基于微處理器S3C2440和WinCE嵌入式實時操作系統(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，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、實時性好、支持多種通信、模塊化設(shè)計、具有豐富的API等特點，廣泛用于嵌入式實時操作系統(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)”實驗室開發(fā)的“嵌入式傳感測控系統(tǒng)”中實現(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，能實時、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為整個系統(tǒng)的硬件核心，負責(zé)采集來自圖像傳感器的數(shù)據(jù)，控制給各種外設(shè)等。Nand Flash存儲器與SDRAM構(gòu)成了系統(tǒng)的存儲器，其中SDRAM具有掉電數(shù)據(jù)不保存的特點，只用作系統(tǒng)內(nèi)存，用于運行主程序等，而Nand Flash則具有掉電保存數(shù)據(jù)的特點，用于存儲操作系統(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)成人機交互模塊，起到數(shù)據(jù)交互的作用，相當(dāng)于PC機的鍵盤和液晶。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盤和移動硬盤等，還可外接帶USB接口的鼠標。在觸摸屏校正出現(xiàn)大的偏差無法校正時，用鼠標輔助校正。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)故障時系統(tǒng)重啟。以太網(wǎng)接口用于擴展系統(tǒng)功能，在視頻數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，通過以太網(wǎng)，可以編程實現(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)用程序通過文件系統(tǒng)的API調(diào)用攝像頭驅(qū)動程序的流接口函數(shù)發(fā)送命令。驅(qū)動程序?qū)⒔邮盏降拿钷D(zhuǎn)化為對外部設(shè)備的相應(yīng)操作，實現(xiàn)對處理器的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個時鐘信號發(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130萬像素的CMOS攝像頭0V9650，通過串行攝像頭控制總線(Serial Camera Control Bus，SCCB)接口實現(xiàn)對其控制。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、模擬信號處理器、ADC、DSP、數(shù)字視頻端口、SCCB接口、定時信號發(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)時用作LSB，而Y1只在RGB數(shù)據(jù)時用作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時是正常模式，為1時電源關(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為像素時鐘輸出引腳，XCLKl為系統(tǒng)時鐘輸入引腳。

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電壓是通過可調(diào)壓器件分壓得到。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計應(yīng)當(dāng)包括兩部分：BSP的開發(fā)與應(yīng)用程序的開發(fā)。本文分別從這兩個方面簡單論述，BSP的開發(fā)主要介紹Bootloader程序設(shè)計及OV9650驅(qū)動程序開發(fā)。

3.1 Bootloader的開發(fā)

BSP的開發(fā)一般包括3個方面的內(nèi)容：Bootloader程序設(shè)計、OAL層及驅(qū)動程序開發(fā)。Bootloader是操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一段小程序，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)境帶到一個已知的狀態(tài)，為操作系統(tǒng)內(nèi)核的最終調(diào)用準備正確的環(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)計的Bootloader，采用Eboot+Nboot的形式，支持USB從機下載通信手段和Nand flash存儲介質(zhì)。NandFlash不支持xip，故必須有一個可執(zhí)行的程序?qū)龑懺谄渲械腅boot搬到SDRAM中。Nboot一般配合 Eboot一起使用。Eboot與Nboot同樣為啟動代碼，但是Eboot的大小遠超過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運行。而Eboot則負責(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)動程序的開發(fā)

WinCE的驅(qū)動程序按不同的分類方式分為：本機驅(qū)動和流驅(qū)動。而OV9650驅(qū)動程序則屬于流驅(qū)動程序。流接口驅(qū)動程序由Device.exe統(tǒng)一加載和管理;用戶編寫的應(yīng)用程序通過使用WinCE操作系統(tǒng)的文件API函數(shù)如 CloseHandler()函數(shù)、CreateFile()函數(shù)等與流接口進行通信，達到應(yīng)用程序訪問驅(qū)動程序最終操作硬件的目的。流接口驅(qū)動程序具有固定的入口點函數(shù)，WinCE的文件系統(tǒng)通過這些入口點函數(shù)與流接口驅(qū)動進行通信。OV9650流接口驅(qū)動程序的入口點函數(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)動程序首先調(diào)用Virtual_Alloc()函數(shù)來完成將物理地址映射到虛擬空間內(nèi)，以申請攝像頭I2C寄存器地址對應(yīng)的虛擬地址，隨后初始化I2C，通過下列語句打開I2C，并設(shè)定其訪問權(quán)限。

接著調(diào)用Cam_Init()函數(shù)，該函數(shù)主要負責(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)注冊中斷;調(diào)用CreateEven()函數(shù)創(chuàng)建一個CameraEvent事件，在CameraCapturerTbread()函數(shù)中，調(diào)用 WaitForSingle()biect()函數(shù)來等待CameraEvent事件的發(fā)生。

這里重點說明CIS_IOControl()函數(shù)。該函數(shù)主要用于向設(shè)備發(fā)送一個命令。應(yīng)用程序使用DeviceIOControl()函數(shù)來通知WinCE調(diào)用這個函數(shù)，通過參數(shù)dwCode通知驅(qū)動程序要執(zhí)行的操作。該函數(shù)通過switch()語句為用戶提供能操作的語義，以下給出實現(xiàn)播放采集的MPEG4視頻數(shù)據(jù)和退出驅(qū)動、停止采集功能的關(guān)鍵代碼，“……”表示省略部分代碼。

驅(qū)動程序編寫完成后，通過DEF與Sources文件的編寫、流驅(qū)動的編譯以及加載該驅(qū)動進入WinCE內(nèi)核，則直接可以通過應(yīng)用程序調(diào)用該驅(qū)動。

3.3 應(yīng)用程序開發(fā)

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

給“返回”按鈕添加單擊時間響應(yīng)函數(shù)代碼。通過調(diào)用CIS_IOControl()函數(shù)中的CAM_IOCTL_MOVIE_STOP，實現(xiàn)對驅(qū)動程序的關(guān)閉。其實現(xiàn)方式跟“打開”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()語句來返回到系統(tǒng)主界面。

4 視頻數(shù)據(jù)采集實驗結(jié)果

應(yīng)用程序開發(fā)完成后，單擊“打開”按鈕，彈出“打開CISl成功”對話框，如圖5所示，表明攝像頭驅(qū)動打開成功。單擊“顯示”按鈕，在右邊的視頻顯示區(qū)，能實時顯示動態(tài)的視頻數(shù)據(jù)，如圖6所示。實驗證明，攝像頭驅(qū)動工作良好。實時數(shù)據(jù)采集的“納米技術(shù)與微系統(tǒng)”墻面上的展板畫面比較清晰，達到了預(yù)期效果。單擊“返回”按鈕，視頻顯示畫面順利關(guān)閉，返回主界面成功。

5 結(jié)束語

以嵌入式微處理器S3C2440為硬件核心，以WinCE嵌入式實時操作系統(tǒng)為軟件開發(fā)平臺，以EVC為集成開發(fā)環(huán)境，完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計，B-SP的開發(fā)和應(yīng)用程序設(shè)計。在開發(fā)平臺上能順利打開驅(qū)動程序，順利采集到實驗室的展板圖像并實時連續(xù)播放視頻數(shù)據(jù)，表明OV9650驅(qū)動程序工作正常，軟硬件設(shè)計合理。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，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，實現(xiàn)視頻遠程監(jiān)控功能。