嵌入式課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、.嵌入式課程設(shè)計(jì)報(bào)告一、課程設(shè)計(jì)目的1.1 掌握linux開發(fā)環(huán)境的搭建； 1.2鞏固嵌入式交叉編譯的開發(fā)思想；1.3掌握嵌入式GUI軟件設(shè)計(jì)技。,.2、 課程設(shè)計(jì)要求輸入信號(hào)為 1 路 AV 視頻信號(hào),要求系統(tǒng)能對 1 路輸入信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,數(shù)字化 處理,壓縮,存儲(chǔ),要保證一定的錄像質(zhì)量. 根據(jù)設(shè)計(jì)題目的要求,選擇確定 ARM 芯片型號(hào),視頻采集芯片型號(hào),完成系統(tǒng)硬件設(shè) 計(jì)和程序設(shè)計(jì).3、 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)原理 ARM10 系列微處理器為低功耗的 32 位 RISC 處理器,最適合用于對價(jià)位和功耗要 求較高的消費(fèi)類應(yīng)用.ARM10 系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)?工業(yè)控制,Internet

2、設(shè)備,調(diào)制解 調(diào)器設(shè)備,移動(dòng)電話等多種多媒體和嵌入式應(yīng)用. 視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 首先需要對系統(tǒng)進(jìn)行總體規(guī)劃,將系統(tǒng)劃分成幾個(gè)功能模塊,確定各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn) 方法.整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用 C/S 結(jié)構(gòu),從主體上分為兩部分:服務(wù)器端和客戶端.服 務(wù)器端主要包括 S3C4510 平臺(tái)上運(yùn)行的采集,壓縮,傳輸程序,客戶端是 PC 機(jī)上運(yùn)行 的接收,解壓,回放程序.視頻監(jiān)控終端從攝像頭捕獲實(shí)時(shí)的視頻信息,壓縮之后通過 以太網(wǎng)傳輸?shù)揭曨l監(jiān)控服務(wù)器上.視頻圖像采集和打包發(fā)送在服務(wù)器端完成,圖像的接收 解包和回放將在客戶端完成. 采集圖像 數(shù)據(jù)壓縮 打包發(fā)送 接收系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案,主要包括

3、以下幾個(gè)模塊:主控制器模塊,儲(chǔ)存電路模塊, 外圍接口電路模塊,電源和復(fù)位電路,S3C4510 主控器模塊 主控器模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心,采用的 S3C4510B 處理器.Samsung 公司的 S3C45 10B 是基于以太網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的高性價(jià)比 16/32 位 RISC 微控制器,內(nèi)含一個(gè)由 ARM 公司設(shè)計(jì)的 16/32 位 ARM7TDMI RISC 處理器核,ARM7TDMI 為低功耗,高性能的 16/32 核,系統(tǒng)存儲(chǔ)電路模塊 主控器還需一些外圍存儲(chǔ)單元如 Nand Flash,和 SDRAM.Nand Flash 中包含 Lin ux 的 Bootloader,系統(tǒng)內(nèi)核,文件系統(tǒng),應(yīng)用

4、程序以及環(huán)境變量和系統(tǒng)配置文件等;S DRAM 讀寫速度快,系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)把它作為內(nèi)存單元使用. 外圍電路模塊 外圍電路主要是以下幾個(gè)電路,復(fù)位電路圖,電源電路圖以及 JTAG 電路,三、課程設(shè)計(jì)設(shè)備及工具硬件：UP-NETARM2410-S嵌入式實(shí)驗(yàn)儀、PC機(jī)、ov511攝像頭；軟件：PC機(jī)操作系統(tǒng)REDHAT LINUX 9.0、MINICOM、AMR-LINUX開發(fā)環(huán)境。四、設(shè)計(jì)方案本次課程設(shè)計(jì)采用arm10開發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)采用Samsung公司的處理器S3C2410。該處理器內(nèi)部集成了ARM公司 ARM920T處理器核的32位微控制器，資源豐富，帶獨(dú)立的16KB的指令Cache和16KB數(shù)

