（凝聚态物理专业论文）基于ccd的嵌入式视频采集系统设计.pdf

中文摘要 视频监控以其直观、方便、信息内容丰富得到广泛应用。特别是，研究低 成本、低功耗、便携性的嵌入式数字视频监控系统成为目前技术应用研究的重 点。 本论文针对当前视频监控现状，设计了集成度高、低功耗、低成本的基于 c c d 图像传感器的嵌入式视频采集应用平台。主要工作包括： 通过对当前普遍采用的基于c c d 图像传感器的d s p 图像采集系统和基于 c m o s 图像传感器的a r m 9 视频采集系统方案的性能进行对比分析，设计了基 于c c d 图像传感器和a r m 9 s 3 c 2 4 4 0 a 处理器的嵌入式视频采集系统，完成了 系统硬件各电路单元的设计和嵌入式操作系统内核移植、硬件驱动程序的设计。 文中详细介绍了前端视频采集模块和液晶驱动模块。其中，视频采集模块 给出了包括a d 转换芯片t v p 5 1 5 0 和信号放大电路a d 8 0 9 1 的具体电路组成和 参数；h s d 0 7 0 i d w l a 液晶驱动模块给出了包括驱动电源、伽码参考电压电路 和接口电路的组成及参数。应用a r m l i n u x 下图形设备接口函数，实现视频图 像数据在液晶上的实时显示，选择u d p 网络数据传输协议实现视频图像数据传 输。 关键字：a r m 9 ，c c d 图像传感器，a r m l i n u x ，$ 3 c 2 4 4 0 a a b s t r a c t v s s ( v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ) i sw i d e l yu s e d 诵n li n t u i t i v e ，c o n v e n i e n ta n d c o n t e n t - r i c hi n f o r m a t i o n v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mi sa p p l i e df r o ms e c u r i t ys y s t e m t ot h ei n t e l l i g e n th o m es y s t e ma n de v e nt h es p a c ee x p l o r a t i o n w i t hi m p l e m e n to f3 g t e l e c o mn e t w o r k ， p i n ga nc i t y p r o g r a mc a r r i e di n t oe x e c u t i o n , w i d eb a n ds p e e d u p ，v i d e os u r v e i l l a n c es p e c i f i c a t i o ni n t r o d u c e d ，v s si s i nt r a n s i t i o np e r i o df r o m c u r r e n tn u m e r i c a lc o n t r o ls i m u l a t i o ns y s t e m & d i g i t a ls y s t e mm i x e dt od i g i t a ls y s t e m a i m i n ga tt h es t a t u so fv i d e os u r v e i l l a n c ec u r r e n t l y , t h i sd e s i g ne x p l o i t st h e e m b e d d e dv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m 、析n ll l i g hl e v e lo fi n t e g r a t i o n , l o wp o w e ra n d l o w - c o s t ，w h i c hb a s e do na r m l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m t h ep r e v i o u sv i d e oc a p t u r e m o d u l e so ft h i ss y s t e ma d o p tt h ec c di m a g es e n s o rt h a ti sc u r r e n t l ye x t e n s i v eu s eo f s e c u r i t ys y s t e m ，t oe x p a n dt h ea p p l i c a b i l i t yo ft h ed e s i g n f u r t h e rm o r e ，s y s t e mh a sa u n i f i e dc o m m o nm o d u l e sa n dh i g h l ys c a l a b l eb a c a u s eo ft h ee m b e d d e ds m a l l s c a l e h