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基于微处理器S3C2440和WinCE嵌入式实时操作系统的视频数据采集

2018年12月02日 11:18 次阅读

随着嵌入式技术的不断发展,各种嵌入式微处理器和控制器不断出现,并广泛应用于工控、通信、 PDA、安保等领域。基于ARM920t内核的嵌入式微处理器S3C2440,以其良好的数据处理能力、低功耗、小体积、支持多种嵌入式操作系统(如 WinCE、Linux)、集成多种外设(如I2C控制器、LCD控制器等)等优点,广泛应用于手持设备等。WinCE操作系统具有内核可剪裁、实时性好、支持多种通信、模块化设计、具有丰富的API等特点,广泛用于嵌入式实时操作系统。这里提出的嵌入式图像数据采集系统是某“纳米技术与微系统”实验室开发的“嵌入式传感测控系统”中实现图像采集功能的子系统,该系统是以S3C2440为硬件核心,以WinCE为软件平台,能实时、连续地采集清晰的视频数据。

1 系统结构框图及视频数据采集原理

视频数据采集系统结构如图1所示。

基于微处理器S3C2440和WinCE嵌入式实时操作系统的视频数据采集

从图1中可以看出。系统由嵌入式微处理器S3C2440、存储器(包括Nand Flash和SDRAM)、以太网接口、CMOS图像传感器0V9650、USB主/从口、SD卡、JTAG接口、电源与复位电路、LCD与触摸屏组成。其中,S3C2440为整个系统的硬件核心,负责采集来自图像传感器的数据,控制给各种外设等。Nand Flash存储器与SDRAM构成了系统的存储器,其中SDRAM具有掉电数据不保存的特点,只用作系统内存,用于运行主程序等,而Nand Flash则具有掉电保存数据的特点,用于存储操作系统内核,引导加载程序(Bootloader)、用户应用程序等。

CMOS图像传感器及其接口电路用于采集视频数据。LCD与触摸屏构成人机交互模块,起到数据交互的作用,相当于PC机的键盘和液晶。J- TAG接口用于系统硬件调试和下载Bootloader程序。USB主口不但可以用于外接U盘和移动硬盘等,还可外接带USB接口的鼠标。在触摸屏校正出现大的偏差无法校正时,用鼠标辅助校正。USB从口用于下载WinCE内核文件NK.bin。电源电路包括为微处理器与相关外设提供电压(如微处理器的 1.3 V内核电压、LCD的3.3 V背光电压),以及为摄像头供电。复位电路用于出现故障时系统重启。以太网接口用于扩展系统功能,在视频数据采集的基础上,通过以太网,可以编程实现视频数据的网络传输。

视频数据采集原理如下:应用程序通过文件系统的API调用摄像头驱动程序的流接口函数发送命令。驱动程序将接收到的命令转化为对外部设备的相应操作,实现对处理器的CAMIF单元和图像传感器设备的初始化、I/O控制和电源管理等操作。图像传感器接收由处理器的I2C总线发送的配置数据,正常工作之后将图像数据和VSYNC、HREF、PCLK 3个时钟信号发送到处理器的CAMIF单元中,2条DMA通道将采集到的图像数据通过系统总线保存到内存的帧缓冲区中,帧缓冲区的图像数据能够被流接口驱动函数读取。

2 摄像头接口及其电源电路

摄像头接口电路如图2所示。本系统选用130万像素的CMOS摄像头0V9650,通过串行摄像头控制总线(Serial Camera Control Bus,SCCB)接口实现对其控制。OV9650支持SXGA、VGA、QVGA、CIF等格式,8位数据输出格式,可以是 YUV/YCbCr(4:2:2)、GRB(4:2:2)和Raw RGB 3种。

基于微处理器S3C2440和WinCE嵌入式实时操作系统的视频数据采集

OV9650内部主要包括1 300xl 028的图像传感器阵列、模拟信号处理器、ADCDSP、数字视频端口、SCCB接口、定时信号发生器和输出格式器。数据输出位YO只在RAW RGB数据时用作LSB,而Y1只在RGB数据时用作MS,这里都不使用,而用到的主要引脚有:RESET为重置位,用于清空所有的寄存器并重置为默认的值,高电平有效:HREF为内部参考电压引脚,为器件提供参考电压:PWDN为关闭电源模式选择位,高电平有效,为0时是正常模式,为1时电源关闭模式;SIO_D为SCCB串行接口数据I/O,SIO_C为串行接口时钟输入引脚;Y[2:9]为数据输出位,共8位;VSYNC为垂直同步输出引脚:PCLK为像素时钟输出引脚,XCLKl为系统时钟输入引脚。

