基于ARM平台与嵌入式Linux的图像采集应用

计算机学院嵌入式系统课程设计报告学号2014-2015学年 第二学期1536360803嵌入式系统课程设计报告题目：基于ARM平台与嵌入式Linux 的图像采集应用专业：网络技术班级：13(1)班姓名：李红指导教师：张文哲成绩：计算机学院2015年5月7日目录 摘要31 绪论311课题研究背景3111课题研究意义312国内外研究现状42嵌入式系统理论基础421嵌入式系统简介4211嵌入式系统的组成与特点4212嵌入式系统的应用与发展趋势422嵌入式处理器4221嵌入式处理器发展简史4222嵌入式处理器分类523嵌入式操作系统5231嵌入式操作系统分类5232嵌入式Linux操作系统53系统综述631系统构成及基本原理632嵌入式处理器的选择6321嵌入式处理器选择原则6322 s3C2410X处理器介绍633 USB摄像头的选择74嵌入式操作系统的实现741嵌入式系统开发环境的建立7411主机开发环境的建立7412交叉编译环境的建立742嵌入式linux操作系统移植842. 1 Linux内核版本及结构8422 Linux 2418内核版本的移植843根文件系统制作9431文件系统介绍9432构建嵌入式Linux文件系统9442 USB摄像头驱动程序的移植1045图像采集程序设计105图形用户界面的实现1251 MiniGL的特点125.2运行例子程序1253 MiniGL程序开发13531 MiniGUI体系结构1354应用程序的编写136网络传输功能的实现1461 socket简介1462网络传输功能的实现14621 socket通信过程14622 socket通信的实现15623运行结果157总结与展望16参考文献16前言随着多媒体技术和网络技术的发展，嵌入式图像采集系统的研究与实现越来越受到人们的重视。传统的图像采集系统一般采用基于Pc机平台和视频采集卡的形式，该方案系统体积大、成本高，在远距离、多点系统中实现困难。在这种背景下，设计一种轻便小巧的采集系统来采集、存储并显示所需的图像成为市场所需。本论文研究设计了一种基于嵌入式的图像采集与传输系统，具有体积小、成本低、稳定性高等优点。该系统硬件平台采用基于ARM920T核的$3C2410X处理器，软件采用嵌入式Linux操作系统，利用USB摄像头采集图像并在目标板的LCD上进行显示，通过网络还可将采集到的图像传输到PC机上显示。该方案大大降低了系统的复杂性，同时提高了系统的稳定性和图像质量，可以扩展应用在远程监控系统等诸多领域，具有广阔的市场和应用前景。本论文首先介绍了课题研究的时代背景、实践意义和研究现状，并对嵌入式系统开发的基础理论知识作了介绍，在此基础上给出了嵌入式图像采集与传输系统的总体结构设计；接着详细分析了嵌入式Linux操作系统的开发技术，包括嵌入式发环境的建立、Bootloader移植、Linux内核移植和根文件系统的制作，并介绍了嵌入式Linux下的设备驱动程序，实现了USB摄像头驱动的移植，完成了利用摄像头采集图像的功能；然后完成了MiniGUI图形用户界面的移植和图像在LCD上的显示；最后实现了基于socket的网络通信，完成了视频采集和传输系统的整体功能，并给出了最终的实验结果。1 绪论11课题研究背景图象、画面所包含的信息量巨大，是人类获取和交换信息的主要来源；而且视频信息具有直观性、可靠性等一系列的优点，因而视频采集与处理历来就是重要的研究内容。图像信息的采集和传输经过几十年的发展，已广泛应用于各行各业。人类步入网络时代以来，特别是随着通信和计算机技术的发展，以“信息采集、处理、监控”为核心的视频监控系统越来越广泛地应用于电视会议、可视电话、远程监控、智能交通、智能小区等远程图像传输系统中。为了实现这些应用，实时获得视频数据是一个重要环节。传统视频采集系统一般采用基于个人计算机和视频采集卡的形式，该方案存在图像品质不高、抗干扰能力差、系统体积大、成本高、不便于携带等缺点，在远距离、多点系统中实现困难。对于高端领域，大多采用基于DSP结合FPGA或CPLD的方式，这种方式并不能轻易满足高比特、高清晰的要求，高比特DSP开发过程耗时冗长，需要投入大量的人力和资金。111课题研究意义基于嵌入式设备的图像采集系统的优点表现在：由于这种系统的硬件是一个同处理器和软件捆绑较为紧密、功能专一、设计专门的设备，不像插卡系统那样受通用计算机系统中其他软件硬件的影响，因此性能上更稳定，且便于安装、维护，易于实现系统的模块化设计，便于管理、维护、降低费用；另一方面，由于功能的单一，只要算法选择正确，系统的实时性就可以得到保证，而且控制功能较PC系统容易实现且更为强大。