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1、计 算 机 系 统 应 用2009 年 第 12 期嵌入式图像采集系统的平台设计?D esi g n of the Em bed ded SystemFram ew o rk for Im ag e C o l lecti o n赵智雅王泽勇(西南交通大学 物理科学与技术学院 四川 成都 6 1 00引)摘要:关健词:随着人们对图像采集设备小型化和稳定性的要求,设计了 一个用于图像采集的嵌入式系统平台?以嵌入式微处理器 53C 244OA 为核心的核心板上集成了必要的模块资源,再配合摄像头 键盘 LC O 显示器等外围设备构成了 嵌入式图像采集的硬件系统?文章还对嵌入式微处理器 USB摄像头
2、SORA M和 LC O 显示器的技术特点及性能进行了介绍?最后,为了更好的管理各种硬件资源和向用户应用程序提供统一的接口,总结了嵌入式系统软件(Linux 内核)的移植和修改过程?嵌入式系统 图像采集 微处理器 U SB 摄像头 移植1引言图像是传递信息的重要媒体,图像采集系统是数字图像获取的最基本手段?传统的图像采集系统采用专门的图像采集芯片,通过计算机实现控制和图像采集处理?它的缺点是系统体积庞大 不便携带 图像采集卡速度慢 处理功能简单 系统可靠性差,所以基于 pC 机的传统图像采集系统已经不能适应小型化图像采集设备的要求?信息时代发展到后 pC 时代,嵌入式系统是后 pC时代的主体?
3、由于嵌入式系统具有体积小 !生能好 功耗低 可靠性高 以及面向行业应用的突出特征,目前可以说是无处不在?嵌入式技术的核心思想就是最大限度的在硬件和软件上 量身定做#,以提高效率和实时,l 生川?本文提出了用于图像采集的嵌入式系统硬件平台实现方案,由于这种系统的硬件是一个同处理器和操作系统捆绑较为紧密 功能专一的设备,不像插卡系统那样受通用计算机系统中其它软件硬件的影响,因此性能上更稳定,易于实现系统的模块化设计,便于安装和维护?文章针对硬件平台的构建进行了详细分析,相关操作系统和嵌入式应用软件不作为本文论述的重点,仅对硬件平台下嵌入式 U nux 内核的移植和修改过程进行简要介绍?2系统硬件结
4、构概述嵌入式图像采集系统的硬件平台设计方案采用核,臼 板加外围设备的方式,硬件结构框图如图 1 所示?L L LCD显示屏 屏 争争 争争争争争 争 刃 刃刃 A G 4 4 4 4 4 F F F F F F F F F F F F FLASH H H H H5 3C2440A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A键键 盘盘盘盘盘盘盘盘盘 C P U U U U U瞿 舍舍舍舍季 梦梦输输入入入 入 入入 入入入 入 U U U U USB接口 口 口 U U USB摄像头 头 图1图像采集系统硬件结构图 2一 4 核心板采用的C pU 为 Sam
5、sung 公司的 53C 244OA 芯片,它是一款基于 A RM 920丁内核的 16/32 位R I SC 嵌入式微处理器?以此为基础在核心板上集成 了一些必要的外围资源,包括:用于固化操作系统和应用程序的 L A S日存储器;用于仿真的%T AG 调试接口;用于与远程 PC 通信的网络接 口;用于连接外部 OSB摄像头的 USB 接口;作为帧存储体和程序运行空间的SO RA M 存储器?整个核心板作为硬件平台的基础实?收稿时间2 009一 03一 10136 实用案 G I JAppl i ea t i onCase2009 年 第 12 期计 算 机 系 统 应 用现对图像采集的控制
6、图像显示 上传图像至远程 P C以及接收由外部键盘发送的命令?外围设备主要包括:US B摄像头 输入设备(键翻 LCO 显示屏 远程计算机?系统工作过程如下:由 键盘发送命令给嵌入式微处理器,C PU 接到命令控制外部摄像头采集一帧图像,并将图像保存到SORA M 中;从 SOR AM 中分出一块存储区作为帧缓冲区(fr a m e b uf f e吟,LC O 显示器则可以直接从帧缓冲区读取图像数据完成图像显示;当存储的图像数据达到 SORAM 存储上限后可以通过网络将图像数据传输到上位机?下面针对硬件平台的主要器件及其工作过程进行分析?一个 USB 收发器,可以很容易地构成基于 USB 的
7、图像采集子系统?片上还提供了一个 0 m n i C&图像压缩模块,它可以实现图像每秒钟 30 帧的压缩率?为了对图像传感器进行控制,用户可以选择 1 2 C 和 pa r a l l e l1 0 两种总线?O V51 1的各个功能模块如图3 所示?3嵌入式微处理器对图像进行数字采集和处理需要一款高性能的微处理器来实现,本系统选择 A RM 芯片作为微处理器?A R M 技术是最近几年比较流行的R I SC 芯片技术,全球很多著名半导体厂商都推出了基于 A RM技术知识产权(核)的微处理器,这些微处理器根据不同的应用领域,集成了丰富的外围电 路,已经占据了高端微处理器的大部分市场份额?其中,
