基于ARM的视频采集系统的设计与实现.doc
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1、基于ARM的视频采集系统的设计与实现摘 要本文根据家庭视频采集系统的要求,提出一种基于ARM的网络视频采集方案。方案要求视频的实时传输、实时监控。本系统以Inel Xcal 芯片和嵌入式Lin系统为平台,在平台中搭建网络视频服务器,并以它为中介,负责将US摄像头采集到得视频数据传输到网络服务器中,最后发送到申请监控的远程PC机中,远程PC只需在网页中便能实时的看到监控端的视频图像。论文首先阐述了嵌入式网络视频采集技术的发展、现状和前景,然后介绍了嵌入式硬件系统结构和嵌入式inux操作系统的特点,阐述了嵌入式硬件整体结构,使大家大体的完整的对系统硬件有详细的了解,实际记录了嵌入式操作系统内核的编
2、译和移植,介绍了otldr的基本原理和启动过程,实现了视频采集程序的编译和移植,研究了嵌入式一般驱动程序的使用.随后,本文详细描述了视频采集程序的整体结构框图和具体功能代码块、网络通信编程技术、图像编解码、嵌入式视频服。关键词:RM;嵌入式;Lu;视频采集I 1目录摘 要I第1章 引言11。 课题的背景和来源11。2 本文的内容及主要工作第章 嵌入式AM系统硬件结构简介。1 视频监控系统结构简介32.2 ARM处理器简介32。 XScae体系结构42。主要硬件电路说明第3章 嵌入式AM系统软件结构9。 Linux操作系统简介932交叉编译环境的建立.3 嵌入式nu操作系统移植11。3。 Boo
3、rder移植113。3. inx 内核移植123。3。嵌入式文件系统33.4nux下的程序调试14第4章USB设备驱动程序设计14. 设备驱动程序简介14.2 Lnx下驱动程序的实现84。3 US摄像头驱动程序设计20第5章 视频采集功能的设计235。1基于V的编程2。11 摄像头相关数据结构2451。2 摄像头基本功能实现25。.视频数据采集9。2 图像编解码32.2. 编解码介绍32.2.2系统压缩技术33第1章 引言1.1 课题的背景和来源二十一世纪的网络化、数字化让人们的生活每天都发生着翻天覆地的变化,获取信息的方便和快捷可以使人们在信息化的今天领先一步创造出巨大的利益,而获取信息的重
4、要途径就是眼睛。据统计,人类采集信息的80来自视觉。图像和视频是对客观事物生动、形象的描述,是一种最直观的表现方式。而视频监控技术因为它方便快捷、生动形象、信息丰富等特点日益受到人们的青睐,并在各行各业得到广泛的应用。与此同时,现代网络和数字技术的快速发展也为视频监控技术的发展奠定了坚实的基础。二十一世纪,嵌入式技术、多媒体处理技术进一步发展,为视频监控系统的发展提供了新的出路嵌入式视频监控系统.嵌入式系统是以应用为中心,软硬件可以剪裁,具有高稳定、低成本、功耗低、速度快、实时好的专用计算机系统,它由嵌入式微处理器,配以周边硬件设备,接口电路组成。嵌入式系统内部使用嵌入式操作系统,安装专用的功
5、能软件。嵌入式技术把硬件和软件集于一体,独立工作.嵌入式视频监控系统比其他视频采集系统在布局区域范围上要广泛;由于使用IP技术,嵌入式视频监控技术比其他视频采集系统更具紧密的结合度,能够充分利用现代网络技术的成果,并能构成复杂的视频监控网络;性能上,嵌入式视频采集系统继承了嵌入式技术的优点,非常适合自动化的环境。因此,嵌入式视频采集技术正在我国快速的发展,积极的研究会加强我们在这方面技术的学习,也会为视频监控技术的发展贡献力量.1.2 本文的内容及主要工作根据毕业设计的初衷,我们需要设计基于RM的网络视频采集系统。在监控系统中,视频采集、传输、播放的功能不是由专门视频处理芯片完成,而是由软件实
6、现。论文首先介绍了嵌入式ARM系统的硬件结构和软件结构,方便大家熟悉AR和Lnu系统,包括嵌入式设备的硬件结构,逻辑框图和inu的基本操作、安装方法;第二,研究了嵌入式的一些驱动程序,主要是摄像头驱动程序V4L,系统中选用的摄像头芯片中星微1;第三,研究了视频监控的具体流程和实现方式,让大家在总体上对整个系统有一个大概的认知.本次设计的目的只有一个,就是实现视频的实时监控。围绕它,不管是硬件结构还是软件流程,都需要学习和研究,不断调试,决不放弃。总之,论文的内容都是围绕如何建立一个视频采集系统。无论是从哪个方面,我们都是为这个目标而努力。37 第2章 嵌入式ARM系统硬件结构简介2.1 视频监