12国内外研究现状在国内外市场上，主要存在两类视频监控产品：数字控制的模拟视频监控和数字视频监控。数控模拟监控系统技术经过较长时间的发展并在实际工程中得到了非常广泛的应用，发展己经非常成熟，性能也十分稳定，但由于视频监控系统中信息流的形态没有变，仍为模拟的视频信号，系统的网络结构主要是一种单功能、单向、集总方式的信息采集网络，介质专用的特点，因此系统尽管已发展到很高的水平，已无太多潜力可挖，其局限性依然存在；而数字监控系统技术是新近崛起的，解决了模拟系统部分弊端而迅速发展起来，但发展并不是很成熟，需要更进步的完善。纵观全局，数字监控系统必然是大势所趋并有着现实的研究价值。数字监控系统通常分为两类：一类是基于PC机组合的计算机多媒体工作方式：另一类是嵌入式数字视频监控系统。2嵌入式系统理论基础21嵌入式系统简介211嵌入式系统的组成与特点嵌入式系统(Embedded System，ES)定义为以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。嵌入式技术的核心思想，是最大限度地对硬件和软件量身定做，以提高效率、性价比、实时性等。以生活中常见实例来讲，手机、数字视频设备等电子产品都可认为是一个嵌入式系统或其中以嵌入式系统为重要核心，它们分别具有通信、视频处理方面的针对性功能。现代生活中嵌入式系统的影子无处不在。212嵌入式系统的应用与发展趋势嵌入式系统概念的提出已有相当长的时间，但在以前，它主要用于军事领域和工业控制领域，所以很少被人关注和了解。直到后PC时代的到来，随着数字技术的发展和新的体积更小的控制芯片和功能更强的操作系统的出现，它才被广泛应用于人们的日常生活中。现在，嵌入式系统已经渗透到人们生活的各个方面，它在国防、工业控制、远程监控、航空航天、通信、汽车电子、交通管理、电子商务、家庭智能管理、环境监测、安防系统、医疗仪器、信息家电、办公自动化以及消费电子等领域的应用范围正不断扩大，如人们经常使用的手机、数码相机、可视电话、PDA、POS和GPS都是嵌入式系统应用的典型例子。22嵌入式处理器221嵌入式处理器发展简史嵌入式处理器历史悠久，早在20世纪70年代，工业控制领域就开始使用嵌入式处理器，当时主要是4位和8位的处理器。随着嵌入式技术和应用的不断发安徽理丁大学硕十学位论文展与普及，嵌入式处理器也从最初的4位、8位，发展到现在的16位、32位，甚至64位。 222嵌入式处理器分类由于嵌入式系统应用领域的多样性，不可能有一种通用的嵌入式处理器能满足所有嵌入式系统的需求，这迫使人们设计了各种各样的嵌入式处理器来满足不同领域的要求。因此，嵌入式处理器种类繁多，数量庞大。据统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量以超过1000种，流行的体系结构有三十几个系列，如PowerPC、Motorola、ARM系列等。根据特点和应用领域的不同，可以将嵌入式系统的处理器可以分为以下4大类：嵌入式微处理器(MicroProcessor Unit，MPU)；嵌入式微控制器(Mierocontroller Unit，MCU)；嵌入式数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)；嵌入式片上系统(System On Chip，SoC)。23嵌入式操作系统嵌入式操作系统(Embedded Operation System，EOS)是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统极为重要的组成部分，负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动。通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等browser。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。231嵌入式操作系统分类目前嵌入式系统的软件主要有两大类：实时系统和分时系统。其中实时系统又分为两类：硬实时系统和软实时系统。实时嵌入系统是为执行特定功能而设计的，可以严格的按时序执行功能。其最大的特征就是程序的执行具有确定性。在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬实时系统。