a r d w a r ep l a t f o r m sa n dt h eo p e nd e v e l o p m e n to fs o u r c ec o d eo fl i n u xo p e r a t i n g s y s t e m s ot h i sd e s i g na l s om a k e se x t e n s i v eu s eo ft h ei n t e l l i g e n th o m e ，i n t e l l i g e n t m a c h i n e s ，a u t o m o b i l e s ，a n do t h e rv i s u a lm o n i t o r i n go ft h ed i r e c t i o no fd i g i t a lv i d e o a tt h ef i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y s i s e dt h ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ，r e s e a r c h b a c k g r o u n da n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n d i nv i e wo ft h es t a t u so fv i d e os u r v e i l l a n c e s y s t e m s ，t h es t u d ym e a n i n g a n dp u r p o s ec o m eo u tl a t e r t h ed e s i g nd i s c u s s e d ，i nd e t a i l ， e m b e d d e dv i d e om o n i t o rb a s e do na d v a n c e de m b e d d e dp l a t f o r ma r m 9 s 3 c 2 4 4 0 a ， f r o mt h eb o t t o mo fh a r d w a r ed e s i g n ，i n c l u d i n gt h et v p 515 0v i d e oc o n v e r s i o nc h i p o nt h ef r o n to ft h ev i d e oa c q u i s i t i o nm o d u l ea n d7 - i n c hl c dd r i v e rc i r c u i td e s i g n ， t ot r a n s p l a n ta n dc o m p i l eo fe m b e d d e dc o r e s ，t h ed e s i g no ft h eu n d e r l y i n gd r i v e r sf o r m i d d l e t i e rs y s t e mh a r d w a r em o d u l e ，h o wt oe m b e dt h ed r i v e ri n t ot h ek e r n e l k e yw o r d s ：a r m 9 ，c c di m a g es e n s o r , a r m - l i n u x ，s 3 c 2 4 4 0 a 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 日期：叠! 笸! 笪 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 l 。1 课题研究背景和意义 当今视频监控系统的应用领域越来越广泛，从安防到智能家居系统乃至太空 探索都应用到了视频监控系统，视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛 应用子许多场合 1 2 l 。 中国的安防产业是从2 0 世纪8 0 年代开始起步的，比西方经济发达国家大约 晚2 年。改革开放以前，由于受经济发展的限制，中国的安防主要以入防为主， 安全技术防范还只是一个概念，技术防范产龋几乎还是空蛊。2 0 世纪8 0 年代初， 安防作为一个行业在上海、北京、广州等经济发达城市和地区悄然兴起，尤其是 处在改革开放前沿的深圳，依托本地先进的电予科技优势和褥天独厚的地理位 置，逐渐发展成为全国安防产业的重要基地。中国安防产业的发展已基本成型， 且颇具规模。进入2 l 世纪，安全技术防范产品行业又有了进步的发展，智能 建筑、智能小区建设异军突起，以及高科技电子产品、全数字网络产品的大量涌 现，都极大促进了技防产燕市场蓬勃发展。中国芷在发展成为世界上最庞大的安 全防范产品市场已是不争的事实，“世界工厂”的逐步形成使中国安防行业成为国 民经济新的增长点和新兴的朝阳产业。安防产业网渐成为中国经济建设领域里一 支十分重要的生力军p l 。 视频监控系统是安全防范系统重要的组成部分，它是一种防范能力较强的综 合系统。