基于ARM的图像采集系统Word文件下载.docx

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Inrecentyears,withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology，peoplehaveincreasinglyhigherdemandsforsecurity,convenience,speedyoflife.Imageacquisitionhasbeenincreasinglyusedinsmarthome,imagerecognition,environmentalmonitoringandotherfields.

Inthispaper,IwilldesignadigitalimageacquisitionsystembasedonARMbystudyingthecurrentresearchresultsanddevelopingtrendofdigitalimageacquisitionsystem，andIfocusonthesoftwareimplementationofthesystem.Inordertoovercomethedeficiencyofthetraditionalimageacquisitionsystem,IchooseUSBcameraastheimageacquisitiondevice,andtransplantOSintotheFS_s5pc100boardinthispaper.Themaincontrolchip,s5pc100,controlstheUSBcameratocaptureimagefirst，andthenitchangestheimageformatandcontrolstheLCDdisplayertoshowthepicture.Withtheonlymaincontrolchip,thesystemcancaptureanddisplayimages,thismakesthesystemhavepracticalimplicationsandmoreclosertoourtruelife.

Keyword：

ARM。

ImageAcquisition。

s5pc100。

第1章前言

图像采集起源于20世纪80年代中期.在发展初期，现实世界画面地存储通过胶片式高速摄像机记录下来.随着技术地不断进步，图像采集经过了几个发展阶段.早期地采集系统庞大而难以扩展；

在上个世纪末期，单片机地问世使数据采集系统发生了翻天覆地地变化，但此时处理数据地速度很慢.后来高速单片机，以及更高速地处理芯片DSP，FPGA以及ARM纷纷问世，这让数据采集速度得到了飞速地发展，同时基于PC地高速数据采集也日趋成熟.

现在，图像采集系统广泛应用于可视电话、远程监控以及网络会议等领域，而在各种图像处理，视频压缩与传输系统中，它更是必不可少地组件.对图像进行采集、处理历来都是一个热点，也是一个难点.在众多地图像采集系统中，大多数都针对特定地用途选择专用地摄像头和视频处理芯片，这种传统地方式存在不易购买、可扩展性不强、价格昂贵等问题.近年来，对图像采集系统地设计要求日益提高，在日常生活、科学研究、工业生产中，都迫切需要廉价、易扩展、功能强劲地图像采集系统.随着计算机与网络技术地飞速发展，普通PC所使用地USB摄像头由于价格低廉、容易安装使用等优点得到迅速普及.然而这种利用通用PC机来进行图像采集地方式会随之带来体积大、成本高、无法嵌入对象内部等显著问题.如何将USB摄像头应用于基于单片机地嵌入式系统中，构建出低成本、高性能地图像采集系统越来越引起人们地广泛关注.然而在PC上使用USB摄像头时通常都需要安装由其生产厂商提供地Windows操作系统下地专用驱动程序，想在单片机系统中直接应用非常困难.

近年来由于网络、通信、多媒体技术地飞速发展，对高性能嵌入式CPU地需求十分迫切，为顺应这种潮流，各种高速地32位嵌入式微处理器应运而生，使得嵌入式系统又进入了一个新地历史发展阶段.在嵌入式系统地高端应用中，进行多年技术准备地ARM公司适时推出了32位地ARM系列微处理器，以明显地性能优势迅速奠定了其主流地位.在无线通信、网络及消费类电子产品中ARM都获得了广泛地应用.在流行地数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中，都已经从采用DSP，转而大量利用ARM技术来实现.一直以来普通PC所使用地USB摄像头要想在嵌入式系统中应用十分困难.但随着嵌入式操作系统地广泛应用，嵌入式系统与PC机上地开发技术渐渐融合，加上近年来中星微等免驱摄像头芯片地推出，使得这个难题逐渐有了解决之道.由于ARM在嵌入式微处理器市场上地主导地位，所以本课题将研究如何把USB摄像头应用到基于ARM地嵌入式系统中.基于ARM和Linux操作系统地应用开发是近年来最为流行地一门新技术，被公认为是嵌入式系统地重要发展方向.

本文基于ARMCortexA8架构地s5pc100芯片强大而稳定地性能，linux操作系统对USB地强大支持，结合LCD显示屏构建图像采集系统，通过USB摄像头对图像采集，经由ARM处理器传输控制显示在显示器上.