OV9650的核心供电电压为1.8 V.模拟输入的供电电压为2.45~2.8 V,I/O口的供电电压可以为2.5~3.3 V。本系统设计中,摄像头供电电路如图3所示。采用电源转换器ASlll7为摄像头提供1.8 V和2.8 V电压,其中2.8 V电压是通过可调压器件分压得到。

基于微处理器S3C2440和WinCE嵌入式实时操作系统的视频数据采集

3 系统软件设计

系统的软件设计应当包括两部分:BSP的开发与应用程序的开发。本文分别从这两个方面简单论述,BSP的开发主要介绍Bootloader程序设计及OV9650驱动程序开发。

3.1 Bootloader的开发

BSP的开发一般包括3个方面的内容:Bootloader程序设计、OAL层及驱动程序开发。Bootloader是操作系统内核运行之前运行的一段小程序,用于初始化系统的硬件设备,如初始化MMU、屏蔽所有中断、初始化NandFlash等,建立系统的内存空间映射。从而将系统的软硬件环境带到一个已知的状态,为操作系统内核的最终调用准备正确的环境。最后Bootloader把操作系统内核映像加载到RAM中,并将系统的控制权传递于它,其作用类似于基于X86的PC中的BIOS

本系统设计的Bootloader,采用Eboot+Nboot的形式,支持USB从机下载通信手段和Nand flash存储介质。NandFlash不支持xip,故必须有一个可执行的程序将烧写在其中的Eboot搬到SDRAM中。Nboot一般配合 Eboot一起使用。Eboot与Nboot同样为启动代码,但是Eboot的大小远超过4 KB,故不能直接将Eboot存放在block0中。Nboot的作用是初始化Flash等硬件,将Eboot搬到SDRAM运行。而Eboot则负责内存地址的映射以及其余设备的初始化、加载NK.bin内核文件等。Nboot与Eboot在其中的位置如图4所示。

基于微处理器S3C2440和WinCE嵌入式实时操作系统的视频数据采集

3.2 0V9650驱动程序的开发

WinCE的驱动程序按不同的分类方式分为:本机驱动和流驱动。而OV9650驱动程序则属于流驱动程序。流接口驱动程序由Device.exe统一加载和管理;用户编写的应用程序通过使用WinCE操作系统的文件API函数如 CloseHandler()函数、CreateFile()函数等与流接口进行通信,达到应用程序访问驱动程序最终操作硬件的目的。流接口驱动程序具有固定的入口点函数,WinCE的文件系统通过这些入口点函数与流接口驱动进行通信。OV9650流接口驱动程序的入口点函数包括:CIS_Init,CIS_Deinit,CIS_Open,CIS_Close,CIS_IOControl,CIS_Read,CIS_Write,CIS_PowerUp,CIS_PowerDown 等,CIS前缀表示设备的名称。

驱动程序首先调用Virtual_Alloc()函数来完成将物理地址映射到虚拟空间内,以申请摄像头I2C寄存器地址对应的虚拟地址,随后初始化I2C,通过下列语句打开I2C,并设定其访问权限。

基于微处理器S3C2440和WinCE嵌入式实时操作系统的视频数据采集

接着调用Cam_Init()函数,该函数主要负责摄像头的一些硬件初始化工作,包括:摄像头与S3C2440连接的GPI0的初始化、时钟的初始化等。随后调用IniTInterruptThread()函数,初始化中断线程,通知系统注册中断;调用CreateEven()函数创建一个CameraEvent事件,在CameraCapturerTbread()函数中,调用 WaitForSingle()biect()函数来等待CameraEvent事件的发生。