8、ARM g 微处理器在高性能和低功耗方面提供最佳的性能?三 星公 司推 出的 16/32 位 R I S C微 处理 器 53C 24 4OA,为手持设备和一般类型应用提供了低价格 低功耗 高性能小型微控 制器的解决方案?53C 2440A 采用了 A RM 9 20T 的内核,0.13um的C M O S 标准宏单元和存储器单元,并采用了新的总线架构 A dvanced M icro co ntro ll er Bus A rch i tecture(A M BA)?A R M 920T实现 了 M M U,A M BABU S 和H ar v a r d 高速缓冲体系结构,这一结构具有独立
9、的 16 K B 指令 C ache 和 16 KB 数据 Cache?通过提供一套完整的通用系统外设,53C 24 4OA 减少整体系统成本和无需配置额外的组件?5 3 C 2440A 内部结构如图2 所示?阁阁.,r,阅,月今牛月 月 .由 曰 如 心 心心粼 粼 月 月翻口口口 口 奋 奋 翻叫 叫叫 叫 川川.日侧翻 ._1,申 .1,二 二 自.自自,甲,户户匕目 犯.侧目.目比目目 目.,开 开 .日日 日 日铂.目 .心心 汤 翻 已已 已 帐 侧 侧 价价 翻 周 周 周 .目 .品品.品 品 品月月 月月月月月月月月月月 月月月 口口口口口口口口口口 口口口 日日吕.户 勺日
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11、增加了2 56K B 的SD R AM和洲洲 沁 1&l 东用 用 氢氢氢!Q 翻曰口.臼比.国月M 叭匕臼国 国国 山侧&,叫 叫 叫叫 叫叫 叫 必必 必必 必必 必 1 1 1 1 1 1 1 兀尤 h 匕抽目 目 图 3O V 51 1 功能模块图161 A p pl i eat ion C a s e实用案例 13 7计 算 机 系 统 应 用2009 年 第 12 期 5SD R AM 模块ARM 内部有一个可编程的 16 位或者 32 位宽的SDRA M 接口,允许连接两组SDRAM 容量 512M bi t?有了SORAM 控制器,只要选取标准的SORA M 芯片,按照接口电路
12、连接起来就可以了?这里选取的是H ynix公 司 的 H Y 5 7V 28 1620 H C,它 的容 量 是 16M B,单片数据宽度是 16 位的,为了增大数据吞吐能力,所以选取了两片 SO RA M 构成 32 位地址宽度?SO RA M 模块原理图如图4 所示?六六六六六六六六六六 六 n钓 f f f摧摧rZ望 望 人 1D l l l公公公公公公公公公公 公D 二 二 屹屹 二 25 5 5A 3刀二 -心心母-一 26 6 6八qD -A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A ASD 呀 呀 二二)只2细 细 人 6D 七 七 A A A
13、A A A A A A A A A A A A A A A A A A 7D 下 下 叼叼J劝 劝 拐 拐 人人人人人人人人人人 人DD&t31 1 1AIOA PD 人人人人人人人人人人 人 1 1D I 八八 全 r32 2 2A 12,成 D ll l l七七七七七七七七七七 七 A U妇l 气气一,j 3 3 3已 A lD l 芝 芝 D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D l 从从 日%之 之 p Q 皿D l&D D D D D D D D D D D D D D D D D D D D DQ翻 翻 从从 l尹Z 之 之 确 t t t
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16、一方面要作为帧数据的存储体,存储摄像头输出的数字图像数据,采集的图像数据通过 OM A 通道送入帧存储体;另一方面要作为帧缓冲区,向嵌入式微处理器提供待处理的图像数据的同时以便使 LCO 可以直接从帧缓冲区读取图像数据完成图像显示?所以可以开辟两块用于帧存储的内存:一块用来存储图像数据,另一块作为帧缓冲区?热6LCO 模块LC O 液晶显示器由于具有体积小 重量轻 低(a)SD R A M 芯片 1胡胡胡胡胡胡胡胡胡胡胡 胡加 加 枯枯二 吸 吸 人 1D l l l(内 夕n 夕 夕 心心 525 5 5幻 D3 3 3 A A A A A A A A A A A A A A A A A A