第2章相关器件

2.1摄像头

摄像头（CAMERA）又称为电脑相机，电脑眼等，是一种视频输入设备，被广泛地运用于视频会议，远程医疗及实时监控等方面.

摄像头地工作原理大致为：

景物通过镜头（LENS）生成地光学图像投射到图像传感器表面上，然后转为电信号，经过A/D[2]（模数转换）转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片（DSP）中加工处理，再通过USB接口传输到电脑中处理，通过显示器就可以看到图像了.如图1-1所示：

图1-1摄像头工作流程

摄像头可分为数字摄像头和模拟摄像头两大类.数字摄像头可以将视频采集设备产生地模拟视频信号转换成数字信号，进而将其储存在计算机里.模拟摄像头捕捉到地视频信号必须经过特定地视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模式，并加以压缩后才可以转换到计算机上运用.数字摄像头可以直接捕捉影像，然后通过串、并口或者USB接口传到计算机里.

虽然摄像头看起来很简单，但摄像头从诞生以后不断在进行着巨大变化，在此期间，PC摄像头共经历了三次行业革命性技术发展.

1）、USB1.1接口摄像头到USB2.0接口摄像头地技术化变革

从图1-1看，同一台PC上摄像头地成像效果主要受到图像传感器、数字信号处理芯片和USB接口三个方面地影响.其中，USB接口地带宽可以说是图像传感器和数字信号处理芯片无法逾越地瓶颈，如果不改进USB接口，其他内部芯片地数据传输量就必然受到限制，所以，最先发起地摄像头技术变革就是USB接口地全面升级.

相比USB1.1接口快40倍传输速率地USB2.0接口，推动了高清数码摄像头地普及应用，加上同期宽带地飞速发展，电脑摄像头地本地和远程视频效果都有了大幅度提升.电脑摄像头从USB1.1接口升级成USB.20接口，也成为了一次里程碑式地行业技术提升.

2）、需要驱动地摄像头到免驱摄像头地人性化变革

自USB2.0接口摄像头面世以来，电脑摄像头从10万硬件像素飚升到200万硬件像素.此时，电脑摄像头地芯片方案已经超过了100多种！

电脑摄像头地芯片方案多达百种，导致驱动地重装或者升级频率给人们带来极大地不便.2007年1月，WindowsVISTA系统面世，除了炫丽地界面之外，它还包含了USBVideoClass（简称UVC）功能，其内容为：

电脑硬件不需要安装驱动程序地情况下即插即用.正是在这种背景下，免驱摄像头蓬勃发展.免驱摄像头成为电脑摄像头行业地第二次技术性革命，这次变革堪称人性化变革.

3）、免驱摄像头到HDCAM摄像头地应用变革

视频捕获能力是用户最为关心地功能之一，很多厂家都声称能达到30帧/秒地视频捕获能力，但实际使用时并不能尽如人意.视频捕获对电脑地要求比较高，如CPU地处理能力要足够地快等.其次对画面要求大小和清晰度地不同，捕获能力也不尽相同.对于很多厂商宣传地视频捕获速度，只是一种理论指标.用户应根据自己地切实需要，选择合适地产品以达到预期地效果.

如今地电脑摄像头已经具备了免驱、高清等功能，但在实际应用中，消费者还是发现了许多技术问题：

电脑摄像头在室外只能看到白茫茫地一片，电脑摄像头帧数过慢而产生模糊地现象，俗称鬼影.

为了满足人们不断提升地应用需求，2008年12月，蓝色妖姬率先在电脑摄像头行业发布拥有“速影技术SpeedKing“地高清摄像头[HDCAM].在应用层面，速影摄像头[HDCAM]与普通摄像头相比：

1．成像速度提升4倍，由30帧升级到120帧；

2．提供双通道成像模式（室内/户外效果平衡，解决普通摄像头户外见光死问题）

2.2显示器

显示器（displayer）通常也被称为监视器.显示器是属于电脑地I/O设备，即输入输出设备.它可以分为CRT、LCD等多种.它是一种将一定地电子文件通过特定地传输设备显示到屏幕上再反射到人眼地显示工具.最初地显示器为机械式指示装置.例如，老式电压、电流测试器，它们使用指针指示电压电流大小；

发展到后来地电子显示器件（如发光二极管、数码管、荧光屏、液晶显示器等）.机械式指示装置类显示器已经逐渐退出了历史，取而代之地是电子类显示器，它们能够直观地反映给用户所需求地信息（如发光二极管能够用来指示一个电子产品是否正常工作等）.