这里重点说明CIS_IOControl()函数。该函数主要用于向设备发送一个命令。应用程序使用DeviceIOControl()函数来通知WinCE调用这个函数,通过参数dwCode通知驱动程序要执行的操作。该函数通过switch()语句为用户提供能操作的语义,以下给出实现播放采集的MPEG4视频数据和退出驱动、停止采集功能的关键代码,“……”表示省略部分代码。

基于微处理器S3C2440和WinCE嵌入式实时操作系统的视频数据采集

基于微处理器S3C2440和WinCE嵌入式实时操作系统的视频数据采集

驱动程序编写完成后,通过DEF与Sources文件的编写、流驱动的编译以及加载该驱动进入WinCE内核,则直接可以通过应用程序调用该驱动。

3.3 应用程序开发

应用程序开发在可视化集成开发环境Embedded VisualC++中完成,主要基于MFC编程用C++语言实现。通过给“打开”按钮添加单击事件代码,实现对驱动程序的打开操作。打开驱动程序通过以下语句实现。if语句用于判断m_hFile的初始值是否为1,为1则关闭摄像头驱动,重新赋值为1。CreateFile()函数用于打开驱动,并将结果返回给操作句柄。

基于微处理器S3C2440和WinCE嵌入式实时操作系统的视频数据采集

给“返回”按钮添加单击时间响应函数代码。通过调用CIS_IOControl()函数中的CAM_IOCTL_MOVIE_STOP,实现对驱动程序的关闭。其实现方式跟“打开”按钮基本一样,这里不再赘述。当然,返回按钮还应添加CDialog∷OnCancel()语句来返回到系统主界面。

4 视频数据采集实验结果

应用程序开发完成后,单击“打开”按钮,弹出“打开CISl成功”对话框,如图5所示,表明摄像头驱动打开成功。单击“显示”按钮,在右边的视频显示区,能实时显示动态的视频数据,如图6所示。实验证明,摄像头驱动工作良好。实时数据采集的“纳米技术与微系统”墙面上的展板画面比较清晰,达到了预期效果。单击“返回”按钮,视频显示画面顺利关闭,返回主界面成功。

基于微处理器S3C2440和WinCE嵌入式实时操作系统的视频数据采集

5 结束语

以嵌入式微处理器S3C2440为硬件核心,以WinCE嵌入式实时操作系统为软件开发平台,以EVC为集成开发环境,完成系统的硬件设计,B-SP的开发和应用程序设计。在开发平台上能顺利打开驱动程序,顺利采集到实验室的展板图像并实时连续播放视频数据,表明OV9650驱动程序工作正常,软硬件设计合理。下一步工作主要是采取合适的视频编码算法如H.264、M-JPEG等,通过以太网实现视频数据的网络传输,实现视频远程监控功能。

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精确的地形规划是STRABAG管理和确保建筑项目质量的重中之重,而在传统测绘方式中,获取高精度测绘结...

发表于 2018-11-14 14:11 737次阅读
STRABAG使用精灵Phantom 4 RTK...

嵌入式开发为什么选择C语言

面向过程就是分析出解决问题所需要的步骤,然后用函数把这些步骤一步一步实现,使用的时候一个一个依次调用...

发表于 2018-11-13 15:53 341次阅读
嵌入式开发为什么选择C语言

AM4377 AM437x ARM Cortex...

TI AM437x 高性能处理器基于 ARM Cortex-A9 内核。 这些处理器通过 3D 图形加速得到增强,可实现丰富的图形用户界面,还配备了协处理器,用于进行确定性实时处理(包括 EtherCAT、PROFIBUS、EnDat 等工业通信协议)。该器件支持高级操作系统 (HLOS)。 基于 Linux 的®可从 TI 免费获取。其它 HLOS 可从 TI 的设计网络和生态系统合作伙伴处获取。 这些器件支持对采用较低性能 ARM 内核的系统升级,并提供更新外设,包括 QSPI-NOR 和 LPDDR2 等存储器选项。 这些处理器包含功能方框图中显示的子系统,并且后跟相应的 “说明”中添加了更多信息 说明。 处理器子系统基于 ARM Cortex-A9 内核, PowerVR SGX™图形加速器子系统提供 3D 图形加速功能以支持显示和高级用户界面。 可编程实时单元子系统和工业通信子系统 (PRU-ICSS) 与 ARM 内核分离,允许单独操作和计时,以实现更高的效率和灵活性。PRU-ICSS 支持更多外设接口和 EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、PROFIBUS、E...