7、控系统结构简介网络视频监控系统是基于嵌入式技术设计的。嵌入式并没有统一的定义,但目前有一个广泛而又被认可的规范:将软件产品固化到硬件平台上,完成应有的功能既是嵌入式。基于嵌入式技术的视频监控系统服务器端采用摄像头不断的采集图像,压缩成视频流,然后通过网络发送到申请监控的客户端.监控系统的使用者可以在远程实现网页上的实时监控和一些简单的功能操作。系统整体结构如图。所示。图2.1系统整体结构图该系统中PU采用基于RM的X27微处理器,通过在其上运行inux操作系统,执行Bo视频服务器,接受并处理来自摄像头的图像信号,通过以太网控制器发送至远端,实现视频数据的远程传输和接受,达到视频监控的目的。2.
8、2 AR处理器简介AR,既是一个公司的名字,也是对一类微处理器的通称。AR嵌入式微处理器是全球领先的163位I处理器芯片知识产权设计供应商RM(vceISKMchine)公司的产品。ARM公司本身不直接从事芯片生产,而是依靠转让设计许可,由合作公司生产各具特色的芯片。R处理器以其完整的体系结构,极小的体积、极低的功耗、极低的成本、极高的性能,及时根据嵌入对象的不同进行功能上的扩展的优势,在众多种类的嵌入式微处理器中脱颖而出基于ARM技术的微处理器应用占据了2位S微处理器5%以上的市场份额,AR技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。采用RISC架构的M微处理器一般具有如下特点:(1) 采用固定长
9、度的指令格式,指令规整、简单、基本寻址方式有23种;(2) 使用单周期指令,便于流水线操作执行;(3) 大量使用寄存器,数据处理指令只对寄存器进行操作,以提高指令的执行效率;(4)所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行,从而提高指令的执行效率;(5)可用加载/存储指令批量传输数据,以提高数据的传输效率;(6)可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理;(7)在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。目前,AR处理器有AM7、M、ARM9E、 ARM0、AE、ere、StrogARM和Scale等系列。每个系列除了具有ARM体系结构的共同特点以外,都有各自的特点和应用领域。2.
10、3 XSal体系结构Xscal核是采用RV5T架构的处理器,是Intel公司的StrongAM的升级换代产品,它具有高性能、低功耗等特点,并在流水线设计、P处理和指令设计中有很大改进3。ARM的体系结构是基于RISK的,Xae是RM处理器的一种,所以Sal具有ISK的基本特性.而且针对嵌入式系统,cle构架还引入了Petiu处理器工艺和系统结构技术,实现了entium微处理器体系结构的一系列高性能技术,达到了高性能、低功耗和小体积等嵌入式系统要求的特性。它的特点有:超流水线、高主频、存储体系、分支预测和指令集体系结构.本设计采用的就是基于英特尔Xsle构架的一种2位嵌入式处理器,它除了应用于掌
11、上电脑之中外,还可以应用于智能手机、网络存储设备、骨干网路由器等电子设备。PXA2x系列处理器是英特尔当前最新推出的嵌入式处理器。它的时钟频率从12到24MH不等,并内建6MB的堆栈型ntl Straalash内存。内置了英特尔的无线MMX技术,能够显著提升多媒体性能。OURPXA270EP是一款基于INTEL SCAEX2处理器,针对高效嵌入式系统教学和实验科研的平台。这款设备主要包括核心板与底版两个部分,核心板主要集成了高速的PXA20CPU,配套的存储器,网卡等设备;底版主要是各种类型的接口与扩展口核心板(8层C电路)系统包括:C:INEL X70(52M),支持D调试;DRAM:64M