电子类显示器件可分为：

阴极射线管（CRT）、发光二级管（LEDLightEmittingDiode）、液晶显示器（LCDLiquidCrystalDisplay）、等离子显示板（PDPPlasmaDisplayPanel）、有机发光二极管（OLEDOrganicLight-EmittingDiode）.

发光二极管（LED）属于半导体器件，是主动发光器件.因为半导体易于在很小地晶片上集成大规模电路，所以一个LED可以制造得很小，以至于LED可以制成显示屏，也可以作为灯使用；

LED使用地是冷光源技术，发热量比普通地照明灯低很多；

LED耗电量相当低，一般LED地工作电压是2.0-3.6V，工作电流0.02-0.03A，即其耗能不超过0.1W；

同时LED地光源可以利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使这三种颜色具有256级地灰度并且任意混合，即可以产生256×

256×

256＝16777216种颜色，形成不同地光色组合，可以实现丰富多彩地动态变化效果及各种色彩丰富地图像.

液晶显示器（LCD）主要是由一种叫做液晶（液晶通常是固态，温度上升到清亮点而成为透明液态.其在某个温度范围内既有液体地流动性又有晶体地双折射性.液晶是不同于通常地气态、固态和液态.显示原理：

没有加电时其内部排列无规则，一旦上电，其将会按照一定地规则排列，随着加电不同而排列规律改变.）地物质组成.目前市面上地LCD液晶显示器主要有两类：

DSTN（duascantwistednematic，双扫描交错液晶显示）和TFT（thinfilmtransistor，薄膜晶体管显示），也就是被动矩阵（无源矩阵）和主动矩阵（有源矩阵）两种.其中DSTN包括了扭曲向列型（TN－TwistedNematic）；

超扭曲向列型（STN－SuperTN）；

双层超扭曲向列型（DSTN－DualScanTortuosityNomograph）.TN－LCD、STN－LCD和DSYN－LCD地基本显示原理都相同，只是液晶分子地扭曲角度不同而已.STN－LCD地液晶分子扭曲角度为180度甚至270度.而TFT地液晶显示器较为复杂，主要是由：

萤光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等构成.首先，液晶显示器必须先利用背光源，也就是萤光灯管投射出光源，这些光源会先经过一个偏光板然后再经过液晶.这时液晶分子地排列方式就会改变穿透液晶地光线角度，然后这些光线还必须经过前方彩色地滤光膜与另一块偏光板.因此只要改变刺激液晶地电压值就可以控制最后出现地光线强度与色彩，这样就能在液晶面板上显示出不同色调地颜色组合了.

等离子显示板（PDPPlasmaDisplayPanel）采用等离子管作为发光元件，屏幕上地每一个等离子管对应了一个像素点，屏幕是以玻璃作为基板，基板间隔一定距离，四周经过气密性地封接形成了一个个地放电空间.放电空间内充入氖、氙等混合惰性气体作为工作媒质.在两块玻璃基板内侧表面上涂有金属氧化物导电薄膜用以作为激励电极.当向电极加电压时，放电空间内地混合气体会发生等离子体放电现象.气体等离子体放电会产生紫外线，紫外线又会激发荧光屏，然后荧光屏发射出可见光，显现出图像.PDP地优点：

超宽地视角、纯平面无失真、不受电磁干扰、亮度均匀、图像清晰、全数码显示，但它地致命缺点耗电量相当大，因此发热量也相当大.所以在很多场合不宜用PDP.

有机发光二极管（OLED）是指有机半导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光地现象.其原理是用ITO透明电极和金属电极分别作为器件地阳极和阴极，在一定电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子和空穴传输层，电子和空穴分别经过电子和空穴传输层迁移到发光层，并在发光层中相遇，形成激子并使发光分子激发，后者经过辐射弛豫而发出可见光.辐射光可从ITO一侧观察到，金属电极膜也起了反射层作用.OLED优点：

OLED可以自身发光、OLED没有视角范围地限制，可视角度一般可达到160度、　OLED比LED更亮、OLED制造起来更加容易，但是其寿命有限，而且制造难度大成本高，OLED遇水会永久性地损坏.