而在软实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误。一个硬实时系统往往在硬件上需要添加专门用于时问和优先级管理的控制芯片，而软实时系统则主要在软件方面通过编程实现时限的管理。比如Windows CE就是一个多任务分时系统，而gCOSII则是典型的实时操作系统。232嵌入式Linux操作系统1Linux操作系统在介绍嵌入式Linux之前，先介绍一下Linux操作系统。Linux遵守POSIX标准，与UNIX操作系统兼容，是目前最为流行的一款开放源代码的操作系统。它起源于芬兰一个名为Linus Torvalds的业余爱好者。完整的Linux包括操作系统内核、系统软件和应用软件。内核的发布由LinusTorvalds和Alan Cox等领导的内核开发小组控制，可以通过访问内核网站下载内核源代码。系统软件和大部分应用软件很多来自GNU组织，如GNU GCC和GDB等。其它一些商业公司如IBM、Sun和Oracle等也开始开发基于Linux平台的应用软件。3系统综述31系统构成及基本原理图像采集平台的硬件系统结构设计如图2所示：图1该系统基于32位ARM微处理器芯片和嵌入式Linux操作系统。高性能的ARM处理器与其它外围器件构成了一个嵌入式多媒体开发平台，可以满足复杂计算和图形显示的需求。32嵌入式处理器的选择321嵌入式处理器选择原则与PC机主要采用Intel和AMD公司的处理器不同，嵌入式系统由于应用多种多样，目前还没有一种嵌入式处理器能够主导整个市场，因此嵌入式处理器的选择是一个嵌入式系统能否成功的重要前提。嵌入式处理器的功能和性能，直接影响着整个系统的设计，嵌入式处理器的选择，制约了其配套的外围器件的选择。选择嵌入式处理器时，可以依据以下选择原则：1) 选择主流处理器供应商的产品。2) 选择最符合应用需求的处理器。3) 选择低功耗的处理器。4) 选择提供配套开发工具的处理器。322 s3C2410X处理器介绍1）1个LCD控制器(支持STN和TFT带有触摸屏的液晶显示屏)。2)SDRAM控制器。3)3个通道的UART,4个通道的DMA，2个通道的SPI接VI，8个通道的10位ADC及DAC控制器。4)4个具有PWM功能的计时器和一个内部时钟，看门狗计数器。5)12C总线接13，触摸屏接13，SD接VI和MMC卡接13。6)2个USB主机接VI，1个USB从设备接13。刀117位通用IO VI和24位外部中断源。 33 USB摄像头的选择摄像头分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。对于模拟摄像头，必须经过特定的视频捕捉卡将模拟视频信号转换成数字模式，并加以压缩后才可以传到计算机上运用。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。由于模拟摄像头的整体成本较高，而USB接口的传输速度远远高于串口、并口的速度，因此现在市场上热点主要是USB接口的数字摄像头。数字摄像头的一般结构如图3所示：图24嵌入式操作系统的实现41嵌入式系统开发环境的建立411主机开发环境的建立主机采用WindowsXP+VMware+Linux的开发环境。虚拟机(xrtmlal Machine，VM)是通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、支持多个操作系统并运行在单个物理计算机上的一种计算机系统。通过虚拟机软件，可以在一台物理计算机上模拟出一台或多台虚拟的计算机，对于用户而言，它只是运行在用户物理计算机上的一个应用程序，但是对于在虚拟机中运行的应用程序而言，它就像是在真J下的计算机中进行工作。因此，当用户在虚拟机中进行软件评测时，可能系统一样会崩溃，但是，崩溃的只是虚拟机上的操作系统，而不是物理计算机上的操作系统，并且，使用虚拟机的“Undo”(恢复)功能，用户可以马上恢复虚拟机到安装软件之前的状态。给开发带来了很大的方便。412交叉编译环境的建立在进行嵌入式开发之前，首先要建立一个交叉编译环境，这是一套编译器、连接器和lilac库等组成的丌发环境f27娜1。交叉编译环境主要包括以下几个部分：针对目标系统的编译器gee针对目标系统的二进制工具binutils目标系统的标准c库glibe目标系统的内核头文件42嵌入式linux操作系统移植42. 1 Linux内核版本及结构Linux内核主要有5个子系统组成：进程调度，内存管理，虚拟文件系统，网络接口和进程之间的通信。 