嵌入式专业课程设计方案报告.doc

嵌入式课程设计报告
一、课程设计目
1.1 掌握linux开发环境搭建；
1.2巩固嵌入式交叉编译开发思想；
1.3掌握嵌入式GUI软件设计技。,. 
二、 课程设计规定
输入信号为 1 路 AV 视频信号,规定系统能对 1 路输入信号进行实时采集,数字化 解决,压缩,存储,要保证一定录像质量. 依照设计题目规定,选取拟定 ARM 芯片型号,视频采集芯片型号,完毕系统硬件设 计和程序设计.
三、 课程设计内容
 设计原理 ARM10 系列微解决器为低功耗 32 位 RISC 解决器,最合用于对价位和功耗要 求较高消费类应用.
ARM10 系列微解决器重要应用领域为:工业控制,Internet 设备,调制解 调器设备,移动电话等各种多媒体和嵌入式应用.

视频监控系统总体设计 一方面需要对系统进行总体规划,将系统划提成几种功能模块,拟定各个模块实现 办法.整个视频监控系统采用 C/S 构造,从主体上分为两某些:服务器端和客户端.服 务器端重要涉及 S3C4510 平台上运营采集,压缩,传播程序,客户端是 PC 机上运营 接受,解压,回放程序.视频监控终端从摄像头捕获实时视频信息,压缩之后通过 以太网传播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毕,图像接受 解包和回放将在客户端完毕. 采集图像 数据压缩 打包发送 接受

系统硬件设计 系统采用模块化设计方案,重要涉及如下几种模块: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核心,采用 S3C4510B 解决器.Samsung 公司 S3C45 10B 是基于以太网应用系统高性价比 16/32 位 RISC 微控制器,内含一种由 ARM 公司设计 16/32 位 ARM7TDMI RISC 解决器核,ARM7TDMI 为低功耗,高性能 16/32 核,
系统存储电路模块
主控器还需某些外围存储单元如 Nand Flash,和 SDRAM.Nand Flash 中包括 Lin ux Bootloader,系统内核,文献系统,应用程序以及环境变量和系统配备文献等;S DRAM 读写速度快,系统运营时把它作为内存单元使用.
外围电路模块
外围电路重要是如下几种电路,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公司解决器S3C2410。该解决器内部集成了ARM公司 ARM920T解决器核32位微控制器，资源丰富，带独立16KB指令Cache和16KB数据Cache、LCD控制器、RAM控制器、NAND 闪存控制器、3路UART、4路DMA、4路带PWMTimer、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。在解决器丰富资源基本上，还进行了有关配备和扩展，平台配备了16MB 16位Flash和64MB 32位SDRAM。通过以太网控制器芯片DM9000E扩展了一种网口，此外引出了一种HOST USB接口。通过在USB接口上外接一种带USB口摄像头，将采集到视频图像数据放入输入缓冲区中。然后，对缓冲区中视频数据进行压缩成帧，并把每一帧图片在网页中显示出来，每秒钟刷新两次，得到一种动态视频界面，然后通过局域网访问该主机网页，得到网络视频信息。本次课程设计重要是完毕得到视频图片及网页刷新过程。
本次设计规定在局域网环境中进行。
五、开发环境配备
5.1 摄像头驱动加载
在Linux下，设备驱动程序可以当作Linux内核与外部设备之间接口。设备驱动程序向应用程序屏蔽了硬件实现了细节，使得应用程序可以像操作普通文献同样来操作外部设备，可以使用和操作文献中相似、原则系统调用接口函数来完毕对硬件设备打开、关闭、读写和I/O控制操作，而驱动程序重要任务也就是要实现这些系统调用函数。本系统平台使用嵌入式arm-Linux系统在内核重要功能上与 Linux操作系统没本质区别。
Video4Linux(简V4L)是Linux中关于视频设备内核驱动，它为针对视频设备应用程序编程提供一系列接口函数，这些视频设备涉及现今市场上流行TV卡、视频捕获卡和USB摄像头等。
ov511驱动，2.4内核中就有，因此咱们只需重新编译内核，将下边选项都选上，然后重新烧写内核就可以了。也就是直接静态加载。
（1）在arm linuxkernel目录下make menuconfig。
（2）一方面(*)选取Multimedia device->下Video for linux。加载video4linux模块，为视频采集设备提供编程接口；
（3）然后在usb support->目录下(*)选取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USB数字摄像头驱动支持。
（4）保存配备退出。
（5）make dep；make zImage就生成了带有ov511 驱动内核。
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+，这阐明驱动正常。:-)，驱动加载就成功了。
5.2 安装jpeg库
在地址ftp://
# tar -zxvf jpegsrc.v6b.tar.gz //解压库文献
# cd jpeg-6b
# ./configure --prefix=/usr/local/jpeg6--enable-shared //生成MAKEFILE文献
# make //编译安装文献
#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 //建立生成安装文献目录
#make install -lib /生成安装文献
#make install //开始安装文献
六、 设计过程
6.1 硬件设计
系统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USB HOST相连，摄像头采集来视频信号通过压缩后，通过内部总线传送到内置Web服务器，客户端采用浏览器/服务器构造（即B/S构造），可以通过IE浏览器访问视频Web服务器，以便查看所监控视频画面，并且，顾客还可以控制平台对镜头动作或对系统进行配备控制。
