基于WinCE的嵌入式視頻數據采集系統設計

隨著(zhù)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，并廣泛應用于工控、通信、PDA、安保等領(lǐng)域。基于ARM920t內核的嵌入式微處理器S3C2440，以其良好的數據處理能力、低功耗、小體積、支持多種嵌入式操作系統(如WinCE、Linux)、集成多種外設(如I2C控制器、LCD控制器等)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于手持設備等。WinCE操作系統具有內核可剪裁、實(shí)時(shí)性好、支持多種通信、模塊化設計、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。這里提出的嵌入式圖像數據采集系統是某“納米技術(shù)與微系統”實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的“嵌入式傳感測控系統”中實(shí)現圖像采集功能的子系統，該系統是以S3C2440為硬件核心，以WinCE為軟件平臺，能實(shí)時(shí)、連續地采集清晰的視頻數據。

1 系統結構框圖及視頻數據采集原理

視頻數據采集系統結構如圖1所示。

從圖1中可以看出。系統由嵌入式微處理器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、電源與復位電路、LCD與觸摸屏組成。其中，S3C2440為整個(gè)系統的硬件核心，負責采集來(lái)自圖像傳感器的數據，控制給各種外設等。Nand flash存儲器與SDRAM構成了系統的存儲器，其中SDRAM具有掉電數據不保存的特點(diǎn)，只用作系統內存，用于運行主程序等，而Nand Flash則具有掉電保存數據的特點(diǎn)，用于存儲操作系統內核，引導加載程序(Bootloader)、用戶(hù)應用程序等。

CMOS圖像傳感器及其接口電路用于采集視頻數據。LCD與觸摸屏構成人機交互模塊，起到數據交互的作用，相當于PC機的鍵盤(pán)和液晶。J-TAG接口用于系統硬件調試和下載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。在觸摸屏校正出現大的偏差無(wú)法校正時(shí)，用鼠標輔助校正。USB從口用于下載WinCE內核文件NK．bin。電源電路包括為微處理器與相關(guān)外設提供電壓(如微處理器的1．3 V內核電壓、LCD的3．3 V背光電壓)，以及為攝像頭供電。復位電路用于出現故障時(shí)系統重啟。以太網(wǎng)接口用于擴展系統功能，在視頻數據采集的基礎上，通過(guò)以太網(wǎng)，可以編程實(shí)現視頻數據的網(wǎng)絡(luò )傳輸。

視頻數據采集原理如下：應用程序通過(guò)文件系統的API調用攝像頭驅動(dòng)程序的流接口函數發(fā)送命令。驅動(dòng)程序將接收到的命令轉化為對外部設備的相應操作，實(shí)現對處理器的CAMIF單元和圖像傳感器設備的初始化、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(xiàn)發(fā)送的配置數據，正常工作之后將圖像數據和VSYNC、HREF、PCLK 3個(gè)時(shí)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據通過(guò)系統總線(xiàn)保存到內存的幀緩沖區中，幀緩沖區的圖像數據能夠被流接口驅動(dòng)函數讀取。

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(xiàn)(Serial Camera Control Bus，SCCB)接口實(shí)現對其控制。OV9650支持SXGA、VGA、QVGA、CIF等格式，8位數據輸出格式，可以是YUV／YCbCr(4：2：2)、GRB(4：2：2)和Raw RGB 3種。

OV9650內部主要包括1 300xl 028的圖像傳感器陣列、模擬信號處理器、ADC、DSP、數字視頻端口、SCCB接口、定時(shí)信號發(fā)生器和輸出格式器。數據輸出位YO只在RAW RGB數據時(shí)用作LSB，而Y1只在RGB數據時(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的值，高電平有效：HREF為內部參考電壓引腳，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串行接口數據I／O，SIO_C為串行接口時(shí)鐘輸入引腳；Y[2：9]為數據輸出位，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。本系統設計中，攝像頭供電電路如圖3所示。采用電源轉換器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)可調壓器件分壓得到。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計應當包括兩部分：BSP的開(kāi)發(fā)與應用程序的開(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程序設計及OV9650驅動(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)方面的內容：Bootloader程序設計、OAL層及驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)。Bootloader是操作系統內核運行之前運行的一段小程序，用于初始化系統的硬件設備，如初始化MMU、屏蔽所有中斷、初始化NandFlash等，建立系統的內存空間映射。從而將系統的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)已知的狀態(tài)，為操作系統內核的最終調用準備正確的環(huán)境。最后Bootloader把操作系統內核映像加載到RAM中，并將系統的控制權傳遞于它，其作用類(lèi)似于基于X86的PC中的BIOS。

本系統設計的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(gè)可執行的程序將燒寫(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運行。而Eboot則負責內存地址的映射以及其余設備的初始化、加載NK．bin內核文件等。Nboot與Eboot在其中的位置如圖4所示。

3．2 0V9650驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)