5、據(jù)Cache、LCD控制器、RAM控制器、NAND 閃存控制器、3路UART、4路DMA、4路帶PWM的Timer、并行I/O口、8路10位ADC、Touch Screen接口、I2C接口、I2S接口、2個(gè)USB接口控制器、2路SPI，主頻最高可達(dá)203MHz。在處理器豐富資源的基礎(chǔ)上，還進(jìn)行了相關(guān)的配置和擴(kuò)展，平臺(tái)配置了16MB 16位的Flash和64MB 32位的SDRAM。通過以太網(wǎng)控制器芯片DM9000E擴(kuò)展了一個(gè)網(wǎng)口，另外引出了一個(gè)HOST USB接口。通過在USB接口上外接一個(gè)帶USB口的攝像頭，將采集到的視頻圖像數(shù)據(jù)放入輸入緩沖區(qū)中。然后，對緩沖區(qū)中的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮成幀，并把

6、每一幀圖片在網(wǎng)頁中顯示出來，每秒鐘刷新兩次，得到一個(gè)動(dòng)態(tài)的視頻界面，然后通過局域網(wǎng)訪問該主機(jī)的網(wǎng)頁，得到網(wǎng)絡(luò)視頻信息。本次課程設(shè)計(jì)主要是完成得到視頻圖片及網(wǎng)頁刷新的過程。本次設(shè)計(jì)要求在局域網(wǎng)環(huán)境中進(jìn)行。五、開發(fā)環(huán)境配置5.1 攝像頭驅(qū)動(dòng)加載在Linux下，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以看成Linux內(nèi)核與外部設(shè)備之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向應(yīng)用程序屏蔽了硬件實(shí)現(xiàn)了的細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣來操作外部設(shè)備，可以使用和操作文件中相同的、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用接口函數(shù)來完成對硬件設(shè)備的打開、關(guān)閉、讀寫和I/O控制操作，而驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)也就是要實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。本系統(tǒng)平臺(tái)使用的嵌入式arm-Linux

7、系統(tǒng)在內(nèi)核主要功能上與 Linux操作系統(tǒng)沒本質(zhì)區(qū)別。Video4Linux(簡V4L)是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，它為針對視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供一系列接口函數(shù)，這些視頻設(shè)備包括現(xiàn)今市場上流行的TV卡、視頻捕捉卡和USB攝像頭等。ov511的驅(qū)動(dòng)，2.4的內(nèi)核中就有，所以我們只需重新編譯內(nèi)核，將下邊的選項(xiàng)都選上，然后重新燒寫內(nèi)核就可以了。也就是直接靜態(tài)加載。（1）在arm linux的kernel目錄下make menuconfig。（2）首先(*)選擇Multimedia device-下的Video for linux。加載video4linux模塊，為視頻采集設(shè)備提供編程接

8、口；（3）然后在usb support-目錄下(*)選擇support for usb和usb camera ov511 support。這使得在內(nèi)核中加入了對采用OV511接口芯片的USB數(shù)字?jǐn)z像頭的驅(qū)動(dòng)支持。（4）保存配置退出。（5）make dep；make zImage就生成了帶有ov511 驅(qū)動(dòng)的內(nèi)核。接下來就通過uboot將內(nèi)核燒到flash里去。這時(shí)你將攝像頭插上，系統(tǒng)就會(huì)提示發(fā)現(xiàn)攝像頭-ov511+，這說明驅(qū)動(dòng)正常。:-)，驅(qū)動(dòng)加載就成功了。5.2 安裝jpeg庫在地址中下載jpeg庫的壓縮包。# tar -zxvf jpegsrc.v6b.tar.gz /解壓庫文件# cd