在安防系统的快速发展的推动下，视频监控系统作为安防系统的“第一 视觉”也从2 0 0 0 年的起步到如今的迅速发展，经历了三个不同时期的发展阶段： 在2 0 0 0 年以前，视频采集主要是以模拟设备为主，含摄像机和磁带录像机 的全模拟电视监控系统，称为第一代模拟监控系统。这一阶段监控系统中基本不 使用视频监控软件。 2 0 0 0 年以后到现在，随着计算祝处理能力的提寓和视频技术的发展，人嚣】 利用计算机的高速数据处理能力进行视频的采集和压缩处理，利用显示器的高分 辨率实现图像的多画丽显示，从而大大提高了图像质量，由于传输依旧采用传统 的模拟视频电缆，所以就叫作第二代半模拟半数字本地视频监控系统。 扶2 0 0 4 年开始，随着网络带宽的提高和成本的降低、硬盘容量的加大和中 心存储成本的降低，以及各种实用视频处理技术的出现，视频监控步入了全数字 他的网络时代，由子它从摄像机或鼷络视频服务器下来就童接进入阏络，以数字 武汉理工大学硕士学位论文 视频的压缩、传输、存储和播放为基础，依靠强大的平台软件实施管理，所以称 之为第三代全网络视频监控管理系统1 4 j 。 随着市场需求的不断变化、网络技术的飞速发展和人们的安全意识逐步提 高，城市乃至全国这样的大型监控联网应用需求越来越多，目前国内正在兴起一 股应用全网络监控系统的热潮，尤其是在机场等大型市政项目，城市的综合治安 管理平台等等。所以大力推广和应用专业监控硬软件是目前监控终端生产商的首 要任务。无论是远程还是本地的大中型监控系统都需要一套完全整合的解决方 案，但是传统的模拟方式和免费的本地监控软件都不能很好的解决大中型监控系 统的问题，如机场监控、银行监控、大型小区、智能大楼、学校，还有一些诸如 边防，基站监控等远程应用1 5 】。 1 2 国内外研究水平和发展趋势 在国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两 类产品。前者技术发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛 应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近崛起的以 计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统因解决了模拟系 统部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展【6 】。 目前，视频监控系统正处在数控模拟系统与数字系统混合应用并将逐渐向数 字系统过渡的阶段。研究低功耗、低成本、便携性的嵌入式数字视频监控系统成 为当今技术开发的重点。 中国视频监控市场在快速发展的过程中，当然也面临相应的挑战： 仍然缺乏统一的具有强制约束力的国家标准。 近年来，由于视频监控系统故障而导致的相关事故频频发生。中国视频监控 系统的相关法律法规尚待完善。虽然政府支持出台了t c l 0 0 等国家标准，但目 前中国市场仍存在国家标准与区域标准并存、不同的厂商联盟标准并存等现象， 并且缺乏有效的项目监管和检测机制。 行业用户具体需求与项目实施之间存在一定的难度。 视频监控系统将进一步深入行业应用的具体需求。然而，在用户对于视频监 控系统期望不断提升的同时，项目实施以及成本控制方面仍然存在一定的问题。 以图像采集为例，用户若采用高清信号，相关视频、网络以及存储设备的直接成 本提升是可以直观计算出的。然而，对应特殊行业用户的需求，如金融核心监控 点的人像识别、身高测量，环保监控点的指标测量等，则难以通过直观方式来计 算成本并且实施难度较大。 2 武汉理工大学硕士学位论文 有挑战必然有机遇，相信随着电信网络的3 g 实现、国家公安部的“平安城 市”计划的实施、宽带网络的提速、视频监控行业规范的出台，中国的视频监控 行业会逐步进入数字化、规范化、合理化的发展平台。随着电子产品的集成度不 断提高，工艺水平的提升，产品的成本和功耗将会逐渐下降，将使得视频监控系 统应用更为广泛。 1 3 研究内容和创新点 以低成本、低功耗而又能获取较丰富的数据为目的，对目前主流的几种图像 采集方案进行对比和研究，得出基于嵌入式a r m9 最小系统的简单图像获取方 案。主要做了以下工作： 先比较目前流行的两种视频监控系统结构的优缺点，提出本设计研究的嵌入 式视频采集硬件平台的系统结构，然后具体分析该结构中部分硬件的具体实现。 重点在前端视频采集模块和液晶驱动模块设计。最后在硬件平台上实现嵌入式操 作系统l i n u x 的移植，并且实现在操作系统下的c c d 摄像头驱动，7 寸l c d 驱 动的加载，最终实现嵌入式视频监控系统功能。在设计过程中保证整个系统的低 功耗、低成本、具有一定的扩展性，并可以广泛运用到安防系统中。 1 4 论文结构 本文主要包括六大部分。其中第一章，绪论。主要介绍嵌入式视频采集系统 的国内外发展形势，提出课题研究目的、意义和主要内容。第二章，系统架构。 介绍了目前基于不同的图像传感器而构建的视频采集系统的硬件，重点通过硬件 系统框图，介绍本课题研究的嵌入式系统中直接加载c c d 摄像头的最简方案。 第三、四、五章是本文的重点：第三章，a r m9 硬件电路设计。