基于GPRS和ARM的嵌入式無(wú)線視頻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第3期視頻采集是數(shù)字圖像獲取的最基本手段,是進(jìn)行數(shù)字圖像處理,多媒體和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)那疤?它可為各種圖像處理算法提供待處理的原始數(shù)字圖像和算法驗(yàn)證平臺(tái)。在許多場(chǎng)合,由于視頻信息實(shí)時(shí)性要求高,數(shù)據(jù)量大,給視頻信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸帶來(lái)了很大壓力。如何實(shí)現(xiàn)視頻信息的采集、壓縮和實(shí)時(shí)傳輸,是設(shè)計(jì)視頻采集系統(tǒng)時(shí)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。隨著無(wú)線通訊技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、圖像處理技術(shù)和電子技術(shù)的高速發(fā)展,利用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)視頻采集,以其小巧、靈活、低成本、高性能的特點(diǎn)而獨(dú)具優(yōu)勢(shì),同時(shí)中國(guó)移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)為視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸提供了一個(gè)理想的解決方案[1]。本文給出了一種基于GPRS和RAM的嵌入式無(wú)線視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,該系統(tǒng)能采集視頻數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過(guò)中國(guó)移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端的服務(wù)器,并能將視頻信息在目標(biāo)服務(wù)器上再現(xiàn),具有功耗低、集成度高、傳輸質(zhì)量好、功能強(qiáng)和易于維護(hù)等特點(diǎn),可應(yīng)用于組建公路、環(huán)保、廠礦企業(yè)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。1硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一套完整的視頻采集系統(tǒng)不但需具備對(duì)圖像信號(hào)的采集功能,還需對(duì)圖像進(jìn)行處理并輸出。因此,一個(gè)視頻采集系統(tǒng)通常由圖像采集、圖像處理、各種同步邏輯控制、圖像存儲(chǔ)、圖像輸出5部分構(gòu)成。本文根據(jù)視頻采集系統(tǒng)的要求,給出圖1所示的無(wú)線視頻采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中,專用OV7660圖像傳感器是圖像傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP數(shù)字信號(hào)處理器的集成,OV7660將圖像以YUV4:2:2的數(shù)據(jù)格式通過(guò)8bits的數(shù)據(jù)總線傳送給ZR36060JPEG壓縮芯片,以S3C2440A處理器為核心的硬件平臺(tái)將得到的圖像通過(guò)西門子MC35i無(wú)線模塊發(fā)送到服務(wù)器。1.1系統(tǒng)硬件平臺(tái)系統(tǒng)硬件平臺(tái)采用Samsung公司的處理器S3C2440A[2],該處理器內(nèi)核采用ARM公司的16/32位ARM920TRISC處理器核,帶獨(dú)立的16KB的指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache,標(biāo)稱工作頻率為400MHz,運(yùn)算能力為200MIPS。平臺(tái)配置了32MbyteNandFlash和64MB32位的收稿日期:2009-08-11作者簡(jiǎn)介:陳兵飛(1976-,男,江蘇南通人,講師,工學(xué)碩士,主要研究方向?yàn)殡娮釉O(shè)計(jì)自動(dòng)化和智能控制?；贕PRS和ARM的嵌入式無(wú)線視頻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)陳兵飛1,吳烙佳2(1.南通職業(yè)大學(xué)電子工程系,江蘇南通226007;2.南通四建集團(tuán)有限公司,江蘇南通226001摘要:針對(duì)無(wú)線視頻在遠(yuǎn)距離監(jiān)控、智能交通、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等領(lǐng)域的具體應(yīng)用,分析了無(wú)線視頻采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),給出了一種無(wú)線視頻設(shè)計(jì)方案,其以O(shè)V7660攝像頭模組,在S3C2440A嵌入式平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)靜態(tài)視頻的采集和壓縮,并通過(guò)GPRS網(wǎng)路實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。