网络视频采集系统是由视频监控终端和视频监控中心构成，终端使用嵌入式系统加上USB摄像头，在Linux操作系统上运营USB摄像头驱动和相应视频采集解决传播程序，得到视频监控画面，并画面通过网络传播，监控中心运营监控软件端，通过Internet浏览器来浏览终端送来监控画面，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机某些可以直接采用IE浏览器，不需要在PC机上运营其她软件，重要设计工作是开发板端设计。视频监控终端重要有两个某些构成，硬件某些涉及摄像头和开发平台选取；软件某些涉及系统级软件（Boot Loader，嵌入式操作系统，USB驱动程序）与顾客级软件（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、write、open、close等函数详细实现，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
运用V4L编写视频采集程序重要代码如下，下列代码包括采集编码程序某些核心函数。
（1） 程序中定义数据构造
struct _v4l_struct
{
int fd； // 保存打开视频文献设备描述符
struct video_capability capability;
struct video_picture picture；
struct video_mmap mmap；
struct video_mbuf mbuf；
unsigned char *map； // 用于指向图像数据指针
int frame_current；
int frame_using[VIDEO_MAX_FRAME]； // 这两个变量用于双缓冲
}；typedef struct _v4l_struct v4l_device；
这些数据构造都是由Video4Linux支持，它们用途如下：
*video_capability包括摄像头基本信息，例如设备名称、支持最大最小辨别率、信号源信息等；
*voide_picture包括设备采集图像各种属性，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；
*voido_mbuf运用mmap进行映射帧信息，事实上是输入到摄像头存储器缓冲中帧信息，涉及size（帧大小）、frames（最多支持帧数）、offsets（每帧相对基址偏移）。
程序中用到重要系统调用函数有：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系统中把设备当作设备文献，在顾客空间可以通过原则I/O系统调用函数操作设备文献，从而达到与设备通信交互目。固然，在设备驱动中要提供对这些函数相应支持。这里阐明一下ioctl(int fd,int cmd,…)函数，它在顾客程序中用来控制I/O通道，其中，fd代表设备文献描述符，cmd代表顾客程序对设备控制命令，省略号普通是一种表达类型长度参数，也可没有。
（2）采集程序实现过程
一方面打开视频设备，摄像头在系统中相应设备文献为/dev/video0，采用系统调用函数grab_fd =open ("/dev/video0",O_RDWR),grab_fd是设备打开后返回文献描述符（打开错误返回-1），后来系统调用函数就可使用它来对设备文献进行操作了。接着，运用ioct1（grab_fd,VIDIOCGCAP,&grab_cap）函数读取struct video_capability中关于摄像头信息。该函数成功返回后，这些信息从内核空间拷贝到顾客程序空间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)获得最大垂直辨别率大小。不规则用ioct1(grab_fd,VIDIOCGPICT,&grab_pic)函数读取摄像头缓冲中voideo_picture信息。在顾客空间程序中可以变化这些信息，详细办法为先给分量赋新值，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;};
完毕以上初始化设备工作后，就可以对视频图像截取了，有两种办法：一种是read()直接读取；此外一种 mmap()内存映射。Read ()通过内核缓冲区来读取数据；而mmap()通过把设备文献映射到内存中，绕过了内核缓冲区，最快磁盘访问往往还是慢于最慢内存访问，因此mmap ()方式加速了I/O访问。此外，mmap()系统调用使得进程之间通过映射同一文献实现共享内存，各进程可以像访问普通内存同样对文献进行访问，访问时只需要使用指针而不用调用文献操作函数。由于mmap()以上长处，因此在程序实现中采用了内存映射方式，即mmap()方式。
运用mmap()方式视频裁取详细进行操作如下。
①先使用ioct1(grab_fd,VIDIOCGMBUF,&grab_vm)函数获得摄像头存储缓冲区帧信息，之后修改voideo_mmap中设立，例如重新设立图像帧垂直及水平辨别率、彩色显示格式。可运用如下语句
grab_buf.height=240;
grab_buf.width=320；字串8
grab_buf.format=VIDEO_PALETTE_RGB24;
②接着把摄像头相应设备文献映射到内存区，详细使用grab_data=(unsigned char*) mmap(0,grab_vm.size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,grad_fd,0)操作。这样设备文献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指针，挫败时返回值为-1。
下面对单帧采集和持续帧采集进行阐明：
