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1、 嵌入式课程设计报告一、课程设计目的1.1 掌握linux开发环境的搭建； 1.2巩固嵌入式交叉编译的开发思想；1.3掌握嵌入式GUI软件设计技。,.二、 课程设计要求输入信号为 1 路 AV 视频信号,要求系统能对 1 路输入信号进行实时采集,数字化 处理,压缩,存储,要保证一定的录像质量. 根据设计题目的要求,选择确定 ARM 芯片型号,视频采集芯片型号,完成系统硬件设 计和程序设计.三、 课程设计内容设计原理 ARM10 系列微处理器为低功耗的 32 位 RISC 处理器,最适合用于对价位和功耗要 求较高的消费类应用.ARM10 系列微处理器的主要应用领域为:工业控制,Internet
2、设备,调制解 调器设备,移动电话等多种多媒体和嵌入式应用. 视频监控系统总体设计 首先需要对系统进行总体规划,将系统划分成几个功能模块,确定各个模块的实现 方法.整个视频监控系统采用 C/S 结构,从主体上分为两部分:服务器端和客户端.服 务器端主要包括 S3C4510 平台上运行的采集,压缩,传输程序,客户端是 PC 机上运行 的接收,解压,回放程序.视频监控终端从摄像头捕获实时的视频信息,压缩之后通过 以太网传输到视频监控服务器上.视频图像采集和打包发送在服务器端完成,图像的接收 解包和回放将在客户端完成. 采集图像 数据压缩 打包发送 接收系统的硬件设计 系统采用模块化设计方案,主要包括
3、以下几个模块:主控制器模块,储存电路模块, 外围接口电路模块,电源和复位电路,S3C4510 主控器模块 主控器模块是整个系统的核心,采用的 S3C4510B 处理器.Samsung 公司的 S3C45 10B 是基于以太网应用系统的高性价比 16/32 位 RISC 微控制器,内含一个由 ARM 公司设计的 16/32 位 ARM7TDMI RISC 处理器核,ARM7TDMI 为低功耗,高性能的 16/32 核,系统存储电路模块 主控器还需一些外围存储单元如 Nand Flash,和 SDRAM.Nand Flash 中包含 Lin ux 的 Bootloader,系统内核,文件系统,应用
4、程序以及环境变量和系统配置文件等;S DRAM 读写速度快,系统运行时把它作为内存单元使用. 外围电路模块 外围电路主要是以下几个电路,复位电路图,电源电路图以及 JTAG 电路,三、课程设计设备及工具硬件：UP-NETARM2410-S嵌入式实验仪、PC机、ov511摄像头；软件：PC机操作系统REDHAT LINUX 9.0、MINICOM、AMR-LINUX开发环境。四、设计方案本次课程设计采用arm10开发平台。该平台采用Samsung公司的处理器S3C2410。该处理器内部集成了ARM公司 ARM920T处理器核的32位微控制器，资源丰富，带独立的16KB的指令Cache和16KB数
5、据Cache、LCD控制器、RAM控制器、NAND 闪存控制器、3路UART、4路DMA、4路带PWM的Timer、并行I/O口、8路10位ADC、Touch Screen接口、I2C接口、I2S接口、2个USB接口控制器、2路SPI，主频最高可达203MHz。在处理器丰富资源的基础上，还进行了相关的配置和扩展，平台配置了16MB 16位的Flash和64MB 32位的SDRAM。通过以太网控制器芯片DM9000E扩展了一个网口，另外引出了一个HOST USB接口。通过在USB接口上外接一个带USB口的摄像头，将采集到的视频图像数据放入输入缓冲区中。然后，对缓冲区中的视频数据进行压缩成帧，并把
6、每一帧图片在网页中显示出来，每秒钟刷新两次，得到一个动态的视频界面，然后通过局域网访问该主机的网页，得到网络视频信息。本次课程设计主要是完成得到视频图片及网页刷新的过程。本次设计要求在局域网环境中进行。五、开发环境配置5.1 摄像头驱动加载在Linux下，设备驱动程序可以看成Linux内核与外部设备之间的接口。设备驱动程序向应用程序屏蔽了硬件实现了的细节，使得应用程序可以像操作普通文件一样来操作外部设备，可以使用和操作文件中相同的、标准的系统调用接口函数来完成对硬件设备的打开、关闭、读写和I/O控制操作，而驱动程序的主要任务也就是要实现这些系统调用函数。本系统平台使用的嵌入式arm-Linux
7、系统在内核主要功能上与 Linux操作系统没本质区别。Video4Linux(简V4L)是Linux中关于视频设备的内核驱动，它为针对视频设备的应用程序编程提供一系列接口函数，这些视频设备包括现今市场上流行的TV卡、视频捕捉卡和USB摄像头等。ov511的驱动，2.4的内核中就有，所以我们只需重新编译内核，将下边的选项都选上，然后重新烧写内核就可以了。也就是直接静态加载。（1）在arm linux的kernel目录下make menuconfig。（2）首先(*)选择Multimedia device-下的Video for linux。加载video4linux模块，为视频采集设备提供编程接
8、口；（3）然后在usb support-目录下(*)选择support for usb和usb camera ov511 support。这使得在内核中加入了对采用OV511接口芯片的USB数字摄像头的驱动支持。（4）保存配置退出。（5）make dep；make zImage就生成了带有ov511 驱动的内核。接下来就通过uboot将内核烧到flash里去。这时你将摄像头插上，系统就会提示发现摄像头-ov511+，这说明驱动正常。:-)，驱动加载就成功了。5.2 安装jpeg库在地址ftp:/# tar -zxvf jpegsrc.v6b.tar.gz /解压库文件# cd jpeg-6b#
