Linux和S3C2410的嵌入式圖象傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)解析

　1 引言
　　如何更好的獲得監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的圖象數(shù)據(jù)一直是棘手的一個(gè)問(wèn)題，傳統(tǒng)的方法是采用CCD攝象機(jī)獲取現(xiàn)場(chǎng)的視頻信息，這種方法易于實(shí)現(xiàn)，但成本較高。隨著ARM系列處理器應(yīng)用的越來(lái)越廣和基于linux的嵌入式技術(shù)的迅速發(fā)展，利用linux自身帶有的TCP/IP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(chǎng)上很常見(jiàn)的中星微系列的USB攝象頭來(lái)得到現(xiàn)場(chǎng)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(guò)Internet傳輸?shù)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>上位機(jī)PC上，在PC上實(shí)現(xiàn)圖象的保存和顯示。
　　2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dú)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(gè)U S B 接口控制器、2路SPI，主頻最高可達(dá)203MHZ。在此基礎(chǔ)上，平臺(tái)還進(jìn)行了相應(yīng)的配置和擴(kuò)展，配置了4MB16位的Flash和8MB32位的SDRAM，通過(guò)以太網(wǎng)控制芯片DM9000E擴(kuò)展了一個(gè)網(wǎng)口。引出了一個(gè)UART接口，通過(guò)RS232可以和宿主機(jī)做串口通訊。并引出了一個(gè)HOST USB接口，通過(guò)在USB接口上外接一個(gè)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(duì)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后通過(guò)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(tái)的硬件功能框圖
　　3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　本文的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用C/S（客戶機(jī)/服務(wù)器）模式，以S3C2410平臺(tái)作為服務(wù)器，以PC作為客戶端。服務(wù)器的主要任務(wù)是把得到的圖象數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet上去，客戶端的任務(wù)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(shí)現(xiàn)。
　　3.1 服務(wù)器端軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　3.1.1 建立宿主機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境
　　本文以PC為宿主機(jī)，并帶有RedHat9.0系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)環(huán)境就建立在這個(gè)平臺(tái)上，其主要包括：交叉編譯器的的選擇和安裝、NFS和TFTP服務(wù)器的配置等。
　　對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，由于沒(méi)有足夠的資源在目標(biāo)板上運(yùn)行開(kāi)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(kāi)發(fā)時(shí)使用宿主機(jī)上的交叉編譯、匯編及連接工具形成可執(zhí)行的二進(jìn)制代碼。然后把可執(zhí)行文件下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)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(jī)支持NFS和TFTP服務(wù)器。需要特別說(shuō)明的是為了支持TFTP服務(wù)器需要在安裝RedHat9.0時(shí)須選擇完全安裝，如果沒(méi)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(jī)下。
　　3.1.2 攝象頭驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)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(gè)特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)硬件JPEG編碼。其驅(qū)動(dòng)程序的編寫重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)、對(duì)中斷的處理實(shí)現(xiàn)、內(nèi)存映射功能以及對(duì)I/O 通道的控制接口函數(shù)ioctl的實(shí)現(xiàn)等，并把它們定義在struct file_operations中。這樣當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進(jìn)行諸如open、close、read、write等系統(tǒng)調(diào)用操作時(shí)，Linux內(nèi)核將通過(guò)file_operations結(jié)構(gòu)訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序提供的函數(shù)。
　　當(dāng)然，現(xiàn)在網(wǎng)上已經(jīng)有了這種攝象頭的通用驅(qū)動(dòng)，可以從相關(guān)網(wǎng)站 下載usb-2.4.31.patch.gz，然后將這個(gè)補(bǔ)丁打到內(nèi)核對(duì)應(yīng)的位置即可。但是對(duì)有些內(nèi)核版本的linux系統(tǒng)，在打補(bǔ)丁時(shí)，會(huì)產(chǎn)生Config.in.rej和Makefile.rej。這時(shí)只需要將這兩個(gè)文件中修改失敗的部分手動(dòng)添加到對(duì)應(yīng)的Config.in和Makefile中去就可以了。
