發布日期：2022-04-26 點擊率：106
隨著計算機技術和網絡技術的發展，在單片機領域也發生著日新月異的改變，如高速信號處理器、SoC片上系統等新技術、新應用如雨后春筍般蓬勃發展起來。在現實生活中經常會遇到這樣一些問題：比如如何對機房的溫濕度進行遠程監控；如何一手掌握家里的安全狀況，這都需要應用一種耗電量小、24小時不間斷工作，體積小的遠程視頻監控系統。
針對網絡視頻監控設備的實際應用需求，結合圖像采集壓縮編碼、嵌入式系統和網絡技術等幾方面的新技術，設計了一套嵌入式網絡視頻監控系統，用以實現視頻數據的采集、壓縮與網絡傳輸。該系統基于S3C2410的ARM920T芯片和嵌入式Linux操作系統，采用USB攝像頭捕捉視頻，經MPG440芯片壓縮編碼，系統直接與網絡相連，用戶使用標準的網絡瀏覽器和流媒體播放程序即可查看遠程視頻影像。
1 系統總體設計
系統總體設計包括硬件設計和軟件設計2部分。硬件設計模塊主要包括微控制器模塊、壓縮編碼模塊、網絡接口模塊3部分。微控制器模塊主要由主控芯片、DATAFLASH和SDRAM組成。其中，主控芯片是整個控制系統的核心，它負責整個系統的調度工作。DATAFLASH中固化了嵌入式Linux內核及其文件系統、應用軟件和系統配置文件。SDRAM作為內存供系統運行使用。壓縮編碼模塊由視頻數據采集芯片、MPEG-4壓縮編碼芯片、SDRAM組成，負責將視頻流轉化為MPEG-4碼流。網絡接口模塊主要是配合主控芯片傳送MPEG-4碼流。當系統啟動時，微控制器將Linux內核調入SDRAM中，系統從SDRAM中啟動。系統啟動后，微控制器控制MPEG-4編碼模塊進行工作。軟件設計部分主要包括嵌入式Linux移植、視頻采集與MPEG-4壓縮編碼模塊、JRTPLIB網絡傳輸模塊和MPEG-4解碼程序4部分。嵌入式Lin-ux系統存放到由S3C2410控制的DATAFLASH中，它負責整個系統軟件的調度工作。MPEG-4壓縮編碼模塊主要負責將采集到的視頻流壓縮為MPEG-4數據流。JRTPLIB網絡傳輸模塊主要負責MPEG-4視頻流傳輸與控制的相關設置。MPEG-4解碼程序主要負責對通過網絡得到的MPEG-4數據流進行解碼工作。
2 硬件系統設計
系統的硬件平臺采用Samsung公司的處理器S3C2410。該處理器內部集成了ARM公司ARM920T處理器核的32位微控制器，資源豐富：帶獨立的16kB指令Cache和16kB數據Cache，還有LCD控制器、RAM控制器、NAND閃存控制器、3路UART、4路DMA、4路帶PWM的Timer、并行I／O口、8路10位ADC、TouchScreen接口、I2C接口、I2S接口、2個USB接口控制器、2路SPI，主頻最高可達203MHz。在處理器豐富資源的基礎上，還進行了相關的配置和擴展，平臺配置了16MB，16位的FLASH和64MB，32位的SDRAM。通過以太網控制器芯片DM9000擴展了一個網口，另外引出了一個HOST、USB接口，通過在USB接口上外接一個帶USB接口的攝像頭。硬件系統結構如圖1所示。
3 軟件系統設計
Linux具有內核小，效率高，源代碼開放，內核直接提供網絡支持等優點。但嵌入式系統的硬件資源畢竟有限，因此不能直接把Linux作為操作系統，要針對具體的應用通過配置內核、裁減shell和嵌入式C庫對系統進行定制，使整個系統能夠存放到容量較小的FLASH中。Linux的動態模塊加載，使Linux的裁減極為方便，高度模塊化的部件使添加非常容易。嵌入式Linux系統主要由4個部分組成：引導內核啟動的文件(bootloader)、Linux內核文件(kernel)、虛擬磁盤文件(ramdisk)、用戶空間文件(user)。它們分別被放在DATAFLASH內的4個分區模塊中。根據不同模塊的具體功能采用不同的文件系統，如：bootloader，kernel，ramdisk等，移植完成后不需要動態改變，使用較節省空間的ROM-FS只讀文件系統；user模塊內放置一些可以動態更新的配置文件等，需要進行較多的讀寫操作，所以使用支持動態擦寫保存的JFFS2文件系統。基于Linux的上述優點，實現的平臺使用操作系統μclinux。通常嵌入式系統軟件的開發采用交叉編譯調試方式。宿主機通常為Intel處理器，而目標板如圖1所示為S3C2410，因此程序需要使用針對處理器特點的編譯器才能生成在相應平臺上可運行的代碼。對于嵌入式Linux，宿主機PC上應安裝Linux系統，之后在宿主機上建立交叉編譯調試的開發環境。采用移植性很強的C語言在宿主機上編寫視頻采集程序，再利用交叉編譯調試工具編譯鏈接生成可執行代碼，最后向目標平臺移植。
Linux移植技術已經成熟，在此不做詳細闡述，主要介紹USB攝像頭驅動、基于V4L設計的視頻采集模塊和JRTPLIB網絡傳輸模塊的程序設計。
3．1 USB攝像頭驅動
搭建好嵌入式Linux的開發環境后，第一步工作就是USB攝像頭的安裝與驅動。
在Linux下，設備驅動程序可以看成是Linux內核與外部設備之間的接口。設備驅動程序向應用程序屏蔽了硬件實現的細節，使得應用程序可以像操作普通文件一樣來操作外部設備，可以使用并操作文件中相同的、標準的系統調用接口函數來完成對硬件設備的打開、關閉、讀／寫和I／O控制操作，而驅動程序的主要任務也就是要實現這些系統的調用函數。
Video4Linux(V4L)是Linux中關于視頻設備的內核驅動，它是針對視頻設備應用程序編程提供的一系列接口函數。對于USB口攝像頭，其驅動程序中需要提供基本的I／O操作接口函數open，read，write，close來實現。當應用程序對設備文件進行系統調用操作時，Linux內核將通過file-operations結構訪問驅動程序提供的函數，在系統平臺上對USB口數碼攝像頭進行驅動，首先把USB控制器驅動模塊靜態編譯進內核，使平臺中支持USB接口，再在需要使用攝像頭采集時，使用insmode動態加載其驅動模塊，這樣攝像頭就可正常工作。
確定USB攝像頭被正常驅動后，下一步就是使用Video4Linux提供的API函數集來編寫視頻采集程序。
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