9、 ./configure -prefix=/usr/local/jpeg6-enable-shared /生成MAKEFILE文件# make /编译安装文件#mkdir /usr/local/jpeg6#mkdir /usr/local/jpeg6/include#mkdir /usr/local/jpeg#mkdir /usr/local/jpeg/lib#mkdir /usr/local/jpeg/bin#mkdir /usr/local/jpeg/man#mkdir /usr/local/jpeg/man/man1 /建立生成安装文件的目录#make install -lib /生成安
10、装文件#make install /开始安装文件六、 设计过程6.1 硬件设计系统的主体设计思想是将视频前端和嵌入式Web服务器整合在一起，摄像头通过USB接口和嵌入式系统板的USB HOST相连，摄像头采集来的视频信号经过压缩后，通过内部总线传送到内置的Web服务器，客户端采用浏览器/服务器结构（即B/S结构），可以通过IE浏览器访问视频Web服务器，以便查看所监控的视频画面，而且，用户还可以控制平台对镜头的动作或对系统进行配置控制。网络视频采集系统是由视频监控终端和视频监控中心组成，终端使用嵌入式系统加上USB摄像头，在Linux操作系统上运行USB摄像头的驱动和相应的视频采集处理传输程序
11、，得到视频监控画面，并画面通过网络传输，监控中心运行监控软件端，通过Internet浏览器来浏览终端送来的监控画面，其硬件连接图如下所示：网络视频采集硬件连接图从图中可以看出，PC机部分可以直接采用IE浏览器，不需要在PC机上运行其他的软件，主要设计工作是开发板端的设计。视频监控终端主要有两个部分组成，硬件部分包括摄像头和开发平台的选择；软件部分包括系统级软件（Boot Loader，嵌入式操作系统，USB驱动程序）与用户级软件（应用程序）。6.2 软件设计Video4linux为应用程序提供了一系列的接口函数，通过这些函数，可以执行打开、读写、关闭等基本操作。设备驱动提供了read、writ
12、e、open、close等函数的具体实现，在内核这些函数都可以调用。视频采集流程图如下所示：视频采集流程图利用V4L编写的视频采集程序重要代码如下，下列代码包含采集编码程序一些关键函数。（1） 程序中定义的数据结构struct _v4l_struct int fd; / 保存打开视频文件的设备描述符 struct video_capability capability;struct video_picture picture; struct video_mmap mmap; struct video_mbuf mbuf; unsigned char *map; / 用于指向图像数据的指针 in
13、t frame_current; int frame_usingVIDEO_MAX_FRAME; / 这两个变量用于双缓冲 ; typedef struct _v4l_struct v4l_device; 这些数据结构都是由Video4Linux支持的，它们的用途如下：*video_capability包含摄像头的基本信息，例如设备名称、支持的最大最小分辨率、信号源信息等；*voide_picture包含设备采集图像的各种属性，如brightness(亮度)、hue(色调)、contrast(对比度)、whiteness(色度)、color(深度)等；*video_mmap用于内存映射；*vo
14、ido_mbuf利用mmap进行映射的帧信息，实际上是输入到摄像头存储器缓冲中的帧信息，包括size（帧的大小）、frames（最多支持的帧数）、offsets（每帧相对基址的偏移）。程序中用到的主要系统调用函数有：open(/dev/voideo0,int flags)、close(fd)、mmap(void *start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset)、munmap(void *start,size_tlength)和ioctl(int fd,int cmd,)。前面提到Linux系统中把设备看成设备文件，在用户空
15、间可以通过标准的I/O系统调用函数操作设备文件，从而达到与设备通信交互的目的。当然，在设备驱动中要提供对这些函数的相应支持。这里说明一下ioctl(int fd,int cmd,)函数，它在用户程序中用来控制I/O通道，其中，fd代表设备文件描述符，cmd代表用户程序对设备的控制命令，省略号一般是一个表示类型长度的参数，也可没有。（2）采集程序实现过程首先打开视频设备，摄像头在系统中对应的设备文件为/dev/video0，采用系统调用函数grab_fd =open (/dev/video0,O_RDWR),grab_fd是设备打开后返回的文件描述符（打开错误返回-1），以后的系统调用函数就可使
16、用它来对设备文件进行操作了。接着，利用ioct1（grab_fd,VIDIOCGCAP,&grab_cap）函数读取struct video_capability中有关摄像头的信息。该函数成功返回后，这些信息从内核空间拷贝到用户程序空间grab_cap各成员分量中，使用 printf函数就可得到各成员分量信息，例如printf(maxheight=%d,grab_fd.maxheight)获得最大垂直分辨率的大小。不规则用ioct1(grab_fd,VIDIOCGPICT,&grab_pic)函数读取摄像头缓冲中voideo_picture信息。在用户空间程序中可以改变这些信息，具体方法为先给