下面简单介绍 一下内核源代码下各主要目录下的内容：arch予目录包含了所有硬件结构特定的内核代码。drivers y-日录包含了内核叶I所有的设备驱动W弘。fs子目录包含了所有文件系统的代码。include子目录包含了建立内核代码时所需要的大部分库文件，这个模块利用其他模块重建内核。init子目录包含了内核的初始化代码。ipc子目录包含了进程间通信代码。kernel子目录包含了主内核的代码。mm子目录包含了所有内存管理代码。net子目录包含了和网络相关的代码。一般在每个目录下包含一个depend文件和一个Makefile文件。这两个文件都是编译时使用的辅助文件。422 Linux 2418内核版本的移植所谓嵌入式Linux系统移植，就是把Linux内核进行裁减修改，构造合适的文件系统，并且设置好相应的bootloader用于引导kernel，从而使整个系统可以在开发板上正常运行。根目录移植。修改根目录Makefile文件。1)指定目标平台：移植前ARCH：=$(shell unam m|sed e si.86/i386)移植后 ARCH：=arm2)指定交叉编译器：移植日订CROSS COMPILE=移植后CROSS COMPILE=咖一linuxarch目录移植。修改arch目录下面的Makefile，指定交叉编译器。手动添加S3C2410X处理器选项：移植后ifeq($(CONFIG ARCH_ S3C241 0)，y)TEXTADDR=0xC0008000MACHD咂=s3e2410Endif43根文件系统制作431文件系统介绍文件系统是指在一个物理设备上的任何文件组织和目录，它构成了操作系统上所有数据基础，是系统中庞大复杂且又是最为基本和重要的资源。嵌入式Linux下的文件系统结构如图11所示:图3432构建嵌入式Linux文件系统1busybox简介Busybox是用于制作可执行命令工具集的工具，它被非常形象地称为嵌入式Linux系统中的“瑞士军刀”，因为它将许多常用的UNIX命令和工具结合到了一个单独的可执行程序中。虽然与相应的GNU工具比较起，busybox所提供的功能和参数略少，但在嵌入式系统中已经足够了。2建立Linux文件系统在busybox的编译过程中，可以非常方便地加减它的“插件”，最后的符号链接也可以由编译系统自动生成。下面详细介绍利用busybox建立一个全新的Linux文件系统的方法。44 USB摄像头设备驱动移植4.4.1 Linux设备驱动程序概述系统调用是操作系统内核和应用程序之问的接口，没备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应川程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是个设备文件应用程序可以像操作普通文件样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核的部分它完成以下的功能：1对设备初始化和释放。2把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据。3读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据。4检测和处理设备出现的错误。442 USB摄像头驱动程序的移植目前市场流行的摄像头型号主要是中星微的ZC03010203，占据了约90的市场份额，而广大嵌入式爱好者推崇的则是OmniVision公司的OV51 l，主要是因为24内核版本以后支持了OV511的驱动，以至各种研究学习资料较多，应用也非常方便。45图像采集程序设计1Vide04Linux简介Vide04Linux是Linux中关于视频设备的内核驱动，他为针对视频设备的应用程序编程提供一系列接口函数，配合适当的视频采集设备和相应的驱动程序，可以实现影像采集、AMFM广播、频道切换等功能i491，在远程会议、可视电话、视频监控系统中有着广泛的应用。2图像采集程序设计在Linux下，视频采集设备的正常使用依赖于对Vide04 Linux标准的支持。如果使用Vide04Linux，在编译内核时，一定要选中Multimedia Devices下的Videofor Linux选项，本文针对的设备文件是devvideoO，使用的器件是基于ZC301的USB摄像头。