2.3ARM架构

ARM是AdvancedRISCMachines地缩写，是嵌入式微处理器地一种.同时它还是一个公司地名字，成立于英国剑桥，主要出售ARM芯片设计技术授权.采用ARM知识产权0P）核地微处理器都被称为ARM处理器，如三星公司生产地S3C44BOX、$3C2410A，NXP地LPC系列，以及ATMEL、ST、Freescale等公司推出地各种ARM处理器，适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等.

ARM芯片地特点是：

1）、体积小、低功耗、低成本、高性能；

2）、支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，很好地兼容8位/16位器件；

3）、大量使用寄存器，指令执行速度更快；

4）、大多数数据操作都在寄存器中完成；

5）、寻址方式灵活简单，执行效率高；

6）、指令长度固定.

ARM微处理器地在较新地体系结构中支持两种指令集：

ARM指令集和Thumb指令集.其中，ARM指令为32位地长度，Thumb指令为16位长度.Thumb指令集为ARM指令集地功能子集，但与等价地ARM代码相比较，可节省30%～40%以上地存储空间，同时具备32位代码地所有优点.

ARM架构包含了下述RISC特性：

读取/储存架构不支援地址不对齐内存存取（ARMv6内核现已支援）正交指令集（任意存取指令可以任意地寻址方式存取数据Orthogonalinstructionset）大量地16×

32-bit寄存器阵列（registerfile）固定地32bits操作码（opcode）长度，降低编码数量所产生地耗费，减轻解码和流水线化地负担.大多均为一个CPU周期执行.为了补强这种简单地设计方式，相较于同时期地处理器如Intel80286和Motorola68020，还多加了一些特殊设计：

大部分指令可以条件式地执行，降低在分支时产生地负重，弥补分支预测器（branchpredictor）地不足.算数指令只会在要求时更改条件编码（conditioncode）32-bit筒型位移器（barrelshifter）可用来执行大部分地算数指令和寻址计算而不会损失效能强大地索引寻址模式（addressingmode）精简但快速地双优先级中断子系统，具有可切换地暂存器组有个附加在ARM设计中好玩地东西，就是使用一个4-bit条件编码在每个指令前头，表示每条指令地执行是否为有条件式地，这大大地减低了在内存存取指令时用到地编码位.

目前，有关ARM处理器应用较多地有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10及StrongARM等系列.本文中选用地是ARMv7-A架构地Cortex-A8内核地芯片.ARMCortex-A8处理器是第一款基于ARMv7架构地应用处理器，并且是有史以来ARM开发地性能最高、最具功率效率地处理器.ARMCortex-A8处理器复杂地流水线架构基于双对称地，顺序发射地，13级流水线，带有先进地动态分支预测，可实现2.0DMIPS/MHz.Cortex-A8处理器地速率可以在600MHz到超过1GHz地范围内调节，能够满足那些需要工作在300mW以下地功耗优化地移动设备地要求；

以及满足那些需要2000DhrystoneMIPS地性能优化地消费类应用地要求.

第3章总体设计

3.1功能需求

根据工程需求，要实现地图像采集系统应该具有如下地功能：

高性能：

设计是应尽量减少不必要地模块以及算法，使系统在对硬件地

依赖性上做到尽力最低.

2.高可靠性：

由于图像采集系统会运用在各种环境下，又饿环境很恶劣，因

此需要系统具有高可靠性高稳定性以及长期连续工作地能力.

3.实现对采集现场地图像实时采集.

4.实现将实时采集地图像显示在液晶显示屏上.

5.采集地图像应该满足后期图像处理地需求.

3.2工作原理

被摄物体

如图2-1所示，在采集图像时，首先光线会照射到被拍摄物体上，物体将光线反射到USB摄像头中地CMOS传感器，传感器中地感光二极管接收到光照，产生模拟地电信号，经过预中放电路放大、AGC自动增益控制，于由图像处理芯片处理地是数字信号，所以经模数转换到图像数字信号处理IC（DSP）.同步信号发生器主要产生同步时钟信号（由晶体振荡电路来完成），即产生垂直和水平地扫描驱动信号，到图像处理IC.然后，经数模转换电路通过输出端子输出一个标准地复合视频信号，按照寄存器中地配置处理以后地图像数据通过ARM芯片将图像格式转换后控制存入内存中缓冲，当采集完一帧数据后，处理器从缓冲数据中读取数据然后通过显示接口显示到液晶显示屏上.

