基于微處理器S3C2440和WinCE嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的視頻數(shù)據(jù)采集

隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，各種嵌入式微處理器和控制器不斷出現(xiàn)，并廣泛應(yīng)用于工控、通信、 PDA、安保等領(lǐng)域?；?a target="_blank">ARM920t內(nèi)核的嵌入式微處理器S3C2440，以其良好的數(shù)據(jù)處理能力、低功耗、小體積、支持多種嵌入式操作系統(tǒng)(如 WinCE、Linux)、集成多種外設(shè)(如I2C控制器、LCD控制器等)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于手持設(shè)備等。WinCE操作系統(tǒng)具有內(nèi)核可剪裁、實(shí)時(shí)性好、支持多種通信、模塊化設(shè)計(jì)、具有豐富的API等特點(diǎn)，廣泛用于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。這里提出的嵌入式圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是某“納米技術(shù)與微系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的“嵌入式傳感測(cè)控系統(tǒng)”中實(shí)現(xiàn)圖像采集功能的子系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以S3C2440為硬件核心，以WinCE為軟件平臺(tái)，能實(shí)時(shí)、連續(xù)地采集清晰的視頻數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及視頻數(shù)據(jù)采集原理

視頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1中可以看出。系統(tǒng)由嵌入式微處理器S3C2440、存儲(chǔ)器(包括Nand Flash和SDRAM)、以太網(wǎng)接口、CMOS圖像傳感器0V9650、USB主/從口、SD卡、JTAG接口、電源與復(fù)位電路、LCD與觸摸屏組成。其中，S3C2440為整個(gè)系統(tǒng)的硬件核心，負(fù)責(zé)采集來(lái)自圖像傳感器的數(shù)據(jù)，控制給各種外設(shè)等。Nand Flash存儲(chǔ)器與SDRAM構(gòu)成了系統(tǒng)的存儲(chǔ)器，其中SDRAM具有掉電數(shù)據(jù)不保存的特點(diǎn)，只用作系統(tǒng)內(nèi)存，用于運(yùn)行主程序等，而Nand Flash則具有掉電保存數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)內(nèi)核，引導(dǎo)加載程序(Bootloader)、用戶應(yīng)用程序等。

CMOS圖像傳感器及其接口電路用于采集視頻數(shù)據(jù)。LCD與觸摸屏構(gòu)成人機(jī)交互模塊，起到數(shù)據(jù)交互的作用，相當(dāng)于PC機(jī)的鍵盤(pán)和液晶。J- TAG接口用于系統(tǒng)硬件調(diào)試和下載Bootloader程序。USB主口不但可以用于外接U盤(pán)和移動(dòng)硬盤(pán)等，還可外接帶USB接口的鼠標(biāo)。在觸摸屏校正出現(xiàn)大的偏差無(wú)法校正時(shí)，用鼠標(biāo)輔助校正。USB從口用于下載WinCE內(nèi)核文件NK.bin。電源電路包括為微處理器與相關(guān)外設(shè)提供電壓(如微處理器的 1.3 V內(nèi)核電壓、LCD的3.3 V背光電壓)，以及為攝像頭供電。復(fù)位電路用于出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)重啟。以太網(wǎng)接口用于擴(kuò)展系統(tǒng)功能，在視頻數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，通過(guò)以太網(wǎng)，可以編程實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

視頻數(shù)據(jù)采集原理如下：應(yīng)用程序通過(guò)文件系統(tǒng)的API調(diào)用攝像頭驅(qū)動(dòng)程序的流接口函數(shù)發(fā)送命令。驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒔邮盏降拿钷D(zhuǎn)化為對(duì)外部設(shè)備的相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)處理器的CAMIF單元和圖像傳感器設(shè)備的初始化、I/O控制和電源管理等操作。圖像傳感器接收由處理器的I2C總線發(fā)送的配置數(shù)據(jù)，正常工作之后將圖像數(shù)據(jù)和VSYNC、HREF、PCLK 3個(gè)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送到處理器的CAMIF單元中，2條DMA通道將采集到的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)總線保存到內(nèi)存的幀緩沖區(qū)中，幀緩沖區(qū)的圖像數(shù)據(jù)能夠被流接口驅(qū)動(dòng)函數(shù)讀取。

2 攝像頭接口及其電源電路

攝像頭接口電路如圖2所示。本系統(tǒng)選用130萬(wàn)像素的CMOS攝像頭0V9650，通過(guò)串行攝像頭控制總線(Serial Camera Control Bus，SCCB)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制。OV9650支持SXGA、VGA、QVGA、CIF等格式，8位數(shù)據(jù)輸出格式，可以是 YUV/YCbCr(4：2：2)、GRB(4：2：2)和Raw RGB 3種。