主要介绍实现 本课题设计内容的硬件电路构成，包括电源、s d r a m 、n a n df l a s h 、串口、以 太网、l c d 接口电路。第四章，基于c c d 图像传感器的前段视频采集模块和 l c d 驱动电路设计。视频模数转换芯片t v p 5 1 5 0 驱动电路设计；l c d 驱动电路 板的具体设计。系统产品化对p c b 要求的建议。第五章嵌入式视频采集系统的 实现，介绍实现嵌入式视频采集平台实现过程，包括a r m l i n u x 内核加载、摄 像头驱动加载和运用f r a m e b u f f e r 函数实现图像的提取和存储。通过d m a 进行图 像数据传输。说明u d p 协议是符合本设计的视频网络传输协议。第六章，系统 调试小节。包括硬件，软件调试，说明系统整体调试结果。最后一章是对全文的 总结及展望。分析是否有优化的余地，以及对下一步工作的展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章典型视频采集监控系统硬件架构 目前应用在视频监控，特别是用于安防检测系统中的图像采集硬件，对设备 实施性有很高要求。目前市场上有各种各样的方案和成熟技术。在不同的环境条 件下，所应用方向的也不相同，但是它们的系统总体架构都包含图2 1 所示的基 本构成部分7 ，引。 图2 1 视频监控系统基本架构 而目前市场上的安防系统一般按照前端视频传感器不同可以分为：基于 c c d 的图像采集系统和基于c m o s 的图像采集系统，下面分别介绍构建在c c d 图像传感器和c m o s 图像传感器下系统的硬件构成。 2 1 基于c c d 视频监控系统的硬件构成 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 图像传感器p j ，它使用的是一种高感光度的 半导体材料制成，能把光线转换成电荷，只要通过a d 转换器件，就可以获得 完整的数字信号。它最大的优势是具有可见光摄像和视频信号的输出功能，可以 方便的接处理器进行控制，并且能提供高品质的影像数据，所以在第一代和第二 代视频监控系统中广泛运用。但是由于输出的图像数据未经压缩，数据量庞大， 这样就造成处理速度慢，存储器容量很大，从而提高了使用成本、功耗【l0 1 。 下图为第二代视频监控系统中一种典型的系统组成结构： 4 武汉理工大学硕士学位论文 一 厂、 s a d a n a l o gi m a g e s c l s i n e l e r v c c d c o n f i g p a r a m e t e r c p l do ff r g a a n a l o g d i 垂a li m a g e c a m e r a s i n g l eo l i t p m d i g i t a l v p 0 0 7 c o n t r o is i s a a 7 1 1 4 v - s y n c &d s p h - s y n cc o n t r o lo u t p u t 舭呐r 1r s b i t w r i t i n gc o n t r o l d h a l 4 2 2 b f i f ob u f f e r r e a d i n g c o n t r o l 图2 2 使用c c d 进行视频采集的系统组成结构图 图中连接c c d 模拟摄像头的是视频解码芯片s a a 7 1 1 4 1 1 】，可以对4 路输入 的视频模拟信号( c v b s 或2 路s 视频( y c ) 信号) 进行转换，输出格式为8 位“v p o ”总线格式或1 6 位标准的i t u6 5 6 、y u v4 ：2 ：2 格式。它还兼容p a l 、 n t s c 、s e c a m 多种制式，可以在p a l 、n t s c 之间自动切换。可以控制转换后 数字信号的色度、亮度等参数。这些广泛的兼容性，使得其在目前的视频监控系 统应用广泛。 通过逻辑器件c p l d 或者f p g a 编程在转换后的八位数字信号的视频数据 中获取正确的行、场同步信号，用来同步d s p 采集视频信号时序，每一个像素 点的图像数据才能在正确显示出来，从而还原一幅图像。通常情况下视频流的数 据量比较大，需要专门的一片或两片存储芯片( 图中为a l 4 2 2 b ) 来存放大量的 视频数据。主控制器d s p 对图像数据进行读取、分析以及发送控制信号给响应 系统【1 2 1 3 1 4 l ( 该系统为本设计前期版本) 。 系统优缺点： ( 1 ) 优点 武汉理工大学硕士学位论文 各部分系统之间衔接使用的接口相对比较简单、有统一的标准，技术比较成 熟；图像数据传输速度快，d s p 处理便捷，而且能够根据具体需要控制采集的数 据量。 ( 2 ) 缺点 整体系统复杂，使得开发难度比较大，对软件设计要求比较高；c c d 成本 较高，而且传输的图像数据量大，对d s p 的处理能力要求也比较高。高端的d s p 价格相对昂贵。模块间需要时序匹配控制来实现同步，使得结构复杂，变相的增 加了成本。 2 2 基于c m o s 视频监控系统的硬件构成 目前网络视频流行，低成本的c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 图像传感器刚好可以满足网络视频对图像质量要求不高，但要高 速传输的要求，而占有绝大部分市场份额。