Vide04Linux定义的数据结构及使用函数如下：struct_v41_structInt fd；structvideo_capability capability；struct video_buffer buffer；struct video_window window；struct video_channel channel8；struct video_picture picture；struct video_mmap mmap；struet video_mbuf mbuf；unsigned char *map；typedef struct_v41_struet v41_deviee；extem int v41_open(char*，v41_deviee*)；extem int v41_elose(v41_deviee*)；extem int v41_get_eapability(v41_device*)；extem int v41_set_norm(v41_device*，int)；extem int v41_get_picture(v41_deviee*)；extem int v41_grab_init(v41_deviee*，int,int)；extem int v41_grab_frame(v41_device*，int)；extem int v41_grab_sync(v41_device*)；extem int v41_mmap_init(v41_deviee*)；extem int v41_get_mbuf(v41_device*)；extern int v41_get_picture(v41_deviee*)；extern hat v41_grab_picture(v41_device*，unsigned int)；extern int v41 set_buffer(v41_device*)；extem int v41get_buffer(v41_device*)；extem int v41_switch_ehannel(v41_device*，int)；Vide04Linux中截取图象的方法有两种：1 mmap(内存映射)方式2 直接读设备方法利用mmap方式截取视频图像的程序设计的主要过程如下：(1)打开视频：intv41_pen(char *dev,v41一device *vd)if(!dev)dev=”devvideoO”；if(vd-fd=open(dev,O_RDWR)fd，VIDIOCGCAP,&(vd-capability)fd)；retun 0：5图形用户界面的实现51 MiniGL的特点MiniGUI原是由魏永明支持的遵循GPL条款发布的一个自由软件项目，其目标是为实时嵌入式系统提供一个轻量级的图形用户界面支持系统。项目自1998年底开始到现在已经非常成熟和稳定，并且在许多实际产品和项目中得到应用。MiniGUI是一种针对嵌入式设备的、跨操作系统的图形用户界面支持系统，它是嵌入式图形中间层软件。它主要运行于Linux控制台，实际可以运行在任何一种具有POSIX线程支持的POSIX兼容系统上。它为用户定义了一组轻量级的窗口和通信设备接口，利用这些接口，每个应用程序可以建立多个窗口，而且可以在这些窗口中绘制图形，也可以利用MiniGUI建立菜单、按钮、列表框等常见的GUI元素。与其他基于Linux的图形界面支持系统相比，MiniGUI系统在API完备性、系统规模、可移植性、资源消耗等各个方面都具有相对优势，符合嵌入式开发环境对GUI系统的轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、可配置等方面的要求，因此在嵌入式领域中有广阔的应用前景。5.2运行例子程序 图453 MiniGL程序开发531 MiniGUI体系结构从整体结构上看，MiniGUl是分层设计的，体系结构如下图：图5在最低层，GAL和IAL提供底层图形接口以及输入设备的驱动；中间层是MiniGUl的核心层，包括窗口系统必不可少的各个模块；最顶层是API，为用户提供编程接口。