17、分量赋新值，再调用VIDIOCSPICT ioct1函数，例如：grab_fd.depth=3;if(ioct1(grab_fd,VIDIOCSPICT,&grab_pic)0)perror(VIDIOCSPICT);return -1;完成以上初始化设备工作后，就可以对视频图像截取了，有两种方法：一种是read()直接读取；另外一种 mmap()内存映射。Read ()通过内核缓冲区来读取数据；而mmap()通过把设备文件映射到内存中，绕过了内核缓冲区，最快的磁盘访问往往还是慢于最慢的内存访问，所以mmap ()方式加速了I/O访问。另外，mmap()系统调用使得进程之间通过映射同一文件实现
18、共享内存，各进程可以像访问普通内存一样对文件进行访问，访问时只需要使用指针而不用调用文件操作函数。因为mmap()的以上优点，所以在程序实现中采用了内存映射方式，即mmap()方式。利用mmap()方式视频裁取具体进行操作如下。先使用ioct1(grab_fd,VIDIOCGMBUF,&grab_vm)函数获得摄像头存储缓冲区的帧信息，之后修改voideo_mmap中的设置，例如重新设置图像帧的垂直及水平分辨率、彩色显示格式。可利用如下语句grab_buf.height=240;grab_buf.width=320; 字串8grab_buf.format=VIDEO_PALETTE_RGB24
19、;接着把摄像头对应的设备文件映射到内存区，具体使用grab_data=(unsigned char*) mmap(0,grab_vm.size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,grad_fd,0)操作。这样设备文件的内容就映射到内存区，该映射内容区可读可写并且不同进程间可共享。该函数成功时返回映像内存区的指针，挫败时返回值为-1。下面对单帧采集和连续帧采集进行说明：*单帧采集。在上面获取的摄像头存储缓冲区帧信息中，最多可支持的帧数（frames的值）一般为两帧。对于单帧采集只需设置 grab_buf.frame=0，即采集其中的第一帧，使用ioctl(grab_
20、fd,VIDIOCMCAPTURE,&grab_buf) 函数，若调用成功，则激活设备真正开始一帧图像的截取，是非阻塞的。接着使用ioct1(grab_fd,VIDIOCSYNC,&frame) 函数判定该帧图像是否截取完毕，成功返回表示截取完毕，之后就可把图像数据保存成文件的形式。七、 测试与实现（1）仔细检查设备的连接，打开电源；（2）在PC机上的浏览器中地址栏输入开发板地址，网页自动跳到开发板的首页；（3）在页面上可见摄像头采集到的视频信息。经验证，本次设计基本达到设计要求。八、 设计心得本次课程设计通过运用嵌入式技术，图形处理技术等，完成了网络视频的采集过程，进一步熟悉了交叉编译的开发
21、方法，在开发的过程中，遇到很多问题，如驱动无法加载，程序调试出错等，通过重新编译开发板内核、安装图形处理库等，解决了多个问题，在解决问题的过程中，我们对嵌入式的开发过程多了一些细节的认识，为以后的持续学习巩固了基础。在设计过程中，我们分工合作，一起进步，不只从理论上对嵌入式有了更深的认识，同时从实践中验证了学习的理论知识，对嵌入式有了更深一步的认识。九、 源程序清单#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include
22、 #include #include #include #include #include #include #define WIDTH 640#define HEIGHT 480#define DEFAULT_DEVICE /dev/v4l/video1int write_jpeg(char *filename,unsigned char *buf,int quality,int width, int height, int gray)struct jpeg_compress_struct cinfo;struct jpeg_error_mgr jerr;FILE *fp;int i;uns
23、igned char *line;int line_length;if (NULL = (fp = fopen(filename,w)fprintf(stderr,grab: cant open %s: %sn,filename,strerror(errno);return -1;cinfo.err = jpeg_std_error(&jerr);jpeg_create_compress(&cinfo);jpeg_stdio_dest(&cinfo, fp);cinfo.image_width = width;cinfo.image_height = height;cinfo.input_co
24、mponents = gray ? 1: 3;cinfo.in_color_space = gray ? JCS_GRAYSCALE: JCS_RGB;jpeg_set_defaults(&cinfo);jpeg_set_quality(&cinfo, quality, TRUE);jpeg_start_compress(&cinfo, TRUE);line_length = gray ? width : width * 3;for (i = 0, line = buf; i fd=open(dev,O_RDWR)fd, VIDIOCGCAP, &(vd-capability) fd, VID