它和c c d 一样是记录光线变化的半 导体。c m o s 的制造工艺比较简单，因此造价比c c d 图像传感器便宜很多，它 的缺点就是出现杂点的几率很大，很容易受干扰影响。早期设计的c m o s 图像 传感器在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁会产生过热现象。现在 成熟的摄像头产品，都采用后级电路上进行了补偿和优化来避免了这样一类的问 题，使得c m o s 技术的摄像头成品成为网络视频市场主导产品。例如市面上的 u s b 接口的c m o s 摄像头模块，已经集成了图像传感器和a d 转换部分，开发 者只需要从u s b 连接方式下把图像、视频从数据流中截取出来处理就可以得到 完整图像数据。 图2 3 给出了这种架构模式下典型应用的系统框图，如图所示系统整体由三 部分构成：u s b 摄像头部件，a r m9 最小系统和l c d 显示屏【l5 1 。如下图： 图2 3 基于c m o s 的视频采集系统结构 6 武汉理工大学硕士学位论文 其中u s b 摄像头内部已经实现对c m o s 图像传感器输出数据进行了a d 转 换。通过内部m c u 对c m o s 图像传感器中不足的缺陷进行补救与改进，控制 u s b 接口输出图像数据。所以作为主控处理器的a r m ，只需要使用内部的u s b h o s t 驱动接收摄像头数据，就能实现图像采集功能。而系统开发人员只需要正 确加载u s b 驱动就能够让摄像头正常工作，获得完整的或者经压缩过的图像或 视频。 系统优缺点： ( 1 ) 优点 已经集成控制功能的u s b 摄像头模块使得系统整体开发难度变小，开发周 期变短。目前市面上的流行的高端u s b 接口摄像头像素都较高，图像较为清晰， 除了网络视频可以满足部分现场视频采集要求，基于c m o s 的低成本，使得系 统硬件成本也降低。 ( 2 ) 缺点 c m o s 传感器不太优秀的抗干扰性，图像还原性较差，很大程度上制约了这 种系统构成的应用范围。特别是在安防视频监控系统中，u s b 摄像头内置m c u 处理速度有限，从而限制了视频数据流的大小，而且a r m 9 在处理复杂图像处 理算法上远不如d s p 芯片出色，整个系统不适用于恶劣环境或对视频效果要求 高的环境下工作。 2 3 基于$ 3 c 2 4 4 0 a 的视频采集系统硬件构成 i t u rb t 6 01 1 6 5 6 v p 0 0 - 7 a 脚9 图像传 础d 感器 l c a m e r a i a t 百f a c e c a m a r a s v n cs i n 2 1 e 图2 4 基于$ 3 c 2 4 4 0 a 的视频采集系统架构 s i n g l e 在本设计研究过程中视频采集的技术也一步步发展，各大处理器厂家相继推 出功能更强大的处理器芯片。主要分为两大方向：支持更多外围硬件接口的a r m 芯片以及集成d s p 和a r m 功能的处理器芯片。在这种趋势的推动下，图像采 集系统的硬件组成将变得更加简单，所获得的图像数据的质量和处理速度也会大 大提高。以s a m s u n g 公司的a r m9 系列为例，已经推出了带有c a m e r a 接口 7 武汉理工大学硕七学位论文 的$ 3 c 2 4 4 0 a 。完整支持i t u rb t 6 0 1 6 5 6 格式的8 位数字图像输入。处理器 可以通过接口直接对接的其他同标准的视频图像接口，就可以实现a r m 读取图 像数据过程，而不需要通过其他逻辑器件来调整时序接收数据，集成度更高。数 据不再需要封装成某一种通信数据包来传送到处理器，处理器也不需要从繁琐的 数据包中分析提取数据，就可以得到图像以像素点为单位的数据。从而大大减少 了因数据处理和传输所占用的c p u 资源，提高了系统的整体速度。加载c c d 摄 像头以后，完全可以用于高分辨率，实时性强的安防视频监控系统中【1 6 1 。图2 4 给出了这种方式下的系统构成框图。 2 4 本章小节 本章介绍的两种视频采集硬件系统架构，分析了每一种方案的优缺点。针对 当前嵌入式处理芯片已经集成视频接口，推出了加载c c d 图像传感器，基于 $ 3 c 2 4 4 0 a 的嵌入式视频采集硬件平台方案的系统组成结构，并且分析了这种系 统的优越性。下面将进一步具体描述该系统的硬件组成。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第三章视频采集系统硬件电路设计 3 1 嵌入式视频监控系统总体设计 经过对各种视频采集硬件平台的方案对比，从系统简易程度、成本和图像采 集设备获取的难易程度，安防中系统使用条件等综合考虑，使用了c c d 摄像头 作为前端图像采集和转换设备，a r m 9 2 4 4 0 a 为处理芯片的嵌入式视频采集监控 系统。 为了实现嵌入式视频采集系统各个功能，对硬件设计有以下要求： ( 1 ) c p u 工作频率要求大于等于4 0 0 m h z ，可以流畅运行l i n u x 嵌入式操作 系统，支持工作状态( 待机与正常工作) 的切换。 ( 2 ) 处理器需要具有l c d 接口，能够支持8 0 0 x 4 8 0 像素的液晶显示，实时图 像数据能通过l c d 液晶显示屏正常的显示。 ( 3 ) 能通过r s - - 2 3 2 与p c 机的通信，在调试过程中能进行程序的仿真调试。 ( 4 ) 能通过u s b 接e l 实现程序操作系统及文件系统更新。 ( 5 ) 具备大容量视频存取单元，至少有3 2 m 的存储空间。 ( 6 ) 电源模块需具有电源过流、过压、欠压或偶然极性反接保护功能。 ( 7 ) 具有处理实时图像信息的处理器接口。 ( 8 ) 硬件整体功耗低，最后计算出实际工作的功率。 ( 9 ) 在实现其完整功能的基础上，选择最低成本的器件。 系统整体结构图如下所示： 图3 1 嵌入式视频监控系统整体结构框图 9 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 嵌入式视频采集系统硬件结构组成 首先描述嵌入式平台的硬件实现组成。嵌入式系统模块设计定为以三星 $ 3 c 2 4 4 0 a 芯片为核心，与两片3 2 m 的s d r a m 和一片6 4 m 的n a n df l a s h 组 成了最小系统【1 7 】，外部添加必要的外围电路和通信接口电路，可以实现本设计 要求，其结构图如下所示。 图3 2 系统硬件结构图 主控制芯片$ 3 c 2 4 4 0 a 介绍： 三星公司所推出的1 6 3 2 位对s c 微处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 是手持设备和一般低 价格、低功耗、高性能类型设备应用提供的小型微控制器。s 3 c 2 4 4 0 a 采用了 a r m 9 2 0 t 的内核，0 1 3 u r n 的c m o s 标准宏单元和存储器单元，使得其功耗低， 结构简单。这一结构具有独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，每个 都是由具有8 字长的行组成。a r m 9 2 0 t 实现了m m u ，a m b a b u s 和h a r v a r d 高速缓冲体系结构构。为了降低整体系统成本，s 3 c 2 4 4 0 a 提供了一套完整的通 用系统外设，特别适合于对低成本和功率敏感型的应用。 $ 3 c 2 4 4 0 a 集成的以下片上功能： 1 2 v 内核供电，1 8 v 2 5 v 3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部i o 供电，符合低功 耗要求。 l c d 控制器( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f t ) 提供1 通道l c d 专 用d m a 。 内部集成4 通道d m a ，并有外部请求引脚。 3 通道u a r t ，包括i r d a l 0 ，支持6 4 字节发送f i f o 和6 4 字节接受f i f o 。 1 通道i i c b u s 接口( 多主支持) 。 l 通道i i s b u s 音频编解码器接口。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 a c 9 7 解码器接口。 兼容s d 主接口协议1 o 版和m m c 卡协议2 1 l 兼容版。 2 端口u s b 主机l 端口u s b 设备。 4 通道p w m 定时器和1 通道内部定时器看门狗定时器。 8 通道1 0 位a d c 。 触摸屏接口。 具有日历功能的r t c 。 图像接口，最大4 0 9 6 4 0 9 6 像素的投入支持。2 0 4 8 2 0 4 8 像素的投入， 支持缩放。 1 3 0 个通用i o 口和2 4 通道外部中断源。 具有普通、慢速、空闲和掉电模式。 本设计涉及到了以上模块为l c d 控制器( 在2 5 6 k 的t f t 模式下工作) ， 图像接口，一通道u a r t ，一通道i i c ，一通道u s b 外部接口，3 通道d m a 内 部数据传输模块。 3 3 最小系统核心硬件组成 任何的嵌入式操作系统都可以建立在基于主芯片的最小系统上，在最小系统 的基础上扩展外部接口来实现各种操作系统的不同运用。本设计也不例外，以 a r m 处理器为例，最小系统构成模块及其各部分功能如图3 3 所示。 ! 竺块p - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一， 刽。从m 模 ! 竺兰冷、- - - - - - - - - - - - - - - - - a r m 一j t a g 模块眵 ( h 模块? 一u a r t s 激) d i d s t - - v i r t t o b u s ( b u f - d m a _ s t a r t ) v i r tt ob u s 0 是操作系统提供的虚拟地址到物理地址的转换函数， b u f - d m as t a r t 是系统开辟的虚拟地址空间的首地址。 