OV9650內(nèi)部主要包括1 300xl 028的圖像傳感器陣列、模擬信號(hào)處理器、ADC、DSP、數(shù)字視頻端口、SCCB接口、定時(shí)信號(hào)發(fā)生器和輸出格式器。數(shù)據(jù)輸出位YO只在RAW RGB數(shù)據(jù)時(shí)用作LSB，而Y1只在RGB數(shù)據(jù)時(shí)用作MS，這里都不使用，而用到的主要引腳有：RESET為重置位，用于清空所有的寄存器并重置為默認(rèn)的值，高電平有效：HREF為內(nèi)部參考電壓引腳，為器件提供參考電壓：PWDN為關(guān)閉電源模式選擇位，高電平有效，為0時(shí)是正常模式，為1時(shí)電源關(guān)閉模式;SIO_D為SCCB串行接口數(shù)據(jù)I/O，SIO_C為串行接口時(shí)鐘輸入引腳;Y[2：9]為數(shù)據(jù)輸出位，共8位;VSYNC為垂直同步輸出引腳：PCLK為像素時(shí)鐘輸出引腳，XCLKl為系統(tǒng)時(shí)鐘輸入引腳。

OV9650的核心供電電壓為1.8 V.模擬輸入的供電電壓為2.45～2.8 V，I/O口的供電電壓可以為2.5～3.3 V。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，攝像頭供電電路如圖3所示。采用電源轉(zhuǎn)換器ASlll7為攝像頭提供1.8 V和2.8 V電壓，其中2.8 V電壓是通過(guò)可調(diào)壓器件分壓得到。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)包括兩部分：BSP的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。本文分別從這兩個(gè)方面簡(jiǎn)單論述，BSP的開(kāi)發(fā)主要介紹Bootloader程序設(shè)計(jì)及OV9650驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)。

3.1 Bootloader的開(kāi)發(fā)

BSP的開(kāi)發(fā)一般包括3個(gè)方面的內(nèi)容：Bootloader程序設(shè)計(jì)、OAL層及驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)。Bootloader是操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序，用于初始化系統(tǒng)的硬件設(shè)備，如初始化MMU、屏蔽所有中斷、初始化NandFlash等，建立系統(tǒng)的內(nèi)存空間映射。從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)已知的狀態(tài)，為操作系統(tǒng)內(nèi)核的最終調(diào)用準(zhǔn)備正確的環(huán)境。最后Bootloader把操作系統(tǒng)內(nèi)核映像加載到RAM中，并將系統(tǒng)的控制權(quán)傳遞于它，其作用類似于基于X86的PC中的BIOS。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的Bootloader，采用Eboot+Nboot的形式，支持USB從機(jī)下載通信手段和Nand flash存儲(chǔ)介質(zhì)。NandFlash不支持xip，故必須有一個(gè)可執(zhí)行的程序?qū)龑?xiě)在其中的Eboot搬到SDRAM中。Nboot一般配合 Eboot一起使用。Eboot與Nboot同樣為啟動(dòng)代碼，但是Eboot的大小遠(yuǎn)超過(guò)4 KB，故不能直接將Eboot存放在block0中。Nboot的作用是初始化Flash等硬件，將Eboot搬到SDRAM運(yùn)行。而Eboot則負(fù)責(zé)內(nèi)存地址的映射以及其余設(shè)備的初始化、加載NK.bin內(nèi)核文件等。Nboot與Eboot在其中的位置如圖4所示。

3.2 0V9650驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)

WinCE的驅(qū)動(dòng)程序按不同的分類方式分為：本機(jī)驅(qū)動(dòng)和流驅(qū)動(dòng)。而OV9650驅(qū)動(dòng)程序則屬于流驅(qū)動(dòng)程序。流接口驅(qū)動(dòng)程序由Device.exe統(tǒng)一加載和管理;用戶編寫(xiě)的應(yīng)用程序通過(guò)使用WinCE操作系統(tǒng)的文件API函數(shù)如 CloseHandler()函數(shù)、CreateFile()函數(shù)等與流接口進(jìn)行通信，達(dá)到應(yīng)用程序訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序最終操作硬件的目的。流接口驅(qū)動(dòng)程序具有固定的入口點(diǎn)函數(shù)，WinCE的文件系統(tǒng)通過(guò)這些入口點(diǎn)函數(shù)與流接口驅(qū)動(dòng)進(jìn)行通信。OV9650流接口驅(qū)動(dòng)程序的入口點(diǎn)函數(shù)包括：CIS_Init，CIS_Deinit，CIS_Open，CIS_Close，CIS_IOControl，CIS_Read，CIS_Write，CIS_PowerUp，CIS_PowerDown 等，CIS前綴表示設(shè)備的名稱。