25、IOCGPICT, &(vd-picture) fd, VIDIOCGMBUF ,&(vd-mbuf) picture.brightness=25000; /* if(hue)*/ vd-picture.hue=25000; /* if(col)*/ vd-picture.colour=65535; /* if(cont)*/ vd-picture.contrast=30000; /* if(white)*/ vd-picture.whiteness=25000; if(ioctl(vd-fd,VIDIOCSPICT,&(vd-picture)fd,&(vd-map),size)=0)retu
26、rn -1; return 0; int v4l_mmap_init(v4l_device *vd) if (v4l_get_mbuf(vd) map = mmap(0, vd-mbuf.size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, vd-fd, 0) mmap.width = width;vd-mmap.height = height;pal= vd-picture.palette;vd-mmap.format=pal;待添加的隐藏文字内容3vd-frame_current = 0; vd-frame_using0 = FALSE;vd-frame_usin
27、g1 = FALSE;return v4l_grab_frame(vd, 0); /真正获得图像的函数 extern int v4l_grab_frame(v4l_device *, int); int v4l_grab_frame(v4l_device *vd, int frame) if (vd-frame_usingframe) fprintf(stderr, v4l_grab_frame: frame %d is already used.n, frame);return -1;vd-mmap.frame = frame;if (ioctl(vd-fd, VIDIOCMCAPTURE,
28、 &(vd-mmap) frame_usingframe = TRUE;vd-frame_current = frame;return 0;/在截取图像后还要进行同步操作，就是调用 extern int v4l_grab_sync(v4l_device *); 该函数如下 int v4l_grab_sync(v4l_device *vd)if (ioctl(vd-fd, VIDIOCSYNC, &(vd-frame_current) frame_usingvd-frame_current = FALSE;return 0;int v4l_close(v4l_device *vd) close(
29、vd-fd);return 0;/该函数返回 0 说明你想要获取的图像帧已经获取完毕。 /图像的位置，存在 vd.map+vd.mbuf.offsetsvd.frame_current 处。其中 vd.frame_current=0 ，为/第一帧的位置， vd.frame_current=1 ，为第二帧的位置。void bufBRExchange(unsigned char * buf, int bufLength)int i=0;printf(ECHG SUCn);/bufLength-=2;unsigned char temp;for(i=15;i921615;i+=3)temp=bufi
30、;bufi=bufi+2;bufi+2=temp;int main() v4l_device vd;unsigned char* buf;/ unsigned char nbuf1843216;v4l_open(DEFAULT_DEVICE,&vd); v4l_mmap_init(&vd); v4l_grab_init(&vd,640,480,0); v4l_grab_sync(&vd); / 此时就已经获得了一帧的图像，存在 vd.map 中 /buf=(unsigned char*) vd.map+vd.mbuf.offsetsvd.frame_current;while(TRUE) bu
31、f=vd.map+vd.mbuf.offsetsvd.frame_current;printf(%dn,vd.mbuf.size);bufBRExchange(buf,vd.mbuf.size);/unsigned char echg;vd.frame_current = 1; v4l_grab_frame(&vd, vd.frame_current); v4l_grab_sync(&vd); printf(FRAME 1 OK!n);if(-1 = (write_jpeg(/var/www/pic002.jpg,buf,30,640,480,0)printf(write_jpeg errorn);exit(1); printf(FRAME 2 OK!n); /图像处理函数（vd.map+vd.mbuf.offsetsvd.frame_current ）；/循环采集/ 其中 vd.map+vd.mbuf.offsetsvd.frame_current 就是图像所在位置。v4l_close(&vd);