发表于 2018-09-29 10:35 0次阅读
AM4377 AM437x ARM Cortex...

AM4382 AM438x ARM Cortex...

与其它产品相比 AM438x   Arm MHz (Max.) Serial I/O Security Enabler Co-Processor(s) Graphics Acceleration EMAC USB 2.0 Industrial Protocols Camera Operating Temperature Range (C) DRAM   var link = "zh_CN_folder_p_quick_link_description_features_parametrics"; com.TI.Product.handleQuickLinks('parametric','参数变化','#parametrics',link); AM4382 AM4384 AM4388 300 600 1000     600 1000     600 1000   &...

发表于 2018-09-25 16:06 6次阅读
AM4382 AM438x ARM Cortex...

AM4384 AM438x ARM Cortex...

与其它产品相比 AM438x   Arm MHz (Max.) Serial I/O Security Enabler Co-Processor(s) Graphics Acceleration EMAC USB 2.0 Industrial Protocols Camera Operating Temperature Range (C) DRAM   var link = "zh_CN_folder_p_quick_link_description_features_parametrics"; com.TI.Product.handleQuickLinks('parametric','参数变化','#parametrics',link); AM4384 AM4382 AM4388 600 1000     300 600 1000     600 1000   &...

发表于 2018-09-25 16:02 10次阅读
AM4384 AM438x ARM Cortex...

AM3352 Sitara ARM Cortex...

AM335x 微处理器基于 ARM Cortex-A8 处理器,在图像、图形处理、外设以及 EtherCAT 和 PROFIBUS 等工业接口选项方面得到了增强。 该器件支持高级操作系统 (HLOS)。 Linux®和 Android™可从德州仪器 (TI) 免费获取。 AM335x 微处理器 包含 功能框图 中显示的子系统和以下 简要 说明: 微处理器单元 (MPU) 子系统基于 ARM Cortex-A8 处理器, PowerVR SGX™图形加速器子系统提供 3D 图形加速功能以支持显示和游戏特效。 可编程实时单元子系统和工业通信子系统 (PRU-ICSS) 与 ARM 内核彼此独立,允许单独操作和计时,以实现更高的效率和灵活性。PRU-ICSS 支持更多外设接口和 EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、PROFIBUS、Ethernet Powerlink、Sercos 等实时协议。此外,凭借 PRU-ICSS 的可编程特性及其对引脚、事件和所有片上系统 (SoC) 资源的访问权限,该子系统可以灵活地实现快速实时响应、专用数据处理操作以及自定义外设接口,并减轻 SoC 其他处理器内核的任务负载。 特性 ...

发表于 2018-09-25 15:44 21次阅读
AM3352 Sitara ARM Cortex...

TMP451-Q1 远程和本地温度传感器

TMP451-Q1器件是一款高精度,低功耗远程温度传感器监视器,内置有一个本地温度传感器。远程温度传感器通常是低成本离散式NPN或PNP晶体管,或者基板热晶体管或二极管,这些器件是微处理器,微控制器或FPGA的组成部件。对于本地和远程传感器,此温度表示方式为12位数字编码,分辨率为0.0625°C。对于本地和远程温度传感器,在典型运行范围内,温度精度为±1°C(最大值)。此两线制串口接受SMBus通信协议。 诸如串联电阻抵消,可编程非线性因子(η因子),可编程偏移,可编程温度限制和一个可编程数字滤波器等的高级特性被组合在一起以提供一个具有更佳准确度和抗扰度的稳健耐用热量监控解决方案。 TMP451-Q1器件是在各种汽车子系统中进行多位置高精度温度测量的理想选择。此器件的额定运行源电压范围为1.7V至3.6V,额定工作温度范围为-40°C至125℃。 特性 符合汽车应用要求 具有符合AEC-Q100的下列结果: 器件温度1级别:-40°C至125°C的环境运行温度范围 器件人体模型(HB...

发表于 2018-09-17 15:49 28次阅读
TMP451-Q1 远程和本地温度传感器