關(guān)鍵詞:視頻采集;S3C2440A處理器;OV7660圖像傳感器;GPRS中圖分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1008-5327(200903-0081-04圖1硬件總體結(jié)構(gòu)OV7660圖像傳感器ZR36060S3C2440AARMSDRAMFlashMC35i模塊天線電源系統(tǒng)Vol.23No.3Sept.2009第23卷第3期2009年9月9999999999999999999999999999999999999999999999999999999999南通職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)JOURNALOFNANTONGVOCATIONALCOLLEGE81南通職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2009年SDRAM,主USB口、從USB口、10M/100M以太網(wǎng)口,觸摸屏,彩色LCD,鍵盤,A/D,RTC電路,串口,JTAG通用接口,音頻模塊,支持MPEG4、MP3編解碼,32位的數(shù)據(jù)總線,還包含有相關(guān)的配置和擴(kuò)展。1.2圖像采集本系統(tǒng)采用Omnivision技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的一種專用圖像傳感器OV7660[3],實(shí)現(xiàn)圖像的采集。OV7660是一款低功耗的CMOS彩色圖像傳感器,其最高輸出速度可以達(dá)到30fps。它將光敏元陣列、驅(qū)動(dòng)電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號(hào)處理電路(DSP和接口電路等完全集成在同一芯片內(nèi),僅需設(shè)計(jì)相應(yīng)的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng)。在其內(nèi)部集成了一個(gè)664×492的彩色視頻圖像陣列(VGA。該圖像傳感器能對(duì)所拍攝的圖像進(jìn)行預(yù)處理,包括自動(dòng)曝光控制、gamma校正、自動(dòng)白平衡調(diào)節(jié)、色彩飽和度調(diào)節(jié)、色彩控制等,并可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)SCCB(SerialCameraControlBus控制總線進(jìn)行寄存器參數(shù)設(shè)置。同時(shí),該芯片還運(yùn)用了個(gè)人傳感器技術(shù),通過(guò)降低或消除圖像的共模燈光/電信號(hào),如固定模式噪聲(fixedpatternnoise、拖尾效應(yīng)(smearing等,提高了圖像的質(zhì)量。本系統(tǒng)中,OV7660圖像傳感器通過(guò)SCCB總線與S3C2440A連接,受控于S3C2440A,通過(guò)向其寄存器寫入控制字,就可輸出圖像大小和格式可選的YUV/RGB格式的圖像數(shù)據(jù)幀。1.3圖像編碼壓縮視頻圖像數(shù)據(jù)有極強(qiáng)的相關(guān)性,即有大量的冗余信息。這些冗余信息給數(shù)據(jù)的有限帶寬的網(wǎng)絡(luò)傳輸和文件存儲(chǔ)帶來(lái)諸多不便,且大量的圖像信息會(huì)額外占用存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間和寶貴的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源。壓縮技術(shù)就是將數(shù)據(jù)中的冗余信息去掉,目前主要采用MJPEG、MPEG1/2、MPEG-4(SP/ASP、H.264/AVC等幾種視頻編碼技術(shù)。各種視頻編碼技術(shù)各有利弊,在本設(shè)計(jì)中采用Zoran公司的JPEG編解碼芯片ZR36060[4]實(shí)現(xiàn)圖像的編碼。ZR36060的接口可分為視頻接口、主機(jī)接口和代碼接口3部分。如圖2所示,在本系統(tǒng)中ZR36060視頻信號(hào)接口連接到OV7660的Y[7:0],采用被動(dòng)同步方式,同步信號(hào)由OV7660產(chǎn)生,行同步信號(hào)HSYNC接到OV7660的HREF引腳,場(chǎng)同步信號(hào)VSYNC接到OV7660的VSYNC引腳。ZR36060通過(guò)8位代碼寬度從模式連接到S3C2440A,S3C2440A通過(guò)兩位地址ADDR[1:0]、片選信號(hào)/CS、讀寫信號(hào)/RD、/WR以及數(shù)據(jù)總線DATA[7:0]直接對(duì)4塊寄存器區(qū)域操作,ZR36060通過(guò)DATA[7:0]將已壓縮的數(shù)據(jù)送給S3C2440A。本設(shè)計(jì)中,ZR36060的控制信號(hào)/START、/SLEEP由S3C2440A提供,/END由ZR36060產(chǎn)生。對(duì)ZR36060控制與操作步驟如下:(1通電后,在ZR36060睡眠狀態(tài)下鎖定內(nèi)部鎖相環(huán)。(2在ZR36060空閑狀態(tài)下,主機(jī)按ZR36060的內(nèi)部地址將參數(shù)和數(shù)據(jù)表載入ZR36060。(3置地址0x000的寄存器的最高位為1,并檢測(cè)地址0x001的寄存器的最高位,若該位為0,則說(shuō)明ZR36060內(nèi)部已經(jīng)完成了載入操作。(4ZR36060將對(duì)/START進(jìn)行采樣,若/START有效,壓縮視頻信號(hào)。(5完成對(duì)一場(chǎng)視頻信號(hào)的壓縮操作后,/END將被置低,此時(shí)如果有被允許的中斷發(fā)生,則進(jìn)入中斷等待狀態(tài),直到被響應(yīng),數(shù)據(jù)被讀出。否則將重新回到空閑狀態(tài),并再次對(duì)/START采樣,重復(fù)上一步操作。1.4圖像傳輸圖像傳輸可分為有線和無(wú)線兩種,目前隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展,中國(guó)移動(dòng)公司的GPRS技圖2OV7660與ZR36060及S3C2440A的接口OV7660行同步ZR36060S3C2440A幀同步時(shí)鐘同步視頻復(fù)用總線SCCB總線數(shù)據(jù)總線控制信號(hào)線82第3期術(shù)不斷完善,為圖像的無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸提供了一種很好的解決方案。