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20、耗等特点,因此适合于结合大规模集成电路开发出各种便携式显示产品,具有十分广阔的市场前景?在嵌入式系统 中,数据和命令通过网络接 口或串行 口经过 A R M 程序处理后,或显示在 LC O上,或传输到远端 PC 上,LCO 是实现人机交互的一个重要通道?本系统采用的是 SharP 公司的 LM 0 57Q C IT 0 1型 ST N 彩色液晶显示模块?该液晶模块的显示格式为320 24 0?即显示屏每行具有 320 个像素点,共 240行?每个像素点由 RG B 三种颜色组成?53C2440A 中的LC O 控制器包含将LC O 图像数据从系统内存中的图像缓存传输给外部 LC O 驱动的逻辑
21、?该 LCO 控制器支持黑白LC O 的单色,2 位/像素(4 级灰度)或 4 位/像素(飞 6 级灰度)模式?由于采用了一种基于时间的抖动算法和帧速率控制方法,它能与 ST N LC D 连接,支持 8 位/像素(2 56 色)和 12 位/像素(4 096 色)的彩屏 L CO?通过编程,L C O 控制器可支持对水平和垂直像素数目 数据线宽度 接口时序和刷新速率的不同需求 8?(b)SD R AM 芯片 2图 4SO R AM 模块原理 图其中,SO RA M 的存储单元可以理解为一个电容,总是倾向于放电,为避免数据丢失,必须定时刷新?7嵌入式L i nux内核的移植和修改严格来讲,操作
22、系统内核不是一个硬件系统所必须具备的部分?但是在硬件资源多样化和系统资源严重受限制的嵌入式硬件系统中,为了更好的管理硬件资源和发挥出嵌入式系统的优势,操作系统内核的移138 实用案 f f l A ppl i ea ti on ease2009 年 第 12 期计 算 机 系 统 应 用植和修改便反而成为必不可少的过程?内核是所有嵌入式 U nux 系统的核心软件,嵌入式 U nux 内核的移植主要包括两方面的工作,一是a r c h目录下的体系结构移植,二是d r ive s目录下许多硬件驱动程序的移植?移植工作一般包括内核配置 内核编译和内核下载到目标平台?内核配置是第一步?首先在交又编译
23、环境搭建完毕的情况下修改内核根目 录下的 M ake f i l e文件,目的是针对目标平台使用的处理器架构进行参数修改;在使 用NA N O!ash之 前 要 对 其 空 间进 行 分 区(boo t l o ade r区 内核区 根文件系统和用户区),对4 个分区分别指明分区的大小和分区的起始地址后添加内核对 N A N O!a s h 芯片的驱动支持;根据 目标板的应用选择内核配置选项,比如对加载模块的设置 对 OM A 的设置及其它输入输出的设置等?内核编译是第二步?在清除以前编译过的残留文件后,接下来就是编译内核映像文件和可加载模块;编译完成后需要将产生的可加载模块安装到内核相应位置
24、?内核下载是第三步?这步是将编译好的内核映像文件下载到目标板上,下载的前提是在 目标板中已经下载了启动程序?通过 PC 机建立和 目标板的 tf t p 联系,使用通信中的超级终端启动目标板进行映像文件下载Ig J?组成部分的键盘可以方便的被用户操作实现对整个工作流程的人为控制,LC O 显示器则可以很好的显示当前采集到的一帧图像?在此基础上,系统还扩展了网络接口部分的功能,使得图像能够通过网络传递到远程终端 pC 机?嵌入式 U nux 内核在此硬件系统上的移植和修改,可更出色的完成对硬件资源的管理和向用户应用程序提供编程接口?这一基本的嵌入式图像采集系统平台的设计,具有一定的参考价值,并可
25、以针对更高的图像采集要求进行硬件的升级换代?8结语采用嵌入式设计能够很好的解决图像采集系统小型化问题,摆脱了只能通过 PC 机控制的采集系统?U SB 接口的图像传感器是近些年来非常流行的一种图像采集前端设备,系统核心板通过其上的 U SB 接口可以很好的控制图像的采集和传输?作为人机交互重要参 考 文 献1 刘鑫.基于 A RM的图像采集 系统设计)硕士学位论文.武汉:武汉理工大学,2007.2 常丹华,南进,陈丽娟,韦青,程德芳.基于嵌入式平台和 U SB 2.0 的高速线阵C CD 图像采集系统?电子测量技术(数据采集),2008,31(3):97 一xoo.3 许明流,邓王国,刘智勇.
26、基于嵌入式LI N U X 视频图像采集 系统的设计与实现.福建电脑,20 0 8,(7):15 3-154.4 吴晴,周健.嵌入式图像采集系统的设计与实现.电子沮 1 1量技术,2007,30(6):90 一92.5 马志晶,译.5 3 C 2 4 40 A 3 2 位CM O S微处理器用户手册.2 007.6 0 m nivison.O V 5ll D at a SheetR ev.l.0.l998.7 张绮文,谢建雄,谢劲心.A R M 嵌入式常用模块与综合系统设计.北京:电子工业出版社,2 0 0 7.15 3 一 155.8 武秀文.基于A RM 嵌入式平台的图像处理系统硕士学位论文.武汉:武汉理工大学,200 6.9 商斌.嵌入式 L i n u x C 语言.北京:电子工业出版社,2008.326 一 32 8.即 I i eat i on C a s e 实用案例 13 9