基于ARM9的嵌入式视频采集系统设计

Ｂｕｉｌｄｅｒ中完成，应用程序在ＥＶＣ可视化开发环境中完成．通过实验，证明了系统设计的正确与合
理：视频清晰连续。系统稳定性好．
关键词：ＡＲＭ９；嵌入式系统；视频采集；ＯＶ９６５０
中图分类号：ＴＰ ２７４．２
文献标识码：Ａ
０引 言
随着嵌入式技术的不断发展，各种嵌入式芯片如ＤＳＰ、ＡＲＭ、ＳＯＣ等被广泛应用于数码、安防、交通信 号采集等领域ｕ Ｊ．文献［２］中的无线监控系统也用到了ＡＲＭ９芯片和ＷｉｎＣＥ操作系统，但对软件设计部 分论述不清晰，文献［３］论述的基于３Ｇ无线网络的视频监控系统只介绍了简单的硬件结构和程序流程 图，没有给出实验结果，文献［４］只给出了仿真图，文献［５］和［６］均采用ＡＲＭ９内核嵌人式芯片，且采用 Ｌｉｎｕｘ操作系统，但是都没有进行实验验证，且主要论述Ｌｉｎｕｘ内核编译．本文设计一种基于ＡＲＭ９芯片的 嵌入式视频采集系统。该系统与参考文献［２－６］所论述的视频采集系统相比，具有体积小、能耗低、更新维 护方便、开发难度低等特点．
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西安工程大学学报
第２４卷
后，主控制器将ＳＤＡ置为高电平并释放，等待由从设备发送确认信号．
ＯＶ９６５０内嵌了一个１０位Ａ／Ｄ转换器，对应有１０个数据输出接口Ｄ［０：９］．输出图像数据的格式可
以为１０位原始（ＲＡＷ）ＲＧＢ或经过内部ＤＳＰ转换的８位ＲＧＢ／ＹＣｂＣｒ．本系统选择的微处理器芯片
和数据保护又有看门狗作用的ＩＣ芯片ＭＡＸ７０８ＴＣＳＡ来保证系统出现异常时可靠复位．ＲＳ２３２用于通过
超级终端或ＤＮＷ工具观察Ｂｏｏｔ ｌｏａｄｅｒ程序启动情况及扩展串口通信功能．该处的电源电路提供５Ｖ（为整
个系统提供外部电源）、３．３Ｖ（核心模块、外设控制、图像采集模块供电）和１．３Ｖ（核心模块供电）．
１ 视频采集系统硬件结构
考虑到系统的可靠性、可扩展性、可维护性，本系统采用模块化的设计原则，整个视频采集系统硬件由 ３部分构成．
（１）微系统核心模块微系统核心模块由嵌入式微处理器￥３Ｃ２４４０、Ｎａｎｄ Ｆｌａｓｈ接口电路、ＳＤＲＡＭ 接口电路和总线接口电路组成．￥３Ｃ２４４０是Ｓａｍｓｕｎｇ公司的基于ＡＲＭ９２０Ｔ内核的３２位ＲＩＳＣ微处理器芯 片，为手持设备等的设计提供了完美的解决方案．采用了新的总线架构ＡＭＢＡ，其内核实现了ＭＭＵ、 Ｈａｒａｒｄ高速缓冲体系结构．并且￥３Ｃ２４４０Ａ支持ＷｉｎＣＥ和Ｌｉｎｕｘ等操作系统，支持ＡＲＭ调试体系结构，支 持从Ｎａｎｄ Ｆｌａｓｈ存储器启动．另外，它集成了丰富的片上功能，如ＬＥＤ控制器、ＵＡＲＴ接口、ＵＳＢ主从接口、 １２ｃ接口、ＣＡＭＩＦ单元等．
表示一帧图像数据采集的开始，ＨＲＥＦ的高电平则表示采集一行图像数据，图像传感器以从左到右的顺序在每个
ＰＣＬＫ脉冲过程中依次采集—个字节的数据，直到一帧图像数据全部采集完成．
３ 图像传感器驱动程序开发
ＷｉｎＣＥ的驱动程序实际上是一个动态链接库（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｌｉｎｋ Ｌｉｂｒａｒｙ，ＤＥＥ）文件，它无法单独被加载或 运行．如果需要运行它，则必须由一个ｅｘｅ进程将该ＤＬＬ加载到自己的地址空间，然后执行．ＷｉｎＣＥ的驱 动程序模型可以分为两种类型，流接口驱动和本机设备驱动．０Ｖ９６５０驱动与操作系统、硬件的关系如图４ 所示．０Ｖ９６５０流接口驱动程序［８１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ＤｅｖｉｃｅｌＯＣｏｎｔｒｏｌ（）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．设驱动程序的前缀名为ＣＩＳ，则本系统开发中实现的人口点函数如 表１所示．
