基于ARM9的远程图像无线监控系统的设计（1） 无线监控, 微处理器, 领域

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对图像监控系统，用户常常提出这样的功能需求：希望能够监控距离较远的对象。这些对象有可能分布在郊区、深山，荒原或者其他无人值守的场合;另外，希望能够获取比较清晰的监控图像，但对图像传输的实时性要求并不高,很明显，用传统的PC机加图像采集卡的方式很难满足这样的需求。
在嵌入式领域，ARM9系列微处理器在高性能和低功耗方面提供了最佳的性能，因此选用ARM9嵌入式处理器S3C2440设计实现了一个远程图像光线监控系统通过这个系统，可以远在千里之外控制一个摄像机进行图像采集并回传。如果这个摄像机有一个485接口的云台，还可以通过互联网远程控制摄像机的取景角度、镜头拉伸、聚焦等功能.
除了获取图像数据.系统还提供了多路开关控制和数据采集功能，可以连接温度、湿度等各类传感器和控制红外夜视灯等其他外部设备的开关状态。最后，通过GPRS或CDMA无线通信模块及Internel互联网将数据传至任何地方
1 系统设计
本系统采用三星公司的S3C2440嵌入式处理器和arm-linux2.4.26操作系统;S3C2440使用ARM920T内核，主频是 400MHz;除了集成通用的串口控制器、USB控制器、A/D转换器和GPIO等功能之外，还集成了一个摄像头接门(CAMIF)(这个接口是远程图像采集的核心部分)。系统在S3C2440处理器的控制下，从CCD摄像机采集模拟视频信号，然后经过编码、DMA传输到内存缓冲，接着由软件对内存中的数字视频数据进行压缩和打包.最后通过通信单元将图像以IP包的方式发送到监控中心的服务器。整个系统的硬件结构原理如图1所示


1.1 图像采样接口
S3C2440的摄像头接口(CAMIF)支持ITU-R BT.601/656 YCbCr8比特标准的图像数据输入，最大可采样4096×4096像素的图像。摄像头接口可以有两种模式与DMA控制器进行数据传输：一种是P端口模式，把从摄像头接口采样到的图像数据转为RGB数据，并在DMA控制下传输到SDRAM(一般这种模式用来提供图像预览功能);另一种是C端口模式，把图像数据按照YCbCr4:2:0或4:2:2的格式传输到SDRAM(这种模式主要为MPEG-4、H.263等编码器提供图像数据的输入)。上述两种工作模式都允许设置一个剪辑窗口，只有进入这个窗口的图像数据才能够传输到SDRAM。上述过程可用图2说明。


S3C2440的摄像机接口接收ITU标准的图像数据，不能直接接收CCD摄像机输出的模拟视频信号，因此还需要1片SAA7113视频解码芯片。 SAA7113可以输入4路模拟视频信号，通过内部寄存器的不同配置可以对4路输入进行转换，输入可以为4路CVBS或2路S视频(Y/C)信号，输出8 位“VPO”总线，为标准的ITU656、YUV 4:2:2格式。对SAA7113初始化需要通过I2C 总线进行，而S3C2440内部集成的I2C控制器正好可以实现这个过程。S3C2440的摄像机接口与SAA7113的连接原理如图3所示。


SAA7113 的CE 引脚与S3C2440 的一个GPIO 引脚相连，这样可以控制SAA7113的工作状态。当无须采集图像时，将该GPIO口输出低电平，使SAA7113芯片处于低功耗状态，节省电能的消耗。对照图2和图3可以看出，SAA7113芯片就是图2的“外部图像传感器”。它向嵌入式系统的摄像机接口提供了采样到的标准ITU视频数据。这些数据经过 DMA的P端口或C端口控制传输到了内存，这样就可以在内存中对图像数据作进一步的加工处理。
1.2 采样接口驱动
图像采样接口的驱动按照Linux视频设备驱动的模型V4L(video for Linux)编写了SAA7113与S3C2440摄像机接口的驱动。驱动使用C端口模式与DMA进行通信。采样1帧图像之前，首先设置采样图像的分辨率和剪辑窗口大小等参数，然后设置DMA控制器访问的视频采样输出缓冲的内存地址，接着就可以通过设置S3C2440的CAMIF接口控制寄存器启动1帧图像的采集。当采集完1帧图像时，CAMIF接口会自动启动1次C端口的DMA通信，把采集的图像数据传到内存。传输结束后，会产生一个C端口的中断，通知驱动1帧数据采样和传输结束。具体来说，这个驱动需要实现以下功能：
初始化S3C2440的CAMIF接口的时钟寄存器。主要是根据SAA7113的外接晶振频率设置摄像机时钟分频寄存器(CAMDIVN)。该寄存器的0～3位是分频系数，其计算方法是：
CAMCLK_DIV=UPLL/(CAMCLK * 2)-1
(初始化代码略— — 编者注)
配置CAMIF接口的采样参数。主要是输入源图像数据的格式、输出的图像格式、采样的窗口大小、DMA的访问地址等参数。这里定义了一个结构，用于存储与CAMIF接口相关的配置信息：
struct s3c2440_camif_cfg_t {
int src_x; //输入的源图像宽度
int src_y; //输入的源图像高度
int
dst_x; //输出的目标图像宽度
int dst_y; //输出的目标图像高度
int dst_fmt;
//输出的目标图像数据格式
int pre_x; //预览通道(P端口模式)输出的图像宽
int pre_y;
//预览通道(P端口模式)输出的图像高
int pre_fmt; //使用通道(P端口模式)时设为1
__u16 bypass;
//为1时表示不启用按比例的图像放大/缩小
__u16 ycbcr; //输入图像的YcbCr顺序
struct s3c2440_camif
*dev; //设备的系统信息
};
上述这些配置信息最终是与一系列的寄存器相关联的。这个结构为读/写寄存器提供了一个清晰的、集中的存储缓冲。
打开、关闭和控制摄像机的接口函数。这3个接口函数是按V4L规范编写的，其原型如下：
① 打开摄像机接口函数：
static int
v4l_cam_open(struct video_device *v,int mode);