另外由接口原理图可知，$ 3 c 2 4 4 0 a 须向c a m e r a 发送s t a r t 信号启动d m a 操作。所以系统定义g p b 3 作为s t a r t 信号，定义如下： # d e f i n es t a r t ( g p i o _ m o d e _ o u t ig p i o p u l l u p d i sg p i o _ b 3 ) ； 同时在p r o c e s s函数中增加如下代码启动 操作： t 哪 d m a 0 dmawri i o _ b i t ( s t a r t , 1 ) ； s t a r t 引脚置为高电平后立即启动f i f o 的写操作，同时也就启动了d m a 操 作进行数据传输，当d m a 计数器减为0 后发生d m a 中断，并且在中断处理程 序中将s t a r t 位置0 停止f i f o 的写操作。 接口驱动的关键代码： 利用系统提供的d m a 操作函数，接口驱动的设计就比较容易。接口驱动属于 字符设备驱动重点在初始化和r e a d 函数部分。 初始化函数中完成d m a 引脚定义、b a n k 4 总线设置、申请d m a 通道以及 注册字符设备等。r e a d 函数是接1 2 1 驱动的核心。应用程序正是通过调用r e a d ( ) 读 取数据。其核心代码如下： 4 2 武汉理工大学硕士学位论文 f p g a _ b u f _ t b = & f p g a _ b u f ； d m a a d d r t b u r ； b - s i z e = c o u n t ； b u f = - k m a l l o c ( b - s i z e ，g f p _ d m a ) ； s 3 c 2 4 4 0 a d m a _ q u e u e _ b u f f e r ( b - d m a _ c h ，( v o i d 幸) b ，b u l b - s i z e ，d m a _ b u fr d ) ； i f ( c o p y _ t o _ u s e r ( b u f f , b u b - s i z e ) ) r e t u r n - e f a u l t ； k f r e e ( b u f ) ； r e t u mb s i z e , 系统调用r e a d 函数时首先通过k m a l l o e 分配一段虚拟内存空间，并将其指 针和d m a 通道、传输字节数一起通过s 3 c 2 4 4 0 a _ d m a q u e u e _ b u f f e r 0 力n * d m a 队列在队列函数中调用p r o c e s sd m a 0 函数将虚拟地址转换为物理地址并且启动 d m a 操作。d m a 操作完成后退出队列并调用c o p yt o _ u s e r 0 将采集到的数据由 内核空间拷贝到用户空间进行后续操作【3 7 1 。 5 3 2 嵌入式l i n u x 下液晶显示模块驱动设计 本文第四章已经详细说明了液晶模块的硬件连接，在此基础上，本节将详细 描述如何配置a r m 自带的l c d 驱动寄存器，和如何实现l i n u x 下的图像显示。 本设计利用l i n u x 下的通用f r a m eb u f f e r 接口函数实现图像的显示，图像数据的 调用等功能3 引。其结构图如下： 至至亟亟 鲫层 要 内檀 ，、 ，7 e 萤e 驾 匦 一 图5 1 4f r a m eb u f f e r 接口函数示意图 5 3 2 1 硬件底层驱动程序 启动一个$ 3 c 2 4 4 0 a 连接好的l c d 显示，需要正确的配置相关l c d 控制寄 存器。下面举例部分重要寄存器设置。 c l k v a l ：l c d c o n l 1 7 ：8 】用来确定v c l k 速率； 4 3 武汉理工大学硕士学位论文 p n r m o d e ：l c d c o n i t 6 ：5 1 选择显示模式，t f t 屏设定为1 1 ； b p p m o d e ：l c d c o n l 【4 ：l 】选择b p p 模式，t f t 屏设定为l1 0 0 ，1 6 b p p ； l i n e v a l ：l c d c o n 2 1 2 3 ：1 4 】确定t f t 型l c d 面板垂直尺寸； h b p d ：l c d c o n 3 1 2 5 ：1 9 】设置显示时序中的水平后沿，在h s y n c 下 降沿和有效数据启动之间的v c l k 周期数； h f p d ：l c d c o n 3 7 ：0 】 设置显示时序中的水平前沿，在h s y n c 上升沿 和有效数据结束之间的v c l k 周期数； h s p w ：l c d c o n 4 7 ：0 】水平同步脉冲宽度，根据计算的v c l k 数定义 h s y n c 脉冲的高电平宽度； f r m 5 6 5l c d c o n 5 11 】定义1 6 b p p 输出图像数据格式。0 为5 ：5 ：5 ：l ， l 为5 ：6 ：5 格式； l c d b a n kl c d s a d d r l 【2 9 ：2 1 】用于指示视频缓冲区在系统内存中的段地 址。