9、jpeg-6b# ./configure -prefix=/usr/local/jpeg6-enable-shared /生成MAKEFILE文件# make /編譯安裝文件#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 /建立生成安裝文件的目錄#make install -

10、lib /生成安裝文件#make install /開始安裝文件6、 設(shè)計(jì)過程6.1 硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主體設(shè)計(jì)思想是將視頻前端和嵌入式Web服務(wù)器整合在一起，攝像頭通過USB接口和嵌入式系統(tǒng)板的USB HOST相連，攝像頭采集來的視頻信號(hào)經(jīng)過壓縮后，通過內(nèi)部總線傳送到內(nèi)置的Web服務(wù)器，客戶端采用瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)（即B/S結(jié)構(gòu)），可以通過IE瀏覽器訪問視頻Web服務(wù)器，以便查看所監(jiān)控的視頻畫面，而且，用戶還可以控制平臺(tái)對鏡頭的動(dòng)作或?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行配置控制。網(wǎng)絡(luò)視頻采集系統(tǒng)是由視頻監(jiān)控終端和視頻監(jiān)控中心組成，終端使用嵌入式系統(tǒng)加上USB攝像頭，在Linux操作系統(tǒng)上運(yùn)行USB攝像頭的驅(qū)動(dòng)和相應(yīng)的視頻

11、采集處理傳輸程序，得到視頻監(jiān)控畫面，并畫面通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，監(jiān)控中心運(yùn)行監(jiān)控軟件端，通過Internet瀏覽器來瀏覽終端送來的監(jiān)控畫面，其硬件連接圖如下所示：網(wǎng)絡(luò)視頻采集硬件連接圖從圖中可以看出，PC機(jī)部分可以直接采用IE瀏覽器，不需要在PC機(jī)上運(yùn)行其他的軟件，主要設(shè)計(jì)工作是開發(fā)板端的設(shè)計(jì)。視頻監(jiān)控終端主要有兩個(gè)部分組成，硬件部分包括攝像頭和開發(fā)平臺(tái)的選擇；軟件部分包括系統(tǒng)級(jí)軟件（Boot Loader，嵌入式操作系統(tǒng)，USB驅(qū)動(dòng)程序）與用戶級(jí)軟件（應(yīng)用程序）。6.2 軟件設(shè)計(jì)Video4linux為應(yīng)用程序提供了一系列的接口函數(shù)，通過這些函數(shù)，可以執(zhí)行打開、讀寫、關(guān)閉等基本操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供了r

12、ead、write、open、close等函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)，在內(nèi)核這些函數(shù)都可以調(diào)用。視頻采集流程圖如下所示：視頻采集流程圖利用V4L編寫的視頻采集程序重要代碼如下，下列代碼包含采集編碼程序一些關(guān)鍵函數(shù)。（1） 程序中定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct _v4l_struct int fd; / 保存打開視頻文件的設(shè)備描述符 struct video_capability capability;struct video_picture picture; struct video_mmap mmap; struct video_mbuf mbuf; unsigned char *map; / 用于指向圖像

13、數(shù)據(jù)的指針 int frame_current; int frame_usingVIDEO_MAX_FRAME; / 這兩個(gè)變量用于雙緩沖 ; typedef struct _v4l_struct v4l_device; 這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是由Video4Linux支持的，它們的用途如下：*video_capability包含攝像頭的基本信息，例如設(shè)備名稱、支持的最大最小分辨率、信號(hào)源信息等；*voide_picture包含設(shè)備采集圖像的各種屬性，如brightness(亮度)、hue(色調(diào))、contrast(對比度)、whiteness(色度)、color(深度)等；*video_mmap用于

14、內(nèi)存映射；*voido_mbuf利用mmap進(jìn)行映射的幀信息，實(shí)際上是輸入到攝像頭存儲(chǔ)器緩沖中的幀信息，包括size（幀的大小）、frames（最多支持的幀數(shù)）、offsets（每幀相對基址的偏移）。程序中用到的主要系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)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系統(tǒng)中把設(shè)備看成設(shè)

