基于Video4Linux的攝像頭驅動(dòng)設計

camera_open，camera_close是打開(kāi)和關(guān)閉視頻采集設備；camera_read，是讀取視頻圖像；視頻驅動(dòng)主要的控制接口都是通過(guò) ioctl來(lái)實(shí)現的，如圖像的格式、亮度、色度等信息都是通過(guò)ioctl函數獲取和設置的。ioctl命令部分如下：

V4L支持兩種方式捕獲圖像：mmap(卻嬗成浞絞?和read(直接讀取方式)，本系統采用mmap。需預先設置好圖像的大小和深度，接著(zhù)使用 VIDIOCGMBUF命令，它會(huì )返回用于mmap的緩存(buffer)的大小以及每幀緩存的偏移地址(offset)。驅動(dòng)程序里的映射函數為 static intbf536_v411_mmap(Struct file*filp，structvm_area_struct*vma)；抓幀完成后，在應用程序里通過(guò)內存映射，讀取圖像數據。

2 硬件平臺
本系統采用CMOS模擬傳感器，經(jīng)TI公司的TVP5150A視頻解碼芯片把模擬信號轉成 ITU-R BT．656視頻信號，再送給ADI公司的Blackfin536 DSP處理器進(jìn)行圖像處理，如圖1所示。TVP5150向DSP提供采樣時(shí)鐘信號CLK(27MHz)，8根數據線(xiàn)傳輸內嵌同步控制碼流的ITU-R BT．656格式的數據，DSP通過(guò)I2C接口對視頻解碼器進(jìn)行配置。視頻數據由DMA搬運到SDRAM。

3 驅動(dòng)程序設計
3．1 驅動(dòng)程序核心結構體的介紹
本系統的軟件平臺是嵌入式uclinux，因此，攝像頭作為一個(gè)設備驅動(dòng)加載到uclinux內核中。一般而言，每個(gè)設備驅動(dòng)都會(huì )有它的核心結構體，攝像頭驅動(dòng)的核心結構體設計如下：struct camera device

該結構體儲存了幾乎全部與攝像頭視頻圖像相關(guān)的信息。其中的結構體videoDev和videoV4l1是與V4L相關(guān)聯(lián)的，ppiDev是與ADSP- BF537處理器硬件配置相關(guān)的，而frame[CAMERA_NUMFRAMES]則與采集時(shí)當前視頻幀數據相關(guān)聯(lián)。此外，camera_device 該核心結構體還定義了表示奇偶場(chǎng)的成員變量frame_field，表示當前幀的抓取狀態(tài)的成員變量grabbing等。
3．2 硬件配置
本系統在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，最主要的難點(diǎn)在于硬件的配置，正確配置TVP5150、PPI、DMA需要搞清楚整個(gè)攝像頭的工作原理，以及各種圖像格式的基本知識。本文主要給出PPI和DMA的幾個(gè)關(guān)鍵配置選項。
3．2．1 PPI配置
TVP5150A視頻解碼芯片把模擬信號轉換成ITu-RBT．656視頻信號，ITU-R BT．656是4：2：2并行接口的數字演播室標準。對于PAL制系統(NTSC系統類(lèi)似)，一幀圖像包括兩場(chǎng)視頻數據(奇偶場(chǎng))，每一場(chǎng)圖像由四部分構成：有效視頻數據，水平消隱，垂直消隱以及控制字。而PPI接口在ITU-656輸入模式下可以支持3種數據傳輸，若選擇有效視頻數據，則可以實(shí)現PPI 與TVP5150A解碼器的無(wú)縫連接。且傳輸的有效視頻數據就是UYVY422格式，所以配置PPI控制寄存器為ITu-656輸入、傳輸有效視頻數據。 PPI傳輸的有效視頻數據每場(chǎng)都由288行組成，每行有1440個(gè)取樣字，其中720個(gè)亮度Y取樣字，360個(gè)藍色色差Cb，360個(gè)紅色色差Cr，按 Cb、Y、Cr、Y的次序排列。而UYVY422格式數據是：每個(gè)像素點(diǎn)都取亮度值，而藍色色差和紅色色差是每?jì)蓚€(gè)像素點(diǎn)才各取一個(gè)，兩者交替取，所以圖像像素是720×576。這樣可以確定ppi frame=576(整幅圖像的行數)。而ppi count不用配置，因為在ITU-R BT．656視頻信號中有H和V信號。
3．2．2 DMA配置
本系統采用二維DMA來(lái)提高數據的傳輸速度，采用16位傳輸，且傳輸完一場(chǎng)視頻數據后產(chǎn)生中斷。dma_x_count=720(相當于每行數據需傳輸的次數，每行720個(gè)像素點(diǎn)，每個(gè)像素點(diǎn)2個(gè)字節。每行要傳720×2個(gè)字節，而dma是16位傳輸，所以x_count=720)。 dma_x_modify=2(相鄰兩次傳輸數據的偏移地址，以字節為單位，因為是16位傳輸，所以為2)。
由于PAL制視頻數據是隔行掃描，每幀分為奇偶兩場(chǎng)，兩場(chǎng)在時(shí)域上是分開(kāi)的，但是在數據處理時(shí)需要將兩場(chǎng)合成一幀進(jìn)行處理，因此為了減少CPU的處理時(shí)間，可以利用DMA直接進(jìn)行場(chǎng)合成。在一場(chǎng)的傳輸中，DMA在傳輸完一行數據后，預留下一行的存儲空間，將數據存放到第三行的地址。在一場(chǎng)數據傳輸完后，下一場(chǎng)的數據就填充上一場(chǎng)預留的存儲空間，也是隔行存儲，這樣兩場(chǎng)數據就合成一幀數據了。所以，dma_y_modify=1442(一行720像素點(diǎn)，占720×2字節。而一行末地址到下一行首地址還需2字節。所以720×2+2=1442)。同時(shí)，兩場(chǎng)數據存放的起始地址的設置間隔也是1442字節。
3．3 中斷服務(wù)子程序
本系統的中斷服務(wù)子程序主要是一場(chǎng)數據采集完后，產(chǎn)生中斷，并根據數據的奇偶場(chǎng)做出相應的處理。其流程如圖2所示。

4 結束語(yǔ)
本文介紹了在Blackfin DSP和Linux的平臺下，攝像頭驅動(dòng)的體系結構和具體實(shí)現。此驅動(dòng)由測試程序測試，可以正常工作。此驅動(dòng)尚存在不足之處，那就是在驅動(dòng)的抓幀過(guò)程中沒(méi)有采用乒乓操作，但是采用了兩個(gè)幀緩存來(lái)存取數據，因此乒乓操作可以在上層應用中完成。