12、 工作在104外频上;FLSH: 32M NTL No FLASH;Nt: 000MEthrnt ontrol (LAN91C111);SURO: WINBOND 837;CPD: XLIX 95144(17UEIO);总线驱动器: 若干;核心板正面如图。2所示,核心板背面如图2.3所示.图. 核心板正面图图。核心板背面图底版(4层C电路)如图2。所示。包括:Ehrnt:10100接口1个RT: 6个(包括RS232,S45,IR,全功能串口)SB1。1:2个(个host 一个ei):个(KEYBOARD&US)标准并口:1个PCMCA:1个IE:1个/MMC: 个SMC:个AMEA:1个9N
13、功能扩展口:2个X5小键盘CPU_JTAG CPD_JTAGAR LQ08DG01 8寸真彩C60480VA40480L 8X点阵一组段D数码管 4个 图。4底版图2.4 主要硬件电路说明嵌入式设备除了以M芯片为主要控制单元,也有很多周边电路和外围设备,它们有的帮助ARM处理信号、有的负责存储数据、有的进行网络连接、有的用来数据通信,这些周边设备缺一不可,不能替代。首先介绍P核心总线4,总线是CPU和其他设备的桥梁。是通过总线信号来控制SDRM ,LH,网卡,UPEIO等外部设备的,无论是低速还是高速,只要是与总线相关的芯片,都要和CU总线信号有关其次,研究嵌入式系统内存DRA。SDR是嵌入式
14、系统的内存,具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点,已广泛应用在各种嵌入式系统中。当系统启动时,C首先从复位地址00处读取启动代码,在完成系统的初始化后,程序代码一般应调入SDM中运行,以提高系统的运行速度。同时,系统及用户堆栈、运行数据也都放在SM中。SDRM的存储单元可以理解为一个电容,总是倾向于放电,为避免数据丢失,必须定时刷新(充电)因此,要在系统中使用SDRA,就要求微处理器具有刷新控制逻辑,或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路PA20芯片在片内具有独立的SDR刷新控制逻辑,可方便地与RM接口。除了SDRM,FLSH也是一种存储媒介。FLASH一般具有NO型和ND型。NAN型FLAH单
15、元密度高,写入和擦除速度非常快,而且一般NND型LA的存储容量很大。NR型FASH的优点是芯片内执行命令,这样应用程序可以直接在FLASH内运行,不用进入内存,使得它的传输效率很高嵌入式设备最大的优点就是网络功能强大,它能像PC一样方便地连接到互联网上,这些功能都是网络控制器的作用。也就是thnt onrler,本系统采用MC公司的单芯片的网络控制器,AN91C11。它可以工作在两种速度下,M以太网或者0M以太网。A91C11的工作流程是,驱动程序将要发送的数据包按指定格式写入芯片并启动发送命令,A91C1会自动把数据包转换成物理帧格式在物理信道上传输;反之芯片收到物理信号后自动将其还原成数据
16、,并按指定格式存放在芯片A中以便主机程序取用。就是A91C111完成数据包和电信号之间的相互转换。最后,说明一下串口电路,在嵌入式视频监控系统中,串口起到了很重要地作用,嵌入式系统启动的信息都可以通过串口传到PC上,极大地方便了系统的移植和软件的调试。大多数情况下,嵌入式CPU的串口会作为PU的一个终端,为用户与CP交互提供基本的输出输入信息。当CP运行BOO代码时,通常只有这个终端 ;运行INUX内核时,如果有LCD显示,串口与LD终端会同时有效。串口0终端的交互方式是命令行的模式,在BOOT阶段,支持简单的BOO命令。 第3章 嵌入式AM系统软件结构3.1 Linu操作系统简介Liux是一
17、个类似Unix的操作系统,它起源于芬兰一个名为LisTrvadS的业余爱好者,现已成为最流行的一款开放源代码的操作系统。nux从问世至今,短短时间内已发展成为一个功能强大、设计完善的操作系统。Lin系统不仅能够运行于C平台,还在嵌入式系统方面大放光芒.由于nux的源码开放,内核精简且性能强悍,不依赖于具体厂商,能广泛适用于各种硬件设备,系统二次开发成本极低,因此在IT业界已经达成共识,即采用嵌入式Lix作为嵌入式操作系统是大势所趋。嵌入式nux是目前嵌入式系统领域中发展势头非常迅猛的系统。嵌入式Lx是指对iux经过小型化裁剪后,能够固化在容量只有几百K字节或几M字节的存储器芯片或单片机中,应用
