基于ARM920T处理器核的图像采集系统设计

　　引言

　　随着微电子技术和软件技术的发展，嵌入式技术也有了长足的进步。因此，基于嵌入式技术的图像数据采集与存储监控系统以其直观、方便、信息内容丰富的特点，广泛应用于许多场合。

　　处理器性能的提高，接口传输数据能力的增强，特别是未来高容量存储器的出现，图像监控系统的小型化、多功能化是易于实现的，嵌入式技术引入图像监控系统后，两个问题需要解决，一是灵活的图像监控系统结构调整，二是适合监控规范、集图像和信号检测与控制一体的交互式软件的设计。

　　1 系统平台的搭建

　　1.1 硬件平台的搭建

　　ARM(AdvancedRISCMachines)，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的统称，还可以认为是一种技术的名字。

　　S3C2410处理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核，采用0.18um制造工艺的32位微控制器。该处理器拥有：独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND闪存控制器，3路UART，4路DMA，4路带PWM的Timer，I/O口，RTC，8路10位ADC，TouchScreen接口，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，2个USB主机，1个USB设备，SD主机和MMC接口，2路SPI。S3C2410处理器最高可运行在203MHz。

　　由S3C2410为核心的图像采集系统的硬件结构如图1所示。因为S3C2410内部只有很小的存储空间，所以我必须外扩系统的存储器，作为32位的微处理器，S3C2410支持8位，16位和32位寻址方式，有16M×32位的寻址能力，可方便地构建较大地存储空间，系统的存储器由FLASH和SDRAM构成。数码摄像头通过USB接口与S3C2410芯片连接，通过S3C2410芯片来控制数码摄像头对图像进行采集，并存储在存储器中。

　　

 

　　1.2 软件平台的搭建

　　嵌入式Linux(EmbeddedLinux)是指对Linux经过裁剪小型化后，可固化在存储器或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统。具体的搭建流程如图2所示。

　　

 

　　2 USB摄像头设备驱动的开发

　　在Linuxkernel源码目录中driver/usb/usb_skeleton.c提供了一个最基础的USB驱动程序，我们称为USB骨架。通过他仅需要修改极少的部分，就可以完成一个USB设备的驱动。我们的USB驱动开发也是从它开始的。USB驱动程序结构如下：

　　

 

　　该结构指明了USB设备驱动所要做的工作，具体内容如下：

　　(1)在驱动模块加载的时候，向USB核心子系统注册，并告诉子系统需要支持的设备。

　　(2)在卸载USB设备驱动程序向USB核心子系统注销。

　　(3)当获支持的设备插入或者拔出的时候，调用哪些功能。

　　在初始化函数中，USB设备驱动调用usb_register函数进行注册。

　　

 

　　以上介绍了简单USB设备驱动程序的框架。但是我们要进行的摄像头驱动开发比上述驱动稍微复杂些。除了之前讲到的USB驱动还包括图像采集部分的设备驱动。

　　首先，我们需要定义一个数据结构，其中一个包括图片信息、采集模式、解码方式。具体定义如下。

　　

 

　　

 

　　LinuxUSB驱动程序需要做的第一件事情就是在LinuxUSB子系统里注册，并提供一些相关信息，例如这个驱动程序支持哪种设备，当被支持的设备从系统插入或拔出时，会有哪些动作。所有这些信息都将传送到USB子系统中。以下代码完成USB摄像头的注册功能：

　　

 

　　以上定义的数据含义如下ZC301是客户端驱动程序的名称，用于避免驱动程序的重复安装和卸载。

　　zc301_probe则指向USB驱动程序的探测函数指针，提供给USB内核的函数，用于判断驱动程序是否能对设备的某个接口进行驱动。

　　zc301_disconnect指向USB驱动程序中的断开函数的指针，当从系统中被移除或者驱动程序正在从USB核心中卸载时，USB核心将调用该函数。

　　zc301_table列表包含了一系列该驱动程序可以支持的所有不同类型的USB设备，如没有设置该列表，则该驱动程序中的探测回调函数不会被调用。

　　系统启动时，首先需要加载各种驱动模块，然后向系统注册了生产厂商号码(VendorID)和产品号(Pro-ductID)。当USB设备连接到主机上，系统会检测它的VendorID和ProductID，如果与驱动模块的注册内容匹配，则将该驱动程序与设备挂接起来[5]。当插入摄像头时，系统会调用zc301_probe函数。参数dev指定了设备信息，probe函数验证所有可选配置的有效性，并调用usbvideo模块的sbvideo_Regis-terVideoDevice()函数向videodev系统注册。

　　当系统完成驱动注册后，调用staticintzc301_init(structusb_zc301*zc301)和staticvoidzc301_start(structusb_301*zc301)函数完成对设备的初始化过程：填写各个寄存器值、启动摄像头。系统运行到这一步，基本完成了对摄像头驱动加载及设备初始化。接下来需要通过读取用户设定的图像规格，其中包括：图像格式、分辨率、颜色深度、对比度和亮度等参数。这些数值的读取都是通过以下函数实现的：

　　

 

　　在得到这些参数值后，再调用一套函数，实现参数的设置。每个参数设置函数和之前的参数取值函数是一一对应的。具体函数如下：

　　

