Linux和S3C2410的嵌入式圖象傳輸系統(tǒng)設計解析

　1 引言
　　如何更好的獲得監(jiān)控現(xiàn)場的圖象數(shù)據(jù)一直是棘手的一個問題，傳統(tǒng)的方法是采用CCD攝象機獲取現(xiàn)場的視頻信息，這種方法易于實現(xiàn)，但成本較高。隨著ARM系列處理器應用的越來越廣和基于linux的嵌入式技術的迅速發(fā)展，利用linux自身帶有的TCP/IP協(xié)議來實現(xiàn)遠程監(jiān)控、圖象傳輸已成為可能。本文提出的正是一種這樣的方法，利用市場上很常見的中星微系列的USB攝象頭來得到現(xiàn)場的圖象數(shù)據(jù)，利用linux內(nèi)核中的Video4Linux編程接口函數(shù)采集圖象，并把得到的圖象通過Internet傳輸?shù)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>上位機PC上，在PC上實現(xiàn)圖象的保存和顯示。
　　2 硬件系統(tǒng)設計原理
　　系統(tǒng)的硬件功能框圖如圖1所示，CPU采用的是三星公司的S3C2410。該處理器內(nèi)部集成了A R M 公司A R M 9 2 0 T 處理器核的3 2 位微控制器，并帶有獨立的16KB的指令Cache 和16KB的數(shù)據(jù)Cache、L C D 控制器、R A M 控制器、NAND 閃存控制器、3路UART、4路DMA 、4路帶PWM 的Timer、并行I/O口、8路10位ADC、觸摸屏接口、I2C接口、I2S接口、2 個U S B 接口控制器、2路SPI，主頻最高可達203MHZ。在此基礎上，平臺還進行了相應的配置和擴展，配置了4MB16位的Flash和8MB32位的SDRAM，通過以太網(wǎng)控制芯片DM9000E擴展了一個網(wǎng)口。引出了一個UART接口，通過RS232可以和宿主機做串口通訊。并引出了一個HOST USB接口，通過在USB接口上外接一個帶USB的攝象頭將采集到的圖象數(shù)據(jù)放入輸入緩沖區(qū)中。對緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行處理，最后通過網(wǎng)口發(fā)送到Internet上，在PC上保存和接收。
　　
　　圖 1 S3C2410系統(tǒng)平臺的硬件功能框圖
　　3 軟件系統(tǒng)設計
　　本文的軟件系統(tǒng)設計采用C/S（客戶機/服務器）模式，以S3C2410平臺作為服務器，以PC作為客戶端。服務器的主要任務是把得到的圖象數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet上去，客戶端的任務主要是從Internet上接收得到的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)以保存成文件。下面分別討論兩者的具體實現(xiàn)。
　　3.1 服務器端軟件系統(tǒng)設計
　　3.1.1 建立宿主機開發(fā)環(huán)境
　　本文以PC為宿主機，并帶有RedHat9.0系統(tǒng)，開發(fā)環(huán)境就建立在這個平臺上，其主要包括：交叉編譯器的的選擇和安裝、NFS和TFTP服務器的配置等。
　　對于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，由于沒有足夠的資源在目標板上運行開發(fā)工具和調(diào)試工具，所以通常采用交叉編譯調(diào)試的方式。開發(fā)時使用宿主機上的交叉編譯、匯編及連接工具形成可執(zhí)行的二進制代碼。然后把可執(zhí)行文件下載到目標機上運行。本文采用的交叉編譯器為arm-linux-gcc，具體安裝不再贅述。為了方便調(diào)試和下載燒寫，可讓宿主機支持NFS和TFTP服務器。需要特別說明的是為了支持TFTP服務器需要在安裝RedHat9.0時須選擇完全安裝，如果沒有選擇完全安裝，需要將第三張光盤里面的tftp-server-0.32-4.i386.rpm和tftp-0.32-4.i386.rpm安裝到宿主機下。
　　3.1.2 攝象頭驅動程序的實現(xiàn)
　　系統(tǒng)采用的是最普通的USB攝像頭，主芯片為中星微ZC0301P。這種攝象頭的一個特點是可以實現(xiàn)硬件JPEG編碼。其驅動程序的編寫重點包括下面的內(nèi)容：提供基本的I/O 操作接口函數(shù)open、read、write、close的實現(xiàn)、對中斷的處理實現(xiàn)、內(nèi)存映射功能以及對I/O 通道的控制接口函數(shù)ioctl的實現(xiàn)等，并把它們定義在struct file_operations中。這樣當應用程序對設備文件進行諸如open、close、read、write等系統(tǒng)調(diào)用操作時，Linux內(nèi)核將通過file_operations結構訪問驅動程序提供的函數(shù)。
　　當然，現(xiàn)在網(wǎng)上已經(jīng)有了這種攝象頭的通用驅動，可以從相關網(wǎng)站 下載usb-2.4.31.patch.gz，然后將這個補丁打到內(nèi)核對應的位置即可。但是對有些內(nèi)核版本的linux系統(tǒng)，在打補丁時，會產(chǎn)生Config.in.rej和Makefile.rej。這時只需要將這兩個文件中修改失敗的部分手動添加到對應的Config.in和Makefile中去就可以了。
　　3.1.3 linux內(nèi)核配置
　　對于已經(jīng)做過基本移植的linux在配置內(nèi)核的時有以下幾個方面是值得注意的：
　　1） 因為要用到內(nèi)核中的Video4Linux編程接口函數(shù)，所以在配置內(nèi)核時首先必須選中Video for Linux并且最好是直接編譯進內(nèi)核而不用編譯成模塊的形式再加載；
