嵌入式课程设计报告.docx
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嵌入式课程设计报告
嵌入式课程设计报告
一、课程设计目的
1.1掌握linux开发环境的搭建；
1.2巩固嵌入式交叉编译的开发思想；
1.3掌握嵌入式GUI软件设计技。
.
2、课程设计要求
输入信号为1路AV视频信号,要求系统能对1路输入信号进行实时采集,数字化处理,压缩,存储,要保证一定的录像质量.根据设计题目的要求,选择确定ARM芯片型号,视频采集芯片型号,完成系统硬件设计和程序设计.
3、课程设计内容
设计原理ARM10系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器,最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用.
ARM10系列微处理器的主要应用领域为:
工业控制,Internet设备,调制解调器设备,移动电话等多种多媒体和嵌入式应用.
视频监控系统总体设计首先需要对系统进行总体规划,将系统划分成几个功能模块,确定各个模块的实现方法.整个视频监控系统采用C/S结构,从主体上分为两部分:
服务器端和客户端.服务器端主要包括S3C4510平台上运行的采集,压缩,传输程序,客户端是PC机上运行的接收,解压,回放程序.视频监控终端从摄像头捕获实时的视频信息,压缩之后通过以太网传输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成,图像的接收解包和回放将在客户端完成.采集图像数据压缩打包发送接收
系统的硬件设计系统采用模块化设计方案,主要包括以下几个模块:
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的核心,采用的S3C4510B处理器.Samsung公司的S3C4510B是基于以太网应用系统的高性价比16/32位RISC微控制器,内含一个由ARM公司设计的16/32位ARM7TDMIRISC处理器核,ARM7TDMI为低功耗,高性能的16/32核,
系统存储电路模块
主控器还需一些外围存储单元如NandFlash,和SDRAM.NandFlash中包含Linux的Bootloader,系统内核,文件系统,应用程序以及环境变量和系统配置文件等;SDRAM读写速度快,系统运行时把它作为内存单元使用.
外围电路模块
外围电路主要是以下几个电路,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REDHATLINUX9.0、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公司的处理器S3C2410。
该处理器内部集成了ARM公司ARM920T处理器核的32位微控制器，资源丰富，带独立的16KB的指令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PWM的Timer、并行I/O口、8路10位ADC、TouchScreen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。
在处理器丰富资源的基础上，还进行了相关的配置和扩展，平台配置了16MB16位的Flash和64MB32位的SDRAM。
通过以太网控制器芯片DM9000E扩展了一个网口，另外引出了一个HOSTUSB接口。
通过在USB接口上外接一个带USB口的摄像头，将采集到的视频图像数据放入输入缓冲区中。
然后，对缓冲区中的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，得到一个动态的视频界面，然后通过局域网访问该主机的网页，得到网络视频信息。
本次课程设计主要是完成得到视频图片及网页刷新的过程。
本次设计要求在局域网环境中进行。
五、开发环境配置
5.1摄像头驱动加载
在Linux下，设备驱动程序可以看成Linux内核与外部设备之间的接口。
设备驱动程序向应用程序屏蔽了硬件实现了的细节，使得应用程序可以像操作普通文件一样来操作外部设备，可以使用和操作文件中相同的、标准的系统调用接口函数来完成对硬件设备的打开、关闭、读写和I/O控制操作，而驱动程序的主要任务也就是要实现这些系统调用函数。
本系统平台使用的嵌入式arm-Linux系统在内核主要功能上与Linux操作系统没本质区别。
Video4Linux（简V4L）是Linux中关于视频设备的内核驱动，它为针对视频设备的应用程序编程提供一系列接口函数，这些视频设备包括现今市场上流行的TV卡、视频捕捉卡和USB摄像头等。
ov511的驱动，2.4的内核中就有，所以我们只需重新编译内核，将下边的选项都选上，然后重新烧写内核就可以了。
也就是直接静态加载。
（1）在armlinux的kernel目录下makemenuconfig。
（2）首先（*）选择Multimediadevice->下的Videoforlinux。
加载video4linux模块，为视频采集设备提供编程接口；
（3）然后在usbsupport->目录下（*）选择supportforusb和usbcameraov511support。
这使得在内核中加入了对采用OV511接口芯片的USB数字摄像头的驱动支持。
（4）保存配置退出。
（5）makedep；makezImage就生成了带有ov511驱动的内核。
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+，这说明驱动正常。
:
-），驱动加载就成功了。
5.2安装jpeg库
在地址ftp:
//
#tar-zxvfjpegsrc.v6b.tar.gz//解压库文件
#cdjpeg-6b
#./configure--prefix=/usr/local/jpeg6--enable-shared//生成MAKEFILE文件
#make//编译安装文件
#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//建立生成安装文件的目录
#makeinstall-lib/生成安装文件
#makeinstall//开始安装文件
6、设计过程
6.1硬件设计
系统的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的USBHOST相连，摄像头采集来的视频信号经过压缩后，通过内部总线传送到内置的Web服务器，客户端采用浏览器/服务器结构（即B/S结构），可以通过IE浏览器访问视频Web服务器，以便查看所监控的视频画面，而且，用户还可以控制平台对镜头的动作或对系统进行配置控制。