程序举例见附录。 5 3 2 2 定义l c d 控制器结构体 第四章中已经说过，l c d 控制器的功能是传输图像数据并产生相应的控制信 号来驱动l c d 显示器，驱动程序需要根据当前具体显示硬件的特性，通过读写一系 列的l c d 控制寄存器来完成设定显示器分辨率和显示数据的格式，设置控制信号 时序，指定显示缓冲区地址等，从而提供给显示设备合适的数据信号和控制信号。 文中根据需要为$ 3 c 2 4 4 0 a a 的l c d 控制器定义了一个专用结构体【3 9 1 。 s 3 c 2 4 4 0 a f b m a t h i n f o ： s t r u c ts 3 c 2 4 4 0 a f b _ m a c h _ i n f o u _ l o n gp i x c l o c k ；严像素时钟频率 uc h a rb p p ；每像素需要的b i t 数 us h o r tx r e s ；显示器行分辨率 us h o r ty r e s ；显示器列分辨率 uc h a rh s y n c 行同步信号的长度1en； uc h a r v s y n c 帧同步信号的长度1en； uc h a rl e f tm a r g i n ；* 从本行图象数据输出结束到下一行的行同步信号开始 之间的像素时钟数 u c h a rr i g h t _ m a r g i n ；从行同步信号结束到该行的图象数据开始输出之间 的像素时钟数 u c h a ru p p e r m a r g i n ；* 从本帧图象数据输出结束到下一帧的帧同步信号开 始之间的无效行数 u c h a rl o w e r m a r g i n ；从帧同步信号结束到该帧图象数据开始输出之间的 武汉理工大学硕十学位论文 无效行数 u c h a rs y n c ； s t r u c ts 3 c 2 4 4 0 a f b _ l c d _ r e gr e g ；s 3 c 2 4 4 0 a l c d 控制寄存器结构体 ； 驱动程序通过定义一个s 3 c 2 4 4 0 a f br o a c hi n f o 结构变量并给该变量赋值来 完成l c d 控制器的初始化。 5 3 2 3 编写结构体中对应的成员函数 对于本嵌入式系统的实现，需要下列函数： s t a t i cs t r u c tf b _ o p ss 3 c 2 4 4 0 a f b _ o p s = o w n e r ：t h i sm o d u l e ，* t h i sm o d u l e 宏用来防止驱动模块在使用状态下 被卸载 f b _ g e t _ f i x ：s 3 c 2 4 4 0 a f b _ g e t _ f i x ， f b _ g e t _ _ v a r ：s 3 c 2 4 4 0 a f b _ g e t _ v a r , f b s e t v a r ：s 3 c 2 4 4 0 a f b s e t v a r ， f b _ g e t _ c m a p ：s 3 c 2 4 4 0 a f b _ _ g e t _ e m a p ， f b s e tc m a p ：s 3 c 2 4 4 0 a f bs e tc m a p ， ) ； 这些函数都是用来设置和获取驱动层接口t bi n t o 结构体中的成员变量的，前 文已提过当应用程序对设备文件进行i o c t l 操作时会调用它们。对于f b _ g e t _ f i x 0 和 f b _ g e t _ v a r o 应用程序传入的是叫i 怕中的结构变量f i x 和v a t ，f bs e t v a r ( ) 函数则是 对v a t 变量进行设置。同样f b _ g e t _ c m a p o 和f bs e tc m a p ( ) , j 是对结构变f f r c m a p 内容 进行读取和设置。在这5 个函数中，f bs e tv a t ( ) 设置了显示设备的显示模式，是最重 要的一个函数。文中根据需要为当前显示硬件定义一个专有结构体s 3 c 2 4 4 0 a f b i n f o ，该结构体包括一个f bi n f o 结构变量，及其它与所选l c d 硬件有关的所有参数。 因此结构体f bo p s 成员函数对结构体f bi n f o 的操作实际上就是对结构体 s 3 c 2 4 4 0 a f bi n f o 的操作。该结构体定义如下： s t r u c ts 3 c 2 4 4 0 a f b _ i n f o s t r u c tf b i n f oi b ；f bi n f o 结构变量 s i g n e di n tc u r r c o n ；当前终端控制台的序号 ui n tm a x 屏幕能显示的最大行分辨率xres；* u j n tm a x _ _ y r e s ；屏幕能显示的最大列分辨率， s t r u c ts 3 c 2 4 4 0 a f b _ l c d _ r e gr e g ； s 3 c 2 4 4 0 a al c d 控制寄存器 武汉理工大学硕士学位论文 其他与