15、備文件，在用戶空間可以通過標(biāo)準(zhǔn)的I/O系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)操作設(shè)備文件，從而達(dá)到與設(shè)備通信交互的目的。當(dāng)然，在設(shè)備驅(qū)動(dòng)中要提供對這些函數(shù)的相應(yīng)支持。這里說明一下ioctl(int fd,int cmd,)函數(shù)，它在用戶程序中用來控制I/O通道，其中，fd代表設(shè)備文件描述符，cmd代表用戶程序?qū)υO(shè)備的控制命令，省略號(hào)一般是一個(gè)表示類型長度的參數(shù)，也可沒有。（2）采集程序?qū)崿F(xiàn)過程首先打開視頻設(shè)備，攝像頭在系統(tǒng)中對應(yīng)的設(shè)備文件為/dev/video0，采用系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)grab_fd =open (/dev/video0,O_RDWR),grab_fd是設(shè)備打開后返回的文件描述符（打開錯(cuò)誤返回-1），以后的系

16、統(tǒng)調(diào)用函數(shù)就可使用它來對設(shè)備文件進(jìn)行操作了。接著，利用ioct1（grab_fd,VIDIOCGCAP,&grab_cap）函數(shù)讀取struct video_capability中有關(guān)攝像頭的信息。該函數(shù)成功返回后，這些信息從內(nèi)核空間拷貝到用戶程序空間grab_cap各成員分量中，使用 printf函數(shù)就可得到各成員分量信息，例如printf(maxheight=%d,grab_fd.maxheight)獲得最大垂直分辨率的大小。不規(guī)則用ioct1(grab_fd,VIDIOCGPICT,&grab_pic)函數(shù)讀取攝像頭緩沖中voideo_picture信息。在用戶空間程序中可以改變這些信息

17、，具體方法為先給分量賦新值，再調(diào)用VIDIOCSPICT ioct1函數(shù)，例如：grab_fd.depth=3;if(ioct1(grab_fd,VIDIOCSPICT,&grab_pic)0)perror(VIDIOCSPICT);return -1;完成以上初始化設(shè)備工作后，就可以對視頻圖像截取了，有兩種方法：一種是read()直接讀?。涣硗庖环N mmap()內(nèi)存映射。Read ()通過內(nèi)核緩沖區(qū)來讀取數(shù)據(jù)；而mmap()通過把設(shè)備文件映射到內(nèi)存中，繞過了內(nèi)核緩沖區(qū)，最快的磁盤訪問往往還是慢于最慢的內(nèi)存訪問，所以mmap ()方式加速了I/O訪問。另外，mmap()系統(tǒng)調(diào)用使得進(jìn)程之間通過

18、映射同一文件實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存，各進(jìn)程可以像訪問普通內(nèi)存一樣對文件進(jìn)行訪問，訪問時(shí)只需要使用指針而不用調(diào)用文件操作函數(shù)。因?yàn)閙map()的以上優(yōu)點(diǎn)，所以在程序?qū)崿F(xiàn)中采用了內(nèi)存映射方式，即mmap()方式。利用mmap()方式視頻裁取具體進(jìn)行操作如下。先使用ioct1(grab_fd,VIDIOCGMBUF,&grab_vm)函數(shù)獲得攝像頭存儲(chǔ)緩沖區(qū)的幀信息，之后修改voideo_mmap中的設(shè)置，例如重新設(shè)置圖像幀的垂直及水平分辨率、彩色顯示格式。可利用如下語句grab_buf.height=240;grab_buf.width=320; 字串8grab_buf.format=VIDEO_PALET