网络视频采集系统是由视频监控终端和视频监控中心组成，终端使用嵌入式系统加上USB摄像头，在Linux操作系统上运行USB摄像头的驱动和相应的视频采集处理传输程序，得到视频监控画面，并画面通过网络传输，监控中心运行监控软件端，通过Internet浏览器来浏览终端送来的监控画面，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机部分可以直接采用IE浏览器，不需要在PC机上运行其他的软件，主要设计工作是开发板端的设计。
视频监控终端主要有两个部分组成，硬件部分包括摄像头和开发平台的选择；软件部分包括系统级软件（BootLoader，嵌入式操作系统，USB驱动程序）与用户级软件（应用程序）。
6.2软件设计
Video4linux为应用程序提供了一系列的接口函数，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等函数的具体实现，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
利用V4L编写的视频采集程序重要代码如下，下列代码包含采集编码程序一些关键函数。
（1）程序中定义的数据结构
struct_v4l_struct
{
intfd;//保存打开视频文件的设备描述符
structvideo_capabilitycapability;
structvideo_picturepicture;
structvideo_mmapmmap;
structvideo_mbufmbuf;
unsignedchar*map;//用于指向图像数据的指针
intframe_current;
intframe_using[VIDEO_MAX_FRAME];//这两个变量用于双缓冲
};typedefstruct_v4l_structv4l_device;
这些数据结构都是由Video4Linux支持的，它们的用途如下：
*video_capability包含摄像头的基本信息，例如设备名称、支持的最大最小分辨率、信号源信息等；
*voide_picture包含设备采集图像的各种属性，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利用mmap进行映射的帧信息，实际上是输入到摄像头存储器缓冲中的帧信息，包括size（帧的大小）、frames（最多支持的帧数）、offsets（每帧相对基址的偏移）。
程序中用到的主要系统调用函数有：
open（"/dev/voideo0",intflags）、close（fd）、mmap（void*start,size_tlength,intprot,intflags,intfd,off_toffset）、munmap（void*start,size_tlength）和ioctl（intfd,intcmd,…）。
前面提到Linux系统中把设备看成设备文件，在用户空间可以通过标准的I/O系统调用函数操作设备文件，从而达到与设备通信交互的目的。
当然，在设备驱动中要提供对这些函数的相应支持。
这里说明一下ioctl（intfd,intcmd,…）函数，它在用户程序中用来控制I/O通道，其中，fd代表设备文件描述符，cmd代表用户程序对设备的控制命令，省略号一般是一个表示类型长度的参数，也可没有。
（2）采集程序实现过程
首先打开视频设备，摄像头在系统中对应的设备文件为/dev/video0，采用系统调用函数grab_fd=open（"/dev/video0",O_RDWR）,grab_fd是设备打开后返回的文件描述符（打开错误返回-1），以后的系统调用函数就可使用它来对设备文件进行操作了。
接着，利用ioct1（grab_fd,VIDIOCGCAP,&grab_cap）函数读取structvideo_capability中有关摄像头的信息。
该函数成功返回后，这些信息从内核空间拷贝到用户程序空间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）获得最大垂直分辨率的大小。
不规则用ioct1（grab_fd,VIDIOCGPICT,&grab_pic）函数读取摄像头缓冲中voideo_picture信息。
在用户空间程序中可以改变这些信息，具体方法为先给分量赋新值，再调用VIDIOCSPICTioct1函数，例如：
grab_fd.depth=3;
if（ioct1（grab_fd,VIDIOCSPICT,&grab_pic）<0）
{perror（"VIDIOCSPICT"）;return-1;};
完成以上初始化设备工作后，就可以对视频图像截取了，有两种方法：
一种是read（）直接读取；另外一种mmap（）内存映射。
Read（）通过内核缓冲区来读取数据；而mmap（）通过把设备文件映射到内存中，绕过了内核缓冲区，最快的磁盘访问往往还是慢于最慢的内存访问，所以mmap（）方式加速了I/O访问。
另外，mmap（）系统调用使得进程之间通过映射同一文件实现共享内存，各进程可以像访问普通内存一样对文件进行访问，访问时只需要使用指针而不用调用文件操作函数。
因为mmap（）的以上优点，所以在程序实现中采用了内存映射方式，即mmap（）方式。
利用mmap（）方式视频裁取具体进行操作如下。
①先使用ioct1（grab_fd,VIDIOCGMBUF,&grab_vm）函数获得摄像头存储缓冲区的帧信息，之后修改voideo_mmap中的设置，例如重新设置图像帧的垂直及水平分辨率、彩色显示格式。
可利用如下语句
grab_buf.height=240;
grab_buf.width=320;字串8
grab_buf.format=VIDEO_PALETTE_RGB24;
②接着把摄像头对应的设备文件映射到内存区，具体使用grab_data=（unsignedchar*）mmap（0,grab_vm.size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,grad_fd,0）操作。
这样设备文件的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的指针，挫败时返回值为-1。
下面对单帧采集和连续帧采集进行说明：
*单帧采集。
在上面获取的摄像头存储缓冲区帧信息中，最多可支持的帧数（frames的值）一般为两帧。
