基于ARM的视频采集系统的设计与实现

I基于 ARM 的视频采集系统的设计与实现摘 要本文根据家庭视频采集系统的要求，提出一种基于 ARM 的网络视频采集方案。方案要求视频的实时传输、实时监控。本系统以 Intel Xscale 芯片和嵌入式Linux 系统为平台，在平台中搭建网络视频服务器，并以它为中介，负责将USB 摄像头采集到得视频数据传输到网络服务器中，最后发送到申请监控的远程 PC 机中，远程 PC 只需在网页中便能实时的看到监控端的视频图像。论文首先阐述了嵌入式网络视频采集技术的发展、现状和前景，然后介绍了嵌入式硬件系统结构和嵌入式 Linux 操作系统的特点，阐述了嵌入式硬件整体结构，使大家大体的完整的对系统硬件有详细的了解，实际记录了嵌入式操作系统内核的编译和移植，介绍了 Bootloader 的基本原理和启动过程，实现了视频采集程序的编译和移植，研究了嵌入式一般驱动程序的使用。随后，本文详细描述了视频采集程序的整体结构框图和具体功能代码块、网络通信编程技术、图像编解码、嵌入式视频服。关键词：ARM；嵌入式；Linux；视频采集11目 录摘 要 .I第 1 章 引言 .11.1 课题的背景和来源 .11.2 本文的内容及主要工作 .3第 2 章 嵌入式 ARM 系统硬件结构简介 .32.1 视频监控系统结构简介 .32.2 ARM 处理器简介 .32.3 XSCALE 体系结构 .42.4 主要硬件电路说明 .7第 3 章 嵌入式 ARM 系统软件结构 .93.1 LINUX 操作系统简介 .93.2 交叉编译环境的建立 .103.3 嵌入式 LINUX 操作系统移植 .113.3.1 BootLorder 移植 .113.3.2 Linux 内核移植 .123.3.3 嵌入式文件系统 .133.4 LINUX 下的程序调试 .14第 4 章 USB 设备驱动程序设计 .154.1 设备驱动程序简介 .154.2 LINUX 下驱动程序的实现 .184.3 USB 摄像头驱动程序设计 .201第 5 章 视频采集功能 的设计 .235.1 基于 V4L 的编程 .245.1.1 摄像头相关数据结构 .245.1.2 摄像头基本功能实现 .255.1.3 视频数据采集 .295.2 图像编解码 .325.2.1 编解码介绍 .325.2.2 系统压缩技术 .331第 1 章 引言1.1 课题的背景和来源二十一世纪的网络化、数字化让人们的生活每天都发生着翻天覆地的变化，获取信息的方便和快捷可以使人们在信息化的今天领先一步创造出巨大的利益，而获取信息的重要途径就是眼睛。据统计，人类采集信息的 80%来自视觉。图像和视频是对客观事物生动、形象的描述，是一种最直观的表现方式。而视频监控技术因为它方便快捷、生动形象、信息丰富等特点日益受到人们的青睐，并在各行各业得到广泛的应用。与此同时，现代网络和数字技术的快速发展也为视频监控技术的发展奠定了坚实的基础。二十一世纪，嵌入式技术、多媒体处理技术进一步发展，为视频监控系统的发展提供了新的出路嵌入式视频监控系统。嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可以剪裁，具有高稳定、低成本、功耗低、速度快、实时好的专用计算机系统，它由嵌入式微处理器，配以周边硬件设备，接口电路组成。嵌入式系统内部使用嵌入式操作系统，安装专用的功能软件。嵌入式技术把硬件和软件集于一体，独立工作。嵌入式视频监控系统比其他视频采集系统在布局区域范围上要广泛；由于使用 IP 技术，嵌入式视频监控技术比其他视频采集系统更具紧密的结合度，能够充分利用现代网络技术的成果，并能构成复杂的视频监控网络；性能上，嵌入式视频采集系统继承了嵌入式技术的优点，非常适合自动化的环境。因此，嵌入式视频采集技术正在我国快速的发展，积极的研究会加强我们在这方面技术的学习，也会为视频监控技术的发展贡献力量。1.2 本文的内容及主要工作根据毕业设计的初衷，我们需要设计基于 ARM 的网络视频采集系统。在监控系统中，视频采集、传输、播放的功能不是由专门视频处理芯片完成，而是由软件实现。2论文首先介绍了嵌入式 ARM 系统的硬件结构和软件结构，方便大家熟悉ARM 和 Linux 系统，包括嵌入式设备的硬件结构，逻辑框图和 Linux 的基本操作、安装方法；第二，研究了嵌入式的一些驱动程序，主要是摄像头驱动程序V4L，系统中选用的摄像头芯片中星微 301；第三，研究了视频监控的具体流程和实现方式，让大家在总体上对整个系统有一个大概的认知。本次设计的目的只有一个，就是实现视频的实时监控。围绕它，不管是硬件结构还是软件流程，都需要学习和研究，不断调试，决不放弃。总之，论文的内容都是围绕如何建立一个视频采集系统。无论是从哪个方面，我们都是为这个目标而努力。3第 2 章 嵌入式 ARM 系统硬件结构简介2.1 视频监控系统结构简介网络视频监控系统是基于嵌入式技术设计的。嵌入式并没有统一的定义，但目前有一个广泛而又被认可的规范：将软件产品固化到硬件平台上，完成应有的功能既是嵌入式。基于嵌入式 ARM 技术的视频监控系统服务器端采用摄像头不断的采集图像，压缩成视频流，然后通过网络发送到申请监控的客户端。