基于ARM和CCD的視頻采集模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

摘要：寵物智能喂養(yǎng)系統(tǒng)是一種高效的遠(yuǎn)程喂養(yǎng)系統(tǒng)，可以通過(guò)WEB及移動(dòng)終端(平板、手機(jī))遠(yuǎn)程控制寵物的科學(xué)喂食和喂水。文中以S3C6 410為核心處理器、紅外CCD攝像頭為視頻采集模塊以及為視頻解碼器，構(gòu)建了高度集成的嵌入式實(shí)時(shí)視頻采集平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上完成了寵物智能喂養(yǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)具有體積小、成本低、功耗低、穩(wěn)定性高、安全性好、操作便利等特點(diǎn)，極好地滿足了智能科學(xué)喂養(yǎng)寵物的需求。文中提出了一種適用于該喂養(yǎng)系統(tǒng)的視頻采集驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，在Linux3.0.1版本內(nèi)核下，以Linux下處理視頻設(shè)備的最新標(biāo)準(zhǔn)-V4L2為基準(zhǔn)完成驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該方案能成功實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集。

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加速。我國(guó)國(guó)民生活水平不斷得到提高，我國(guó)寵物業(yè)也得到了飛速的發(fā)展。由于城市生活的封閉性、個(gè)性化和人口老齡化等問(wèn)題不斷凸顯出來(lái)。人民生活中休閑、消費(fèi)和情感寄托方式也呈多樣化的發(fā)展。家庭寵物的飼養(yǎng)已經(jīng)成為了城市居民生活消遣的新方式。

寵物的喂養(yǎng)和看護(hù)往往是寵物主人最關(guān)心的問(wèn)題，目前寵物主要還是依靠人工進(jìn)行喂食，寵物看護(hù)系統(tǒng)還停留在專(zhuān)人看護(hù)和寵物店托管的模式下。現(xiàn)有的寵物看護(hù)裝置只解決了不讓寵物餓肚子的簡(jiǎn)單層面，而沒(méi)有解決主人不在家時(shí)，寵物和主人的互動(dòng)要求。主人比較關(guān)心的問(wèn)題，比如寵物現(xiàn)在在做什么，有沒(méi)有吃飯，寵物健康狀況怎么樣等，這些心理訴求的滿足才是一套寵物看護(hù)系統(tǒng)要解決的問(wèn)題。而現(xiàn)在的設(shè)備還不能滿足這一需求。

目前的家庭寵物看護(hù)系統(tǒng)為數(shù)不多，算得上看護(hù)系統(tǒng)的產(chǎn)品功能單一，只是簡(jiǎn)單的測(cè)量寵物環(huán)境和喂食，不能同時(shí)滿足用戶(hù)既可以遠(yuǎn)程喂養(yǎng)寵物又可以在線觀看寵物進(jìn)食情況和活動(dòng)狀況的需求。近年來(lái)隨著嵌入式技術(shù)迅速的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成熟并得到廣泛應(yīng)用，把嵌入式系統(tǒng)與Web技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將Web技術(shù)引入到測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于嵌入式Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)，有良好的應(yīng)用前景。在嵌入式Linux平臺(tái)下利用Boa作為Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)上述需求，搭載有高度集成的嵌入式實(shí)時(shí)視頻采集平臺(tái)的寵物智能喂養(yǎng)系統(tǒng)能很好的滿足客戶(hù)的不同需求。通過(guò)嵌入式實(shí)時(shí)視頻采集平臺(tái)上的紅外CCD攝像頭，寵物主人可以在白天或者晚上用智能手機(jī)、平板電腦、PC電腦等通過(guò)WEB控制寵物進(jìn)食同時(shí)可以查看寵物進(jìn)食和活動(dòng)情況。

在本系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)程序用來(lái)完成用戶(hù)和硬件的交互，是硬件設(shè)備正常工作的先決條件，充當(dāng)著不可缺少的角色。本文提出一種基于S3C64 10的Linux3.0.1內(nèi)核版本下的視頻采集系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，并已成功用于寵物智能喂養(yǎng)系統(tǒng)中，收到良好的效果。

