基于ARM嵌入式視頻采集處理系統(tǒng)設(shè)計

劉竹林

（十堰職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，湖北十堰442000）

隨著嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展和視頻圖像處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，各種嵌入式芯片如DSP、ARM、SOC等被廣泛應(yīng)用于數(shù)碼、安防、交通信號采集等領(lǐng)域。此外，射頻技術(shù)日益成熟，采用射頻技術(shù)進(jìn)行無線通信設(shè)計為短距離無線數(shù)據(jù)傳輸提供了較好的解決辦法，是開發(fā)低成本、低功耗的無線通信應(yīng)用系統(tǒng)的較好選擇。本文通過對系統(tǒng)的深入的分析和理解，將嵌入式技術(shù)、視頻采集處理技術(shù)和射頻技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一種基于ARM7芯片的嵌入式的移動視頻采集處理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以LPC2210為控制核心，通過CMOS攝像頭采集的模擬視頻信號首先通過SAA7113H轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的YUV4：2：2格式數(shù)字信號；然后由GO7007SB進(jìn)行MPEG－4壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)被GO7007SB的HPI控制器送往HPI接口的數(shù)據(jù)緩沖器中；最后LPC2210從HPI接口讀取數(shù)據(jù)，并通過NewMsg－RF1100模塊進(jìn)行傳輸。嵌入式的視頻采集處理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 視頻采集處理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 總線接口電路

IIC總線上掛接的器件是視頻轉(zhuǎn)換芯片—SAA7113H，LPC2210的P0.2和P0.3引腳分別連接SAA7113H的SCL和SDA引腳。LPC2210作為主機，SAA7113H作為從機，由LPC2210產(chǎn)生起始和停止信號，向SAA7113H發(fā)送命令，控制芯片工作。配置如圖2所示。

圖2 IIC總線配置

HPI（Host－Post Interface）接口是主機與視頻壓縮模塊相連接的一個并行通信口，是構(gòu)建主從式系統(tǒng)，實現(xiàn)主機與從機通信的重要接口。

由于視頻壓縮后的數(shù)據(jù)量仍然很大，而且需要更快捷的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，為了解決速度這個瓶頸問題，本系統(tǒng)利用LPC2210配置打印機并口與外設(shè)進(jìn)行通信。主機通過HPI可以訪問視頻壓縮芯片內(nèi)全部的存儲空間及地址空間映射的外設(shè)，進(jìn)而控制壓縮芯片，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。通過配置LPC2210的I／O口形成HPI通信接口，工作方式為HPI16，即復(fù)用的數(shù)據(jù)和地址總線為16位。LPC2210配置HPI接口方式如圖3所示。WR、RD和ALE分別為總線方式的寫、讀和鎖存位，INT為外部中斷位，壓縮模塊壓縮完一幀圖像后，通過INT引腳產(chǎn)生中斷，通知LPC2210讀取數(shù)據(jù)，LPC210通過HPI接口可訪問GO7007SB的內(nèi)部RAM。

圖3 HPI總線配置方式

1.2 存儲器電路

為了本系統(tǒng)的正常運行，在設(shè)計中配置了一塊16位、2MByte的Nor Flash芯片SST39VF160作為系統(tǒng)啟動ROM存儲器。存儲器連接使用了16位總線方式，根據(jù)LPC2210芯片的說明，對于16位數(shù)據(jù)總線其地址線從A1開始。因此，本文中FLASH的地址總線［A19～A0］與LPC2210的地址總線［A20～A1］相連。16位數(shù)據(jù)總線［DQ15～DQ0］與LPC2210低16位數(shù)據(jù)總線［D0～D15］相連。而將Bank1的選通信號CS1接至FLASH的／CE端。／OE端接至LPC2210的nOE端；／WE端接至LPC2210的nWE端。連線如圖4所示。

圖4 SST39VF160存儲系統(tǒng)電路圖

系統(tǒng)主存使用一種高速CMOS動態(tài)隨機存取存儲器MT45W4M16，該芯片是一個4Megx16位的64MB器件，含有低功耗SRAM或偽SRAM的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)異步接口。MT45W4M16與LPC2210的Bank0連接，SDRAM由片選信號CS0選通，其LB和UB分別與LPC2210的BLS0和BLS1相連。MT45W4M16被放置在空間Bank0（0x80000000－0x807FFFFF）。如圖5所示。

圖5 MT45W4M16存儲系統(tǒng)電路圖

1.3 視頻采集處理電路

視頻采集模塊由CMOS感光元件、視頻A／D轉(zhuǎn)換芯片等部分組成。為了簡化設(shè)計和降低成本，系統(tǒng)選用了CMOS模擬攝像頭和視頻轉(zhuǎn)換芯片SAA7113H來搭建出視頻采集系統(tǒng)的硬件電路。視頻采集處理電路能將模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的YUV4：2：2格式數(shù)字視頻信號，通過VPO接口傳送到GO7007SB［1］并進(jìn)行MPEG－4壓縮，極大的方便圖像的傳輸利用。視頻采集處理模塊電路示意圖如圖6所示。