　　2） 要選中USB Support、OHCI、UHCI。并在USB Support下的USB Multimedia devices 中選中對應的攝象頭，對本系統(tǒng)來說，選擇USB SPCA5XX Sunplus Vimicro Sonix Cameras，并把它配置成Module。
　　3） 配置完內(nèi)核后做make dep， make zImage， make module。則在對應的spca5xx目錄下會生成spc5xx..o，可以把spc5xx..o通過NFS mount到目標板上或者加到主文件系統(tǒng)ramdisk中的某個目錄下。然后在目標板上做 insmod spca5xx.o就會找到攝象頭。
　　3.1.4 服務器端應用程序的編寫
　　完成驅動程序和內(nèi)核配置后就開始應用程序的編寫了，程序首先用交叉編譯器在宿主機上進行編譯連接，生成的的可執(zhí)行文件通過NFS mount到目標板上進行調(diào)試。調(diào)試成功后再固化到文件系統(tǒng)ramdisk中去。其實現(xiàn)主要有下面幾個步驟：
　　1） 初始化設備基本信息
　　2） 打開設備文件，讀取設備基本信息和信號源基本信息，并設置video_mmap并為定義的幀結構分配緩沖區(qū)并初始化線程互斥量
　　3） 創(chuàng)建圖象獲取的線程。該線程函數(shù)實現(xiàn)以內(nèi)存影射的方式讀取設備中的數(shù)據(jù)，鎖定線程互斥量，接著對幀結構的各個元素賦值。并解鎖互斥量。使該過程做一個死循環(huán)。
　　4） 創(chuàng)建一個基于連接的socket，并綁定到一個端口上，開始在該端口上偵聽。
　　5） 當有連接到來時，創(chuàng)建一個圖象發(fā)送的線程。該線程函數(shù)實現(xiàn)：如果確定讀取了客戶端的數(shù)據(jù)，則把緩沖區(qū)內(nèi)的一幀數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡上。讓這個過程也為死循環(huán)。
　　6） 控制兩個線程的同步
　　7） 如果程序退出，則關閉套接字，釋放分配的資源。
　　可以看出，程序的內(nèi)容主要有三個部分：圖象采集部分，圖象的網(wǎng)絡發(fā)送部分和程序的多線程控制部分。下面分別介紹一下這三個部分主要涉及的內(nèi)容。
　　在圖象采集部分，定義了一個數(shù)據(jù)結構，它的主要成員變量有：
　　l Video_capability 包含基本的設備信息（設備名稱、支持的最大最小分辨率、信號源信息）
　　l video_channel 關于各個信號源的屬性
　　l video_mbuf 利用mmap進行映射的幀的信息
　　l video_buffer 最底層對buffer的描述
　　l video_mmap 用于mmap
　　l pthread_mutex_t 線程互斥量
　　截取圖象方法有兩種：直接讀取設備文件和內(nèi)存影射的方法，本文采用后面一種。采用這種方法后，普通文件被映射到內(nèi)存地址空間，進程可以象訪問普通文件一樣訪問內(nèi)存，這樣做的一個好處是可以提高效率。做視頻截取的兩個主要函數(shù)是：
　　n ioctl（vd-》fd， VIDIOCMCAPTURE， &（vd-》mmap）） 若調(diào)用成功，開始一副圖象的截取。是否截取完畢留給VIDIOCSYNC來判斷。
　　n ioctl（vd-》fd， VIDIOCSYNC， &frame） 若調(diào)用成功，表明一幀截取已完成?？梢蚤_始做下一次截取
　　對于網(wǎng)絡發(fā)送部分，主要是linux下的socket編程，調(diào)用的主要函數(shù)有：創(chuàng)建套接字函數(shù)socket、端口綁定函數(shù)bind、監(jiān)聽
　　函數(shù)listen、等到連接函數(shù)accept、數(shù)據(jù)接收函數(shù)read、數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)write等。這些函數(shù)的具體定義和用法具體可以查閱相關資料 。需要說明的是為了能夠正確發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，要把定義的幀的結構體設置為單字節(jié)對齊，具體方法是在結構體的定義后面加上_attribute_（（packed））。
　　多線程編程部分用到的主要函數(shù)有：互斥量初始化函數(shù)pthread_mutex_init、互斥量鎖定函數(shù)pthread_mutex_lock、互斥量解鎖函數(shù)pthread_mutex_unlock、互斥量注銷函數(shù)pthread_ mutex _destroy、線程創(chuàng)建函數(shù)pthread _ create、線程同步函數(shù)pthread_join。此外，程序中為了能更好的實現(xiàn)兩個進程的同步，還需要用到信號量機制的一些內(nèi)容。受篇幅所限，這些函數(shù)的具體定義和用法請參考相關資料 。
　　3.2 客戶機端軟件系統(tǒng)設計
　　客戶端是建立在一臺PC機上，用Visual C++ 6.0設計一個基于MFC的界面作為接收端。在接收端主要完成從網(wǎng)絡緩沖區(qū)內(nèi)讀取數(shù)據(jù)，并保存成文件的形式，文件以接收到數(shù)據(jù)的時間為名。圖2為圖象采集時間間隔為1秒時程序執(zhí)行的結果。圖象大小為320 象素。需要說明的是：服務器端發(fā)送的數(shù)據(jù)采用了單字節(jié)對齊，對應的在客戶端接收的時候也要采用單字節(jié)對齊。在WINDOWS下實現(xiàn)內(nèi)存單字節(jié)對齊的方法是在定義的幀結構體前面加上#pragma pack （1），并在其定義之后加上#pragma pack （）。