第２４卷第２期（总１０２期）
西安工程大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉ’ａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
２０１０年４月
Ｖ０１．２４，Ｎｏ．２（Ｓｕｍ．Ｎｏ．１０２）
文章编号：１６７４－６４９Ｘ（２０１０）０２－０２０８－０５
基于ＡＲＭ９的嵌入式视频采集系统设计
杨晓健
（无锡城市职业技术学院电子信息工程系，江苏无锡２１４０６３）
ＣＩＳ—Ｉｎｉｔ初始化图像传感器的顺序为：调用ＶｉｒｔｕａｌＡｌｌｏｃ（）函数与ＶｉｒｔｕａｌＣｏｐｙ函数为设备寄存器分配 虚拟地址空间一ＣＡＭＩＦ初始化＿ＣＡＭＩＦ接口重启＿设置ＣＡＭＩＦ输出Ｃｌｏｃｋ＿图像传感器芯片重启＿图 像传感器芯片初始化－－－，ＰＷＮＤ管脚初始化＿ＣＡＭＩＦ图像采集分辨率初始化－＋中断服务线程（ＩＳＴ）初始 化．由于应用程序的开发用到ＣＩＳ—ＩＯＣｏｎｔｒｏｌ函数比较多，这里重点论述下列函数的实现．应用程序可以 通过文件系统使设备管理器激活ＣＩＳ—ＩＯＣｏｎｔｒｏｌ函数，向驱动程序传递包括读写在内的１０控制命令．命 令以１０控制代码（ＩＯＣＴＬ）的形式发送给驱动程序．ＩＯＣＴＬ由ＷｉｎＣＥ提供的ＡＰＩ函数ＣＴＬＣＯＤＥ在驱动的 头文件中定义．￥３Ｃ２４４０官方的ＢＳＰ已经在图像传感器驱动程序中定义了各种ＦＯ控制代码，包括对设备 打开、关闭、重启、捕获图像、设置图像大小、预览图像等．用户只要了解各个代码的功能，就可以在应用程 序中使用ＩＯ控制代码命令ＣＡＭＩＦ单元完成图像数据采集过程中的各种操作．
ＳＤＲＡＭ虽然掉电不能保存数据，但是它具有非常高的读写速度，适合主程序的运行．本系统采用两片
３２ＭＢ的ＨＹ５７Ｖ５６１６２０芯片构成６４ＭＢ的ＳＤＲＡＭ存储器，该芯片的内部存储结构是４Ｂａｎｋｓ×４Ｍ×
１６Ｂｉｔ，共４个Ｂａｎｋ．Ｎａｎｄ Ｈａｓｈ存储器具有掉点保护功能，用于存储操作系统内核、Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ的启动代码
ｓ２４４０ＩＮＴ．＞ｒＩＮＴＭＳＫ ｌ＝ＢＩＴ ＣＡＭ：
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ｓ２４４０ＩＮＴ一＞ｒＩＮＴＳＵＢＭＳＫ Ｉ＝（ＢＩＴ—ＳＵＢ—ＣＡＭ—ＰＩ ＢＩＴ—ＳＵＢ—ＣＡＭ—Ｃ）； ｉｆ（ｓ２４４０ＩＮＴ．＞ｒｌＮＴＰＮＤ＆ＢＩＴ～ＣＡＭ）ｓ２４４０ＩＮＴ－＞ｒｌＮＴＰＮＤ Ｊ－ＢＩＴ—ＣＡＭ；
摘要：以ＡＲＭ９２０ｔ内核的嵌入式微处理器￥３Ｃ２４４０为硬件核心，以ＷｉｎＣＥ为嵌入式实时操作系
统，选择图像传感器芯片ＯＶ９６５０，设计了一款小体积、低功耗的视频采集系统．硬件设计遵循模
块化设计思想，将整个硬件系统设计成微系统核心模块、视频采集模块和外设控制模块３部分．
软件设计部分论述了ＯＶ９６５０驱动程序的开发与应用程序的设计，驱动程序开发在Ｐｌａｆｆ０１Ｔｆｌ
例如，停止图像采集的部分核心代码如下，／／后为注释部分．
