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

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。

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。

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、ADC、DSP、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。