*单帧采集。在上面获取摄像头存储缓冲区帧信息中，最多可支持帧数（frames值）普通为两帧。对于单帧采集只需设立 grab_buf.frame=0，即采集其中第一帧，使用ioctl(grab_fd,VIDIOCMCAPTURE,&grab_buf) 函数，若调用成功，则激活设备真正开始一帧图像截取，是非阻塞。接着使用ioct1(grab_fd,VIDIOCSYNC,&frame) 函数鉴定该帧图像与否截取完毕，成功返回表达截取完毕，之后就可把图像数据保存成文献形式。
七、 测试与实现
（1）仔细检查设备连接，打开电源；
（2）在PC机上浏览器中地址栏输入开发板地址，网页自动跳到开发板首页；
（3）在页面上可见摄像头采集到视频信息。
经验证，本次设计基本达到设计规定。
八、 设计心得
本次课程设计通过运用嵌入式技术，图形解决技术等，完毕了网络视频采集过程，进一步熟悉了交叉编译开发办法，在开发过程中，遇到诸多问题，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、安装图形解决库等，解决了各种问题，在解决问题过程中，咱们对嵌入式开发过程多了某些细节结识，为后来持续学习巩固了基本。
在设计过程中，咱们分工合伙，一起进步，不只从理论上对嵌入式有了更深结识，同步从实践中验证了学习理论知识，对嵌入式有了更深一步结识。
九、 源程序清单
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <errno.h>
#include <linux/videodev.h>
#include <jpeglib.h>
#include <unistd.h>
#include <math.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/mman.h>
#include <getopt.h>
#define WIDTH 640
#define HEIGHT 480
#define DEFAULT_DEVICE "/dev/v4l/video1"
int 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;
unsigned char *line;
int line_length;
if (NULL == (fp = fopen(filename,"w")))
{
fprintf(stderr,"grab：can't open %s：%s\n",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_components = 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 < height；i++，line += line_length)
jpeg_write_scanlines(&cinfo，&line，1);
jpeg_finish_compress(&(cinfo));
jpeg_destroy_compress(&(cinfo));
fclose(fp);
/////////////////////////////////////////////////////////////////////
char fn1[30]="/var/www/pic001.jpg";
char fn2[30]="/var/www/pic002.jpg";
if (NULL == (fp = fopen(fn1,"r"))){
fclose(fp);
remove(fn1);
}
rename(fn2,fn1);
/////////////////////////////////////////////////////////////////////
return 0;
}
//这个函数很通用，它作用是把buf中数据压缩成jpeg格式。
struct _v4l_struct
{
int fd； // 保存打开视频文献设备描述符
struct video_capability capability;
struct video_picture picture；
struct video_mmap mmap；
struct video_mbuf mbuf；
unsigned char *map； // 用于指向图像数据指针
int frame_current；
int frame_using[VIDEO_MAX_FRAME]； // 这两个变量用于双缓冲
}；typedef struct _v4l_struct v4l_device；
extern int v4l_open(char *，v4l_device *)；
extern int v4l_close(v4l_device *)；
extern int v4l_get_capability(v4l_device *)；
extern int v4l_get_picture(v4l_device *)；
extern int v4l_get_mbuf(v4l_device *)；
extern int v4l_set_picture(v4l_device *，int，int，int，int，int)；
extern int v4l_grab_picture(v4l_device *，unsigned int)；
extern int v4l_mmap_init(v4l_device *)；
extern int v4l_grab_init(v4l_device *，int，int,int)；
extern int v4l_grab_frame(v4l_device *，int)；
extern int v4l_grab_sync(v4l_device *)；
int v4l_open(char *dev ，v4l_device *vd)
{
dev= DEFAULT_DEVICE；
if((vd->fd=open(dev,O_RDWR))<0){perror("v4l_open");return -1;}
if(v4l_get_capability(vd))return -1；
if(v4l_get_picture(vd))return -1； // 这两个函数就是即将要完毕获取设备信息函数
return 0；
}
