基于Linux和S3C2410的嵌入式圖象傳輸系統設計

　　如何更好的獲得監控現場(chǎng)的圖象數據一直是棘手的一個(gè)問(wèn)題，傳統的方法是采用CCD攝象機獲取現場(chǎng)的視頻信息，這種方法易于實(shí)現，但成本較高。隨著(zhù)ARM系列處理器應用的越來(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)現遠程監控、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)得到現場(chǎng)的圖象數據，利用linux內核中的Video4Linux編程接口函數采集圖象，并把得到的圖象通過(guò)Internet傳輸到上位機PC上，在PC上實(shí)現圖象的保存和顯示。

　　2 硬件系統設計原理

　　系統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的數據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

圖 1  S3C2410系統平臺的硬件功能框圖

　　3 軟件系統設計

　　本文的軟件系統設計采用C/S（客戶(hù)機/服務(wù)器）模式，以S3C2410平臺作為服務(wù)器，以PC作為客戶(hù)端。服務(wù)器的主要任務(wù)是把得到的圖象數據發(fā)送到Internet上去，客戶(hù)端的任務(wù)主要是從Internet上接收得到的數據，并把數據以保存成文件。下面分別討論兩者的具體實(shí)現。

　　3.1 服務(wù)器端軟件系統設計

　　3.1.1 建立宿主機開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　本文以PC為宿主機，并帶有RedHat9.0系統，開(kāi)發(fā)環(huán)境就建立在這個(gè)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(wù)器的配置等。

　　對于嵌入式系統的開(kāi)發(fā)，由于沒(méi)有足夠的資源在目標板上運行開(kāi)發(fā)工具和調試工具，所以通常采用交叉編譯調試的方式。開(kāi)發(fā)時(shí)使用宿主機上的交叉編譯、匯編及連接工具形成可執行的二進(jìn)制代碼。然后把可執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。為了方便調試和下載燒寫(xiě)，可讓宿主機支持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(pán)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(dòng)程序的實(shí)現

　　系統采用的是最普通的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)現硬件JPEG編碼。其驅動(dòng)程序的編寫(xiě)重點(diǎn)包括下面的內容：提供基本的I/O 操作接口函數open、read、write、close的實(shí)現、對中斷的處理實(shí)現、內存映射功能以及對I/O 通道的控制接口函數ioctl的實(shí)現等，并把它們定義在struct file_operations中。這樣當應用程序對設備文件進(jìn)行諸如open、close、read、write等系統調用操作時(shí)，Linux內核將通過(guò)file_operations結構訪(fǎng)問(wèn)驅動(dòng)程序提供的函數。

　　當然，現在網(wǎng)上已經(jīng)有了這種攝象頭的通用驅動(dòng)，可以從相關(guān)網(wǎng)站 下載usb-2.4.31.patch.gz，然后將這個(gè)補丁打到內核對應的位置即可。但是對有些內核版本的linux系統，在打補丁時(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)添加到對應的Config.in和Makefile中去就可以了。

3.1.3 linux內核配置

　　對于已經(jīng)做過(guò)基本移植的linux在配置內核的時(shí)有以下幾個(gè)方面是值得注意的：

　　1)        因為要用到內核中的Video4Linux編程接口函數，所以在配置內核時(shí)首先必須選中Video for Linux并且最好是直接編譯進(jìn)內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，對本系統來(lái)說(shuō)，選擇USB SPCA5XX Sunplus Vimicro Sonix Cameras，并把它配置成Module。

　　3)        配置完內核后做make dep, make zImage, make module。則在對應的spca5xx目錄下會(huì )生成spc5xx..o，可以把spc5xx..o通過(guò)NFS mount到目標板上或者加到主文件系統ramdisk中的某個(gè)目錄下。然后在目標板上做 insmod spca5xx.o就會(huì )找到攝象頭。

　　3.1.4 服務(wù)器端應用程序的編寫(xiě)

　　完成驅動(dòng)程序和內核配置后就開(kāi)始應用程序的編寫(xiě)了，程序首先用交叉編譯器在宿主機上進(jìn)行編譯連接，生成的的可執行文件通過(guò)NFS mount到目標板上進(jìn)行調試。調試成功后再

