Linux和S3C2410的嵌入式图象传输系统设计解析

　1 引言
　　如何更好的获得监控现场的图象数据一直是棘手的一个问题，传统的方法是采用CCD摄象机获取现场的视频信息，这种方法易于实现，但成本较高。随着ARM系列处理器应用的越来越广和基于linux的嵌入式技术的迅速发展，利用linux自身带有的TCP/IP协议来实现远程监控、图象传输已成为可能。本文提出的正是一种这样的方法，利用市场上很常见的中星微系列的USB摄象头来得到现场的图象数据，利用linux内核中的Video4Linux编程接口函数采集图象，并把得到的图象通过Internet传输到上位机PC上，在PC上实现图象的保存和显示。
　　2 硬件系统设计原理
　　系统的硬件功能框图如图1所示，CPU采用的是三星公司的S3C2410。该处理器内部集成了A R M 公司A R M 9 2 0 T 处理器核的3 2 位微控制器，并带有独立的16KB的指令Cache 和16KB的数据Cache、L C D 控制器、R A M 控制器、NAND 闪存控制器、3路UART、4路DMA 、4路带PWM 的Timer、并行I/O口、8路10位ADC、触摸屏接口、I2C接口、I2S接口、2 个U S B 接口控制器、2路SPI，主频最高可达203MHZ。在此基础上，平台还进行了相应的配置和扩展，配置了4MB16位的Flash和8MB32位的SDRAM，通过以太网控制芯片DM9000E扩展了一个网口。引出了一个UART接口，通过RS232可以和宿主机做串口通讯。并引出了一个HOST USB接口，通过在USB接口上外接一个带USB的摄象头将采集到的图象数据放入输入缓冲区中。对缓冲区的数据进行处理，最后通过网口发送到Internet上，在PC上保存和接收。
　　
　　图 1 S3C2410系统平台的硬件功能框图
　　3 软件系统设计
　　本文的软件系统设计采用C/S（客户机/服务器）模式，以S3C2410平台作为服务器，以PC作为客户端。服务器的主要任务是把得到的图象数据发送到Internet上去，客户端的任务主要是从Internet上接收得到的数据，并把数据以保存成文件。下面分别讨论两者的具体实现。
　　3.1 服务器端软件系统设计
　　3.1.1 建立宿主机开发环境
　　本文以PC为宿主机，并带有RedHat9.0系统，开发环境就建立在这个平台上，其主要包括：交叉编译器的的选择和安装、NFS和TFTP服务器的配置等。
　　对于嵌入式系统的开发，由于没有足够的资源在目标板上运行开发工具和调试工具，所以通常采用交叉编译调试的方式。开发时使用宿主机上的交叉编译、汇编及连接工具形成可执行的二进制代码。然后把可执行文件下载到目标机上运行。本文采用的交叉编译器为arm-linux-gcc，具体安装不再赘述。为了方便调试和下载烧写，可让宿主机支持NFS和TFTP服务器。需要特别说明的是为了支持TFTP服务器需要在安装RedHat9.0时须选择完全安装，如果没有选择完全安装，需要将第三张光盘里面的tftp-server-0.32-4.i386.rpm和tftp-0.32-4.i386.rpm安装到宿主机下。
　　3.1.2 摄象头驱动程序的实现
　　系统采用的是最普通的USB摄像头，主芯片为中星微ZC0301P。这种摄象头的一个特点是可以实现硬件JPEG编码。其驱动程序的编写重点包括下面的内容：提供基本的I/O 操作接口函数open、read、write、close的实现、对中断的处理实现、内存映射功能以及对I/O 通道的控制接口函数ioctl的实现等，并把它们定义在struct file_operations中。这样当应用程序对设备文件进行诸如open、close、read、write等系统调用操作时，Linux内核将通过file_operations结构访问驱动程序提供的函数。
　　当然，现在网上已经有了这种摄象头的通用驱动，可以从相关网站 下载usb-2.4.31.patch.gz，然后将这个补丁打到内核对应的位置即可。但是对有些内核版本的linux系统，在打补丁时，会产生Config.in.rej和Makefile.rej。这时只需要将这两个文件中修改失败的部分手动添加到对应的Config.in和Makefile中去就可以了。
　　3.1.3 linux内核配置
　　对于已经做过基本移植的linux在配置内核的时有以下几个方面是值得注意的：
　　1） 因为要用到内核中的Video4Linux编程接口函数，所以在配置内核时首先必须选中Video for Linux并且最好是直接编译进内核而不用编译成模块的形式再加载；