int v4l_get_capability(v4l_device *vd)
{
if (ioctl(vd->fd，VIDIOCGCAP，&(vd->capability)) < 0) {
perror("v4l_get_capability:");
return -1;
}
return 0;
}
int v4l_get_picture(v4l_device *vd)
{
if (ioctl(vd->fd，VIDIOCGPICT，&(vd->picture)) < 0) {
perror("v4l_get_picture:");
return -1;
}
return 0;
}
int v4l_get_mbuf(v4l_device *vd)
{
if (ioctl(vd->fd，VIDIOCGMBUF ,&(vd->mbuf)) < 0) {
perror("v4l_get_mbuf:");
return -1;
}
return 0;
}
int v4l_set_picture(v4l_device *vd,int br,int hue,int col,int cont,int white)
{
/* if(br)*/ vd->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))<0)
{perror("v4l_set_picture：");return -1;}
return 0；
}
int v4l_grab_picture(v4l_device *vd，unsigned int size)
{
if(read(vd->fd,&(vd->map),size)==0)return -1；
return 0；
}
int v4l_mmap_init(v4l_device *vd)
{
if (v4l_get_mbuf(vd) < 0)
return -1;
if ((vd->map = mmap(0，vd->mbuf.size，PROT_READ|PROT_WRITE，MAP_SHARED，vd->fd，0)) < 0) {
perror("v4l_mmap_init:mmap");
return -1;
}
return 0;
}
int v4l_grab_init(v4l_device *vd，int width，int height,int pal)
{
vd->mmap.width = width;
vd->mmap.height = height;
pal= vd->picture.palette;
vd->mmap.format=pal;
vd->frame_current = 0；
vd->frame_using[0] = FALSE;
vd->frame_using[1] = FALSE;
return v4l_grab_frame(vd，0)；
}
//真正获得图像函数 extern int v4l_grab_frame(v4l_device *，int)；
int v4l_grab_frame(v4l_device *vd，int frame)
{
if (vd->frame_using[frame]) {
fprintf(stderr，"v4l_grab_frame：frame %d is already used.\n"，frame);
return -1;
}
vd->mmap.frame = frame;
if (ioctl(vd->fd，VIDIOCMCAPTURE，&(vd->mmap)) < 0) {
perror("v4l_grab_frame");
return -1;
}
vd->frame_using[frame] = 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)) < 0) {
perror("v4l_grab_sync");
}
vd->frame_using[vd->frame_current] = FALSE;
return 0;
}
int v4l_close(v4l_device *vd)
{
close(vd->fd);
return 0;
}
//该函数返回 0 阐明你想要获取图像帧已经获取完毕。
//图像位置，存在 vd.map+vd.mbuf.offsets[vd.frame_current] 处。其中 vd.frame_current=0 ，为
//第一帧位置， vd.frame_current=1 ，为第二帧位置。
void bufBRExchange(unsigned char * buf，int bufLength)
{
int i=0;
printf("ECHG SUC\n");//bufLength-=2;
unsigned char temp;
for(i=15;i<921615;i+=3)
{
temp=buf[i];
buf[i]=buf[i+2];
buf[i+2]=temp;
}
}
int main()
{v4l_device vd;
unsigned char* buf;// unsigned char nbuf[1843216];
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图像，存在 vd.map 中
//buf=(unsigned char*) vd.map+vd.mbuf.offsets[vd.frame_current];
while(TRUE)
{
buf=vd.map+vd.mbuf.offsets[vd.frame_current];
printf("%d\n",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 error\n");
exit(1);
}
printf("FRAME 2 OK!\n")；
//图像解决函数（vd.map+vd.mbuf.offsets[vd.frame_current] ）；//循环采集
// 其中 vd.map+vd.mbuf.offsets[vd.frame_current] 就是图像所在位置。
}
v4l_close(&vd);
}