如圖3所示,在本系統(tǒng)中,S3C2440A通過(guò)RS232口和無(wú)線模塊MC35i連接,通過(guò)控制MC35i模塊撥號(hào)上網(wǎng),并通過(guò)PPP協(xié)議與移動(dòng)服務(wù)器建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接,之后通過(guò)TCP/IP協(xié)議與目標(biāo)服務(wù)器建立socks連接,用于數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。MC35i通過(guò)內(nèi)嵌總線與SIM卡連接,并通過(guò)I/O口控制無(wú)線模塊開(kāi)關(guān)。2軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā),基于嵌入式Linux的開(kāi)發(fā)環(huán)境,軟件流程[5]如圖4所示,具體由以下幾部分組成:(1系統(tǒng)通電后,首先配置內(nèi)存的地址分配,將代碼搬運(yùn)到內(nèi)存中執(zhí)行,提高代碼的執(zhí)行效率,并進(jìn)行指針的重新定位。(2在主程序中完成對(duì)串口的配置及OV7660、ZR36060的驅(qū)動(dòng)。(3對(duì)Linux操作系統(tǒng)和需要用到的I/O口進(jìn)行初始化,包括打開(kāi)MC35i。(4創(chuàng)建系統(tǒng)任務(wù),主要包括:TCP/IP高級(jí)中斷任務(wù)TCPIP_HI_Task,TCP/IP事件任務(wù)NU_EventsDispatcher,TCP/IP定時(shí)器任務(wù)tcpip_timer_task,定時(shí)器任務(wù)timer_task,應(yīng)用程序任務(wù)M_main等。(5在操作系統(tǒng)創(chuàng)建任務(wù)后,用sta_tsk(啟動(dòng)任務(wù),用sys_sta(實(shí)現(xiàn)使能任務(wù)的調(diào)度。(6向GPRS模塊發(fā)送AT命令,進(jìn)行PPP協(xié)商。(7PPP協(xié)議協(xié)商結(jié)束后,通過(guò)M_main任務(wù)完成TCP/IP協(xié)議與目標(biāo)服務(wù)器建立連接。包括調(diào)用Net_Init(對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行初始化;調(diào)用Nu_add_Route(將缺省網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼、目標(biāo)ip添加進(jìn)路由表;調(diào)用Nu_socket(創(chuàng)建一個(gè)sock-ets;建立sever端的地址信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);調(diào)用Nu_connect(向sever發(fā)送建立連接的請(qǐng)求,若sever返回確認(rèn)則連接成功;調(diào)用Nu_send(/Nu_receive(發(fā)送/接收數(shù)據(jù);傳輸完畢調(diào)用Nu_close_socket(關(guān)閉socket連接,并調(diào)用Nu_sleep(掛起n個(gè)周期。(8由定時(shí)器等其他任務(wù)相互配合,定時(shí)完成對(duì)OV7660使能和對(duì)ZR36060讀取數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)發(fā)送等。3結(jié)束語(yǔ)本文所介紹的基于S3C2440A平臺(tái)、Linux操作系統(tǒng)和GPRS的無(wú)線視頻采集系統(tǒng),已在環(huán)保監(jiān)視、警用監(jiān)視等場(chǎng)合得到應(yīng)用,證實(shí)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。隨著電子信息技術(shù)發(fā)展日新月異,嵌入式系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域,具有無(wú)線傳輸功圖3無(wú)線模塊與SIM卡及S3C2440A接口西門子MC35iDATACLKRSTRXDTXDIGTSIM卡S3C2440A圖4軟件流程圖通過(guò)TCP/IP協(xié)議,與目標(biāo)服務(wù)器建立socks連接撥號(hào),進(jìn)行PPP協(xié)商連接到中國(guó)移動(dòng)服務(wù)器OV7660,ZR36060初始化,打開(kāi)MC35iARM系統(tǒng)初始化開(kāi)始使能定時(shí)器定時(shí)周期到?OV7660發(fā)幀使能,設(shè)置/Strat開(kāi)始?jí)嚎s讀取jpeg數(shù)據(jù),并發(fā)送到服務(wù)器NY陳兵飛,等:基于GPRS和ARM的嵌入式無(wú)線視頻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)83南通職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2009年AWirelessVideoCaptureSystemBasedonARMandGPRSCHENBing-Fei1,WULuo-Jia2(1.DepartmentofElectronicEngineering,NantongVocationalCollege,Nantong226007,China;2.NantongSijianConstructionGroupCo.,Ltd,Nantong226001,ChinaAbstract:Toapplythewirelessvideointheareasofremotemonitoring,intelligenttransportation,computervision,etc.,thecompositionstructureofwirelessvideocapturesystemisanalyzed,andawirelessvideodesignschemeisgiven,inwhichastaticvideocaptureandcompressionisachi