19、TE_RGB24;接著把攝像頭對應(yīng)的設(shè)備文件映射到內(nèi)存區(qū)，具體使用grab_data=(unsigned char*) mmap(0,grab_vm.size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,grad_fd,0)操作。這樣設(shè)備文件的內(nèi)容就映射到內(nèi)存區(qū)，該映射內(nèi)容區(qū)可讀可寫并且不同進(jìn)程間可共享。該函數(shù)成功時(shí)返回映像內(nèi)存區(qū)的指針，挫敗時(shí)返回值為-1。下面對單幀采集和連續(xù)幀采集進(jìn)行說明：*單幀采集。在上面獲取的攝像頭存儲(chǔ)緩沖區(qū)幀信息中，最多可支持的幀數(shù)（frames的值）一般為兩幀。對于單幀采集只需設(shè)置 grab_buf.frame=0，即采集其中的第一幀，使用ioc

20、tl(grab_fd,VIDIOCMCAPTURE,&grab_buf) 函數(shù)，若調(diào)用成功，則激活設(shè)備真正開始一幀圖像的截取，是非阻塞的。接著使用ioct1(grab_fd,VIDIOCSYNC,&frame) 函數(shù)判定該幀圖像是否截取完畢，成功返回表示截取完畢，之后就可把圖像數(shù)據(jù)保存成文件的形式。7、 測試與實(shí)現(xiàn)（1）仔細(xì)檢查設(shè)備的連接，打開電源；（2）在PC機(jī)上的瀏覽器中地址欄輸入開發(fā)板地址，網(wǎng)頁自動(dòng)跳到開發(fā)板的首頁；（3）在頁面上可見攝像頭采集到的視頻信息。經(jīng)驗(yàn)證，本次設(shè)計(jì)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。8、 設(shè)計(jì)心得本次課程設(shè)計(jì)通過運(yùn)用嵌入式技術(shù)，圖形處理技術(shù)等，完成了網(wǎng)絡(luò)視頻的采集過程，進(jìn)一步熟悉

21、了交叉編譯的開發(fā)方法，在開發(fā)的過程中，遇到很多問題，如驅(qū)動(dòng)無法加載，程序調(diào)試出錯(cuò)等，通過重新編譯開發(fā)板內(nèi)核、安裝圖形處理庫等，解決了多個(gè)問題，在解決問題的過程中，我們對嵌入式的開發(fā)過程多了一些細(xì)節(jié)的認(rèn)識(shí)，為以后的持續(xù)學(xué)習(xí)鞏固了基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)過程中，我們分工合作，一起進(jìn)步，不只從理論上對嵌入式有了更深的認(rèn)識(shí)，同時(shí)從實(shí)踐中驗(yàn)證了學(xué)習(xí)的理論知識(shí)，對嵌入式有了更深一步的認(rèn)識(shí)。9、 源程序清單#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include

22、#include #include #include #include #include #include #include #define WIDTH 640#define HEIGHT 480#define DEFAULT_DEVICE /dev/v4l/video1int write_jpeg(char * 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 cha

23、r *line;int line_length;if (NULL = (fp = fopen(,w)fprintf(stderr,grab: cant open %s: %sn,(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_co

24、lor_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, VIDIOCGPICT, &(vd-picture) fd, VIDIOC

25、GMBUF ,&(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)return -1; return 0; int v4l_mmap_init

26、(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;vd-frame_current = 0; vd-frame_using0 = FALSE;vd-frame_using1 = FALSE;return v4l_grab_frame(vd, 0); /真正獲

27、得圖像的函數(shù) 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, &(vd-mmap) frame_usingframe = TRUE;vd-frame_

28、current = frame;return 0;/在截取圖像后還要進(jìn)行同步操作，就是調(diào)用 extern int v4l_grab_sync(v4l_device *); 該函數(shù)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(vd-fd);return 0;/該函數(shù)返回 0 說明你想要獲取的圖像幀已經(jīng)獲取完畢。 /圖像的位置，存在 vd.map+vd.mbuf.offsetsvd.frame_current 處。其中 vd.fra