1 硬件系統(tǒng)構(gòu)架

寵物智能喂養(yǎng)系統(tǒng)主要由圖像采集模塊、視頻解碼模塊、S3C6410、喂食模塊、喂水模塊和顯示模塊組成。紅外CCD攝像頭用于采集智能喂養(yǎng)系統(tǒng)工作狀態(tài)中的寵物的進(jìn)食和活動(dòng)情況圖像，由于S3C6410不能識(shí)別采集到的PAL制式信號(hào)，因此需要做視頻解碼處理，這里選用TI公司推出的Tvp5150解碼器，用于將采集到的PAL制式信號(hào)轉(zhuǎn)換成YCrCb格式。S3C6410是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)編碼DMA通道進(jìn)入Camera單元的編碼縮放器，經(jīng)過(guò)高編碼質(zhì)量和壓縮比的H264編碼后保存到用戶(hù)程序開(kāi)辟的緩存區(qū)中，然后傳輸?shù)絣ive555流媒體服務(wù)器接收程序中，live555實(shí)現(xiàn)了對(duì)編碼后視頻流的流化和相關(guān)的處理，最后通過(guò)嵌入網(wǎng)頁(yè)端的流媒體播放器VLC media player播放器實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)中的喂食模塊可以實(shí)現(xiàn)寵物所需食物的定量投放，喂水模塊可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)喂水和遠(yuǎn)程喂水的功能。另外為了方便對(duì)圖像進(jìn)行相關(guān)處理，需要NAND FLASH用于存儲(chǔ)截取的圖像，同時(shí)，SDRAM、JTAG和供電部分等常用外圍接口是開(kāi)發(fā)過(guò)程中不可缺少的部分。由此搭建的高度集成的實(shí)時(shí)視頻采集系統(tǒng)具有顯著的小型化效果。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

1.1 S3C6410開(kāi)發(fā)平臺(tái)

S3C6410是基于16/32-bit RISC ARM1176JZF-S內(nèi)核的低成本、低功耗、高性能微處理器，具有高達(dá)533 MHz的主頻，4 G ROM和512 M RAM，性能強(qiáng)大，堪比當(dāng)今主流智能手機(jī)。S3C6410內(nèi)部集成了許多功能強(qiáng)大的硬件加速器，像視頻處理、移動(dòng)圖像處理、顯示控制和圖像縮放等，集成了Camera接口單元、系統(tǒng)管理器、LCD控制器、定時(shí)器、通用I/O端口、I2C總線接口等硬件外設(shè)，具有先進(jìn)的OTG接口和能支持SLC/MLC等主流的NAND FLASH。與本系統(tǒng)直接相關(guān)的Camera接口單元由7個(gè)模塊組成：圖形多路選擇器、捕獲單元、預(yù)覽縮放器、編碼縮放器、預(yù)覽DMA通道、編碼DMA通道和SFR(特殊功能寄存器)。系統(tǒng)中的兩個(gè)DMA通道分別是：預(yù)覽DMA通道和編碼DMA通道，其中預(yù)覽DMA通道用于液晶屏的顯示，可以把YCbCr4：2：2格式的圖像轉(zhuǎn)換成RGB格式的數(shù)據(jù)，并存放于為預(yù)覽DMA分配的內(nèi)存中。編碼通道用于圖像的編解碼處理，可以輸出YCbCr4：2：0或YCbCr4：2：2格式到為編碼DMA分配的內(nèi)存中。

1.2 紅外CCD攝像頭和TVP5150視頻解碼器

系統(tǒng)中的紅外CCD攝像頭采用優(yōu)質(zhì)的1/3英寸SONYCCD芯片，優(yōu)異的紅外夜視功能，內(nèi)置24顆紅外燈，夜視距離達(dá)5～10 m。其技術(shù)參數(shù)：DC 12 V 220 mA，紅外燈打開(kāi)時(shí)DC 12 V 1 000 mA，420 TVL，像素頻率27 MHz，輸出PAL制式視頻信號(hào)。

TVP5150是TI公司推出的一款超低功耗高性能視頻解碼器，可以對(duì)NTSC/PAL/SECAM各制式信號(hào)自動(dòng)識(shí)別、切換、設(shè)置相應(yīng)的寄存器，TVP5150解碼器優(yōu)化的架構(gòu)使其正常工作時(shí)功耗僅115 mW，廣泛應(yīng)用于便攜、批量大、高性能和高質(zhì)量的視頻產(chǎn)品中。TVP5150解碼器有一個(gè)模擬輸入通道，可以接受1路S—VIDEO信號(hào)或2路復(fù)合視頻信號(hào)(CVBS)，紅外CCD攝像頭采集到的圖像以每秒25幀的速度向TVP5150輸出PAL制式的圖像數(shù)據(jù)，TVP5150對(duì)輸入的PAL制式信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為符合ITU—R BT.656標(biāo)準(zhǔn)的8位數(shù)字YCbCr4：2：2信號(hào)。ITU —R BT.656是ITU—R BT.601附件A中的數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)，ITU-R BT.656輸出8位Y：Cb：Cr=4：2：2的數(shù)據(jù)格式，同步信號(hào)內(nèi)嵌于數(shù)據(jù)流中串行輸出，也可以單獨(dú)引腳與數(shù)據(jù)流并行輸出。TVP5150可以輸出8位4：2：2的ITU—R BT.656信號(hào)或8位4：2：2的ITU—R BT.601信號(hào)，這和S3C6410的Camera模塊的輸入信號(hào)格式一致，為視頻格式轉(zhuǎn)換節(jié)省了大量工作，TVP5150解碼器內(nèi)部含有多個(gè)特殊功能寄存器，可被編程使用I2C串行接口，用戶(hù)通過(guò)I2C總線設(shè)置外部視頻解碼芯片TVP5150的內(nèi)部寄存器，從而設(shè)定工作狀態(tài)。TVP5150芯片的原理圖如圖2所示。