WinCE的驅動(dòng)程序按不同的分類(lèi)方式分為：本機驅動(dòng)和流驅動(dòng)。而OV9650驅動(dòng)程序則屬于流驅動(dòng)程序。流接口驅動(dòng)程序由Device．exe統一加載和管理；用戶(hù)編寫(xiě)的應用程序通過(guò)使用WinCE操作系統的文件API函數如CloseHandler()函數、CreateFile()函數等與流接口進(jìn)行通信，達到應用程序訪(fǎng)問(wèn)驅動(dòng)程序最終操作硬件的目的。流接口驅動(dòng)程序具有固定的入口點(diǎn)函數，WinCE的文件系統通過(guò)這些入口點(diǎn)函數與流接口驅動(dòng)進(jìn)行通信。OV9650流接口驅動(dòng)程序的入口點(diǎn)函數包括：CIS_Init，CIS_Deinit，CIS_Open，CIS_Close，CIS_IOControl，CIS_Read，CIS_Write，CIS_PowerUp，CIS_PowerDown等，CIS前綴表示設備的名稱(chēng)。

驅動(dòng)程序首先調用Virtual_Alloc()函數來(lái)完成將物理地址映射到虛擬空間內，以申請攝像頭I2C寄存器地址對應的虛擬地址，隨后初始化I2C，通過(guò)下列語(yǔ)句打開(kāi)I2C，并設定其訪(fǎng)問(wèn)權限。

接著(zhù)調用Cam_Init()函數，該函數主要負責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。隨后調用InitInterruptThread()函數，初始化中斷線(xiàn)程，通知系統注冊中斷；調用CreateEven()函數創(chuàng )建一個(gè)CameraEvent事件，在CameraCapturerTbread()函數中，調用WaitForSingle()biect()函數來(lái)等待CameraEvent事件的發(fā)生。

這里重點(diǎn)說(shuō)明CIS_IOControl()函數。該函數主要用于向設備發(fā)送一個(gè)命令。應用程序使用DeviceIOControl()函數來(lái)通知WinCE調用這個(gè)函數，通過(guò)參數dwCode通知驅動(dòng)程序要執行的操作。該函數通過(guò)switch()語(yǔ)句為用戶(hù)提供能操作的語(yǔ)義，以下給出實(shí)現播放采集的MPEG4視頻數據和退出驅動(dòng)、停止采集功能的關(guān)鍵代碼，“……”表示省略部分代碼

驅動(dòng)程序編寫(xiě)完成后，通過(guò)DEF與Sources文件的編寫(xiě)、流驅動(dòng)的編譯以及加載該驅動(dòng)進(jìn)入WinCE內核，則直接可以通過(guò)應用程序調用該驅動(dòng)。

3．3 應用程序開(kāi)發(fā)

應用程序開(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。通過(guò)給“打開(kāi)”按鈕添加單擊事件代碼，實(shí)現對驅動(dòng)程序的打開(kāi)操作。打開(kāi)驅動(dòng)程序通過(guò)以下語(yǔ)句實(shí)現。if語(yǔ)句用于判斷m_hFile的初始值是否為1，為1則關(guān)閉攝像頭驅動(dòng)，重新賦值為1。CreateFile()函數用于打開(kāi)驅動(dòng)，并將結果返回給操作句柄。

給“返回”按鈕添加單擊時(shí)間響應函數代碼。通過(guò)調用CIS_IOControl()函數中的CAM_IOCTL_MOVIE_STOP，實(shí)現對驅動(dòng)程序的關(guān)閉。其實(shí)現方式跟“打開(kāi)”按鈕基本一樣，這里不再贅述。當然，返回按鈕還應添加CDialog∷OnCancel()語(yǔ)句來(lái)返回到系統主界面。

4 視頻數據采集實(shí)驗結果

應用程序開(kāi)發(fā)完成后，單擊“打開(kāi)”按鈕，彈出“打開(kāi)CISl成功”對話(huà)框，如圖5所示，表明攝像頭驅動(dòng)打開(kāi)成功。單擊“顯示”按鈕，在右邊的視頻顯示區，能實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)的視頻數據，如圖6所示。實(shí)驗證明，攝像頭驅動(dòng)工作良好。實(shí)時(shí)數據采集的“納米技術(shù)與微系統”墻面上的展板畫(huà)面比較清晰，達到了預期效果。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)操作系統為軟件開(kāi)發(fā)平臺，以EVC為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，完成系統的硬件設計，B-SP的開(kāi)發(fā)和應用程序設計。在開(kāi)發(fā)平臺上能順利打開(kāi)驅動(dòng)程序，順利采集到實(shí)驗室的展板圖像并實(shí)時(shí)連續播放視頻數據，表明OV9650驅動(dòng)程序工作正常，軟硬件設計合理。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(guò)以太網(wǎng)實(shí)現視頻數據的網(wǎng)絡(luò )傳輸，實(shí)現視頻遠程監控功能。