1．2 系统软件设计
: }3 |' O% |; ~/ w) A( r% e　　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

/ k$ U# m8 ?% G; \7 Q, r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。
　　2 视频采集的具体实现
　　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
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: |3 h- ]9 ]/ O. g# u  B. \7 V8 m. a5 j、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
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* f) A. F$ |1 Y9 u% d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：
3 @; O  |7 r% V# B　　2．2 利用Vide041inux实现图像采集
! f6 [& v' O9 \, `　　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／

9 g% L. p& I0 I1 a# w5 \& f. Jdev／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：
　　V4L下视频采集编程首先要打开视频设备：
　　Int fd="open"(“／dev／v4l／video”，O_RDONLY)；
5 r7 a1 s; U/ w# a$ c$ C1 x　　If(fd<O)return-l；
  M3 q! D0 A. E$ V9 U　　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。
　　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
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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：
　　(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。
9 g% X/ A5 }# c　　(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
  j. r. D$ w# A, e7 u: `
4 D- h7 y8 B0 `9 x4 a5 w' s如下语句：
/ S; Z- g  ]2 Z; G- I8 q　　grab_buf．height=240；
　　grab_buf．width=320；
　　grab—buf．format=VIDEO_PALETTE_RGB24；
; o3 `* p  d% j" s1 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
, q2 K/ |6 h( M' x, c
$ k; h: U7 g' k; }4 ^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。
　　2．1 摄像头驱动的实现
　　1)配置Vide04linux内核
　　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：
　　Device driver--->
　　Multimedia devices--->
　　<*>Video for linux
4 B" g/ G6 Y5 j4 r0 M3 H　　2)配置OV511驱动
3 r; N# Q* @! Y/ D( a) J" 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：
( L9 U5 S, X' O* i+ `　　SUB suppor--->
　　<*>USB OV5llcamera support(NEW)
　　3)模块安装
/ @7 |' T: M- [　　执行以下命令安装视频输入模块：
* [% Y! O2 l' l　　insmod videodev．o
( q# |4 ~3 N8 J: S9 d- m; M% Y　　执行以下命令安装视频输入设备驱动模块：
　　insmod usbcore．o
　　insmod usb-ohci-s3c2410．ko
　　insmod ov511．o
: s- C' ~1 k  A9 m* U　　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% d: V/ @" c$ b　　3 无线传输模块
$ l8 f8 j" ]4 p: m, 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。
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