18、于特定嵌入式场合的专用操作系统目前正在开发的嵌入式系统中,4%的项目选择嵌入式iu作为操作系统。嵌入式Lin现已成为嵌入式操作系统的理想选择6。目前基于嵌入式Linx的应用已经遍布很多领域,比如移动多媒体设备、手持设备、车载导航系统、机械控制等。嵌入式Linux分为两种类型:在没有使用MMU的平台上(无内存虚实地址转换和映射)的一般为uCLiux;而在有MMU平台上,则使用原本地嵌入式Linu版本。由于在目前的主流嵌入式M中大多不具有MMU,因此只用M左右的内核就能实现网络功能和任务调度的Liux系统就可以适用于从高端服务器到嵌入式应用的各级平台.AM技术和iux成功地结合,应用于数以千计的商
19、业产品中.从便携式消费品、网络和无线设备,到自动化设备、医疗设备和存储产品,这一应用列表与日俱增。ARM和Linux的结合充分满足了各类应用对嵌入式平台高性能、低功耗和低价格的要求,通过开发环境、开源社区和AM的商业伙伴的优势为嵌入式开发提供了更灵活的选择。本次设计的开发环境为eha9.0系统,在Widow下安装虚拟机,在虚拟机中安装Linx系统,这样可以屏蔽底层差别,避免硬件驱动带来的麻烦,而且还能方便的使用串口、并口、接口,快速的进入实验环境。图.为虚拟机下Lnux系统启动后的情况。 图3。1 虚拟机下Lux操作系统3.2 交叉编译环境的建立通常嵌入式系统的软件编译和执行是在两个不同平台上
20、进行的。编译是在宿主机,一般为装有inx的c;执行是在目标机,即嵌入式系统的硬件平台.一般是在宿主机上通过跨平台交叉编译器把源文件编译成目标平台上可执行的文件,再通过串口、并口或者网络下载至目标平台上的FLASH或者其它存储介质,然后由目标机来运行这些软件。这里所说的跨平台编译器和一般的编译器功能类似,都是把源代码通过编译器编译成目标文件,然后通过链接器、可重定位器程序和定位器把目标文件重新定位成可执行文件和通用的编译器之间最大的差别就在于跨平台编译器编译出来的可执行程序通常只能在特定CU所属平台上运行。所以一般来说每种CPU都对应有不同的跨平台编译器。本系统采用基于XSce的A0,可以使用常
21、用的M-IUXGC交叉编译器要成功构建完整的交叉编译环境需要在宿主机上创建一系列的工具包括CC+编译器、汇编器、链接器、嵌入式系统的标准C库和代码级调试器成功建立好开发环境后便可以运用这些工具进行嵌入式系统开发7。3.3 嵌入式Linux操作系统移植3.3.1 ootLorer移植Botoader是系统加电后运行的第一段代码.一般只是在启动时运行很短的时间,然而对一个嵌入式系统来说,这一部分却是整个系统的一个无比重要的组成部分,不可缺少。在一般嵌入式系统中,系统复位或者加电后通常从地址000处开始执行,而这个地址一般正是存放的oLoder启动代码。通过这段程序,可以初始化硬件设备、建立内存空间
22、的映射图,从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态,以便为最终加载操作系统内核准备好正确的环境。BLer一般情况下需要包含以下几个必备的功能:()初始化处理器。这个动作都是用汇编语言完成的,称为重置码(retcde)或者称为ooode,而且对于每个CU都不一样的,当电源接通后就会执行这个动作,通常只有两三个汇编指令,目的是将CP的控制权转给硬件初始化的程序.(2)初始化一些必要的硬件。这个动作也大都由汇编语言来完成,主要是初始化PU、DRAM等,其他的硬件,例如串口,可以由c语言等比较高级的程序语言来完成后续动作.(3)设置处理器的寄存器以及内存,关掉所有的输入管脚(包括中断管脚),以防止突然
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- 基于 ARM 视频 采集 系统 设计 实现
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