　　1)        初始化設備基本信息

　　2)        打開(kāi)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并初始化線(xiàn)程互斥量

　　3)        創(chuàng )建圖象獲取的線(xiàn)程。該線(xiàn)程函數實(shí)現以?xún)却嬗吧涞姆绞阶x取設備中的數據，鎖定線(xiàn)程互斥量，接著(zhù)對幀結構的各個(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)        當有連接到來(lái)時(shí)，創(chuàng )建一個(gè)圖象發(fā)送的線(xiàn)程。該線(xiàn)程函數實(shí)現：如果確定讀取了客戶(hù)端的數據，則把緩沖區內的一幀數據發(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(xiàn)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(xiàn)程控制部分。下面分別介紹一下這三個(gè)部分主要涉及的內容。

　　在圖象采集部分，定義了一個(gè)數據結構，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(chēng)、支持的最大最小分辨率、信號源信息）

　　l         video_channel         關(guān)于各個(gè)信號源的屬性

　　l         video_mbuf         利用mmap進(jìn)行映射的幀的信息

　　l         video_buffer         最底層對buffer的描述

　　l         video_mmap         用于mmap

　　l         pthread_mutex_t      線(xiàn)程互斥量

截取圖象方法有兩種：直接讀取設備文件和內存影射的方法，本文采用后面一種。采用這種方法后，普通文件被映射到內存地址空間，進(jìn)程可以象訪(fǎng)問(wèn)普通文件一樣訪(fǎng)問(wèn)內存，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)主要函數是：

　　n         ioctl(vd->fd, VIDIOCMCAPTURE, &(vd->mmap))   若調用成功，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)              若調用成功，表明一幀截取已完成?？梢蚤_(kāi)始做下一次截取

　　對于網(wǎng)絡(luò )發(fā)送部分，主要是linux下的socket編程，調用的主要函數有：創(chuàng )建套接字函數socket、端口綁定函數bind、監聽(tīng)

　　多線(xiàn)程編程部分用到的主要函數有：互斥量初始化函數pthread_mutex_init、互斥量鎖定函數pthread_mutex_lock、互斥量解鎖函數pthread_mutex_unlock、互斥量注銷(xiāo)函數pthread_ mutex _destroy、線(xiàn)程創(chuàng )建函數pthread _ create、線(xiàn)程同步函數pthread_join。此外，程序中為了能更好的實(shí)現兩個(gè)進(jìn)程的同步，還需要用到信號量機制的一些內容。受篇幅所限，這些函數的具體定義和用法請參考相關(guān)資料 。

　　3.2 客戶(hù)機端軟件系統設計

　　客戶(hù)端是建立在一臺PC機上，用Visual C++ 6.0設計一個(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 )緩沖區內讀取數據，并保存成文件的形式，文件以接收到數據的時(shí)間為名。圖2為圖象采集時(shí)間間隔為1秒時(shí)程序執行的結果。圖象大小為320 象素。需要說(shuō)明的是：服務(wù)器端發(fā)送的數據采用了單字節對齊，對應的在客戶(hù)端接收的時(shí)候也要采用單字節對齊。在WINDOWS下實(shí)現內存單字節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 ()。

　圖2 客戶(hù)端程序執行結果（1秒種采集一次圖象）

　　4 結束語(yǔ)

　　本文提出了一套基于S3C2410平臺和linux系統的嵌入式圖象采集、傳輸系統的具體實(shí)現，并給出了實(shí)驗結果。實(shí)驗結果證明：系統很好的完成了圖象采集和傳輸。得到的圖象清晰。服務(wù)器可以穩定運行，不會(huì )發(fā)生斷開(kāi)或退出的現象。本系統可應用于工業(yè)現場(chǎng)的監控，也可以與其他系統如門(mén)禁系統相結合獲得門(mén)開(kāi)或關(guān)時(shí)現場(chǎng)的重要圖象數據。

　　參考文獻

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　　[5] http://mxhaard.free.fr/embedded.html