 

　　通过调用上面的函数，我们基本得到了所需的参数值，这样我们就可以启动摄像头了。

　　当然我们还需要staticvoidzc301_shutdown(structusb_zc301*zc301)来关闭摄像头。

　　至此，摄像头驱动的驱动基本完成。通过这些函数的设置我们可以把具体的硬件威廉希尔官方网站 抽象化为数据结构中的参数值。接下来我们可以通过V4L驱动来调用这些函数，实现对参数的赋值、打开设备、采集图像和关闭设备等一系列的过程。

　　重新编译、运行内核时，在串口反馈信息中会显示USB摄像头驱动程序成功加载。如图3所示。

　　

 

　　图3串口反馈信息3Video4Linux下的图像采集编程：

　　Video4Linux,简称V4L,是Linux中关于视频设备的内核驱动，它为针对视频设备的应用程序编程提供一系列半标准的接口。V4L利用这个接口，增加一些额外的功能，同时向外提供了一个属于自己的API。我们可以通过调用V4L的API来实现各种功能。在Linux下，视频采集设备的正常使用依赖于对Video4Linux标准的支持。目前的V4L涵盖了视、音频流捕捉及处理等内容，USB摄像头也属于它支持的范畴。

　　V4L中定义的主要数据结构：

　　

 

　　这些数据结构都是由Video4Linux支持的，它们的用途如下：

　　(1)video_capability包含摄像头的基本信息，例如设备名称、支持的最大最小分辨率、信号源信息等，分别对应着结构体中成员变量name、maxwidth、maxheight、minwidth、minheight、channels(信号源个数)、type等;

　　(2)voide_picture包含设备采集图像的各种属性，如brightness(亮度)、hue(色调)、contrast(对比度)、whiteness(色度)、depth(深度)等;

　　(3)video_mmap用于内存映射;

　　(4)voido_mbuf利用mmap进行映射的帧信息，实际上是输入到摄像头存储器缓冲中的帧信息，包括size(帧的大小)、frames(最多支持的帧数)、offsets(每帧相对基址的偏移)。

　　系统在采集图像之前，需要初始化这些数据结构中的参数值，系统才能够按照要求采集图像数据。

　　在USB摄像头被驱动后，只需要再编写一个对视频流采集的应用程序就可以了。根据嵌入式系统开发特征，先在宿主机上编写应用程序，再使用交叉编译器进行编译链接，生成在目标平台的可执行文件。宿主机与目标板通信采用打印终端的方式进行交叉调试，成功后移植到目标平台。

　　V4L图像采集编程流程：

　　(1)打开视频设备;

　　(2)读取设备信息;

　　(3)更改设备当前设置;

　　(4)视频采集得到图像信息;

　　(5)对采集到的图像进行处理;

　　(6)关闭视频设备。

　　本文编写采集程序是在安装Linux操作系统的宿主机PC机上进行的，之后再移植到开发板上。下面是具体论述。

　　之前我们讲到了在V4L中定义的主要数据结构及其功能。对应着这些内容，我们需要对这些数据结构进行定义，以抽象化一个视频设备。以下是具体的定义内容：

　　

 

　　摄像头、采集图像和关闭摄像头的操作。采集程序中定义了如下的函数，以实现前面讲到的功能。

　　intinit_videoIn(structvdIn*vd,char*device,intwidth,intheight,intgrabmethod);初始化摄像头设备。*vd包含了之前定义的数据结构中的基本信息。另外还要对摄像头采集图像的大小、采集模式等参数进行赋值。

　　intv4lGrab(structvdIn*vd,char*filename);采集图像主程序。*filename为图像的文件名，我们可以通过对文件名的设置来确定图像保存的位置。

　　intclose_v4l(structvdIn*vd);关闭摄像头intget_jpegsize(unsignedchar*buf,intinsize);采集图像的大小。

　　因为我们是通过调用采集主函数intv4lGrab(structvdIn*vd,char*filename)来实现图像的采集和保存的，所以需要详细的讲解一下该函数的构成。以下是该函数的具体内容：

　　

 

　　首先，我们需要定义几个参数，如下：

　　FILE*fp;定义一个文件类型指针，指向我们采集到的图像文件intlen;

　　定义一个整型变量，记录从内存中读取的数据量intsize;

　　定义一个整型变量，指明一帧图像的数据量interreur=0;定义一个整型变量，指明运行时的错误返回值intjpegsize;定义一个整型变量，指明我们需要的图像大小。

　　接着我们调用read(vd->fd,vd->pFramebuffer,size)函数，把存放于图像缓冲区的数据读入到指定的临时文件中。之后根据我们对图像的大小、亮度、对比度等要求转化之前采集到的图像数据，最后我们打开一个文件，把图像数据写入到该文件中并保存。

　　4 结论

　　本文设计了一种嵌入式视频采集系统，该系统小巧，并且在保证当前信息完整的情况下，尽可能少的占用存储容量，实现了该系统的图像采集、存储和重现功能。在硬件规划上，采用实用简单的USB接口通信。且系统中预留了丰富的外设接口，便于今后的扩展升级。