基于GPRS和ARM的嵌入式無線視頻采集系統(tǒng)設(shè)計

第3期視頻采集是數(shù)字圖像獲取的最基本手段,是進行數(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)字圖像和算法驗證平臺。在許多場合,由于視頻信息實時性要求高,數(shù)據(jù)量大,給視頻信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸帶來了很大壓力。如何實現(xiàn)視頻信息的采集、壓縮和實時傳輸,是設(shè)計視頻采集系統(tǒng)時要解決的關(guān)鍵問題。隨著無線通訊技術(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)實現(xiàn)視頻采集,以其小巧、靈活、低成本、高性能的特點而獨具優(yōu)勢,同時中國移動GPRS網(wǎng)絡(luò)為視頻信號的實時傳輸提供了一個理想的解決方案[1]。本文給出了一種基于GPRS和RAM的嵌入式無線視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計方案,該系統(tǒng)能采集視頻數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進行處理并通過中國移動的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、功能強和易于維護等特點,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)計一套完整的視頻采集系統(tǒng)不但需具備對圖像信號的采集功能,還需對圖像進行處理并輸出。因此,一個視頻采集系統(tǒng)通常由圖像采集、圖像處理、各種同步邏輯控制、圖像存儲、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所示的無線視頻采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計。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)字信號處理器的集成,OV7660將圖像以YUV4:2:2的數(shù)據(jù)格式通過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將得到的圖像通過西門子MC35i無線模塊發(fā)送到服務(wù)器。1.1系統(tǒng)硬件平臺系統(tǒng)硬件平臺采用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,帶獨立的16KB的指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache,標(biāo)稱工作頻率為400MHz,運算能力為200MIPS。平臺配置了32MbyteNandFlash和64MB32位的收稿日期:2009-08-11作者簡介:陳兵飛(1976-,男,江蘇南通人,講師,工學(xué)碩士,主要研究方向為電子設(shè)計自動化和智能控制?；贕PRS和ARM的嵌入式無線視頻采集系統(tǒng)設(shè)計陳兵飛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.南通四建集團有限公司,江蘇南通226001摘要:針對無線視頻在遠(yuǎn)距離監(jiān)控、智能交通、計算機視覺等領(lǐng)域的具體應(yīng)用,分析了無線視頻采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),給出了一種無線視頻設(shè)計方案,其以O(shè)V7660攝像頭模組,在S3C2440A嵌入式平臺上實現(xiàn)靜態(tài)視頻的采集和壓縮,并通過GPRS網(wǎng)路實現(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:TP393文獻標(biāo)識碼:A文章編號: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JOURNALOFNANTONGVOCATIONALCOLLEGE81南通職業(yè)大學(xué)學(xué)報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)的配置和擴展。1.2圖像采集本系統(tǒng)采用Omnivision技術(shù)有限公司開發(fā)的一種專用圖像傳感器OV7660[3],實現(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到30fps。它將光敏元陣列、驅(qū)動電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號處理電路(DSP和接口電路等完全集成在同一芯片內(nèi),僅需設(shè)計相應(yīng)的外圍電路即可實現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng)。在其內(nèi)部集成了一個664×492的彩色視頻圖像陣列(VGA。該圖像傳感器能對所拍攝的圖像進行預(yù)處理,包括自動曝光控制、gamma校正、自動白平衡調(diào)節(jié)、色彩飽和度調(diào)節(jié)、色彩控制等,并可通過標(biāo)準(zhǔn)SCCB(SerialCameraControlBus控制總線進行寄存器參數(shù)設(shè)置。同時,該芯片還運用了個人傳感器技術(shù),通過降低或消除圖像的共模燈光/電信號,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SCCB總線與S3C2440A連接,受控于S3C2440A,通過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)傳輸和文件存儲帶來諸多不便,且大量的圖像信息會額外占用存儲器的存儲空間和寶貴的網(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)計中采用Zoran公司的JPEG編解碼芯片ZR36060[4]實現(xiàn)圖像的編碼。ZR36060的接口可分為視頻接口、主機接口和代碼接口3部分。如圖2所示,在本系統(tǒng)中ZR36060視頻信號接口連接到OV7660的Y[7:0],采用被動同步方式,同步信號由OV7660產(chǎn)生,行同步信號HSYNC接到OV7660的HREF引腳,場同步信號VSYNC接到OV7660的VSYNC引腳。