对于单帧采集只需设置grab_buf.frame=0，即采集其中的第一帧，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的截取，是非阻塞的。
接着使用ioct1（grab_fd,VIDIOCSYNC,&frame）函数判定该帧图像是否截取完毕，成功返回表示截取完毕，之后就可把图像数据保存成文件的形式。
7、测试与实现
（1）仔细检查设备的连接，打开电源；
（2）在PC机上的浏览器中地址栏输入开发板地址，网页自动跳到开发板的首页；
（3）在页面上可见摄像头采集到的视频信息。
经验证，本次设计基本达到设计要求。
8、设计心得
本次课程设计通过运用嵌入式技术，图形处理技术等，完成了网络视频的采集过程，进一步熟悉了交叉编译的开发方法，在开发的过程中，遇到很多问题，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、安装图形处理库等，解决了多个问题，在解决问题的过程中，我们对嵌入式的开发过程多了一些细节的认识，为以后的持续学习巩固了基础。
在设计过程中，我们分工合作，一起进步，不只从理论上对嵌入式有了更深的认识，同时从实践中验证了学习的理论知识，对嵌入式有了更深一步的认识。
9、源程序清单
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#defineWIDTH640
#defineHEIGHT480
#defineDEFAULT_DEVICE"/dev/v4l/video1"
intwrite_jpeg（char*filename,unsignedchar*buf,intquality,intwidth,intheight,intgray）
{structjpeg_compress_structcinfo;
structjpeg_error_mgrjerr;
FILE*fp;
inti;
unsignedchar*line;
intline_length;
if（NULL==（fp=fopen（filename,"w"）））
{
fprintf（stderr,"grab:
can'topen%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;ijpeg_write_scanlines（&cinfo,&line,1）;
jpeg_finish_compress（&（cinfo））;
jpeg_destroy_compress（&（cinfo））;
fclose（fp）;
/////////////////////////////////////////////////////////////////////
charfn1[30]="/var/www/pic001.jpg";
charfn2[30]="/var/www/pic002.jpg";
if（NULL==（fp=fopen（fn1,"r"）））{
fclose（fp）;
remove（fn1）;
}
rename（fn2,fn1）;
/////////////////////////////////////////////////////////////////////
return0;
}
//这个函数很通用，它的作用是把buf中的数据压缩成jpeg格式。
struct_v4l_struct
{
intfd;//保存打开视频文件的设备描述符
structvideo_capabilitycapability;
structvideo_picturepicture;
structvideo_mmapmmap;
structvideo_mbufmbuf;
unsignedchar*map;//用于指向图像数据的指针
intframe_current;
intframe_using[VIDEO_MAX_FRAME];//这两个变量用于双缓冲
};typedefstruct_v4l_structv4l_device;
externintv4l_open（char*,v4l_device*）;
externintv4l_close（v4l_device*）;
externintv4l_get_capability（v4l_device*）;
externintv4l_get_picture（v4l_device*）;
externintv4l_get_mbuf（v4l_device*）;
externintv4l_set_picture（v4l_device*,int,int,int,int,int）;
externintv4l_grab_picture（v4l_device*,unsignedint）;
externintv4l_mmap_init（v4l_device*）;
externintv4l_grab_init（v4l_device*,int,int,int）;
externintv4l_grab_frame（v4l_device*,int）;
externintv4l_grab_sync（v4l_device*）;
intv4l_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成的获取设备信息的函数
return0;
}
intv4l_get_capability（v4l_device*vd）
{
if（ioctl（vd->fd,VIDIOCGCAP,&（vd->capability））<0）{
perror（"v4l_get_capability:
"）;
return-1;
}
return0;
}
intv4l_get_picture（v4l_device*vd）
{
if（ioctl（vd->fd,VIDIOCGPICT,&（vd->picture））<0）{
perror（"v4l_get_picture:
"）;
return-1;
}
return0;
}
intv4l_get_mbuf（v4l_device*vd）
{
if（ioctl（vd->fd,VIDIOCGMBUF,&（vd->mbuf））<0）{
perror（"v4l_get_mbuf:
"）;
return-1;
}
return0;
}
intv4l_set_picture（v4l_device*vd,intbr,inthue,intcol,intcont,intwhite）
{
/*if（br）*/vd->picture.brightness=25000;
/*if（hue）*/vd->picture.hue=25000
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