驅(qū)動(dòng)程序首先調(diào)用Virtual_Alloc()函數(shù)來(lái)完成將物理地址映射到虛擬空間內(nèi)，以申請(qǐng)攝像頭I2C寄存器地址對(duì)應(yīng)的虛擬地址，隨后初始化I2C，通過(guò)下列語(yǔ)句打開(kāi)I2C，并設(shè)定其訪問(wèn)權(quán)限。

接著調(diào)用Cam_Init()函數(shù)，該函數(shù)主要負(fù)責(zé)攝像頭的一些硬件初始化工作，包括：攝像頭與S3C2440連接的GPI0的初始化、時(shí)鐘的初始化等。隨后調(diào)用IniTInterruptThread()函數(shù)，初始化中斷線程，通知系統(tǒng)注冊(cè)中斷;調(diào)用CreateEven()函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)CameraEvent事件，在CameraCapturerTbread()函數(shù)中，調(diào)用 WaitForSingle()biect()函數(shù)來(lái)等待CameraEvent事件的發(fā)生。

這里重點(diǎn)說(shuō)明CIS_IOControl()函數(shù)。該函數(shù)主要用于向設(shè)備發(fā)送一個(gè)命令。應(yīng)用程序使用DeviceIOControl()函數(shù)來(lái)通知WinCE調(diào)用這個(gè)函數(shù)，通過(guò)參數(shù)dwCode通知驅(qū)動(dòng)程序要執(zhí)行的操作。該函數(shù)通過(guò)switch()語(yǔ)句為用戶提供能操作的語(yǔ)義，以下給出實(shí)現(xiàn)播放采集的MPEG4視頻數(shù)據(jù)和退出驅(qū)動(dòng)、停止采集功能的關(guān)鍵代碼，“……”表示省略部分代碼。

驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)完成后，通過(guò)DEF與Sources文件的編寫(xiě)、流驅(qū)動(dòng)的編譯以及加載該驅(qū)動(dòng)進(jìn)入WinCE內(nèi)核，則直接可以通過(guò)應(yīng)用程序調(diào)用該驅(qū)動(dòng)。

3.3 應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)在可視化集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Embedded VisualC++中完成，主要基于MFC編程用C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。通過(guò)給“打開(kāi)”按鈕添加單擊事件代碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的打開(kāi)操作。打開(kāi)驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)以下語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)。if語(yǔ)句用于判斷m_hFile的初始值是否為1，為1則關(guān)閉攝像頭驅(qū)動(dòng)，重新賦值為1。CreateFile()函數(shù)用于打開(kāi)驅(qū)動(dòng)，并將結(jié)果返回給操作句柄。

給“返回”按鈕添加單擊時(shí)間響應(yīng)函數(shù)代碼。通過(guò)調(diào)用CIS_IOControl()函數(shù)中的CAM_IOCTL_MOVIE_STOP，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的關(guān)閉。其實(shí)現(xiàn)方式跟“打開(kāi)”按鈕基本一樣，這里不再贅述。當(dāng)然，返回按鈕還應(yīng)添加CDialog∷OnCancel()語(yǔ)句來(lái)返回到系統(tǒng)主界面。

4 視頻數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)完成后，單擊“打開(kāi)”按鈕，彈出“打開(kāi)CISl成功”對(duì)話框，如圖5所示，表明攝像頭驅(qū)動(dòng)打開(kāi)成功。單擊“顯示”按鈕，在右邊的視頻顯示區(qū)，能實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)的視頻數(shù)據(jù)，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)證明，攝像頭驅(qū)動(dòng)工作良好。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的“納米技術(shù)與微系統(tǒng)”墻面上的展板畫(huà)面比較清晰，達(dá)到了預(yù)期效果。單擊“返回”按鈕，視頻顯示畫(huà)面順利關(guān)閉，返回主界面成功。

5 結(jié)束語(yǔ)

以嵌入式微處理器S3C2440為硬件核心，以WinCE嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以EVC為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，B-SP的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。在開(kāi)發(fā)平臺(tái)上能順利打開(kāi)驅(qū)動(dòng)程序，順利采集到實(shí)驗(yàn)室的展板圖像并實(shí)時(shí)連續(xù)播放視頻數(shù)據(jù)，表明OV9650驅(qū)動(dòng)程序工作正常，軟硬件設(shè)計(jì)合理。下一步工作主要是采取合適的視頻編碼算法如H.264、M-JPEG等，通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。