ZR36060通過8位代碼寬度從模式連接到S3C2440A,S3C2440A通過兩位地址ADDR[1:0]、片選信號/CS、讀寫信號/RD、/WR以及數(shù)據(jù)總線DATA[7:0]直接對4塊寄存器區(qū)域操作,ZR36060通過DATA[7:0]將已壓縮的數(shù)據(jù)送給S3C2440A。本設(shè)計中,ZR36060的控制信號/START、/SLEEP由S3C2440A提供,/END由ZR36060產(chǎn)生。對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,并檢測地址0x001的寄存器的最高位,若該位為0,則說明ZR36060內(nèi)部已經(jīng)完成了載入操作。(4ZR36060將對/START進行采樣,若/START有效,壓縮視頻信號。(5完成對一場視頻信號的壓縮操作后,/END將被置低,此時如果有被允許的中斷發(fā)生,則進入中斷等待狀態(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/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線兩種,目前隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展,中國移動公司的GPRS技圖2OV7660與ZR36060及S3C2440A的接口OV7660行同步ZR36060S3C2440A幀同步時鐘同步視頻復(fù)用總線SCCB總線數(shù)據(jù)總線控制信號線82第3期術(shù)不斷完善,為圖像的無線實時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RS232口和無線模塊MC35i連接,通過控制MC35i模塊撥號上網(wǎng),并通過PPP協(xié)議與移動服務(wù)器建立點對點連接,之后通過TCP/IP協(xié)議與目標(biāo)服務(wù)器建立socks連接,用于數(shù)據(jù)的無線傳輸。MC35i通過內(nèi)嵌總線與SIM卡連接,并通過I/O口控制無線模塊開關(guān)。2軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件的開發(fā),基于嵌入式Linux的開發(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,將代碼搬運到內(nèi)存中執(zhí)行,提高代碼的執(zhí)行效率,并進行指針的重新定位。(2在主程序中完成對串口的配置及OV7660、ZR36060的驅(qū)動。(3對Linux操作系統(tǒng)和需要用到的I/O口進行初始化,包括打開MC35i。(4創(chuàng)建系統(tǒng)任務(wù),主要包括:TCP/IP高級中斷任務(wù)TCPIP_HI_Task,TCP/IP事件任務(wù)NU_EventsDispatcher,TCP/IP定時器任務(wù)tcpip_timer_task,定時器任務(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(啟動任務(wù),用sys_sta(實現(xiàn)使能任務(wù)的調(diào)度。(6向GPRS模塊發(fā)送AT命令,進行PPP協(xié)商。(7PPP協(xié)議協(xié)商結(jié)束后,通過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(對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行初始化;調(diào)用Nu_add_Route(將缺省網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼、目標(biāo)ip添加進路由表;調(diào)用Nu_socket(創(chuàng)建一個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個周期。(8由定時器等其他任務(wù)相互配合,定時完成對OV7660使能和對ZR36060讀取數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)發(fā)送等。3結(jié)束語本文所介紹的基于S3C2440A平臺、Linux操作系統(tǒng)和GPRS的無線視頻采集系統(tǒng),已在環(huán)保監(jiān)視、警用監(jiān)視等場合得到應(yīng)用,證實了系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。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,具有無線傳輸功圖3無線模塊與SIM卡及S3C2440A接口西門子MC35iDATACLKRSTRXDTXDIGTSIM卡S3C2440A圖4軟件流程圖通過TCP/IP協(xié)議,與目標(biāo)服務(wù)器建立socks連接撥號,進行PPP協(xié)商連接到中國移動服務(wù)器OV7660,ZR36060初始化,打開MC35iARM系統(tǒng)初始化開始使能定時器定時周期到?OV7660發(fā)幀使能,設(shè)置/Strat開始壓縮讀取jpeg數(shù)據(jù),并發(fā)送到服務(wù)器NY陳兵飛,等:基于GPRS和ARM的嵌入式無線視頻采集系統(tǒng)設(shè)計83南通職業(yè)大學(xué)學(xué)報2009年AWirelessVideoCaptureSystemBasedonARMandGPRSCHENBing-Fei1,WULuo-Jia2(1.DepartmentofElectronicEngineering,NantongVocationalCollege,Nantong226007,China;2.NantongSijianConstructionGroupCo.,Ltd,Nantong226001,ChinaAbstract:Toapplythewirelessvideointheareasofremotemonitoring,intelligenttransportation,computervision,etc.,thecompositionstructureofwirelessvideocapturesystemisanalyzed,andawirelessvideodesignschemeisgiven,inwhichastaticvideocaptureandcompressionisachi