圖6 視頻采集壓縮模塊電路示意圖

1.4 視頻傳輸模塊電路

視頻傳輸電路是本系統(tǒng)的主要部分之一，該模塊把壓縮后的視頻數(shù)據(jù)以無線的形式傳輸給終端，是視頻處理系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)。無線傳輸部分主要由LPC2210和NewMsg－RF1100模塊構(gòu)成。其中NewMsg－RF1100是基于CC1100芯片的射頻傳輸模塊，通過對其寄存器的配置，能夠滿足不同的數(shù)據(jù)傳輸要求，可以很方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。模塊電路示意圖如圖7所示。

圖7 無線傳輸模塊電路示意圖

2 軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

軟件系統(tǒng)設(shè)計主要包括嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS－Ⅱ在ARM上的移植和在此操作系統(tǒng)下的編程。深入研究μC／OS－Ⅱ的任務(wù)調(diào)度機制以及認(rèn)真規(guī)劃采集處理系統(tǒng)的工作流程后根據(jù)視頻采集處理系統(tǒng)的特點，本系統(tǒng)設(shè)計了兩個主要任務(wù)，分別是“啟動任務(wù)”和“數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)”。視頻采集處理系統(tǒng)通過μC／OS－II操作系統(tǒng)對這些任務(wù)的調(diào)度來實現(xiàn)［2］。軟件總體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)啟動后，操作系統(tǒng)將調(diào)用啟動任務(wù)，進(jìn)行IIC、SPI、定時器和相關(guān)中斷的初始化，發(fā)送命令到視頻采集模塊和視頻壓縮模塊，使其開始工作，同時創(chuàng)建郵箱，創(chuàng)建數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)。啟動任務(wù)的優(yōu)先級級別比數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)低。啟動任務(wù)運行后，操作系統(tǒng)將調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)。視頻數(shù)據(jù)的采集由行同步、場同步和點時鐘控制，采集的數(shù)據(jù)在時鐘控制下自動送往視頻壓縮模塊。壓縮的圖像數(shù)據(jù)被送往數(shù)據(jù)緩沖器中，當(dāng)緩沖器滿時，HPI產(chǎn)生緩沖器滿中斷通知ARM讀取此數(shù)據(jù)，中斷服務(wù)子程序讀取數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給郵箱，使數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)就緒，讀取郵箱數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

2.1 軟件系統(tǒng)的整體工作流程

ARM上電復(fù)位后，首先執(zhí)行的FLASH中的啟動代碼部分，對其內(nèi)部寄存器和外圍設(shè)備等進(jìn)行初始。在初始化完成后，程序?qū)⑦M(jìn)入main（）函數(shù)，初始化相關(guān)硬件，比如時鐘、IIC總線、SPI總線等。然后，初始化μC／OS－II操作系統(tǒng)，接著創(chuàng)建任務(wù)間通信的郵箱、信號量等全局變量和創(chuàng)建任務(wù)。最后，啟動操作系統(tǒng)，進(jìn)入μC／OS－II多任務(wù)調(diào)度環(huán)境，開始運行優(yōu)先級最高的處理任務(wù)。整體流程見圖9。

圖9 軟件系統(tǒng)的整體工作流程圖

2.2 啟動任務(wù)設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計了兩個主要任務(wù)，分別是“啟動任務(wù)（TaskStart（））”和“數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)（TaskSend（））”，數(shù)據(jù)的讀取由中斷服務(wù)子程序完成。這兩個任務(wù)中數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)的優(yōu)先級高于啟動任務(wù)。

啟動任務(wù)主要用來初始化定時器、相關(guān)中斷和所用的各總線控制器；初始化SAA7113H、GO7007SB和NewMsg－RF1100模塊；并且創(chuàng)建郵箱和數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)。然后等待HPI中斷。

主模式IIC的數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖如圖10。

圖10 IIC主發(fā)送模式程序流程圖

2.3 數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)

數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)為調(diào)用OSMboxPend（）函數(shù)請求郵箱中的消息，如果郵箱中有消息，則該任務(wù)處于就緒狀態(tài)，將從郵箱中取出消息，并調(diào)用函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完畢后該任務(wù)掛起。任務(wù)流程圖如下：

圖11 數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)流程圖

3 結(jié)語

本文以高性能處理器LPC2210為核心，構(gòu)建了一種集視頻采集、壓縮和傳輸為一體的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，可用于中短距離的無線監(jiān)控、機器人視覺、醫(yī)療內(nèi)窺鏡等多個領(lǐng)域。該系統(tǒng)的軟件是基于μC／OS－Ⅱ的多任務(wù)應(yīng)用，這里只實現(xiàn)了多任務(wù)切換，需在基于μC／OS－Ⅱ的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、消息隊列的使用和文件系統(tǒng)實現(xiàn)方面作進(jìn)一步的研究，使通信更加合理；并且在低功耗實現(xiàn)上需作進(jìn)一步研究。

［1］范學(xué)海，胡 佼，金煒東.基于GO7007SB的嵌入式MPEG－4遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng) ［J］.黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2005（2）：126－128.

［2］晨 風(fēng).嵌入式實時多任務(wù)軟件開發(fā)基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004：9.