监控系统的使用者可以在远程实现网页上的实时监控和一些简单的功能操作。系统整体结构如图 2.1所示 1。C P U 单元I n t e l X s c a l eL C D J T A GS D R A M F L A S H以太网控制器摄像头Z C 3 0 1远程 P C 客户端图 2.1 系统整体结构图该系统中 CPU 采用基于 ARM 的 PXA270 微处理器，通过在其上运行Linux 操作系统，执行 Boa 视频服务器，接受并处理来自摄像头的图像信号，通过以太网控制器发送至远端，实现视频数据的远程传输和接受，达到视频监控的目的 2。2.2 ARM 处理器简介ARM，既是一个公司的名字，也是对一类微处理器的通称。ARM 嵌入式微处理器是全球领先的 16/32 位 RISK 处理器芯片知识产权设计供应商4ARM（AdvancedRISKMachines）公司的产品。ARM 公司本身不直接从事芯片生产，而是依靠转让设计许可，由合作公司生产各具特色的芯片。ARM 处理器以其完整的体系结构，极小的体积、极低的功耗、极低的成本、极高的性能，及时根据嵌入对象的不同进行功能上的扩展的优势，在众多种类的嵌入式微处理器中脱颖而出。基于 ARM 技术的微处理器应用占据了 32 位RISC 微处理器 75%以上的市场份额， ARM 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。采用 RISC 架构的 ARM 微处理器一般具有如下特点：(1) 采用固定长度的指令格式，指令规整、简单、基本寻址方式有 23 种；(2) 使用单周期指令，便于流水线操作执行；(3) 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，以提高指令的执行效率；(4)所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率；(5)可用加载/ 存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率；(6)可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理；(7)在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。目前，ARM 处理器有 ARM7、ARM9 、ARM9E、 ARM10、ARM10E 、SecurCore、StrongARM 和 XScale 等系列。每个系列除了具有 ARM 体系结构的共同特点以外，都有各自的特点和应用领域。2.3 XScale 体系结构Xscale 核是采用 ARM V5TE 架构的处理器，是 Intel 公司的 StrongARM 的升级换代产品，它具有高性能、低功耗等特点，并在流水线设计、DSP 处理和指令设计中有很大改进 3。ARM 的体系结构是基于 RISK 的，XScale 是 ARM处理器的一种，所以 XScale 具有 RISK 的基本特性。而且针对嵌入式系统，XScale 构架还引入了 Pentium 处理器工艺和系统结构技术，实现了 Pentium 微处理器体系结构的一系列高性能技术，达到了高性能、低功耗和小体积等嵌入5式系统要求的特性。它的特点有：超流水线、高主频、存储体系、分支预测和指令集体系结构。本设计采用的就是基于英特尔 Xscale 构架的一种 32 位嵌入式处理器，它除了应用于掌上电脑之中外，还可以应用于智能手机、网络存储设备、骨干网路由器等电子设备。PXA27x 系列处理器是英特尔当前最新推出的嵌入式处理器。它的时钟频率从 312 到 624MHz 不等，并内建 64MB 的堆栈型 Intel StrataFlash 内存。内置了英特尔的无线 MMX 技术，能够显著提升多媒体性能。OURS-PXA270-EP 是一款基于 INTEL XSCALE PXA270 处理器，针对高效嵌入式系统教学和实验科研的平台。这款设备主要包括核心板与底版两个部分，核心板主要集成了高速的 PXA270 CPU，配套的存储器，网卡等设备；底版主要是各种类型的接口与扩展口。核心板（8 层 PCB 电路）系统包括：CPU： INTEL PXA270(520M),支持 GDB 调试；SDRAM: 64M 工作在 104M 外频上；FLASH: 32M INTEL Nor FLASH;Net: 10/100M Ethernet controller (LAN91C111);SUPERIO: WINBOND 83977;CPLD: XILINX 95144 (117USER IO);总线驱动器： 若干；核心板正面如图 2.2 所示，核心板背面如图 2.3 所示。6C P UC P L DS D R A ML D Od r vF L A S HF L A S Hd r v d r v d r vd r vd r v图 2.2 核心板正面图E t h e r n e tS D R A MS u p e r I