　　2） 要选中USB Support、OHCI、UHCI。并在USB Support下的USB Multimedia devices 中选中对应的摄象头，对本系统来说，选择USB SPCA5XX Sunplus Vimicro Sonix Cameras，并把它配置成Module。
　　3） 配置完内核后做make dep， make zImage， make module。则在对应的spca5xx目录下会生成spc5xx..o，可以把spc5xx..o通过NFS mount到目标板上或者加到主文件系统ramdisk中的某个目录下。然后在目标板上做 insmod spca5xx.o就会找到摄象头。
　　3.1.4 服务器端应用程序的编写
　　完成驱动程序和内核配置后就开始应用程序的编写了，程序首先用交叉编译器在宿主机上进行编译连接，生成的的可执行文件通过NFS mount到目标板上进行调试。调试成功后再固化到文件系统ramdisk中去。其实现主要有下面几个步骤：
　　1） 初始化设备基本信息
　　2） 打开设备文件，读取设备基本信息和信号源基本信息，并设置video_mmap并为定义的帧结构分配缓冲区并初始化线程互斥量
　　3） 创建图象获取的线程。该线程函数实现以内存影射的方式读取设备中的数据，锁定线程互斥量，接着对帧结构的各个元素赋值。并解锁互斥量。使该过程做一个死循环。
　　4） 创建一个基于连接的socket，并绑定到一个端口上，开始在该端口上侦听。
　　5） 当有连接到来时，创建一个图象发送的线程。该线程函数实现：如果确定读取了客户端的数据，则把缓冲区内的一帧数据发送到网络上。让这个过程也为死循环。
　　6） 控制两个线程的同步
　　7） 如果程序退出，则关闭套接字，释放分配的资源。
　　可以看出，程序的内容主要有三个部分：图象采集部分，图象的网络发送部分和程序的多线程控制部分。下面分别介绍一下这三个部分主要涉及的内容。
　　在图象采集部分，定义了一个数据结构，它的主要成员变量有：
　　l Video_capability 包含基本的设备信息（设备名称、支持的最大最小分辨率、信号源信息）
　　l video_channel 关于各个信号源的属性
　　l video_mbuf 利用mmap进行映射的帧的信息
　　l video_buffer 最底层对buffer的描述
　　l video_mmap 用于mmap
　　l pthread_mutex_t 线程互斥量
　　截取图象方法有两种：直接读取设备文件和内存影射的方法，本文采用后面一种。采用这种方法后，普通文件被映射到内存地址空间，进程可以象访问普通文件一样访问内存，这样做的一个好处是可以提高效率。做视频截取的两个主要函数是：
　　n ioctl（vd-》fd， VIDIOCMCAPTURE， &（vd-》mmap）） 若调用成功，开始一副图象的截取。是否截取完毕留给VIDIOCSYNC来判断。
　　n ioctl（vd-》fd， VIDIOCSYNC， &frame） 若调用成功，表明一帧截取已完成。可以开始做下一次截取
　　对于网络发送部分，主要是linux下的socket编程，调用的主要函数有：创建套接字函数socket、端口绑定函数bind、监听
　　函数listen、等到连接函数accept、数据接收函数read、数据发送函数write等。这些函数的具体定义和用法具体可以查阅相关资料 。需要说明的是为了能够正确发送一帧数据，要把定义的帧的结构体设置为单字节对齐，具体方法是在结构体的定义后面加上_attribute_（（packed））。
　　多线程编程部分用到的主要函数有：互斥量初始化函数pthread_mutex_init、互斥量锁定函数pthread_mutex_lock、互斥量解锁函数pthread_mutex_unlock、互斥量注销函数pthread_ mutex _destroy、线程创建函数pthread _ create、线程同步函数pthread_join。此外，程序中为了能更好的实现两个进程的同步，还需要用到信号量机制的一些内容。受篇幅所限，这些函数的具体定义和用法请参考相关资料 。
　　3.2 客户机端软件系统设计
　　客户端是建立在一台PC机上，用Visual C++ 6.0设计一个基于MFC的界面作为接收端。在接收端主要完成从网络缓冲区内读取数据，并保存成文件的形式，文件以接收到数据的时间为名。图2为图象采集时间间隔为1秒时程序执行的结果。图象大小为320 象素。需要说明的是：服务器端发送的数据采用了单字节对齐，对应的在客户端接收的时候也要采用单字节对齐。在WINDOWS下实现内存单字节对齐的方法是在定义的帧结构体前面加上#pragma pack （1），并在其定义之后加上#pragma pack （）。