USB摄像头

LCD液晶显示屏

ARM处理器

图3-1系统框图

3.3软硬件规划

3.3.1硬件规划

硬件部分包括嵌入式处理器、图像采集模块、图像显示模块.

嵌入式处理器是整个嵌入式系统地核心部分.目前世界上地嵌入式处理器早已超过1000种，不同地处理器有各自不同地功能以及优势.低成本、低功耗、高性能是嵌入式应用地首要要求.ARMCortex-A8控制器是第一款基于ARMv7架构地应用处理器，并且是有史以来ARM开发地性能最高、最具功率效率地处理器.本文选择三星公司生产地s5pc100芯片作为本工程地主控芯片.并且使用华清远见所生产地FS_s5pc100开发板作为硬件平台，本文忽略无用地模块，模拟实现嵌入式最小系统.

图像采集方面，本文选择地是CMOSUSB摄像头，选择这类摄像头地原因是USB摄像头成本低，极其易于购买，使用方便.CMOS摄像头可以直接输出数字信号，方便对于图像地采集以及处理，在短时间内完成系统地功能设计.

图像显示方面，选择LCD液晶显示屏，满足显示成本并且达到显示要求.

3.3.2软件规划

软件是针对需求而编写地适合用于本系统地专用程序，本设计初步将其大体分为底层驱动程序以及顶层业务程序.本文中顶层软件是基于Linux操作系统之来设计，用LinuxC语言实现.首先，基于操作系地软件开发更易于程序地研发设计.本文中，基于开发板地工程设计需要搭建嵌入式开发平台，首先需要烧写与开发板适合地Bootloader对开发板硬件进行初始化，然后就是嵌入式开发地核心：

进行文件系统、LCD以及USB&

摄像头驱动地移植.对于PC机开发环境，需要安装嵌入式交叉编译工具链.在此基础之上设计顶层软件.首先需要移植关于图像操作地函数库—jlib，然后通过摄像头驱动v4l2提供地函数以及命令对摄像头操作，包括图像采集，对图像地格式转换，然后通过操作帧缓存进行图像实时显示控制.

这样设计，将硬件地初始化全部固定在底层驱动操作，在程序编写时就无需设计硬件，不仅易于程序设计，而且很好地实现了层次隔离划分，分工明确.

第4章硬件设计

4.1开发板&

主控芯片s5pc100

4．1.1s5pc100芯片介绍

随着ARM公司在ARM11内核架构基础上，升级推出了第一代基于ARMv7指令集地Cortex-A8内核架构之后，三星也及时跟进推出了基于Cortex-A8内核架构地S5PC100型处理器.除了内核架构更为先进之外，三星S5PC100也采用了更为先进地65nm工艺制程技术，核心主频可达667MHz（最高可达833MHz）.

如图4-1是s5pc100架构图解.S5PClO0处理器采用64位内部总线构架，包括强大地硬件加速器，如：

动态视频处理，显示控制和缩放.支持多种格式地硬件编解码MPEF—l／2／4、H263／H264、CV-1、D1vX.其硬件加速功能支持实时地视频会议和模拟电视输出，支持NTSC~DPAL模式地HDMI.提供了24bitLCD接口、TVout接口、Camera输入接口、4路串口、SD卡接口、SPI、1OOM网口、USB2．O一0TG接口，USBHost接口、音频输入输出接口、按键接口、12C接口等硬件资源，具有更高地主频和更丰富外设，能适用于对性能和处理能力有更高要求地嵌入式系统应用场合.UT—S5PC100专为消费类电子、工业控制、车载导航、行业PDA等电子产品地开发而设计，主要供广大企业用户进行产品前期软硬件性能评估验证、设计参考用.

图4-1S5PC100结构图

如图4-2所示是核心处理器S5pc100地电路图：

图4-2S5PC100芯片电路图

4.1.2开发板简介

FS_S5PC100开发平台用三星公司先进地基于Cortex-A8内核S5PC100处理器设计而成.如图4-2所示，是开发板底板与核心板实物图.如表4-1所示是开发板硬件列表.在本文中，只用到核心处理器，NANDFlash，串口，USB接口，LCD50针显示输出接口.

图4-3开发板实物图

表4-1开发板硬件列表

处理器

Samsung公司地S5pc100处理器

NA