54应用程序的编写 包含头文件static void my_notif_proc(HWND hwnd，int id，int nc，DWORDadd_data) /改变颜色子函数if(nc=BN_DBLCLK)SetWindowBkColor(hwnd，3333)；/3333表示颜色值InvalidateRect(hwnd，NULL，TRUE)；Static int StaticDemoWinProc(HWND hWnd，int message，WPARAM wParam，LPARAM 1Param)/窗口过程函数 HWND hwnd；switch(message)case MSG_CREATE：hwnd=CreateWindow(CTRL_BUTTON，”Push me”，WSVISIBLE|BP_PUSHBUTTON|BS NOTIFY,100，50，100，200，50，hWnd，0)；SetNotificationCallback(hwnd，my_notif_proc)；return 0；case MS_DESTROY：DestroyAllControls(hWnd)；rturnO；easeMSG_CLOSE：DestroyMainWmdow(hWnd)；PostQuitMessage(hWnd)；return 0；)return DefaultMainWinProc(hWnd，message，wPamm，IParam)；int MiniGUIMain(int argc，cxmst char* argvf)/主程序入口 . /定义变量 #ifdef LITE VERSIONSetDesktopRect(0，0，1024，768)；#endifCreatelnfodwStyle= Ws_VISIBLE|WSBORDER l ws cAPTION；hMainWnd=CreateMainWindow(&Createlnfo)；/创建主窗口if OaMainWnd=HWND_INVALID)return -1；ShowWindow(hMainWnd，SW_SHOWNORMAL)；显示主窗口 6网络传输功能的实现61 socket简介在网络历史的早期，由国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(cCITT)共同出版了开发系统互联(OSI)7层参考模型，把网络过程包括从应用请求到网络介质按功能分成7个分立的层次，如下图所示： 图662网络传输功能的实现621 socket通信过程一般在设计网络程序时，会分为服务器端与客户端两部分，而一个网络程序本身就具有ClientServer结构，所以在说明TCP网络程序的流程时，可以分为TCP Client端及TCP Server端。服务器首先启动，通过调用socket0，建立一个socket，然后调用bind0将该socket和本地网络地址绑定在一起，再调用listen0使socket做好侦听的准备，并规定它的请求队列的长度，之后调用accept0来接收连接。客户端在建立socket后，就可调用connect0和服务器建立连接。连接建立后，客户机和服务器之间就可以通过调用send0和recv0来发送和接收数据。最后，数据传送结束后，双方调用close0关闭socket。622 socket通信的实现为实现PC机和硬件平台的网络通信，首先在编译内核时必须选中对网络功能的支持，并在制作嵌入式文件系统时加入对网络功能的支持。然后将新的内核和文件系统烧写到目标板上。程序实现的流程图如下图所示：图7623运行结果图8可以看到PC机与硬件平台成功建直了连接，叮以进行通信，达到了预期目标。以后即可编写程序或移植已有的心用程序来实现图像的网络传输。7总结与展望本系统采用高性能、低功耗、低价格的ARM处理器和源代码开放的Linux操作系统，并结合内置DSP编码单元的USB摄像头构建了一个完整的图像采集与传输系统，增强了系统的抗干扰能力和数据传输的可靠性，克服了使用数据采集卡带来的诸多问题。特别是随着USB20的推出，USB的高传输速率必将使其在数据采集系统中的优势更加明显，同时会使其在更广阔的领域得到更深层次地应用。由于所采用的软件全部是开放源码而且免费获得，所以对于需要便携好而又要有较高的数据处理能力且成本要求严格的方面尤其适合。同时使用MiniGUI的图形用户界面使图像数据的采集更加人性化，这几方面的结合使其必有很广的市场前景。但由于时间的仓促和技术水平的有限，本系统也存在有不足之处，例如在网络传输方面使用网线连接设备，势必限制了该系统在很多具体场合的应用。因此，在本系统的基础上，可以通过改善其功能进行二次开发，比如在网络传输方面改用蓝牙等无线传输技术，可以使其应用更加方便和智能化。这也是后续开发中要参考文献1张旭,亓学广,李世光等.基于STM32电力数据采集系统的设计J.电子测量技术, 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