ｃａｓｅ ＣＡＭ—ＩＯＣＴＬ—ＭＯＶＩＥ—ＳＴＯＰ：／／ｆｏｒ ＭＰＥＧ４ ＣｆｔＳｅ ＩＯＣＴＬ—．ＣＡＭ—．ＳＴＯＰ：
ＲＥＴＡＩＬＭＳＧ（ＭＳＧ—ＥＮ—ｌ，（＂ｒＥＸＴ（”ＣＡＭＥＲＡ：ＩＯＣＴＬ—ＣＡＭ—ＳＴＯＰ ｂａｃｋｓｌａｓｈ ｒｂａｃｋｓｌａｓｈ ｎ”）））； ／／取消摄像头中断
ｓ２４４０ＩＮＴ一＞ｒＳＲＣＰＮＤ ｌ＝ＢＩＴ—ＣＡＭ；
ｓ２４４０ＩＮＴ一＞ｒＳＵＢＳＲＣＰＮＤ ｌ＝（ＢＩＴ—ＳＵＢ—ＣＡＭ—ＰＩ ＢＩＴ—ＳＵＢ—ＣＡＭ—Ｃ）； Ｃａｍｉｆ—Ｃａｐｔｕｒｅ（ＣＡＰＴＵＲＥ—ＯＦＦ，ＣＡＰＴＵＲＥ—ＯＦＦ）； ＤＲＩＶＥＲ—ＰＲＥＶＩＥＷ～ＥＮＡＢＬＥ＝２；
ＤｉｓｐｌａｙＴｉｍｅ＝ＩＮＦＩＮＩＴＥ； ｂｒｅａｋ；
Ｄ．
ＶＲＥＦ
Ｄ．
ＤＯｏＮＤ
ＲＥＳＥＴ
ＡＧＮＤ
ＯＶ９６５０
ＶＤＤ３．３ ＶＤＤ２．８
Ｌ一。２，４６７０９加“ｎ”ＨＭ”埔侈加一至｜
图３图像传感器接口电路
于进一步的内核加载．ＵＳＢ主１２１用于外接ｕ盘、移动硬盘和鼠标等支持ＵＳＢ总线接口的设备，可以扩展存
储空间．从口则用于向系统烧写ＷｉｎＣＥ内核文件以及系统与ＰＣ机之间通信．复位电路采用既有电源监控
收稿日期：２０１０．．０２－２７ 作者简介：杨晓健（１９６４·），男，江苏省淮安市人，无锡城市职业技术学院讲师．Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｘＩｊｆ＠１８９．ｃｎ
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＿＿＿
－＿——
视频采集模块
总 Ｉｍａｇｅ ８ｅｎ￥ｏｒ
０Ｖ９６５０
线
（图像传感器）
接
Ｕ
口
Ｎａｎｄ ｆｌａｓｈ
表１ ０Ｖ９６５０传感器需要实现的入１２１点函数即功能
函数名
＾ｕ
～一（Ｉ 掀一～一～ｍ‰一脚一州～一
功能描述
Ｄｅｖｉｃｅ．ｅｘｅ初始化视频采集模块时调用它 Ｄｅｖｉｃｅ．ｅｘｅ卸载图像传感器驱动时调用它 非常重要的函数，后续的应用程序开发利用ＤｅｖｉｃｅＣｏｎｔｒｏｌ（）函数来调用它 打开该驱动时，应用程序用ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（）函数来调用它 关闭该驱动时，应用程序用ＣｌｏｓｅＨａｎｄｌｅｒ（）函数来调用它 图像传感器驱动被打开后，应用程序通过ＲｅａｄＦｉｌｅ（）函数调用它 图像传感器驱动打开后，应用程序通过ＷｒｉｔｅＦｉｌｅ（）函数来调用它 调用该函数来重启系统 调用该函数来挂起系统
中断处理是整个驱动程序非常重要的部分．ＷｉｎｄｏｗｓｅＥ．ｎｅｔ把中断处理分成ＩＳＲ（中断服务线程）和 ＩＳＴ（中断服务线程）两个层次来完成，ＩＳＲ以最短的时间答复硬件产生的中断，然后返回设备的中断ＩＤ，把 其他大部分工作都留给ＩＳＴ来完成．这种采用ＩＳＲ．ＩＳＴ两个层次的中断处理方式提高了系统的实时性能． 当一个中断发生时，内核的异常处理程序先调用内核ＩＳＲ，内核ＩＳＲ先禁用所有相同和较低优先级的中 断，然后调用在ＯＡＬ中注册的ＩＳＲ程序．所有ＯＡＬ中注册的ＩＳＲ都包含在函数ＯＥＭＩｎｔｅｎｕｐｔＨａｎｄｌｅｒ中，用 来处理所有硬件发出的ＩＲＱ中断请求．驱动程序要处理一个中断，普遍的做法是首先使用ＣｒｅａｔｅＥｖｅｎｔ函 数建立一个事件，调用ＩｎｔｅｒｒｕｐｔＩｎｉｔｉａｌｉｚｅ函数将该事件与设备的中断ＩＤ绑定．然后在驱动程序中创建的 ＩＳＴ中调用ＷａｉｔＦｏｒＳｉｎｇｌｅｏｂｊｅｃｔ函数等待中断的发生．中断处理流程如图５所示．