　　3.1.3 linux內(nèi)核配置
　　對(duì)于已經(jīng)做過(guò)基本移植的linux在配置內(nèi)核的時(shí)有以下幾個(gè)方面是值得注意的：
　　1） 因?yàn)橐玫絻?nèi)核中的Video4Linux編程接口函數(shù)，所以在配置內(nèi)核時(shí)首先必須選中Video for Linux并且最好是直接編譯進(jìn)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(duì)應(yīng)的攝象頭，對(duì)本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(duì)應(yīng)的spca5xx目錄下會(huì)生成spc5xx..o，可以把spc5xx..o通過(guò)NFS mount到目標(biāo)板上或者加到主文件系統(tǒng)ramdisk中的某個(gè)目錄下。然后在目標(biāo)板上做 insmod spca5xx.o就會(huì)找到攝象頭。
　　3.1.4 服務(wù)器端應(yīng)用程序的編寫
　　完成驅(qū)動(dòng)程序和內(nèi)核配置后就開(kāi)始應(yīng)用程序的編寫了，程序首先用交叉編譯器在宿主機(jī)上進(jìn)行編譯連接，生成的的可執(zhí)行文件通過(guò)NFS mount到目標(biāo)板上進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試成功后再固化到文件系統(tǒng)ramdisk中去。其實(shí)現(xiàn)主要有下面幾個(gè)步驟：
　　1） 初始化設(shè)備基本信息
　　2） 打開(kāi)設(shè)備文件，讀取設(shè)備基本信息和信號(hào)源基本信息，并設(shè)置video_mmap并為定義的幀結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)以內(nèi)存影射的方式讀取設(shè)備中的數(shù)據(jù)，鎖定線程互斥量，接著對(duì)幀結(jié)構(gòu)的各個(gè)元素賦值。并解鎖互斥量。使該過(guò)程做一個(gè)死循環(huán)。
　　4） 創(chuàng)建一個(gè)基于連接的socket，并綁定到一個(gè)端口上，開(kāi)始在該端口上偵聽(tīng)。
　　5） 當(dāng)有連接到來(lái)時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)圖象發(fā)送的線程。該線程函數(shù)實(shí)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(luò)上。讓這個(gè)過(guò)程也為死循環(huán)。
　　6） 控制兩個(gè)線程的同步
　　7） 如果程序退出，則關(guān)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(gè)部分：圖象采集部分，圖象的網(wǎng)絡(luò)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(gè)部分主要涉及的內(nèi)容。
　　在圖象采集部分，定義了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它的主要成員變量有：
　　l Video_capability 包含基本的設(shè)備信息（設(shè)備名稱、支持的最大最小分辨率、信號(hào)源信息）
　　l video_channel 關(guān)于各個(gè)信號(hào)源的屬性
　　l video_mbuf 利用mmap進(jìn)行映射的幀的信息
　　l video_buffer 最底層對(duì)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(shè)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(jìn)程可以象訪問(wèn)普通文件一樣訪問(wèn)內(nèi)存，這樣做的一個(gè)好處是可以提高效率。做視頻截取的兩個(gè)主要函數(shù)是：
　　n ioctl（vd-》fd， VIDIOCMCAPTURE， &（vd-》mmap）） 若調(diào)用成功，開(kāi)始一副圖象的截取。是否截取完畢留給VIDIOCSYNC來(lái)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_(kāi)始做下一次截取
　　對(duì)于網(wǎng)絡(luò)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(tīng)
　　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(guān)資料 。需要說(shuō)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(jié)構(gòu)體設(shè)置為單字節(jié)對(duì)齊，具體方法是在結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)兩個(gè)進(jìn)程的同步，還需要用到信號(hào)量機(jī)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(qǐng)參考相關(guān)資料 。
　　3.2 客戶機(jī)端軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　客戶端是建立在一臺(tái)PC機(jī)上，用Visual C++ 6.0設(shè)計(jì)一個(gè)基于MFC的界面作為接收端。在接收端主要完成從網(wǎng)絡(luò)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(shí)間為名。圖2為圖象采集時(shí)間間隔為1秒時(shí)程序執(zhí)行的結(jié)果。圖象大小為320 象素。需要說(shuō)明的是：服務(wù)器端發(fā)送的數(shù)據(jù)采用了單字節(jié)對(duì)齊，對(duì)應(yīng)的在客戶端接收的時(shí)候也要采用單字節(jié)對(duì)齊。在WINDOWS下實(shí)現(xiàn)內(nèi)存單字節(jié)對(duì)齊的方法是在定義的幀結(jié)構(gòu)體前面加上#pragma pack （1），并在其定義之后加上#pragma pack （）。